一种厌氧发酵工艺钝化生物有效态重金属控制系统及方法与流程

本发明属于废弃物处理技术领域，尤其涉及一种厌氧发酵工艺钝化生物有效态重金属控制系统及方法。

背景技术：

目前，在集约化养殖中，为了促进猪的生长以及防治各类疾病，普遍在饲料中加入各类高含量重金属添加剂。其中cu、zn的添加量常常达到猪正常生理需求的20～40倍，其中绝大部分重金属不能被动物吸收，这些重金属会随猪粪和尿排出体外，未经严格处理的重金属超标畜禽粪便作为肥料种植果蔬，会严重危害人体健康，也不利农业经济长久发展。目前针对畜禽粪便中重金属的钝化方法主要有：化学酸化法是通过向畜禽粪便中投加硫酸、硝酸等酸性化学物质，降低ph从而将重金属转化为离子态溶出，但处理后仍需大量水和石灰来中和，易造成二次污染；电化学法是将电极插入粪便中，通入直流电，通过电子迁移将重金属离子富集到电极两端继而降低重金属含量，对于不溶态重金属需改变其形态再去除；固化法是将粪便与水泥等固化剂掺在一起，通过固化剂的吸附等作用使重金属转化成低溶解性形态从而降低危害，但并不能从根本上降低重金属的含量且耗费大量物资；添加重金属钝化剂钝化种类有限，且成本高，不易于推广。目前暂无便利方法实现对禽畜粪便中生物有效态重金属含量的降低，影响肥料的施用。

综上所述，现有技术存在的问题及缺陷是：目前暂无便利方法实现对禽畜粪便中生物有效态重金属含量的降低，影响肥料的施用。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种厌氧发酵工艺钝化生物有效态重金属控制系统及方法。

本发明是这样实现的，一种厌氧发酵工艺钝化生物有效态重金属控制方法，所述厌氧发酵工艺钝化生物有效态重金属的控制方法包括：

步骤一，按比例称取动物粪便、稻草秸秆、粉煤灰、四氧化三铁、海泡石以及混合菌剂；原料比例为猪粪55％，稻草秸秆15％，甘蔗叶10％，粉煤灰6％，四氧化三铁3％，海泡石5％，生物炭3％，混合菌剂3％。

步骤二，利用干燥装置干燥稻草秸秆；同时利用干燥装置干燥动物粪便的含水量为80％；利用纯水溶解四氧化三铁，得四氧化三铁溶液。

步骤三，选取玉米芯用自来水和纯净水洗净，在60～80℃干燥10～12h，处理成1cm*1cm为原料；将玉米芯原料置于150ml带盖坩埚中，在马弗炉中以500～700℃缺氧碳化1～2h，待热解结束后冷却至室温备用，生物炭制备完成。

步骤四，稻草秸秆在水解池中采用沼液回流曝气处理至含水量＜20％后，将动物粪便、稻草秸秆、粉煤灰、海泡石、混合菌剂、生物炭以及四氧化三铁溶液依次置于搅拌机中进行混合，得混合物。

步骤五，向恒温厌氧发酵罐中通入氮气5～8min后，将步骤四得到的混合物通过进料口放入恒温厌氧发酵罐中，置于150～200r/min，26～27℃摇床中振荡2～4h后，进行厌氧发酵。

步骤六，利用压力检测装置确定发酵罐的密封状态；同时利用温度控制系统中的温度传感器实时获取厌氧发酵罐的当前温度，并判断发酵罐的温度是否达到预设温度；所述预设温度为35～38℃。

步骤七，若未达到预设温度则通过温度调节单元利用升温装置将所述厌氧发酵罐的发酵温度升至预设温度；若已达到预设温度，则不进行任何操作。

步骤八，通过温度控制系统中的温度控制电路获取所述温度传感器的温度，并控制所述温度调节单元；所述温度控制电路分别与所述温度传感器和所述温度调节单元连接。

步骤九，通过温度调节单元根据所述预设温度和所述当前温度值，计算温度误差测量值，确定在所述厌氧发酵罐中的温度变化速率；基于所确定的温度变化速率，设置可变误差阈值，并将所述可变误差阈值设置为预设值。

