專利名稱：測定堆肥堆體沉降和容重的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及堆肥技術(shù)領(lǐng)域，是一種測定堆肥堆體沉降和容重的方法 與裝置，也可以應(yīng)用于垃圾填埋場沉降的測定。技術(shù)背景堆肥是利用微生物分解有機質(zhì)和產(chǎn)生熱量，達到生物脫水、有機質(zhì)穩(wěn) 定化、殺滅病源微生物和雜草種子，實現(xiàn)有機固體廢棄物無害化、減量化 和資源化的手段。影響堆肥成敗的主要因素有堆肥物料、水分含量、氧氣和自由空域(free air space, FAS)等(Agnew J W and Leonard J J， 2003, Compost Science and Utilization, 3(11) :238-264; Turner C et al， 2005. Bioresource Technology, 96(5): 521-529)。其中，自由空域?qū)τ诙逊?的成敗起著關(guān)鍵性的作用。這主要是因為自由空域的大小與堆肥物料供氧 和水分的含量有密切的關(guān)系。在相同的物料組成下，自由空域越大，堆體 的通氣性越好，好氧微生物就更容易獲得充足的氧氣，但是自由空域過大 不利于堆體的保溫，影響有機質(zhì)的降解速度和滅菌效果(Veeken A et al， 2002. Compost Science and Utilization, 10 (2): 114-128)。另外， 物料的水分含量越高，自由空域就越小，從而影響通風(fēng)供氧，形成厭氧環(huán) 境；反之，物料含水量越低，自由空域越大；但含水量過低會成為堆肥發(fā) 酵速度的限制因素(Miller FCet al, 1986. Biotechnology, 8: 363-398; 羅維，陳同斌.生態(tài)學(xué)報，2004， 11(24): 2656-2663)。所以，合適的自由空域?qū)τ诙洋w中的氧氣供應(yīng)、微生物活動和保溫等堆肥過程有重要影 響。對于堆肥系統(tǒng)，由于上層物料重力的壓實作用，堆體的自由空域至上而下呈遞減的分布趨勢。Shulze(1962)的研究結(jié)果表明，堆肥過程中堆體 的自由空域不應(yīng)小于30%(Schulze K L， 1962. Compost Science, 3: 22-34)。 Jeris(1973)則認(rèn)為，當(dāng)自由空域為25% 30%時，微生物降解有 機質(zhì)的能力最強(Jeris J S and Regan R W， 1973. Compost Science, 1: 14)。因此，測定堆體的自由空域分布，對于堆肥工程設(shè)計具有重要意義。在堆肥物料含水量和固體顆粒密度不變的條件下，影響堆體自由空域 的主要因素是容重。目前，測定容重的方法主要有環(huán)刀法、排水法和蠟封 法等。這些測量方法往往存在測定結(jié)果不準(zhǔn)或操作復(fù)雜等困難而不能應(yīng)用 于堆肥工程，而且這些方法都是破壞性的，不能實現(xiàn)堆體容重的原位測定。 有學(xué)者曾試圖通過實驗室模擬來研究受到重力壓實作用下堆體各層物料 的容重分布情況。但到目前為止，對堆體的容重及其分布情況還無法進行 原位測定，更不能進行對堆體的容重進行實時在線監(jiān)測。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種原位監(jiān)測堆肥堆體各層的沉降量和容重 的方法與裝置，對堆肥過程中堆體各層物料下沉幅度及其下沉速度進行實 時在線監(jiān)測，并且可以計算出堆體各層的容重和自由空域等重要參數(shù)。