基于昆虫的生物废物处理装置的制作方法

1.本发明涉及生物处理器领域。更具体地，本发明涉及基于昆虫的生物废物处理设备。


背景技术：

2.处置或处理数量持续增加的有机废物材料(诸如污水污泥和食品垃圾，下文称为“生物废物”)是市政、工业化市场和国家面临的主要挑战。
3.昆虫幼虫近来已经成为目标作为处理生物废物的有效手段，因为它们每天可以消耗高达其体重两倍的重量，从而允许生物废物转化成昆虫蛋白。然后昆虫蛋白和脂质能够被饲喂给各种动物，诸如鸡和鱼等。一些昆虫幼虫具有相对高的能量值，这取决于它们的脂肪含量。此外，昆虫幼虫可产生的固体和液体废物可用作肥料。向昆虫幼虫饲喂生物废物的另一个显著益处涉及它们通常与生物废物相关的传播疾病的细菌灭活的能力。
4.已经针对利用昆虫幼虫按大规模处理生物废物进行了一些尝试。
5.在一种方法中，将昆虫幼虫引入到扁平托盘或容器中。由于昆虫幼虫需要足够的空气供应，它们倾向于保持在距周期性添加的一堆生物废物的上表面10cm-30cm的距离处。这种方法是有缺陷的，因为这些扁平托盘或容器被配置成具有30cm-40cm的最大高度，从而导致操作表面利用率低。此外，昆虫幼虫避免大量的未暴露于空气供应的生物废物，导致生物废物的厌氧分解、恶臭条件和不希望的副产物。此外，由于幼虫产生的代谢热和厌氧分解，涉及扁平托盘和容器内的温度调节存在困难。当内部温度变得显著大于35℃时，昆虫幼虫会爬走或甚至死亡，并且因此生物团处理效率严重不足。
6.在另一种方法中，将含有昆虫幼虫和生物废物的滚筒旋转，以便促进昆虫幼虫和生物废物的混合和通风以及所产生的热量的消散。然而，滚筒以过高的速率旋转，cn 102351394例如公开了每10分钟一转的速度，这限制了昆虫幼虫的代谢活动。因此，昆虫幼虫必须在滚筒内保留基本等于其幼虫寿命的延长的时间段，直到它们发育至前蛹阶段。由于所有昆虫幼虫具有基本上相同的年龄和大小并且同时排出，由于幼虫的引入时间和发育的幼虫的排出时间之间的显著延迟时间，滚筒不能用作基本上持续的处理器，并且因此昆虫蛋白不容易随时获得。这种现有技术方法的另外的缺点包括每次装载处理的生物废物量的有限和自动化的缺乏。
7.本发明的目的是提供基本上持续的基于昆虫的生物废物处理设备。
8.本发明的另一目的是提供基于昆虫的生物废物处理设备，其生物废物的处理速率是相对高的。
9.本发明的另一个目的是提供自动化的基于昆虫的生物废物处理设备。
10.随着描述的进行，本发明的其他目的和优点将变得明显。


技术实现要素：

11.一种基本上持续的基于昆虫的生物废物处理器，包括：管状滚筒，该管状滚筒具有
纵向轴线和内部；驱动器，该驱动器用于围绕所述轴线可旋转地驱动所述滚筒；无轴螺旋输送机，该螺旋输送机固定地连接到所述滚筒的内表面；多个周向间隔开的悬臂式叶片，悬臂式叶片被连接到所述内滚筒表面并且各自纵向延伸贯穿所述滚筒；以及用于将包括生物废物和昆虫幼虫的团聚体部分引入到所述滚筒内部的器件，其中所述螺旋输送机被细分为用于所引入的昆虫幼虫的多个纵向间隔开的饲养室，所述饲养室中的每个饲养室由所述螺旋输送机的两个纵向相邻的螺纹件和由所述周向间隔开的悬臂式叶片限定，并且在所述饲养室内保留有基本上一致发育阶段的昆虫幼虫，其中，所述周向间隔开的悬臂式叶片中的两个或更多个悬臂式叶片被配置成在任何给定情况下在所述滚筒内部的整个停留时间内牢固地保持和联合所述团聚体部分，同时团聚体部分向远侧输送，并且其中所述昆虫幼虫在定位于饲养室越远，逐渐发育得越成熟。
12.含有幼小昆虫幼虫的团聚体的新的供应优选地可引入近侧饲养室中，同时将完全发育的昆虫幼虫从远侧饲养室排出。
13.在一个方面，该生物废物处理器进一步包括控制系统，该控制系统用于监测与在饲养室之一中接收的团聚体部分相关联的重要参数并且用于调节已经发现是偏离的一个或更多个参数的值。与驱动器进行数据通信的控制器被配置成将滚筒的转速调节为不超过每小时半转。