步骤十，在厌氧发酵过程中利用超声震荡装置每天对厌氧发酵罐超声震荡三次；利用沼气收集设备进行沼气收集，同时利用在线监测设备进行实时监测。

步骤十一，通过气体监测装置的检测模组检测厌氧发酵罐中的气体浓度数据，通过控制模组接收并处理所述气体浓度数据以获得气体浓度信息，并通过传输模组接收并传输所述气体浓度信息。

步骤十二，通过气体监测装置的监控单元接收所述气体浓度信息并根据所述气体浓度信息作安全判断，当气体监测装置检测无气体产生时，发酵结束。

步骤十三，发酵结束后，残余物依靠重力经过管路进入到残余物处理设备中，然后再经过管路输送到脱水设备中进行脱水处理，通过控制器控制脱水设备的进料速度与厌氧发酵罐出料速度达到平衡，将残余物中的有机质以及氮、磷、钾进行回收使用。

进一步，步骤一中，所述动物粪便为猪粪、牛粪、羊粪、鸡粪及其他动物粪便中的一种或多种组合物。

进一步，步骤一中，所述混合菌为乳酸菌、光合菌、酸化菌、产甲烷菌、产氢产乙酸菌、产氢产酸菌、氨化细菌中的其中两种或多种混合物。

进一步，步骤四中，所述沼液回流曝气处理为：稻秆粉碎粒径至＜30mm，曝气温度为35～37℃，曝气开闭时间为15～20min，曝气风量为150～170nm³空气/h，压力为500～700mbar。

进一步，步骤四中，所述沼液回流曝气处理每小时搅拌5～8min，搅拌速度为20～25rpm，曝气处理10～12小时。

进一步，步骤十三中，所述残余物处理设备内设置有液位检测装置，通过液位检测装置检测进入到残余物处理设备的物料高度，当物料高度低于设定液位高度时，打开出料阀，当物料高度达到设定液位高度时，启动脱水设备，并通过调节手动阀来使得脱水设备的进料速度与厌氧发酵罐出料速度达到平衡。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的厌氧发酵工艺钝化生物有效态重金属控制方法的厌氧发酵工艺钝化生物有效态重金属控制系统，所述厌氧发酵工艺钝化生物有效态重金属控制系统设置有：

原料称取模块，与中央控制模块连接，用于按比例称取原材料；

原料预处理模块，与中央控制模块连接，用于对动物粪便、秸秆以及四氧化三铁进行预处理；

混合模块，与中央控制模块连接，用于利用混合搅拌装置将原料混合均匀；

充气模块，与中央控制模块连接，用于向发酵装置中通入氮气；

气密性检测模块，与中央控制模块连接，用于利用压力检测装置确定发酵罐的密封状态；

温度检测模块，与中央控制模块连接，用于利用温度传感器实时监测发酵罐的温度；

中央控制模块，与原料称取模块、原料预处理模块、混合模块、充气模块、气密性检测模块、温度检测模块、温度调节模块、厌氧发酵模块、超声模块、沼气收集模块、残余物处理模块、监测模块、显示模块连接；用于判断发酵罐的温度是否达到预设温度；同时用于通过单片机控制各个模块正常工作；

