科创中国
一种智能发酵控制系统及方法
成果类型：: 发明专利,新技术
发布时间: 2023-09-04 09:06:06
科技成果产业化落地方案
方案提交机构：“科创中国”生态环境产业科技服务团| 张中华 | 2023-11-03 09:01:20
当前餐厨垃圾的处置，多采用饲料化处理，因餐厨垃圾中含有丰富的淀粉、纤维素、蛋白质、脂类及无机盐，可将其脱水后制成蛋白饲料。目前市面上关于生物降解设备，技术手段、处置方法，各种各样，但是缺乏有效的监控和智能控制，同时普遍存在用电能耗过高的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种实现有效降低能耗，同时方便运维人员简易操作和后期维护，提升餐厨垃圾后端处理效果、降低能耗和降低维护成本的智能发酵控制系统及方法。本发明为一种智能发酵控制系统及方法，系统包括发酵仓、智能控制器、平台、物料部、加热部和气控部。发酵仓与智能控制器、物料部、加热部和气控部分别连接，根据智能控制器发送的命令，智能控制器根据发酵仓反馈的信息对其进行搅拌控制；物料部包括进料装置和出料装置，通过进料装置向发酵仓投入物料，发酵完成后通过出料装置输出物料；加热部包括低温快速加热装置和高温辅助加热装置，对发酵仓进行低温快速加热和高温辅助加热；气控部对发酵仓内的气体进行补充和释放。本发明根据物料的重量设置菌种好氧度、温度和湿度，智能控制搅拌方式和时间；双加热装置分阶段加热，降低热能耗；实时采集反馈发酵情况，调整工作方式。
与现有技术相比，本发明至少有以下有益效果：
1 .支持多种菌种的生存环境：通过多传感器获取大量数据，并实时反馈数据，进行智能分析，以提供菌种最优的生存环境，从而提升易腐垃圾被生物分解的速度；
2 .提升分解效率：搅拌部、传感装置和智能控制器相互协作，快速响应菌种活跃环境要求，充分进行生物发酵处理；
3 .节能环保：智能控制器通过传感装置实时监控易腐垃圾处理完成程度，发酵完成后相关装置停止或待机工作，以实现自动控制最低耗能的目标。
该科技成果已完成人工湿地项目3个，在建人工湿地项目1个，未来具有广阔的应用前景，具体应用案例如下：
应用一：寿溪河清水湿地，该项目总占地面积约10500 m2，进水量3500m3/d，水源为内江市邓家坝再生水厂出水，出水水质达到地表水准Ⅳ类标准。湿地主要分为跌水迎宾区、清泉石涧区、水质提升区、科普教育区、生态保育区、绿地赏游区 6 个区域。
工艺流程为垂直潜流湿地+水平潜流湿地+复合塘-湿地区+水下森林。湿地有效面积约7000m2，清水湿地设计水力负荷0.33m3/（m2.d），水力停留时间1.7d，NH3-N表面负荷0.48g/（m2·d），BOD表面负荷1.6g/（m2·d），TN表面负荷0.51g/（m2·d），TP表面负荷0.05g/（m2·d）。设计污染物目标削减量，清水湿地担负着尾水水质进一步提升的功能NH3-N为1.45t/a，COD 为36.5t/a，BOD 为5.58t/a, TP 为0.23t/a。
应用二：包谷湾梯级湿地，包谷湾梯级湿地位于四川省内江市经开区西侧包谷湾水库，包谷湾梯级湿地主要解决包谷湾水库集雨面积内的非点源污染问题，同时结合周边景观需求，通过湿地植物种植对包谷湾景观进行打造。表面流人工湿地类似于天然湿地，具有生物多样性好、景观效果佳的特点，本项目利用原有鱼塘部分进行改造，建设多级梯级表流湿地，采用人造跌水环境自然曝气技术。通过人为制造水体落差，层层跌水的方式进行曝气复氧。旱季及雨量较少时通过泵站循环补水，雨季停用泵站收集周边径流雨水。湿地处理后出水水质需优于地表水IV类水标准。
应用三：四川省内江市威远县界牌镇尾水湿地，在污水排污站下游建设1200平方米的紧凑型尾水湿地，采用自主研发的植物定向发酵技术及生物炭功能性填料，在有限空间内实现指标提升，该湿地项目处理规模处理规模300m3/d，出水水质由一级A提升到准 IV 类，目前，出水水质已达准Ⅲ类标准，COD、氨氮、含总磷等指标削减率达到45%-60%。
目前有石家庄栾城区尾水湿地公园在建，采用生物定向发酵技术、湿地智慧运维系统等多种先进技术，打造基于碳汇集与生态重构功能北方高负荷城市湿地示范系统典范，该技术及解决方案应用前景广阔。