附图说明
14.在附图中：
15.图1是生物废物处理器的实施例的立体图；
16.图2是图1的生物废物处理器的近侧部段的竖直横截面的立体图；
17.图3是图1的生物废物处理器的远侧部段的竖直横截面的立体图；
18.图4是从图1的生物废物处理器的近端观察的立体图，其中示出为没有螺旋输送机；
19.图5是从图1的生物废物处理器的近端看的立体图，其中示出了带有螺旋输送机；
20.图6是结合图1的处理器使用的螺旋输送机的立体图；
21.图7是图1的生物废物处理器的中央部段的竖直横截面的倾斜立体图，示出了无轴螺旋输送机与多个悬臂式叶片以及驱动单元之间的连接；
22.图8是与图1的生物废物处理器结合使用的控制系统的示意图；以及
23.图9是与图1的生物废物处理器结合使用的流体交换单元的示意图。
具体实施方式
24.一种基本上持续的基于昆虫的生物废物处理器配置有滚筒，该滚筒具有无轴螺旋输送机，该螺旋输送机被细分成多个纵向间隔开的饲养室，在每个饲养室内可以保留具有不同发育阶段的昆虫幼虫，特别是双翅目幼虫。将未发育的幼虫和生物团的混合物(以下称为“团聚体”)经由与第一近侧饲养室连通的入口端口引入到滚筒中。在滚筒与螺旋输送机一起使昆虫幼虫在滚筒内部内的停留时间最大化的缓慢旋转期间，位于饲养室之一中的带幼虫的团聚体沿着滚筒输送，同时昆虫幼虫消化生物团并因此变得身体上发育，直到团聚体经由出口端口从滚筒的远端排出，以允许收获完全发育的昆虫幼虫。
25.生物废物处理器促进昆虫幼虫的密集培养，并且可以被配置为大规模设施中的子单元或配置为用于小规模操作的隔离单元。生物废物处理操作可以由自学模块监测和控制，以完全控制和维持昆虫培养过程而无需任何人为干预。
26.图1展示了生物废物处理器的实施例，总体上由数字10指示。生物废物处理器10包括管状滚筒5，管状滚筒的内表面固定连接有无轴螺旋输送机。滚筒5可由玻璃纤维增强塑料(frp)制成，以相对于任何不锈钢合金显著减轻重量并且相应地节约生产和操作成本，尽管也可以使用其他材料。滚筒材料的外层优选地被黑化以限制或完全防止光透射到滚筒内部，以利于畏光昆虫幼虫的生长。滚筒5具有近侧入口端1和远侧出口端4。滚筒5优选地具有10m-60m范围内的长度。
27.使用无轴螺旋输送机有利地避免了团聚体粘附到常规螺旋输送机的中心轴上的倾向，并且还促进了更高的填充速率和低速。此外，无轴螺旋输送机不需要旋转轴通常需要的任何轴承，并且因此便于直接引入团聚体并减少维护工作。
28.幼虫-生物团团聚体是经由与螺旋输送机的无轴中心区域重合的入口端口2引入的。该团聚体由基质、生物废物和昆虫幼虫的混合物产生。该基质总体上是基于纤维素的废物，诸如来源于切割的树枝和草、木材废物以及纸张的纤维素城市废物，使用该基底以便调节含氮化合物(诸如氨等)的水平并且从该生物废物处理操作中吸收过量的液体。该生物废物用作昆虫幼虫的食物。
29.基质和生物废物在设施的入口处通过各种预处理来处理，这些预处理可以包括灭菌、粉碎和储存，以产生适合于被昆虫幼虫有效消化的所得粒度和质地。每个预处理都需要专用设备，并且被执行直到获得粘性浆，之后基底和生物废物被接收在单独的储存器中。在被引入到滚筒5之前，该基质和生物废物通过相应的泵来递送(例如，蠕动泵)，从相应的储存器到被支撑在滚轮输送系统15上的容器，该滚轮输送系统总体上水平地被设置成有助于将该容器输送到入口端口2的附近。然后将基质和生物废物在容器内混合在一起。
30.通过将幼小的昆虫幼虫(例如3天-5天龄)手动插入远离筒5定位的罐内，在富氧液体中稀释这些昆虫幼虫，以便每天提供昆虫幼虫的持续供应，无论是用于一个处理器还是用于多个处理器。昆虫幼虫的特定浓度取决于可操作的处理器的数量。一般而言，昆虫幼虫的最小浓度范围为每立方米4万至7万个幼虫，以确保生物废物处理器10的有成本效益的操作。应当理解，在递送至滚筒之前将昆虫幼虫插入罐内是涉及关于人力的处理操作的唯一动作，并且甚至该动作被远程执行到滚筒。