温度调节模块，与中央控制模块连接，用于利用升温装置将发酵温度升至预设温度；

厌氧发酵模块，与中央控制模块连接，用于通过发酵程序对原料进行厌氧发酵；

超声模块，与中央控制模块连接，用于对发酵罐进行超声震荡；

沼气收集模块，与中央控制模块连接，用于通过收集设备收集发酵产生的沼气；

残余物处理模块，与中央控制模块连接，用于通过处理设备对残余物进行处理回收；

监测模块，与中央控制模块连接，用于通过在线监测设备进行发酵监测和数据采集；

显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器对发酵信息进行显示。

进一步，所述在线监测设备包括：ph测定仪、氧化还原电位监测仪、挥发性脂肪酸监测仪、氨氮浓度监测仪以及气体监测装置。

本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的厌氧发酵工艺钝化生物有效态重金属控制方法。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的厌氧发酵工艺钝化生物有效态重金属控制方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通过固体吸附材料进行初步的重金属钝化，然后通过厌氧发酵起到二次重金属钝化作用，使重金属存在形态发生转变，降低重金属的生物有效态含量；通过设定发酵的温度，强化厌氧发酵过程中重金属钝化工艺，对畜禽粪便资源化利用的快速发展具有重要的推动作用。本发明通过采集所述气体监测装置所处厌氧发酵罐中的气体浓度数据，处理获取气体浓度信息，将所述气体浓度信息通过所述传输模组无线传输至监控系统；监控系统通过所述气体浓度信息作安全判断，实现对配电房的远程安全情况监测。

附图说明

图1是本发明实施例提供的厌氧发酵工艺钝化生物有效态重金属控制方法流程图。

图2是本发明实施例提供的厌氧发酵工艺钝化生物有效态重金属控制系统结构框图；

图中：1、原料称取模块；2、原料预处理模块；3、混合模块；4、充气模块；5、气密性检测模块；6、温度检测模块；7、中央控制模块；8、温度调节模块；9、厌氧发酵模块；10、超声模块；11、沼气收集模块；12、残余物处理模块；13、监测模块；14、显示模块。

图3是本发明实施例提供的不同处理对总产气量的影响示意图。

图4是本发明实施例提供的不同处理对甲烷含量的影响示意图。

图5是本发明实施例提供的不同处理对有效态重金属zn钝化效果示意图。

图6是本发明实施例提供的不同处理对有效态重金属cr、as钝化效果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种厌氧发酵工艺钝化生物有效态重金属控制系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的厌氧发酵工艺钝化生物有效态重金属控制方法包括以下步骤：

s101，按比例称取动物粪便、稻草秸秆、粉煤灰、四氧化三铁、海泡石以及混合菌剂；原料比例为猪粪55％，稻草秸秆15％，甘蔗叶10％，粉煤灰6％，四氧化三铁3％，海泡石5％，生物炭3％，混合菌剂3％。

s102，利用干燥装置干燥稻草秸秆；同时利用干燥装置干燥动物粪便的含水量为80％；利用纯水溶解四氧化三铁，得四氧化三铁溶液。

s103，选取玉米芯用自来水和纯净水洗净，在60～80℃干燥10～12h，处理成1cm*1cm为原料；将玉米芯原料置于150ml带盖坩埚中，在马弗炉中以500～700℃缺氧碳化1～2h，待热解结束后冷却至室温备用，生物炭制备完成。

s104，稻草秸秆在水解池中采用沼液回流曝气处理至含水量＜20％后，将动物粪便、稻草秸秆、粉煤灰、海泡石、混合菌剂、生物炭以及四氧化三铁溶液依次置于搅拌机中进行混合，得混合物。

s105，向恒温厌氧发酵罐中通入氮气5～8min后，将步骤四得到的混合物通过进料口放入恒温厌氧发酵罐中，置于150～200r/min，26～27℃摇床中振荡2～4h后，进行厌氧发酵。

s106，利用压力检测装置确定发酵罐的密封状态；同时利用温度控制系统中的温度传感器实时获取厌氧发酵罐的当前温度，并判断发酵罐的温度是否达到预设温度；所述预设温度为35～38℃。

