沼液滴灌过滤技术及设备集成研究

张 青，栗方亮，孔庆波

(福建省农业科学院土壤肥料研究所，福州 350013)

近年来，我国沼气在技术水平和规模上取得了举世瞩目的成就。据统计，截至2006年底，我国已建成的户用沼气池总数已超过2200多万个。“十一五”期间，到2010年，农村户用沼气的发展规模达到4000万户[1]。随着沼气技术的发展，大中型沼气工程开始成为养殖场的必备粪污处理措施，在处理粪污的过程中产生了大量的沼渣和沼液，无法得到处理，如果随意排放不仅造成二次污染还浪费资源[2]。沼液中含有大量的养分，其中，总氮含量为1500～3170 mg·kg-1，总磷含量为28.6～71.5 mg·kg-1，总钾含量为476～1220 mg·kg-1，有机质含量为0.07～0.40 mg·kg-1[3]。

沼液[4-6]物相分布不均匀，在静置情况下自然分层：上层为糊状，由固液两相组成，而以悬浮固相为主；中层以混合均匀的固液两相组成，而以液相为主；下层由以固相为主，液相为辅的固液两相组成[7]。将沼液中的养分通过滴灌系统利用是目前研究者比较关注的方向，但大规模的应用目前还鲜有报道，最主要的原因可能还是沼液过滤难题。由于沼气发酵残留物中含有部分粘稠状的沼渣、渣液，常规过滤器很容易堵塞不易清洗，容易引起设备故障甚至报废，给大规模的施用，特别是在滴灌中的应用带来较大困难[8]。

鉴于此，文章通过沼液沼渣养分分析，设计其工艺流程，采用分级过滤实现固液分离，并使稀液通过120目过滤网，达到可滴灌的效果，最后进行设备的自动化冲洗。该研究为沼液的进一步大规模应用提供了理论依据。

1 沼液沼渣养分分析

分析的样本是漳州市平和县的文峰与南胜、小溪养猪场的沼气工程中的沼液和沼渣，根据标准《复混肥料(复合肥料)》(GB 15063-2001)对这3个养殖场产生的沼液沼渣的养分进行检测后得出的结果如表1所示[2]。

从表1可以看出，沼液沼渣中含有大量的养分，总体上，沼渣的养分比沼液的丰富，经固液分离后，沼液可用于滴灌，沼渣可以用于生产有机肥料。

2 工艺流程及控制流程

本系统设计的方案为：未经固液分离的沼液由一台抽污粉碎泵抽至过滤槽1，经过滤网过滤后，大固体沉淀，小固体及液体进入过滤槽2。经过过滤槽2的滤网过滤后，较大固体继续沉淀，细小固体及液体进入过滤槽3。过滤槽3与储液槽相连，经过滤槽3中滤网过滤后的液体进入储液槽储存。当过滤槽3的水位过高，则会启动3号抽污粉碎泵将过滤槽3的固体抽到过滤槽2重新过滤，若过滤槽2的水位过高，则会启动2号抽污粉碎泵将过滤槽2的固体抽到过滤槽1重新过滤，若过滤槽1的水位过高，则会启动固体分离机，对过滤槽1的固体进行固液分离脱水，为加工固体有机肥打下基础。系统的工艺流程图如图1所示。

智能过滤系统的控制流程为：

(1)开启系统，启动1号抽污粉碎泵。

(2)判断各个过滤槽的液位：首先判断过滤槽1的液位，若过滤槽1的液位过高，则关闭1号抽污粉碎泵，启动固液分离机，否则对过滤槽2的液位进行判断。若过滤槽2的液位过高，则关闭1号抽污粉碎泵，启动2号抽污粉碎泵，否则对过滤槽3的液位进行判断。若过滤槽3的液位过高，则关闭1号抽污粉碎泵，启动3号抽污粉碎泵，否则返回继续新的一轮液位监控。

(3)滤网的清洗：这里以过滤槽1为例进行说明。过滤槽1液位过高，关闭1号抽污粉碎泵，开启固液分离机，使液位降低。当液位降到30%时，关闭固液分离机，开启1号冲洗管电磁阀门和1号清洗刷子对滤网进行冲洗。