31.富氧液体和昆虫幼虫的混合物通过幼虫递送机构递送(例如，气动机构)，到达邻近支撑在辊式输送系统15上的容器的区域，并且然后在被引入到入口端口2中之前通过喷洒器排放到位于容器内的基质和生物废物混合物的上表面上。可以将幼虫以大约每平方厘米混合物4只幼虫的密度添加至基质-生物废物混合物中以形成团聚体。然后，通过蠕动泵或通过任何其他合适的递送机构将所形成的团聚体递送到入口端口2。然后昆虫幼虫能够消化生物团并增加大小。
32.团聚体内的基质和生物废物的百分比基于基质和生物废物的相对液体含量确定。例如，如果生物废物是来自具有75％液体含量的市政来源的污泥，则该基质的百分比应该是团聚体的60％-80％。如果废物具有低液体含量，例如干粪肥，则基质应该占团聚体的30％-40％。
33.固定到滚筒5的外表面6的多个纵向间隔开的环7由对应的一对横向间隔开的滚轮9从下方可旋转地支撑。齿轮环11被固定到滚筒5的外表面6的纵向中心区域，并且由图7中所示的马达驱动器29的齿轮22可旋转地驱动，该马达驱动器被配置成使滚筒5以不超过每小时半转(通常范围从每天1转至10转)的预定慢速率旋转，该预定慢速率取决于被处理器10收获的昆虫幼虫的生长周期的持续时间。环7和11大致与滚筒5的管状外表面6同心，而螺旋输送机的各个螺纹件定位成与该管状外表面成角度。
34.如图2所示，每个滚轮9可以响应于滚筒5围绕基本上水平定向的并且纵向延伸的销12的旋转而旋转，该销被固定到例如三角形形状的两个纵向间隔开的叉形件14。每个叉形件14的底侧可以连接到水平支撑板16，该水平支撑板可以通过多个横向间隔开的竖直杆支腿19从下方表面s提升。
35.返回参考图1，示出为呈现矩形配置的空气供给管8被定位成与滚筒5的入口端1流体连通，以确保空气可靠地流入团聚体并且因此引起源自团聚体的不需要的气体的排放。空气供给管8的一端连接到压缩机，该压缩机被固定到辊式输送机系统15的下侧。如图3所示，远侧变窄的护罩17固定至滚筒5的出口端4，在该护罩内容纳有用于从滚筒5的内部排出不需要的气体的风扇36。
36.图2-图7中展示了滚筒5和无轴螺旋输送机22的结构。
37.多个周向间隔开的加强梁24(例如，十二个梁)连接至滚筒5的内部薄壁表面21，并且从入口端1至出口端4纵向延伸穿过滚筒的长度。每个梁24可以具有三角形截面，使得其基部连接到内表面21并且其悬臂式三角形叶片34定位在滚筒内部内，以在滚筒5旋转时在所引入的团聚体上提供牢固保持。此外，三角形叶片34适配成将团聚体(特别是在旋转位移之后)引导到饲养室的中心区域，并防止其通向相邻的饲养室。
38.三角形叶片34可可类似于犁齿配置，可以为纵向梁24的延伸部并且连接至纵向梁24。可替代地，每个三角形叶片34可以与对应的梁24一体形成。
39.在一个实施例中，具有三角形横截面的每个加强梁24具有空心内部空腔37，该空心内部空腔占据了该三角形横截面的至少一部分并且可以延伸该梁的整个长度。内部空腔37的存在是有利的，因为它有助于空气经由空气供给管8流入到团聚体并且排出过量的流体。此外，每个梁24的重量因此减小，其重量在由玻璃纤维制成时甚至进一步减小，使得其可以容易地操作。因此，梁可以是模块化的，在这种意义上，具有大约40cm长度的梁部段可以根据滚筒5的长度与相邻部段联接或分离并且连接至滚筒内表面21。此外，重量减小的梁24减小了旋转滚筒24的阻力，并且因此提供了能量节约。
