沼液滴灌過濾技術及設備集成研究

張 青，栗方亮，孔慶波

(福建省農業科學院土壤肥料研究所，福州 350013)

近年來，我國沼氣在技術水平和規模上取得了舉世矚目的成就。據統計，截至2006年底，我國已建成的戶用沼氣池總數已超過2200多萬個。“十一五”期間，到2010年，農村戶用沼氣的發展規模達到4000萬戶[1]。隨著沼氣技術的發展，大中型沼氣工程開始成為養殖場的必備糞污處理措施，在處理糞污的過程中產生了大量的沼渣和沼液，無法得到處理，如果隨意排放不僅造成二次污染還浪費資源[2]。沼液中含有大量的養分，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，有機質含量為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]。將沼液中的養分通過滴灌系統利用是目前研究者比較關注的方向，但大規模的應用目前還鮮有報道，最主要的原因可能還是沼液過濾難題。由于沼氣發酵殘留物中含有部分粘稠狀的沼渣、渣液，常規過濾器很容易堵塞不易清洗，容易引起設備故障甚至報廢，給大規模的施用，特別是在滴灌中的應用帶來較大困難[8]。

鑒于此，文章通過沼液沼渣養分分析，設計其工藝流程，采用分級過濾實現固液分離，并使稀液通過120目過濾網，達到可滴灌的效果，最后進行設備的自動化沖洗。該研究為沼液的進一步大規模應用提供了理論依據。

1 沼液沼渣養分分析

分析的樣本是漳州市平和縣的文峰與南勝、小溪養豬場的沼氣工程中的沼液和沼渣，根據標準《復混肥料(復合肥料)》(GB 15063-2001)對這3個養殖場產生的沼液沼渣的養分進行檢測后得出的結果如表1所示[2]。

從表1可以看出，沼液沼渣中含有大量的養分，總體上，沼渣的養分比沼液的豐富，經固液分離后，沼液可用于滴灌，沼渣可以用于生產有機肥料。

2 工藝流程及控制流程

本系統設計的方案為：未經固液分離的沼液由一臺抽污粉碎泵抽至過濾槽1，經過濾網過濾后，大固體沉淀，小固體及液體進入過濾槽2。經過過濾槽2的濾網過濾后，較大固體繼續沉淀，細小固體及液體進入過濾槽3。過濾槽3與儲液槽相連，經過濾槽3中濾網過濾后的液體進入儲液槽儲存。當過濾槽3的水位過高，則會啟動3號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，則會啟動2號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，則會啟動固體分離機，對過濾槽1的固體進行固液分離脫水，為加工固體有機肥打下基礎。系統的工藝流程圖如圖1所示。

智能過濾系統的控制流程為：

(1)開啟系統，啟動1號抽污粉碎泵。

(2)判斷各個過濾槽的液位：首先判斷過濾槽1的液位，若過濾槽1的液位過高，則關閉1號抽污粉碎泵，啟動固液分離機，否則對過濾槽2的液位進行判斷。若過濾槽2的液位過高，則關閉1號抽污粉碎泵，啟動2號抽污粉碎泵，否則對過濾槽3的液位進行判斷。若過濾槽3的液位過高，則關閉1號抽污粉碎泵，啟動3號抽污粉碎泵，否則返回繼續新的一輪液位監控。

(3)濾網的清洗：這里以過濾槽1為例進行說明。過濾槽1液位過高，關閉1號抽污粉碎泵，開啟固液分離機，使液位降低。當液位降到30%時，關閉固液分離機，開啟1號沖洗管電磁閥門和1號清洗刷子對濾網進行沖洗。

智能過濾系統的總體流程圖如圖2所示。

1．啟動按鍵；2.過濾槽1的30%水位信號；3.過濾槽1的75%水位信號；4.過濾槽2的30%水位信號；5.過濾槽2的70%水位信號；6.過濾槽3的30%水位信號；7.過濾槽3的70%水位信號；8.1號清洗刷子啟動時間X；9.2號清洗刷子啟動時間Y；10.3號清洗刷子啟動時間Z；11.1號抽污粉碎泵；12.固液分離機；13.過濾槽1分離管電磁閥門；14.1號沖洗管電磁閥門；15.2號沖洗管電磁閥門；16.3號沖洗管電磁閥門；17.2號抽污粉碎泵；18.3號抽污粉碎泵；19.1號清洗刷子；20.2號清洗刷子；21.3號清洗刷子圖2 智能過濾系統的總體流程圖

