沼液滴灌過濾技術(shù)及設(shè)備集成研究

張 青，栗方亮，孔慶波

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，福州 350013)

近年來(lái)，我國(guó)沼氣在技術(shù)水平和規(guī)模上取得了舉世矚目的成就。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2006年底，我國(guó)已建成的戶用沼氣池總數(shù)已超過2200多萬(wàn)個(gè)?！笆晃濉逼陂g，到2010年，農(nóng)村戶用沼氣的發(fā)展規(guī)模達(dá)到4000萬(wàn)戶[1]。隨著沼氣技術(shù)的發(fā)展，大中型沼氣工程開始成為養(yǎng)殖場(chǎng)的必備糞污處理措施，在處理糞污的過程中產(chǎn)生了大量的沼渣和沼液，無(wú)法得到處理，如果隨意排放不僅造成二次污染還浪費(fèi)資源[2]。沼液中含有大量的養(yǎng)分，其中，總氮含量為1500～3170 mg·kg-1，總磷含量為28.6～71.5 mg·kg-1，總鉀含量為476～1220 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量為0.07～0.40 mg·kg-1[3]。

沼液[4-6]物相分布不均勻，在靜置情況下自然分層：上層為糊狀，由固液兩相組成，而以懸浮固相為主；中層以混合均勻的固液兩相組成，而以液相為主；下層由以固相為主，液相為輔的固液兩相組成[7]。將沼液中的養(yǎng)分通過滴灌系統(tǒng)利用是目前研究者比較關(guān)注的方向，但大規(guī)模的應(yīng)用目前還鮮有報(bào)道，最主要的原因可能還是沼液過濾難題。由于沼氣發(fā)酵殘留物中含有部分粘稠狀的沼渣、渣液，常規(guī)過濾器很容易堵塞不易清洗，容易引起設(shè)備故障甚至報(bào)廢，給大規(guī)模的施用，特別是在滴灌中的應(yīng)用帶來(lái)較大困難[8]。

鑒于此，文章通過沼液沼渣養(yǎng)分分析，設(shè)計(jì)其工藝流程，采用分級(jí)過濾實(shí)現(xiàn)固液分離，并使稀液通過120目過濾網(wǎng)，達(dá)到可滴灌的效果，最后進(jìn)行設(shè)備的自動(dòng)化沖洗。該研究為沼液的進(jìn)一步大規(guī)模應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 沼液沼渣養(yǎng)分分析

分析的樣本是漳州市平和縣的文峰與南勝、小溪養(yǎng)豬場(chǎng)的沼氣工程中的沼液和沼渣，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《復(fù)混肥料(復(fù)合肥料)》(GB 15063-2001)對(duì)這3個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)產(chǎn)生的沼液沼渣的養(yǎng)分進(jìn)行檢測(cè)后得出的結(jié)果如表1所示[2]。

從表1可以看出，沼液沼渣中含有大量的養(yǎng)分，總體上，沼渣的養(yǎng)分比沼液的豐富，經(jīng)固液分離后，沼液可用于滴灌，沼渣可以用于生產(chǎn)有機(jī)肥料。

2 工藝流程及控制流程

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案為：未經(jīng)固液分離的沼液由一臺(tái)抽污粉碎泵抽至過濾槽1，經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后，大固體沉淀，小固體及液體進(jìn)入過濾槽2。經(jīng)過過濾槽2的濾網(wǎng)過濾后，較大固體繼續(xù)沉淀，細(xì)小固體及液體進(jìn)入過濾槽3。過濾槽3與儲(chǔ)液槽相連，經(jīng)過濾槽3中濾網(wǎng)過濾后的液體進(jìn)入儲(chǔ)液槽儲(chǔ)存。當(dāng)過濾槽3的水位過高，則會(huì)啟動(dòng)3號(hào)抽污粉碎泵將過濾槽3的固體抽到過濾槽2重新過濾，若過濾槽2的水位過高，則會(huì)啟動(dòng)2號(hào)抽污粉碎泵將過濾槽2的固體抽到過濾槽1重新過濾，若過濾槽1的水位過高，則會(huì)啟動(dòng)固體分離機(jī)，對(duì)過濾槽1的固體進(jìn)行固液分離脫水，為加工固體有機(jī)肥打下基礎(chǔ)。系統(tǒng)的工藝流程圖如圖1所示。