40.可以由玻璃纤维制成的无轴螺旋输送机22被配置成具有持续的螺旋轮廓，该螺旋轮廓具有例如4.5度的导程角和2度-5度的螺旋角。无轴螺旋输送机22的每个螺纹件28的径向向外边缘31被连接到滚筒5的内表面21。为了适应每个加强梁24的悬臂式三角形叶片34的存在，每个螺纹件28的径向向外边缘31配置有三角形切口33，螺纹件通过该三角形切口连接至悬臂式三角形叶片。横向构件26可在相邻螺纹件28之间纵向延伸并且增加相邻螺纹件的结构强度。由于螺旋输送机22连接至滚筒5的内表面21以便促进围绕其纵向轴线与滚筒一起旋转，因此其径向内边缘27不需要连接至轴并且因此是畅通的，以便提供上文描述的优点。
41.本发明的重要方面是处理器能够确保位于每个饲养室内的所有昆虫幼虫的特征
在于基本上一致的发育阶段，该发育阶段不同于位于相邻饲养室中的昆虫幼虫的发育阶段。由于昆虫幼虫在定位于饲养室越远，逐渐发育得越成熟，因此处理器可以有利地持续地收获昆虫幼虫以获取蛋白质，只要能够在排出完全发育的昆虫幼虫的同时引入新供应的团聚体。
42.借助于周向间隔开的悬臂式三角形叶片34，在给定的饲养室内提供基本上一致发育的昆虫幼虫是可能的。
43.螺旋输送机22的两个相邻的纵向间隔开的螺纹件28在其间限定了用于昆虫幼虫的饲养室r的纵向长度。由于螺旋输送机22的螺纹件28基本上相互平行，且定向为基本上垂直于滚筒的纵向轴线，并且基本上占据滚筒5的内部横截面，并且由于每个螺纹件28的径向向外的边缘31固定至滚筒内表面21，因此昆虫幼虫的移动性受到显著限制，以防止昆虫幼虫从一个饲养室通到另一个饲养室。
44.饲养室r的有效容积由三角形叶片34限定，该三角形叶片牢固地保持并且在某种程度上刺穿已经引入到饲养室r中的团聚体的一部分。由于半固体团聚体具有足够的结构强度以在被叶片保持时支撑其自身的重量，因此位于两个相邻叶片34之间的团聚体部分不会与另一团聚体块分离并落到滚筒5的内表面。对于25-m长的滚筒和1.25m的螺杆直径，饲养室r的典型的有效容积是6m
3-7m3。
45.通过牢固地保持所引入的团聚体部分，周向间隔开的叶片34确保团聚体部分将在其在滚筒5内的整个停留时间(范围例如12天-20天)保持基本上统一。在滚筒5的旋转期间，由一组叶片34保持的同一团聚体部分沿着特定的螺旋路径被推动，螺旋路径的特征在于向上旋转运动，接着向下旋转运动，以在滚筒内部向远侧推进。即使在重力影响下向下旋转运动之后，叶片34从下方接合团聚体部分以防止其显著大部分(例如75％-80％)在整个滚筒内部分解并且防止其排出到相邻的饲养室。
46.团聚体部分在沿着特定螺旋路径移位的同时经历混合作用。混合作用由向上和向下旋转运动团聚体部分(同时由多个叶片34保持)与幼虫活动(特征在于主动钻入基质内)的组合产生。这两个因素均有助于产生营养物质、基质和昆虫幼虫的分布基本上一致和同质的分布，从而使生物废物加工操作更有效。
47.这个过程在螺旋输送机的每次旋转过程中本身重复，以便促进团聚体部分在滚筒的整个长度上的纵向输送。随着团聚体部分被输送到位于更远端的饲养室，昆虫幼虫消化另外的生物量，导致生物量的质量减小，同时昆虫幼虫的尺寸增大。相对于极端远侧饲养室，昆虫幼虫在极端近侧饲养室表现出50％-70％范围内的生物废物减少能力。由于昆虫幼虫的代谢和消化活动以及由于生物废物处理操作期间产生的热的蒸发，团聚体部分的液体含量从极端近侧饲养室处的50％-70％(确保昆虫幼虫正常活性所需的值)减少到极端远侧饲养室处的20％-40％。多个叶片34能够继续保持和夹持团聚体部分，尽管其体积和水含量减小以及其向下旋转运动。因此，在给定的饲养室中发现的昆虫幼虫具有相同的发育阶段并且以基本上一致的速率增加重量。
48.图8示意性地示出了用于监测与在饲养室中接收的给定团聚体部分c相关联的重要的生物和物理参数的控制系统50。
49.控制系统50包括位于滚筒5外部的控制器52以及用于将团聚体c递送至近侧饲养室的递送机构54，该递送机构54的操作由控制器52控制。
50.递送机构54可以是重量控制递送机构，该重量控制递送机构基于正被处理的生物废物来限定重量与体积比，并且由此确定要被引入到近侧饲养室中的团聚体的体积。例如，25％固体污水污泥的比重不同于10％固体，并且农业废物的比重不同于烘焙废物等。基于被处理的生物废物的重量/体积比，每个团聚体部分将被分配经调整的重量/体积比。
