一种基于自供电设计的电堆肥系统及方法
技术领域
本发明涉及堆肥技术领域，尤其涉及一种基于自供电设计的电堆肥系统及方法。
背景技术
有机固体废物是一类含有大量碳、氢等元素的有机类物质，随着经济的快速发展，其产生量呈爆发式增长，已成为社会公众关注的焦点问题。有机固体废物是一种污染废弃物，同时也是一种潜在的资源。好氧堆肥技术是有机固体废物资源化利用的有效技术，具有成本低、运行操作简单、处理得到的后续产品可作为有机肥二次利用等优点；该技术在有机固体废物的治理和资源化利用中得到广泛应用。
好氧堆肥的基本原理是在有氧的条件下，好氧微生物通过自身的生命活动把一部分有机物氧化成简单的无机物，并释放出热量；同时把另一部分有机物转化合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体，而未能降解的残留有机物部分转化为腐殖质，最终将有机废物被矿质化和腐殖化；利用所产生的高温来杀死原材料中的病菌、虫卵和杂草种子，达到无害化的目的。
在传统好氧堆肥工艺中，普遍存在堆体温度低、堆肥周期长、病原微生物杀灭不彻底、腐熟效果差(发酵后续产品质量差)等缺点。而且，高温好氧发酵过程需要大量并且长时间的曝气，同时由于氧气难溶于水，所以大部分氧气未经微生物利用又直接挥发损失，从而导致大量曝气为无效曝气，这就增加了能耗成本、臭气扩散以及氨氮的损失，因而制约堆肥化技术的推广应用。前期研究发现：在堆体中施加直流电场，即可提高堆肥温度、加速堆肥腐熟、削减温室气体(氧化亚氮)排放、缩短堆肥的周期。但是施加直流电场需要化学工作站及电源输入，产生的热量未能有效利用，给现场应用带来极大的不便。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种基于自供电设计的电堆肥系统及方法。该系统利用自供电模块为堆体中的电极提供直流电源，促使电子、离子、电荷快速移动，从而提高氧气利用率，提高堆肥温度、缩短堆肥周期、加速堆肥腐熟以及消减氧化亚氮排放。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于自供电设计的电堆肥系统，包括：堆肥反应器、自供电模块、正极片、负极片及曝气管，所述自供电模块的输出端正负极分别连接正极片和负极片，所述自供电模块、所述正极片及所述负极片放置在堆体内，所述自供电模块包括温差发电片、集热片及空心管，所述集热片及所述空心管位于所述温差发电片的两面，所述曝气管的出气口在所述堆肥反应器内，所述曝气管的入气口在所述堆肥反应器外。
优选地，所述自供电模块还包括隔离管，所述空心管嵌套在所述隔离管外部。
优选地，所述自供电模块还包括稳压转换模块，所述温差发电片的输出端正负极分别连接所述稳压转换模块的输入端正负极，所述稳压转换模块的输出端正负极分别连接所述正极片和所述负极片。
优选地，所述温差发电片为若干个，当所述温差发电片大于或等于2个时，所述温差发电片串联连接。
优选地，所述空心管为通风管或通水管。
优选地，所述集热片为导热材料，包括铜及铝合金。
优选地，所述隔离管为非导热材料，包括塑料。
优选地，还包括保温层，所述保温层设置在所述堆肥反应器的外侧。
优选地，还包括曝气泵，所述曝气管连接所述曝气泵，所述曝气泵连接外电源或连接所述自供电模块的输出端。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于自供电设计的电堆肥方法，包括以下步骤：
将有机固废物和膨松剂混合，加水搅拌均匀，得到堆肥原料；
将所述堆肥原料放入所述的系统中进行堆肥。