為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種測定堆肥堆體沉降和容重的方法，其包括步驟a)當(dāng)上堆達到待測高度時，將測試層的層面整平，水平放置開有狹縫或小孔的沉降板；b) 將沉降板中心軸上正交的有機玻璃棒套入不銹鋼套管，使有機玻璃棒上端固接的鋼絲繩自由端由套管上端口伸出，并保證不銹鋼套管與沉降板垂直后，直接填料覆蓋；c) 根據(jù)需要重復(fù)步驟a)、 b)，在堆體的不同水平層面放置多數(shù)個沉降板；d) 填料覆蓋到規(guī)定高度后，在堆體的上端安裝基準(zhǔn)支架，用以固定多 數(shù)個不銹鋼套管的上端緣，這樣可以保證沉降板和鋼絲繩隨堆體的沉降自 由下降，而不銹鋼套管則固定不動；e) 在基準(zhǔn)支架的上表面，固接多數(shù)個定滑輪和拉線式位移傳感器，鋼 絲繩自由端繞過定滑輪與拉線式位移傳感器相連接；f) 拉線式位移傳感器經(jīng)導(dǎo)線依次與變送器、顯示儀表或計算機終端電 連接；g) 拉線式位移傳感器將沉降板和鋼絲繩的下降，變?yōu)殡娦盘栞敵?；?出信號通過變送器進行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換后，輸送給顯示儀表或計算機終端，顯 示為具體的數(shù)值大小；通過顯示儀表或計算機終端直接讀取或記錄數(shù)據(jù)， 對堆體各待測層的沉降量進行實時在線監(jiān)測。根據(jù)各個層次測定的沉降數(shù)據(jù)曲線，可以確定物理沉降完成的時間以 及各層堆肥物料受重力壓縮的位移大小。再根據(jù)堆肥物料初始容重(即未 受任何負(fù)載時的容重)和兩兩沉降板間的壓縮距離計算出各層容重的大 小。再采用冪函數(shù)} = 。？對容重和堆體高度進行擬合，就可以得到容重隨 高度變化的分布曲線。一種所述的方法所使用的測定堆肥堆體沉降和容重的裝置，包括沉降板、鋼絲繩、不銹鋼套管、有機玻璃棒、基準(zhǔn)支架、定滑輪、拉線式位移 傳感器、變送器、顯示儀表、計算機終端；其中，沉降板以有機玻璃板制作，為正方形、長方形或圓形，上開有長條形狹縫或者小孔；沉降板中心軸上以連接件正交固接有有機玻璃棒，有機玻璃棒上端固接鋼絲繩的一端，有機玻璃棒和鋼絲繩由下向上套入不銹鋼套管，鋼絲繩的另一自由端從套管的上端口伸出；基準(zhǔn)支架水平設(shè)置，不銹鋼套管的上端緣與基準(zhǔn)支架正交固接；基準(zhǔn) 支架上表面，固接有定滑輪和拉線式位移傳感器，鋼絲繩自由端由套管的 上端口伸出后，繞過定滑輪與拉線式位移傳感器相連接；拉線式位移傳感 器經(jīng)導(dǎo)線依次與變送器、顯示儀表或者計算機終端電連接。所述的測定堆肥堆體沉降和容重的裝置，其所述沉降板中心軸上的連 接件，為螺絲釘和有機玻璃棒中心軸線上的凹槽，螺絲釘?shù)年柭菁y與凹槽 內(nèi)壁的陰螺紋相適配，螺絲釘穿過沉降板中心上的孔，使沉降板與有機玻 璃棒固緊螺接。所述的測定堆肥堆體沉降和容重的裝置，其所述沉降板，厚度為5 12 mm，面積為0.1 m2 0.4 m2;長條形狹縫寬度為2 10 mra，圓形小孔 的直徑為3 15誦，沉降板開孔面積百分比為30% 60%。所述的測定堆肥堆體沉降和容重的裝置，其所述鋼絲繩，直徑為2 5 誦；不銹鋼套管的直徑為10 40 mm;有機玻璃棒的長度為150 400畫。