一种太阳能辅助加热堆肥发酵系统及方法

本发明涉及有机废弃物处理及资源化利用，尤其涉及一种太阳能辅助加热堆肥发酵系统及方法，主要适用于农作物秸秆、园林废弃物、畜禽粪便等有机物的好氧堆肥处理。

背景技术：

1、好氧堆肥是目前处理农作物秸秆、畜禽粪便等有机固体废弃物的主要技术手段之一。其基本原理是在有氧条件下，利用微生物的代谢活动分解有机物，同时释放热量，使堆体温度升高，从而杀灭病原菌和寄生虫卵，最终生成稳定的腐殖质产物，可作为有机肥料或土壤改良剂使用。堆肥过程中的温度是决定发酵效率和产品质量的关键因素之一。

2、然而，传统堆肥技术在实际应用中仍存在以下不足：

3、其一，发酵周期受环境温度影响显著。在北方地区秋冬季或低温阴雨天气条件下，环境温度较低，堆体初始升温缓慢，微生物活性受到抑制，导致堆肥启动困难、发酵周期大幅延长，严重制约了堆肥设施的全年运行效率。

4、其二，堆体温度调控手段单一。现有堆肥设施大多仅依靠物料自身分解产热维持堆温，缺乏有效的外部辅助加热措施。当堆体体积较小或碳氮比不适宜时，自身产热量不足以维持中高温发酵阶段所需的温度条件（50℃~70℃），导致腐熟度不达标。

5、其三，传统外部加热方式能耗高、不环保。部分堆肥设施采用电加热或燃煤锅炉作为辅助热源，运行成本高昂且消耗化石能源，产生额外碳排放，与堆肥技术本身的低碳环保初衷相悖。

6、其四，供氧与温度控制缺乏协同。现有堆肥系统往往将曝气供氧和温度控制作为独立操作单元，缺少对二者的联合调控机制，导致热量散失过快或供氧不足，影响发酵均匀性和腐熟质量。

7、专利申请号：202222157503.2公开了一种用于设施秸秆堆肥的恒温发酵箱，包括外箱和内箱，外箱内部设置有内箱，内箱的底部设置有底部恒温管，内箱的外侧设置有侧部恒温管，底部恒温管和侧部恒温管位于外箱和内箱之间。底部恒温管的输入端固定连接有底部进水接头，侧部恒温管的输入端固定连接有侧部进水接头，底部进水接头和侧部进水接头的另一端均位于外箱的外侧，外箱外侧固定连接有三通管，底部进水接头和侧部进水接头的另一端分别与三通管的两端固定连接，三通管的另一端固定连接有水泵，水泵的输入端固定连接有给水管，给水管的另一端固定连接有恒温水箱，恒温水箱的型号为st-jdc-rt，通过电阻通电后对恒温水箱内的水加热，保证了内箱的恒温效果，但是此类通过电加热的方式加热，电耗较高且未充分利用可再生能源。

8、本发明即是针对现有技术的不足而研究提出的。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供了一种太阳能辅助加热堆肥发酵系统及方法，利用可再生能源辅助维持堆肥适宜温度，降低运行能耗，缩短发酵周期，并实现阴雨天气及夜间条件下的稳定运行。

2、本发明可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明公开了一种太阳能辅助加热堆肥发酵系统，包含发酵池，用于容纳待发酵的有机废弃物，所述发酵池底部设有曝气盘，用于向堆体供氧；

4、太阳能集热器，设置于所述发酵池外部，用于吸收太阳能并加热循环水；

5、水循环加热管路，连接所述太阳能集热器与所述发酵池，所述水循环加热管路包括循环水泵、连接管道以及铺设于所述发酵池内部的换热盘管；所述循环水泵设置于所述连接管道上，所述循环水泵的进水口与所述太阳能集热器的出水口连通，所述太阳能集热器的出水口上还设置有电动阀，所述循环水泵的出水口与所述换热盘管的进水口连通，所述换热盘管的出水口与所述太阳能集热器的进水口连通，所述太阳能集热器的进水口上还设置有止回阀，所述循环水泵用于将所述太阳能集热器加热后的热水强制泵送至所述换热盘管内，与发酵堆体进行热交换后再回流至所述太阳能集热器；

6、辅助加热系统，与所述水循环加热管路连接，所述辅助加热系统包括空气能加热装置和/或生物颗粒加热炉，用于在阴雨天气或夜间对循环水进行辅助加热。

7、所述空气能加热装置的进水口与换热盘管的出水口连通，所述空气能加热装置的进水口上还设置有止回阀，所述空气能加热装置的出水口与循环水泵的进水口连通，所述生物颗粒加热炉的进水口与换热盘管的出水口连通，所述物颗粒加热炉的出水口与循环水泵的进水口连通。