智能過濾系統(tǒng)的控制流程為：

(1)開啟系統(tǒng)，啟動(dòng)1號(hào)抽污粉碎泵。

(2)判斷各個(gè)過濾槽的液位：首先判斷過濾槽1的液位，若過濾槽1的液位過高，則關(guān)閉1號(hào)抽污粉碎泵，啟動(dòng)固液分離機(jī)，否則對(duì)過濾槽2的液位進(jìn)行判斷。若過濾槽2的液位過高，則關(guān)閉1號(hào)抽污粉碎泵，啟動(dòng)2號(hào)抽污粉碎泵，否則對(duì)過濾槽3的液位進(jìn)行判斷。若過濾槽3的液位過高，則關(guān)閉1號(hào)抽污粉碎泵，啟動(dòng)3號(hào)抽污粉碎泵，否則返回繼續(xù)新的一輪液位監(jiān)控。

(3)濾網(wǎng)的清洗：這里以過濾槽1為例進(jìn)行說明。過濾槽1液位過高，關(guān)閉1號(hào)抽污粉碎泵，開啟固液分離機(jī)，使液位降低。當(dāng)液位降到30%時(shí)，關(guān)閉固液分離機(jī)，開啟1號(hào)沖洗管電磁閥門和1號(hào)清洗刷子對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行沖洗。

智能過濾系統(tǒng)的總體流程圖如圖2所示。

1．啟動(dòng)按鍵；2.過濾槽1的30%水位信號(hào)；3.過濾槽1的75%水位信號(hào)；4.過濾槽2的30%水位信號(hào)；5.過濾槽2的70%水位信號(hào)；6.過濾槽3的30%水位信號(hào)；7.過濾槽3的70%水位信號(hào)；8.1號(hào)清洗刷子啟動(dòng)時(shí)間X；9.2號(hào)清洗刷子啟動(dòng)時(shí)間Y；10.3號(hào)清洗刷子啟動(dòng)時(shí)間Z；11.1號(hào)抽污粉碎泵；12.固液分離機(jī)；13.過濾槽1分離管電磁閥門；14.1號(hào)沖洗管電磁閥門；15.2號(hào)沖洗管電磁閥門；16.3號(hào)沖洗管電磁閥門；17.2號(hào)抽污粉碎泵；18.3號(hào)抽污粉碎泵；19.1號(hào)清洗刷子；20.2號(hào)清洗刷子；21.3號(hào)清洗刷子圖2 智能過濾系統(tǒng)的總體流程圖

3 設(shè)備結(jié)構(gòu)及組成

3.1 過濾槽

過濾槽采用201材質(zhì)的不銹鋼，厚度2 mm，規(guī)格為長(zhǎng)3.6 m，寬1.2 m，高2.5 m，按長(zhǎng)度平均分成3部分，中間有不銹鋼隔板，隔板上留有半徑為2 m，圓心角為30°的扇形口裝過濾鋼網(wǎng)，該口上窄下寬，其過濾鋼網(wǎng)采用的材質(zhì)為304不銹鋼。過濾槽1采用的是20目的過濾網(wǎng)，過濾槽2采用的是60目的過濾網(wǎng)，過濾槽3采用的是120目的過濾網(wǎng)。每個(gè)過濾網(wǎng)配有一套清洗設(shè)備，清洗設(shè)備由清洗刷子、噴水頭和電磁閥組成。在過濾槽3后接有長(zhǎng)0.8 m，寬1.2 m，高2.5 m，的儲(chǔ)液槽，儲(chǔ)液槽采用的是PT材質(zhì)的塑料桶，厚度70 mm。

3.2 抽污粉碎泵

抽污粉碎泵是一種泵與電機(jī)連體，并同時(shí)潛入液下工作的泵類產(chǎn)品，與一般臥式泵或立式污水泵相比，結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、安裝維修方便。采用的型號(hào)是QW50-18-30-3，其主要參數(shù)如下。工作電壓：380V；流量：18 m3·h-1；揚(yáng)程：30 m；轉(zhuǎn)速：2880 r·min-1；功率：3 kW；口徑：50 mm。