所述的測定堆肥堆體沉降和容重的裝置，其所述一基準(zhǔn)支架上表面， 固接有多數(shù)個定滑輪和多數(shù)個拉線式位移傳感器，多數(shù)個定滑輪經(jīng)由多數(shù) 根鋼絲繩與多數(shù)個沉降板相連，多數(shù)個拉線式位移傳感器經(jīng)導(dǎo)線與多數(shù)個變送器電連接；多數(shù)個變送器與一顯示儀表或一計算機終端電連接；一沉降板、 一鋼絲繩、 一不銹鋼套管、 一有機玻璃棒、 一定滑輪、一拉線式位移傳感器、 一變送器構(gòu)成一個系統(tǒng)，與一顯示儀表或一計算機終端電連接，實時監(jiān)測堆體一個層面的位移。所述的測定堆體沉降和容重的裝置，其所述多數(shù)個時，其數(shù)目都相同。本發(fā)明的測定堆肥堆體沉降和容重的裝置，對堆肥過程中堆體各層物 料下沉幅度及其下沉速度進行實時在線的精確監(jiān)測，并且可以計算出堆體 各層的容重和自由空域等重要參數(shù)。


圖1為本發(fā)明測定堆肥堆體沉降和容重的裝置中沉降板裝置示意圖；圖2為沉降板開孔方式示意圖；圖3為本發(fā)明測定堆肥堆體沉降和容重的裝置示意圖；圖4實施例一的不同堆高位置的沉降量動態(tài)測定中，堆體高度與堆肥 時間的變化關(guān)系圖；圖5實施例一的第一階段物理沉降結(jié)束后堆體容重分布圖；圖6實施例二的不同堆高位置的沉降量動態(tài)測定中，堆體高度與堆肥 時間的變化關(guān)系圖；圖7實施例二的第一階段物理沉降結(jié)束后堆體容重分布圖。
具體實施方式
請參閱圖l、圖2、圖3，其中，圖3為測定堆肥堆體沉降和容重的裝置示意圖，主要由沉降板(l)、狹縫(2)、小孔(3)、細(xì)鋼絲繩(4)、不銹鋼 套管(5)、有機玻璃棒(6)、螺絲釘(7)、基準(zhǔn)支架(8)、定滑輪(9)、拉線 式位移傳感器(IO)、變送器(ll)、顯示儀表(12)、計算機終端(13)等部分 組成。沉降板(l)的材料為有機玻璃板，具有防腐蝕、不易吸濕膨脹、不易變 形、易加工等特點，溫度適合范圍為0 100 °C，適用于堆肥堆體的高溫 高濕環(huán)境。為了保證安裝沉降板(l)后熱量、氣體和水分等在堆肥上、下 層之間的遷移不受影響，在沉降板(1)上開設(shè)狹縫(2)或者小孔(3)，不破 壞堆體自身的環(huán)境和影響堆肥過程。經(jīng)過前期試驗發(fā)現(xiàn)，沉降板(l)可以 為正方形、長方形和圓形，厚度為5 12 ,，沉降板面積為0. 1 m2 0. 4 m2，開孔的形狀可以是長條形狹縫(2)或者圓形小孔(3)，具體的大小根據(jù) 堆肥物料的大小來控制。長條形狹縫(2)寬度為2 10mm，而圓形小孔(3) 的直徑為3 15mm。沉降板(1)開孔面積百分比(開孔面積占總面積的百分 比)為30% 60%。在以上條件下，既能很好地滿足氣體、熱量和水分的遷 移要求，又能達到沉降測定的要求。圖2為沉降板幾種開孔方式的示意圖。堆肥過程中最高溫度能夠達到70 'C左右，為了準(zhǔn)確反映實際的沉降 量，本發(fā)明裝置采用在此溫度范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)很小的細(xì)鋼絲繩 (4) (10. 07X10—6m/m °C， 28 100 °C)作為沉降測定的牽引材料，直徑為 2 5rara。這樣可以有效減小不銹鋼套管(5)的直徑，從而減小由于沉降測 定裝置安裝后對于堆肥堆體結(jié)構(gòu)的影響(包括熱量散失、水分脫除和通風(fēng) 供氧等方面的影響)。