智能过滤系统的总体流程图如图2所示。

1．启动按键；2.过滤槽1的30%水位信号；3.过滤槽1的75%水位信号；4.过滤槽2的30%水位信号；5.过滤槽2的70%水位信号；6.过滤槽3的30%水位信号；7.过滤槽3的70%水位信号；8.1号清洗刷子启动时间X；9.2号清洗刷子启动时间Y；10.3号清洗刷子启动时间Z；11.1号抽污粉碎泵；12.固液分离机；13.过滤槽1分离管电磁阀门；14.1号冲洗管电磁阀门；15.2号冲洗管电磁阀门；16.3号冲洗管电磁阀门；17.2号抽污粉碎泵；18.3号抽污粉碎泵；19.1号清洗刷子；20.2号清洗刷子；21.3号清洗刷子图2 智能过滤系统的总体流程图

3 设备结构及组成

3.1 过滤槽

过滤槽采用201材质的不锈钢，厚度2 mm，规格为长3.6 m，宽1.2 m，高2.5 m，按长度平均分成3部分，中间有不锈钢隔板，隔板上留有半径为2 m，圆心角为30°的扇形口装过滤钢网，该口上窄下宽，其过滤钢网采用的材质为304不锈钢。过滤槽1采用的是20目的过滤网，过滤槽2采用的是60目的过滤网，过滤槽3采用的是120目的过滤网。每个过滤网配有一套清洗设备，清洗设备由清洗刷子、喷水头和电磁阀组成。在过滤槽3后接有长0.8 m，宽1.2 m，高2.5 m，的储液槽，储液槽采用的是PT材质的塑料桶，厚度70 mm。

3.2 抽污粉碎泵

抽污粉碎泵是一种泵与电机连体，并同时潜入液下工作的泵类产品，与一般卧式泵或立式污水泵相比，结构紧凑、占地面积小、安装维修方便。采用的型号是QW50-18-30-3，其主要参数如下。工作电压：380V；流量：18 m3·h-1；扬程：30 m；转速：2880 r·min-1；功率：3 kW；口径：50 mm。

3.3 固液分离机

固体分离机采用的型号是THG-280，其主要参数如下。工作电压：380 V；功率：5.5 kW；转速：1450 r·min-1；效率：20 m3·h-1。该型号固体分离机用设备配套的无堵塞液下泵将沼液抽送至固体分离机内，再由绞龙将沼液逐渐推向机器的前方，同时不断提高机器前缘的压力，迫使物料中的水分在边压带滤的作用下挤出网筛，流出排水管。

3.4 其他设备

液位开关采用的是连杆浮球液位开关，连杆浮球液位开关的工作原理是浮球在一定范围内上下浮动，利用浮球内的磁性系统透过本体管去触发磁簧开关的闭合或断开，以产生开关动作，达到控制液位的目的。

电磁阀的工作电压选用220 V，可以直接接在市电上使用，不必再设计额外的电源模块。因为沼气中含有易燃易爆气体，故选用的电磁阀还需具有防爆功能。

4 系统采用智能化控制与人工控制的成本对比

智能化过滤系统与传统过滤系统的对比结果表明(见表3)，智能化过滤系统与传统过滤系统年运行成本分别为23120.00元·m-3与26600.00元·m-3，智能化过滤系统年要节省3480元·m-3。虽然智能化过滤系统比传统的过滤工程建设多支出了12600元，但是智能化过滤系统5年运行费用为70000元，较传统过滤系统节省30000元，实现了过滤系统自动化工艺，不需要工人值守，而传统的过滤系统由于过滤物需专人清理，劳动成本大，说明智能化过滤系统降低了部分劳动成本和场地租赁费。从两种沼液过滤系统的5年运行的运营和建设成本看，采用智能化过滤系统更符合项目建设的成本效益原则。

表2 安装智能化过滤系统项目及总价

表3 沼液过滤工程项目成本比较

5 总结

本文重点研究了设施农业中沼液滴灌过滤技术及设备的智能设计问题。根据沼液过滤困难，沼渣容易堵塞过滤器的特性，智能过滤系统采用了分级过滤策略；利用沼液液位监测，智能控制固液分离机，实现沼液粘稠分离，沼液过滤通过120目，满足滴灌要求；使用配套清洗刷子和喷水阀，实现自动冲洗功能。在给定使用环境的情况下，简化了沼液过滤的固液分离过程，建立了可操作性强的智能过滤系统模型，为沼液沼渣分离进一步提供了理论依据。结果表明，本装置相比传统过滤系统，经济合理，对减轻环境污染，提高养殖业到种植业的养分循环，发展循环经济具有重要意义。