s107，若未达到预设温度则通过温度调节单元利用升温装置将所述厌氧发酵罐的发酵温度升至预设温度；若已达到预设温度，则不进行任何操作。

s108，通过温度控制系统中的温度控制电路获取所述温度传感器的温度，并控制所述温度调节单元；所述温度控制电路分别与所述温度传感器和所述温度调节单元连接。

s109，通过温度调节单元根据所述预设温度和所述当前温度值，计算温度误差测量值，确定在所述厌氧发酵罐中的温度变化速率；基于所确定的温度变化速率，设置可变误差阈值，并将所述可变误差阈值设置为预设值。

s110，在厌氧发酵过程中利用超声震荡装置每天对厌氧发酵罐超声震荡三次；利用沼气收集设备进行沼气收集，同时利用在线监测设备进行实时监测。

s111，通过气体监测装置的检测模组检测厌氧发酵罐中的气体浓度数据，通过控制模组接收并处理所述气体浓度数据以获得气体浓度信息，并通过传输模组接收并传输所述气体浓度信息。

s112，通过气体监测装置的监控单元接收所述气体浓度信息并根据所述气体浓度信息作安全判断，当气体监测装置检测无气体产生时，发酵结束。

s113，发酵结束后，残余物依靠重力经过管路进入到残余物处理设备中，然后再经过管路输送到脱水设备中进行脱水处理，通过控制器控制脱水设备的进料速度与厌氧发酵罐出料速度达到平衡，将残余物中的有机质以及氮、磷、钾进行回收使用。

本发明实施例提供的步骤s101中，所述动物粪便为猪粪、牛粪、羊粪、鸡粪及其他动物粪便中的一种或多种组合物。

本发明实施例提供的步骤s101中，所述混合菌为乳酸菌、光合菌、酸化菌、产甲烷菌、产氢产乙酸菌、产氢产酸菌、氨化细菌中的其中两种或多种混合物。

本发明实施例提供的步骤s104中，所述沼液回流曝气处理为：稻秆粉碎粒径至＜30mm，曝气温度为35～37℃，曝气开闭时间为15～20min，曝气风量为150～170nm³空气/h，压力为500～700mbar。

本发明实施例提供的步骤s104中，所述沼液回流曝气处理每小时搅拌5～8min，搅拌速度为20～25rpm，曝气处理10～12小时。

本发明实施例提供的步骤s113中，所述残余物处理设备内设置有液位检测装置，通过液位检测装置检测进入到残余物处理设备的物料高度，当物料高度低于设定液位高度时，打开出料阀，当物料高度达到设定液位高度时，启动脱水设备，并通过调节手动阀来使得脱水设备的进料速度与厌氧发酵罐出料速度达到平衡。

如图2所示，本发明实施例提供的厌氧发酵工艺钝化生物有效态重金属控制系统设置有：

原料称取模块1，与中央控制模块7连接，用于按比例称取原材料。

原料预处理模块2，与中央控制模块7连接，用于对动物粪便、秸秆以及四氧化三铁进行预处理。

混合模块3，与中央控制模块7连接，用于利用混合搅拌装置将原料混合均匀。

充气模块4，与中央控制模块7连接，用于向发酵装置中通入氮气。

气密性检测模块5，与中央控制模块7连接，用于利用压力检测装置确定发酵罐的密封状态。

温度检测模块6，与中央控制模块7连接，用于利用温度传感器实时监测发酵罐的温度。

中央控制模块7，与原料称取模块1、原料预处理模块2、混合模块3、充气模块4、气密性检测模块5、温度检测模块6、温度调节模块8、厌氧发酵模块9、超声模块10、沼气收集模块11、残余物处理模块12、监测模块13、显示模块14连接；用于判断发酵罐的温度是否达到预设温度；同时用于通过单片机控制各个模块正常工作。