為了減少物料擠壓對于有機玻璃棒(6)和細(xì)鋼絲繩(4) 的摩擦阻力，在細(xì)鋼絲繩(4)外面采用不銹鋼套管(5)，使沉降板(l)能夠 上下自由升降。不銹鋼套管(5)的直徑可以控制在10 40 mm之間。為了保證安裝時沉降板(1)水平放置，并且減少與垂直的不銹鋼套管(5)接觸摩擦，沉降板(1)由通過中心位置的螺絲釘(7)與長度為150 400腿 的有機玻璃棒(6)連接，有機玻璃棒(6)尾端與細(xì)鋼絲繩(4)連接，細(xì)鋼絲 繩(4)連接到不銹鋼套管(5)頂部。不銹鋼套管(5)固定在基準(zhǔn)支架(8)上， 使沉降板(1)和細(xì)鋼絲繩(4)可以自由下降，而不銹鋼套管(5)固定不動。 細(xì)鋼絲繩(4)頂端通過定滑輪(9)與拉線式位移傳感器(10)連接。定滑輪(9) 和拉線式傳感器(10)分別固定在基準(zhǔn)支架(8)上，保證位置固定不動。拉 線式位移傳感器(10)的輸出信號通過變送器(11)進行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，變送器 (11)的輸出信號可以通過顯示儀表(12)顯示為具體的數(shù)值大小并可直接 讀取和記錄數(shù)據(jù)?；蛘邔⒆兯推?11)輸出的信號由計算機終端(13)采集后 進行顯示和處理。本沉降測定裝置的測量精度為1 ram。首先連接好沉降測定裝置的各部件，如圖1和圖3所示。當(dāng)上堆達到待 測高度時，將測試層的層面整平，放置開有狹縫(2)或小孔(3)的沉降板(1) 并保持水平。將沉降板(1)的有機玻璃棒(6)和細(xì)鋼絲繩(4)用不銹鋼套管 (5)套住，并保證不銹鋼套管(5)與沉降板(1)垂直，直接填料覆蓋。在堆 體的上端安裝基準(zhǔn)支架(8)，用以固定不銹鋼套管(5)。為了監(jiān)測堆體中各層的沉降量，可以在堆體內(nèi)部多個層面上安裝沉降 測定裝置。沉降板(l)的安裝與上堆過程同時進行。由于上堆過程中堆料 是不斷在壓縮下沉的，必須根據(jù)上一級沉降板(l)的位置來確定本級沉降 板(l)的安裝位置，以保證兩兩沉降板(l)間的距離為實驗設(shè)計的高度。在 堆體達到待測高度時，沉降測定裝置的安裝按照上述的步驟進行。在各層 沉降測定裝置裝配完成后，對各待測層的沉降量進行實時在線監(jiān)測，并通 過計算機終端(13)記錄各層的沉降情況。根據(jù)各個層次測定的沉降數(shù)據(jù)曲線，可以確定物理沉降完成的時間以 及各層堆肥物料受到重力壓縮的位移大小。再根據(jù)堆肥物料初始容重(即未受任何負(fù)載時的容重)和兩兩沉降板(l)間的壓縮距離計算出各層容重 的大小。再采用冪函數(shù)少=" 對容重和堆體高度進行擬合，就可以得到容 重隨高度變化的分布曲線實施例一堆肥物料為城市污泥和木屑，采用強制通風(fēng)靜態(tài)垛堆肥工藝。堆體幾何尺寸為1.5mX1.2mX1.8m(長X寬X高)。堆肥混料比例為l : 1(V/V， 污泥:木屑)。堆體的實際堆高為1.4m，兩兩沉降板之間的安裝間距為0.2 m。堆肥過程中，不同堆高位置的沉降量動態(tài)測定結(jié)果，如圖4所示。通 過沉降數(shù)據(jù)(如圖4)可以認(rèn)為虛線位置為物理沉降已經(jīng)結(jié)束，根據(jù)此時各 層次兩兩沉降板間的壓縮距離大小和初始容重可以計算得到堆肥堆體至 上而下的容重分布情況，如圖5所示。再對容重和堆體高度數(shù)據(jù)采用冪函 數(shù)j^"V進行擬合，得到容重隨高度變化的分布曲線(如圖5)。實施例二堆肥物料為城市污泥和玉米秸稈，采用強制通風(fēng)靜態(tài)垛堆肥工藝。堆 體幾何尺寸為1.5 mX1.2 mX1.8 m(長X寬X高)。堆肥混料比例為4 : 5( V/V，污泥玉米秸稈)。堆體的實際堆高為1.4 m，兩兩沉降板之間的 安裝間距為0.2 ra。堆肥過程中，不同堆高位置的沉降量動態(tài)測定結(jié)果，如圖6所示。在 圖6中，垂直虛線的位置為物理沉降基本結(jié)束的時間。按照實施例一相同 的處理方法，可以得到容重隨高度變化的分布曲線(如圖7)。