实施本发明实施例包括以下有益效果：系统将自供电模块放在堆肥反应器的堆体中，利用温差发电片在堆体产生的热量下发电，为堆体的电极提供直流电源，在堆体内形成电场，从而促使电子、离子、电荷流动，提高氧气利用率，进而加速堆肥腐熟，缩短堆肥周期，并且可以消减氧化亚氮排放。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于自供电设计的电堆肥系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种自供电模块的立体结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种自供电模块的横截面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
一种基于自供电设计的电堆肥系统，包括：堆肥反应器、自供电模块、正极片、负极片及曝气管，所述自供电模块的输出端正负极分别连接正极片和负极片，所述自供电模块、所述正极片及所述负极片放置在堆体内，所述自供电模块包括温差发电片、集热片及空心管，所述集热片及所述空心管位于所述温差发电片的两面，所述曝气管的出气口在所述堆肥反应器内，所述曝气管的入气口在所述堆肥反应器外。
优选地，所述自供电模块还包括隔离管，所述空心管嵌套在所述隔离管外部。隔离管进一步隔离空心管与堆体的接触，从而避免堆体的高温引起发电片冷面的温度升高。
优选地，所述自供电模块还包括稳压转换模块，所述温差发电片的输出端正负极分别连接所述稳压转换模块的输入端正负极，所述稳压转换模块的输出端正负极分别连接所述正极片和所述负极片。稳压转换模块使输出的电压变化在恒定范围内，便于后续的应用。
优选地，所述温差发电片为若干个，当所述温差发电片大于或等于2个时，所述温差发电片串联连接。温差发电片的数量越多，串联后的电压越大。
优选地，所述空心管为通风管或通水管。由于发电片的热面在加热的同时，也会导致冷面的升温，因此为了保持冷面的低温，在空心管中通风或通水，目的是降低和保持温差发电片冷面的低温。
优选地，所述集热片为导热材料，包括铜及铝合金。
优先地，所述隔离管为非导热材料，包括塑料及木质材料等。
优选地，系统还包括保温层，所述保温层设置在所述堆肥反应器的外侧。保温层防止堆肥反应器温度的散失，维持堆体的温度。
优选地，系统还包括曝气管，所述曝气管连接所述曝气泵，所述曝气泵连接外电源或连接所述自供电模块的输出端。曝气泵进一步提高氧气含量，使堆肥效果更好。
具体地，如图1所示，堆肥反应器1内设置有自供电模块4、正极片2及负极片3，自供电模块4的正负极分别连接正极片2及负极片3，保温层5设置在堆肥反应器1的外侧，曝气管6的出口在堆肥反应器1的内部，曝气管1的入口在堆肥反应器1外部。
如图2及图3所示，自供电模块4包括温差发电片42、集热片41、稳压转换模块45、空心管43及隔离管44，空心管43表面依次层叠设置有温差发电片42及集热片41，所述温差发电片42的输出端连接稳压转换模块45的输入端，所述空心管43嵌套在所述隔离管44的外部。自供电模块4的集热片41、温差发电片42、空心管43及隔离管44都置于堆肥反应器内部且被堆肥颗粒覆盖。集热片41间隔排列后再安装在温差发电片42的一端，目的是收集堆体的热量，提高发电片热面的温度，从而进一步提高温差发电片热面和冷面的温度差。
自供电模块的发电原理为：温差热发电技术是一种利用高、低温热源之间的温差，将两种不同类型的热电转换材料N型和P型半导体结合，并将一端置于高温状态中，另一端开路置于低温状态中，由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度也比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差；如果将许多对P型和N型热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压，形成一个温差电池。自供电模块采用集热片吸收堆体的热量，发电片的冷面与通水管粘结在一起，通水管材质为铜、铝合金等，通以自来水或空气，用于保持冷面的低温；在通水管的外部嵌套一个塑料隔离管，使得通水管与堆体隔离，防止堆体的温度影响到通水管，从而使温差发电片形成温度差发电。稳压转换模块采用直流-直流转换模块，目的使得输出电压恒定，同时也可以根据不同的需要，选用相应的匹配功率。稳压模块输出可与堆体内的正负极连接，或与曝气泵连接为堆体进行曝气。所述通水管也可以用通气管实现。