温度调节模块8，与中央控制模块7连接，用于利用升温装置将发酵温度升至预设温度。

厌氧发酵模块9，与中央控制模块7连接，用于通过发酵程序对原料进行厌氧发酵。

超声模块10，与中央控制模块7连接，用于对发酵罐进行超声震荡。

沼气收集模块11，与中央控制模块7连接，用于通过收集设备收集发酵产生的沼气。

残余物处理模块12，与中央控制模块7连接，用于通过处理设备对残余物进行处理回收。

监测模块13，与中央控制模块7连接，用于通过在线监测设备进行发酵监测和数据采集。

显示模块14，与中央控制模块7连接，用于通过显示器对发酵信息进行显示。

本发明实施例提供的在线监测设备包括：ph测定仪、氧化还原电位监测仪、挥发性脂肪酸监测仪、氨氮浓度监测仪以及气体监测装置。

下面结合实验对本发明的技术效果做进一步说明：

1、试验材料准备

猪粪(新鲜猪粪)取自同一生猪养殖场，甘蔗叶于周边农户田间收集粉碎备用，发酵接种物取自单位自建沼气基地。

2、试验方法

猪粪中ts：采用重量法测定；猪粪中vs：采用重量法测定；猪粪中有机质：重铬酸钾加热法测定；产气量：采用体积法测定；甲烷含量：采用biogass便携式沼气分析仪测定；ph值：采用电位法测定；重金属含量：采用icp法测定；重金属形态：采用bcr顺序提取法测定。

3、试验设计方案

不同调理剂和不同原料配比对猪粪厌氧发酵过程中生物有效态重金属的钝化规律研究。

3.1对甲烷产气量的影响实验

以猪粪55％，稻草秸秆15％，甘蔗叶10％，粉煤灰6％，四氧化三铁3％，海泡石8％，混合菌剂3％的比例设置发酵试验，同时设置空白对照组；每组3个重复。将原材料混合，用单位自有的40l恒温小发酵罐和发酵监测系统进行中温(35-38℃)厌氧发酵，分别于发酵0、10、15、20、25、30天进行取样检测，用bcr顺序提取法和icp法测定原料初始及发酵过程中重金属含量及形态分布，并记录产气量，甲烷含量等指标。以生物有效态重金属含量和产气量为指标，筛选较优的调理剂和添加配比。

3.2研究不同发酵温度对猪粪厌氧发酵过程中生物有效态cr、zn、as钝化的作用规律。

根据研究内容筛选出的较优调理剂和添加配比，进行不同温度的猪粪厌氧发酵试验，设置30℃、35-38℃、40℃三个梯度，每组三个重复，同样进行40l的小罐发酵试验，于发酵0、10、15、20、25、30天进行取样检测，用bcr顺序提取法和icp法测定原料初始及发酵过程中重金属含量及形态分布，并记录产气量，甲烷含量等指标。以生物有效态重金属含量和产气量为指标，筛选较优发酵温度。

3.3不同厌氧发酵工艺与生物有效态重金属钝化的相关性分析

根据系统的数据测定，分析不同发酵工艺参数对生物有效态重金属的钝化规律，利用逐步回归分析方法，分析其相关性。

本发明技术方案的申报单位是广东省最早开展养殖废弃物、农业废弃物混合沼气利用研究的单位之一，先后承担科技部、农业部、国家重点研发计划项目、广东省、海南省等科研项目20多项，掌握了甘蔗叶所产沼气甲烷含量可达65％以上，菠萝叶渣和香蕉茎秆渣所产沼气甲烷含量可达60％以上，木薯渣所产沼气甲烷含量可达到70％，这些农业秸秆资源都是极好的沼气发酵原料的理论，现已形成了一套稳定可行的厌氧发酵产沼气的工艺技术。在该工艺条件下，对其发酵的残余物进行了肥效分析和重金属检测，发酵残余物中有机质含量53.69％，全氮2.29％，有效氮1407.02mg/kg，速效磷34486.1mg/kg，速效钾15042.3mg/kg，ph8.42，它的重金属含量分别为砷0.1mg/kg，汞0.0205mg/kg，铅17.2mg/kg，铬6.3mg/kg，镉0.1mg/kg，五项重金属含量均低于国家现行有效标准，安全无害，有机质含量高，是优质的有机肥原料。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。