8、优选的，所述循环水泵为变频循环水泵，电连接有变频控制器，用于根据发酵堆体温度调节所述循环水泵的转速以调节进入所述换热盘管的热水流量；所述水循环加热管路中还设有温度传感器和流量调节阀，用于检测所述换热盘管出口处的水温并据此调节进入所述换热盘管的热水流量。

9、优选的，所述发酵池包含墙体，所述发酵池的侧壁和/或底部设有保温层，所述保温层的厚度为30mm-100mm；所述保温层内侧铺设有钢丝网，所述钢丝网上粉刷有墙面，所述发酵池顶部设有可开启的密封盖，所述密封盖采用透光材料制成。

10、优选的，所述曝气盘连接有鼓风装置，所述鼓风装置通过供风管道向所述曝气盘供气，所述曝气盘表面分布有若干曝气孔，所述曝气孔的孔径为0.1mm-0.5mm。

11、优选的，所述换热盘管为不锈钢波纹管或铜管，呈蛇形盘绕状或螺旋状铺设于所述发酵池的内底部和/或内侧壁上。

12、优选的，所述发酵池内还设有搅拌装置，所述搅拌装置包括设置在所述发酵池上方的移动式行车和安装在所述行车上的搅拌桨，所述搅拌桨在所述行车的带动下沿所述发酵池的长度方向移动，用于翻动堆体使物料与氧气充分接触。

13、优选的，所述辅助加热系统中，所述空气能加热装置为空气源热泵机组，所述生物颗粒加热炉为以生物质颗粒为燃料的热水锅炉，所述空气能加热装置和所述生物颗粒加热炉通过三通阀或电动切换阀与所述水循环加热管路连接。

14、优选的，还包括控制器，所述控制器与所述循环水泵、所述辅助加热系统和所述曝气盘的控制端电连接；所述发酵池内设有温度传感器和氧气浓度传感器，分别与所述控制器信号连接，所述控制器根据温度信号和氧气浓度信号协同调节所述循环水泵的转速、所述辅助加热系统的加热功率以及所述曝气盘的曝气量。

15、一种太阳能辅助加热堆肥发酵方法，包括以下步骤：

16、步骤一、将有机废弃物按预定碳氮比混合后堆入发酵池；

17、步骤二、启动太阳能集热器，利用太阳能加热循环水，启动循环水泵将加热后的热水强制泵入换热盘管中与发酵堆体进行热交换，使堆体升温，换热后的冷却水回流至太阳能集热器进行再次加热；

18、步骤三、启动曝气盘向堆体供氧，维持好氧发酵环境；

19、步骤四、当阴雨天气或夜间导致循环水温度低于设定阈值时，启动辅助加热系统对循环水进行补充加热；

20、步骤五、发酵过程中通过控制器协同调节循环水泵的转速、辅助加热功率和曝气量，将堆体温度维持在50℃-70℃；

21、步骤六、持续进行好氧堆肥发酵，定期翻动物料，直至物料充分腐熟。

22、优选的，步骤三中，曝气方式采用间歇曝气，曝气量为每立方米物料每分钟0.05-0.2立方米空气，使堆体内部氧气浓度维持在8%-15%；步骤五中，所述控制器采用pid控制算法，以堆体温度为目标被控变量，以循环水泵的转速和辅助加热功率为操作变量进行闭环反馈控制；所述有机废弃物包括农作物秸秆、园林废弃物和畜禽粪便中的一种或多种，所述预定碳氮比为20:1至30:1。

23、本发明与现有的技术相比有如下优点：

24、（1）充分利用可再生能源。通过太阳能集热器将太阳能转化为热能用于堆肥加热，运行过程中无需消耗化石能源，显著降低运行成本和碳排放。

25、（2）运行稳定性高。在太阳能集热器基础上并联设置空气能加热装置和/或生物颗粒加热炉作为辅助热源，实现阴雨天气和夜间的不间断供热，保障系统全年全天候稳定运行。

26、（3）换热效率高。采用循环水泵强制驱动热水循环，克服了自然循环动力不足的缺陷，确保热水能够克服管路阻力顺畅流经换热盘管，实现高效热交换。

27、（4）供氧与温度协同调控。通过控制器实时采集堆体温度和氧气浓度数据，对循环水泵转速（加热量）、辅助加热功率和曝气量进行协同调节，在保障供氧充足的同时避免过度曝气导致的热量损失。

28、（5）发酵效率高、周期短。通过外部辅助加热使堆体快速达到并维持中高温发酵温度（50℃-70℃），有效激活嗜热微生物活性，大幅缩短发酵周期，提升堆肥生产效率。

29、（6）发酵均匀性好。通过搅拌装置定期翻动物料，结合底部曝气盘的均匀布气，有效避免堆内温度场和氧气浓度分布不均，保证堆肥产品的均一性和腐熟度。