实施本发明实施例包括以下有益效果：系统将自供电模块放在堆肥反应器的堆体中，利用温差发电片及堆体产生的热量发电，给堆体内的电极供电，形成直流电场，促使电子、离子、电荷移动，提高氧气利用率，从而加速堆肥腐熟，缩短堆肥周期，并且可以消减氧化亚氮排放。
一种基于自供电设计的电堆肥方法，所述方法包括以下步骤：
S1、将有机固废物和膨松剂混合，加水搅拌均匀，得到堆肥原料；
S2、将所述堆肥原料放入所述的系统中进行堆肥。
具体地，有机固废物包括城镇污泥、禽类粪便、农作物秸秆、生活垃圾等等。
实施本发明实施例包括以下有益效果：系统将自供电模块放在堆肥反应器的堆体中，利用温差发电片及堆体产生的热量发电，给堆体内的电极供电，形成直流电场，促使电子、离子、电荷移动，提高氧气利用率，从而加速堆肥腐熟，缩短堆肥周期，并且可以消减氧化亚氮排放。
实施例1：
1)堆肥反应器的设计：
采用方形堆肥反应器：总有效体积约70L，长40cm，宽30cm，高80cm。材质为高密度聚苯乙烯泡沫板，厚度5cm。在反应器的长度方向各放置一块不锈钢板，作为正负极，规格为40*50cm。在堆肥反应器的中部，放置一个自供电模块，充分利用堆体产生的热量发电，然后给正负电极进行供电；同时，也给小型的曝气泵进行供电曝气。在桶内设置在线温度计进行实时记录堆肥的温度变化。
2)自供电模块设计：
温差发电片采用型号为TGM-199-2.0-1.2的发电片，共12片；利用导热硅胶将发电片的加热面粘结在集热片，该集热片长40cm，宽5cm，高5cm，材质为铝合金；发电片的冷面通过导热硅胶粘结在一个铝制的方形管表面，管中通自来水，流速为0.2～1.5L/min；隔离塑料管采用直径为60cm的PVC管加工而成。稳压转换模块采用型号为XW-0936的DC-DC的转换模块，输入为6-32V，输出为6V。
3)堆肥原料及其配比：
以鸡粪为堆肥主料，稻壳为辅料，配比为4:3。将上述原料和配料搅拌均匀，使其含水率为65％；连接直流电源，进行好氧堆肥。
4)运行参数：
室温下堆肥：采用小型的曝气泵进行曝气，曝气流量为1.0L/h。
实施例2：
1)堆肥反应器的设计：
采用方形堆肥反应器：总有效体积约70L，长40cm，宽30cm，高80cm。材质为高密度聚苯乙烯泡沫板，厚度5cm。在反应器的长度方向各放置一块不锈钢板，作为正负极，规格为40*50cm。在堆肥反应器的中部，放置一个自供电模块为正负电极进行供电，同时，也给小型的曝气泵进行供电曝气。同时，在桶内设置在线温度计进行实时记录堆肥的温度变化。
2)自供电模块设计：
温差发电片采用型号为TGM-172-2.0-1.2的发电片，共10片；利用导热硅胶将发电片的加热面粘结在集热片，该集热片长40cm，宽5cm，高5cm，材质为铝合金；发电片的冷面通过导热硅胶粘结在一个铝制的方形管表面，管中通自来水，流速为0.2～1.5L/min；隔离塑料管采用直径为60cm的PVC管加工而成。稳压转换模块采用型号为XW-0936的DC-DC的转换模块，输入为6-32V，输出为6V。
3)堆肥原料及其配比：
以鸡粪为堆肥主料，稻壳为辅料，配比为4:3。将上述原料和配料搅拌均匀，使其含水率为65％；连接直流电源，进行好氧堆肥。
4)运行参数：
室温下堆肥：采用小型的曝气泵进行曝气，曝气泵采用外部电源供电，曝气流量为1.0L/h。