51.控制器52还与电动机驱动器29电连通，使得其将被命令以预定的低速率驱动滚筒5。控制器52可以是计算机化的控制和控制模块，该控制模块配置成在处理操作过程期间根据从与处理相关的传感器接收的数据必要时调节滚筒5的速度，尽管滚筒速度不会超过每小时半转的速率。多个传感器(包括氧传感器61、重量传感器63以及液体传感器66)设置在给定的饲养室r内并且与控制器52电连通，优选地与控制器52无线连通。传感器可以嵌入在滚筒内表面中，例如在玻璃纤维元件下方。
52.如果由氧气传感器61检测的氧气水平偏离预定水平，则控制器52将命令流体交换单元57(例如，通风单元)的操作。通风单元被配置成除了团聚体的常规通风和由滚筒5的旋转导致的所产生的过程衍生的热量的消散之外，还为滚筒内部通风。
53.流体交换单元57产生相对于该滚筒内部的气体流入或流出，例如在已经检测到高量值的不需要的气体或低氧水平之后。
54.在一个实施例中，如图9中示意性展示的，流体交换单元57包括阀的两个阵列72和73，这两个阵列中的每一个阵列在螺旋输送机22的不同区域附近可操作性地连接。阀的两个阵列72和73可以在直径上彼此相对，以允许第一阵列72的瞬时向下定位的阀排出过量的液体，同时第二阵列73的瞬时向上定位的阀能够执行气体传递操作。每个阀可以是单向阀或电控阀。
55.除了三角形叶片34之外，螺旋输送机22可以是中空结构，以便降低安装和生产成本，以及促进有效且容易的维护。因此，每个阀可以安装在螺旋输送机22的螺纹件内并且靠近滚筒内表面21，以便与滚筒内部13、空腔37和空气供给管8(图2)处于流体连通。
56.第一阵列72包括一个或更多个阀74以及管道76，所交换的液体能够沿着该管道流动。当阀74是单向阀时，一些被适配为仅允许液体流入滚筒内部13中，并且一些被适配为仅允许液体从滚筒内部13中流出。当阀74是控制阀时，它们适配成响应于感测的条件可控地打开和关闭。另一控制阀78可以可操作地连接到从多通道流动接头81延伸到阀74的管道77。流动接头81可以促进液体同时流入和流出，或者可替代地在任何给定的时间仅促进液体流入或仅促进液体流出。来自滚筒内部13的液体流出可以排放至收集元件79，诸如排放管等。
57.第二阵列73包括一个或更多个阀84以及与每个阀84并且与滚筒内部13处于流体连通的空气管86。当阀84是单向阀时，一些适配成仅允许空气流入滚筒内部13，而一些适配成仅允许空气从滚筒内部13流出。当阀84是控制阀时，它们适配成响应于感测的条件可控地打开和关闭。
58.操作性地连接至控制阀93和压缩机94的共用流入管线91以及操作性地连接至控制阀97和真空泵98或用于使气体从滚筒内部13排出的其他器件的共用流出管线96与每个阀84处于流体连通。控制器52(图8)将引起控制信号至一个或更多个以校正当前氧水平。例如，控制器52将使压缩机94被激活，并且邻近被发现具有偏差的氧气水平的饲养室的控制阀84被打开，以便校正当前的氧水平。
59.控制器52可命令风扇36和一个或更多个阀的操作，使得流入滚筒内部的相应空气将推进和引起过量气体的排出。通过风扇吸入的空气可以流过外部过滤器，以防止恶臭气体的流入并且过滤掉不需要的气体。
60.通过控制器52响应于传感器读数来控制相对于滚筒内部13的气体交换的体积和速率，以便优化生物废物处理操作。馈送至自学计算机化模块的不同参数包括低氧水平、高二氧化碳水平、氨水平以及低温以调节气体交换的体积和速率以及滚筒速度。
61.虽然已经通过展示的方式描述了本发明的一些实施例，但将明显的是，本发明可以通过许多修改、变体和调整以及通过使用在本领域技术人员的范围内的许多等效物或替代解决方案来进行，而不超出权利要求书的范围。