3.3 固液分離機(jī)

固體分離機(jī)采用的型號(hào)是THG-280，其主要參數(shù)如下。工作電壓：380 V；功率：5.5 kW；轉(zhuǎn)速：1450 r·min-1；效率：20 m3·h-1。該型號(hào)固體分離機(jī)用設(shè)備配套的無(wú)堵塞液下泵將沼液抽送至固體分離機(jī)內(nèi)，再由絞龍將沼液逐漸推向機(jī)器的前方，同時(shí)不斷提高機(jī)器前緣的壓力，迫使物料中的水分在邊壓帶濾的作用下擠出網(wǎng)篩，流出排水管。

3.4 其他設(shè)備

液位開關(guān)采用的是連桿浮球液位開關(guān)，連桿浮球液位開關(guān)的工作原理是浮球在一定范圍內(nèi)上下浮動(dòng)，利用浮球內(nèi)的磁性系統(tǒng)透過本體管去觸發(fā)磁簧開關(guān)的閉合或斷開，以產(chǎn)生開關(guān)動(dòng)作，達(dá)到控制液位的目的。

電磁閥的工作電壓選用220 V，可以直接接在市電上使用，不必再設(shè)計(jì)額外的電源模塊。因?yàn)檎託庵泻幸兹家妆瑲怏w，故選用的電磁閥還需具有防爆功能。

4 系統(tǒng)采用智能化控制與人工控制的成本對(duì)比

智能化過濾系統(tǒng)與傳統(tǒng)過濾系統(tǒng)的對(duì)比結(jié)果表明(見表3)，智能化過濾系統(tǒng)與傳統(tǒng)過濾系統(tǒng)年運(yùn)行成本分別為23120.00元·m-3與26600.00元·m-3，智能化過濾系統(tǒng)年要節(jié)省3480元·m-3。雖然智能化過濾系統(tǒng)比傳統(tǒng)的過濾工程建設(shè)多支出了12600元，但是智能化過濾系統(tǒng)5年運(yùn)行費(fèi)用為70000元，較傳統(tǒng)過濾系統(tǒng)節(jié)省30000元，實(shí)現(xiàn)了過濾系統(tǒng)自動(dòng)化工藝，不需要工人值守，而傳統(tǒng)的過濾系統(tǒng)由于過濾物需專人清理，勞動(dòng)成本大，說明智能化過濾系統(tǒng)降低了部分勞動(dòng)成本和場(chǎng)地租賃費(fèi)。從兩種沼液過濾系統(tǒng)的5年運(yùn)行的運(yùn)營(yíng)和建設(shè)成本看，采用智能化過濾系統(tǒng)更符合項(xiàng)目建設(shè)的成本效益原則。

表2 安裝智能化過濾系統(tǒng)項(xiàng)目及總價(jià)

表3 沼液過濾工程項(xiàng)目成本比較

5 總結(jié)

本文重點(diǎn)研究了設(shè)施農(nóng)業(yè)中沼液滴灌過濾技術(shù)及設(shè)備的智能設(shè)計(jì)問題。根據(jù)沼液過濾困難，沼渣容易堵塞過濾器的特性，智能過濾系統(tǒng)采用了分級(jí)過濾策略；利用沼液液位監(jiān)測(cè)，智能控制固液分離機(jī)，實(shí)現(xiàn)沼液粘稠分離，沼液過濾通過120目，滿足滴灌要求；使用配套清洗刷子和噴水閥，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖洗功能。在給定使用環(huán)境的情況下，簡(jiǎn)化了沼液過濾的固液分離過程，建立了可操作性強(qiáng)的智能過濾系統(tǒng)模型，為沼液沼渣分離進(jìn)一步提供了理論依據(jù)。結(jié)果表明，本裝置相比傳統(tǒng)過濾系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)合理，對(duì)減輕環(huán)境污染，提高養(yǎng)殖業(yè)到種植業(yè)的養(yǎng)分循環(huán)，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有重要意義。