实施例3：
1)堆肥反应器的设计：
采用圆柱形堆肥反应器：总有效体积约100L，直径50cm，高80cm。材质为塑料，厚度1cm。在反应器的四周放置一块不锈钢板，作为正极；在堆体的中心放置一根铝制棒作为负极。在堆肥反应器的中部，放置一个自供电模块为正负电极进行供电，同时，也给小型的曝气泵进行供电曝气。同时，在桶内设置在线温度计进行实时记录堆肥的温度变化。
2)自供电模块设计：
温差发电片共设置两组，一组采用型号为TGM-199-2.0-1.2的发电片，共10片，给正负电极供电；第二组采用型号为TGM-199-2.0-1.2的发电片，共20片，给小型曝气泵供电；利用导热硅胶将发电片的加热面粘结在集热片上，该集热片长40cm，宽5cm，高5cm，材质为铝合金；发电片的冷面通过导热硅胶粘结在一个铝制的方形管表面，管中通自来水，流速为0.2～1.5L/min；隔离塑料管采用直径为60cm的PVC管加工而成。稳压转换模块采用型号为XW-0936的DC-DC的转换模块，输入为6-32V，输出为6V。
3)堆肥原料及其配比：
以鸡粪为堆肥主料，稻壳为辅料，配比为4:3。将上述原料和配料搅拌均匀，使其含水率为65％；连接直流电源，进行好氧堆肥。
4)运行参数：
室温下堆肥：采用小型的曝气泵进行曝气，电源由自供电模块供给。
对比例1：
不设置温差自供电模块和电极，采用常规好氧堆肥，除了电极及其电源装置外，其余均取与实施例1相同的装置及堆肥原料进行常规好氧堆肥处理。
对比例2：
不设置温差自供电模块和电极，采用常规好氧堆肥，除了电极及其电源装置外，其余均取与实施例2相同的装置及堆肥原料进行常规好氧堆肥处理。
对比例3：
不设置温差自供电模块和电极，采用常规好氧堆肥，曝气泵的电源由市政用电供应，其余均取与实施例3相同的堆肥原料进行普通的堆肥处理。
堆肥效果：
1、实施例1和对比例1的堆肥效果
从实施例的结果可知，在高温期(温度大于45度)，自供电模块输出电压可稳定在6V，可给电极板进行供电，在电场辅助好氧堆肥处理样品中，其最高温度为68.3℃，比常规好氧堆肥温度51.2℃高17.1。这说明电场辅助好氧堆肥，可进一步通过提高堆肥的温度，加速堆肥的腐熟，减少堆肥周期等。
同时，通过验证种子发芽率指数对以上两种方法堆肥所得的产品进行了测试。常规好氧堆肥的产品种子发芽率指数GI为91％；电场辅助好氧堆肥的产品种子发芽率指数GI为123％，较常规好氧堆肥产品的提高了32％。这说明自供电方法结合电场辅助好氧堆肥工艺可充分利用堆体产生的热量，给电极板提供电源，同时可显著提高堆肥的种子发芽率。
2、实施例2和对比例2的堆肥效果
从结果可知，在高温期，自供电模块输出电压可稳定在6V，可给电极板进行供电，在电场辅助好氧堆肥处理样品中，其最高温度为60.1℃，普通堆肥温度为51.2℃，电场辅助好氧堆肥温度比常规好氧堆肥温度要提高8.9℃。常规好氧堆肥的产品种子发芽率指数GI为91％；电场辅助好氧堆肥的产品种子发芽率指数GI为109％，较普通方法堆肥产品的提高了18％。
3、实施例3和对比例3的堆肥效果
电场辅助好氧堆肥的最高温度为69.5℃，常规好氧堆肥温度为64.7℃，采用自供电曝气的电场辅助好氧堆肥温度比常规堆肥温度要提高4.8℃。常规好氧堆肥的产品种子发芽率指数GI为94％；电场辅助好氧堆肥的产品种子发芽率指数GI为102％，较常规好氧堆肥产品的提高了6％。
从以上实施案例可以看出，自供电的电场辅助好氧堆肥工艺的温度均比常规好氧堆肥的温度要高。这些结果表明结合温差发电技术的电场辅助好氧堆肥工艺可充分利用自身产生的热量给电极板和小型曝气泵供电，可快速提高堆肥温度，缩短堆肥的周期同时提高堆肥的腐熟度和节约成本。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