项目团队核心成员：张利强，浙江工业大学工程硕士、浙江大学管理学院EMBA、信息技术工程技术高级工程师，蔚复来（浙江）科技股份有限公司创始人、董事长。个人近十年来牵头申报并授权的发明专利超100项，主持或参与的国家级和省级标准达近十项。熊伟，华南理工大学硕博、中山大学MBA，蔚复来（浙江）科技股份有限公司联合创始人、执行总裁。参与过国家863计划项目及近10项省市重点研发项目，累计获得发明专利10项，外观专利5项，实用新型15项。裘水军，毕业于中国计量大学，蔚复来（浙江）科技股份有限公司联合创始人、技术总工，高级工程师，擅长技术开发、平台打造，目前负责企业技术管理、研发创新应用等领域。
人工湿地是城市水质净化与生态品质提升新选择。适用于海绵城市、黑臭水体治理、水环境流域综合治理、城市尾水提标改造、面源污染控制等多类型项目，保障与提升了城市内河内湖水质。
直接经济效益方面：湿地技术投资成本：250-600元/吨；运行成本：0.012-0.050元/吨，传统水处理技术投资成本：3500-5000元/吨，运行成本：0.5-1.0元/吨。相比传统水处理技术，基于人工湿地的综合解决方案稳定提升水质至准IV类及以上标准，吨水投资与运营成本节省80%以上，单位土地水处理能力提升30%以上。
利用天然材料实现低碳源反硝化，减少有机碳源使用，与传统工艺相比碳源使用量年节约60%以上。其中该技术中的功能填料产品利用率高，强度大，性能稳定，运行周期长。湿地植物可定期收割处理，经无害化处理，制备生物炭质，资源再利用，用于土壤改良，在保障湿地水生植物减量化和无害化的同时提高资源化利用。
间接经济效益及社会效益主要有以下几个方面：
（1）减少社会经济成本
该工程投入运行后，区域内的污水处理走上了专业化和规模化，发挥了污水集中处理的规模效益。据有关资料介绍，污水集中处理一次性投资可节省 60%，运行费用可节省 30%，且更易于管理和实现达标排放。
（2）实现土地增值
由于该工程的实施，使得城市排污设施更加完善，解决了地块开发的污水出路问题，区域水环境质量也得到改善，该区域的土地利用价值会显著提高，一些非生产性用地转为生产用地，低产出利润率用地转化为高产出利润率用地，区域内土地资源将得到增值。
（3）改善生态环境
基于自然的人工湿地工程实施后，将大大改善生态环境，减少水污染对农业、渔业的收成影响。工程的实施使水质改善后，河道可增加渔业产量和质量，同时对农业灌溉有益，可提供符合卫生标准的灌溉水，提高农作物的产量和质量。因此可促进农业及渔业的发展。
据统计，十三五期间，湿地保护率50%以上，较2015年增长5.4%，年均增长率1.1%，新增湿地面积300多万亩。“十三五”期间全国湿地保护预算投入176.81亿元，“十二五”期间全国湿地保护预算总投入129.87亿元，中央55.85亿元。预计十四五期间中央财政预算投入将会达到200亿元以上，其配套的市场规模将超千亿元，结合污水处理的湿地修复及建设迎来减缓湿地退化和湿地保护的双重任务推动，未来发展有较大潜力。
本成果研发投入440万元，自2019年3月开展，研发团队基于资源化研发定向发酵植物技术，基于生物炭填料研发了两项高效脱氮除磷填料，并基于建设标准化、运营维护方便等开发了模块化湿地，通过小试、中试实验及示范，最终形成了以生物定向发酵技术和高效功能性填料为核心产品的综合解决方案。该技术以生态的方式解决生态的问题，将“工程水”处理为“生态水”。全面提升污水自然净化工艺，净水水质提升至准IV类水质标准，提供生态补水水源；同时提升湿地整体生物多样性，强化水体自净能力，并营造多场景、多类型的水生态空间，实现“可游、可渔、可观”的城市水景观。在双碳的目标与背景下可实现污水处理达标回用又实现污水处理的低碳运行和生态碳汇的社会价值。
目前本成果采用项目合作、自主研发及示范应用等方式实施转化，本科技成果主要依托首创环保集团内江沱江流域水环境治理PPP项目实现落地。其中涉及内江众多湿地工程，包括包谷湾梯级湿地工程、寿溪河清水湿地工程、威远县界牌镇尾水湿地工程、太子湖湿地工程、蟠龙冲湿地工程、玉带溪黑臭治理治理工程等，同步实现了面向城市内河内湖水质保障与提升的人工湿地技术及解决方案的工程应用，运行效果良好。结合未来湿地行业巨大的市场空间，本科技成果具有广阔的推广价值及市场前景，下一步计划实施产品及产业市场推广。
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