3 設備結構及組成

3.1 過濾槽

過濾槽采用201材質的不銹鋼，厚度2 mm，規格為長3.6 m，寬1.2 m，高2.5 m，按長度平均分成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，該口上窄下寬，其過濾鋼網采用的材質為304不銹鋼。過濾槽1采用的是20目的過濾網，過濾槽2采用的是60目的過濾網，過濾槽3采用的是120目的過濾網。每個過濾網配有一套清洗設備，清洗設備由清洗刷子、噴水頭和電磁閥組成。在過濾槽3后接有長0.8 m，寬1.2 m，高2.5 m，的儲液槽，儲液槽采用的是PT材質的塑料桶，厚度70 mm。

3.2 抽污粉碎泵

抽污粉碎泵是一種泵與電機連體，并同時潛入液下工作的泵類產品，與一般臥式泵或立式污水泵相比，結構緊湊、占地面積小、安裝維修方便。采用的型號是QW50-18-30-3，其主要參數如下。工作電壓：380V；流量：18 m3·h-1；揚程：30 m；轉速：2880 r·min-1；功率：3 kW；口徑：50 mm。

3.3 固液分離機

固體分離機采用的型號是THG-280，其主要參數如下。工作電壓：380 V；功率：5.5 kW；轉速：1450 r·min-1；效率：20 m3·h-1。該型號固體分離機用設備配套的無堵塞液下泵將沼液抽送至固體分離機內，再由絞龍將沼液逐漸推向機器的前方，同時不斷提高機器前緣的壓力，迫使物料中的水分在邊壓帶濾的作用下擠出網篩，流出排水管。

3.4 其他設備

液位開關采用的是連桿浮球液位開關，連桿浮球液位開關的工作原理是浮球在一定范圍內上下浮動，利用浮球內的磁性系統透過本體管去觸發磁簧開關的閉合或斷開，以產生開關動作，達到控制液位的目的。

電磁閥的工作電壓選用220 V，可以直接接在市電上使用，不必再設計額外的電源模塊。因為沼氣中含有易燃易爆氣體，故選用的電磁閥還需具有防爆功能。

4 系統采用智能化控制與人工控制的成本對比

智能化過濾系統與傳統過濾系統的對比結果表明(見表3)，智能化過濾系統與傳統過濾系統年運行成本分別為23120.00元·m-3與26600.00元·m-3，智能化過濾系統年要節省3480元·m-3。雖然智能化過濾系統比傳統的過濾工程建設多支出了12600元，但是智能化過濾系統5年運行費用為70000元，較傳統過濾系統節省30000元，實現了過濾系統自動化工藝，不需要工人值守，而傳統的過濾系統由于過濾物需專人清理，勞動成本大，說明智能化過濾系統降低了部分勞動成本和場地租賃費。從兩種沼液過濾系統的5年運行的運營和建設成本看，采用智能化過濾系統更符合項目建設的成本效益原則。

表2 安裝智能化過濾系統項目及總價

表3 沼液過濾工程項目成本比較

5 總結

本文重點研究了設施農業中沼液滴灌過濾技術及設備的智能設計問題。根據沼液過濾困難，沼渣容易堵塞過濾器的特性，智能過濾系統采用了分級過濾策略；利用沼液液位監測，智能控制固液分離機，實現沼液粘稠分離，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，實現自動沖洗功能。在給定使用環境的情況下，簡化了沼液過濾的固液分離過程，建立了可操作性強的智能過濾系統模型，為沼液沼渣分離進一步提供了理論依據。結果表明，本裝置相比傳統過濾系統，經濟合理，對減輕環境污染，提高養殖業到種植業的養分循環，發展循環經濟具有重要意義。