權(quán)利要求
1. 一種測定堆肥堆體沉降和容重的方法，其特征在于，包括步驟a)當(dāng)上堆達到待測高度時，將測試層的層面整平，水平放置開有狹縫或小孔的沉降板(1)；b)將沉降板(1)中心軸上正交的有機玻璃棒(6)套入不銹鋼套管(5)，使有機玻璃棒(6)上端固接的鋼絲繩(4)自由端由套管(5)上端口伸出，并保證不銹鋼套管(5)與沉降板(1)垂直后，直接填料覆蓋；c)根據(jù)需要重復(fù)步驟a)、b)，在堆體的不同水平層面放置多數(shù)個沉降板(1)；d)填料覆蓋到設(shè)定的高度后，在堆體的上端安裝基準(zhǔn)支架(8)，用以固定多數(shù)個不銹鋼套管(5)的上端緣，這樣可以保證沉降板(1)和鋼絲繩(4)隨堆體的沉降自由下降，而不銹鋼套管(5)則固定不動；e)在基準(zhǔn)支架(8)的上表面，固接多數(shù)個定滑輪(9)和拉線式位移傳感器(10)，鋼絲繩(4)自由端繞過定滑輪(9)與拉線式位移傳感器(10)相連接；f)拉線式位移傳感器(10)經(jīng)導(dǎo)線依次與變送器(11)、顯示儀表(12)電連接；g)拉線式位移傳感器(10)將沉降板(1)和鋼絲繩(4)的下降位移，變?yōu)殡娦盘栞敵?；輸出信號通過變送器(11)進行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換后，輸送給顯示儀表(12)，顯示為具體的數(shù)值大??；通過顯示儀表(12)直接讀取數(shù)據(jù)。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，或在f)步，拉線式位移傳 感器(10)經(jīng)導(dǎo)線依次與變送器(11)、計算機終端(13)電連接；g)拉線式位移傳感器(10)將沉降板(1)和鋼絲繩(4)的下降，變?yōu)殡娦盘栞敵?，輸出信號通過變送器(ll)進行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換后，輸送給計算機終 端(13)，通過計算機終端(13)直接記錄堆體各層的沉降情況，進行實時在線監(jiān)測。
3、 一種如權(quán)利要求l所述的方法所使用的測定堆肥堆體沉降和容重的 裝置，包括沉降板(l)、鋼絲繩(4)、不銹鋼套管(5)、有機玻璃棒(6)、基 準(zhǔn)支架(8)、定滑輪(9)、拉線式位移傳感器(IO)、變送器(ll)、顯示儀表 (12);其特征在于，沉降板(l)以有機玻璃板制作，為正方形、長方形或圓形，上開有長 條形狹縫(2)或者小孔(3);沉降板(1)中心軸上以連接件正交固接有有機 玻璃棒(6)，有機玻璃棒(6)上端固接鋼絲繩(4)的一端，有機玻璃棒(6)和 鋼絲繩(4)由下向上套入不銹鋼套管(5)，鋼絲繩(4)的另一 自由端從套管 (5)的上端口伸出;基準(zhǔn)支架(8)水平設(shè)置，不銹鋼套管(5)的上端緣與基準(zhǔn)支架(8)正交 固接；基準(zhǔn)支架(8)上表面，固接有定滑輪(9)和拉線式位移傳感器(10)， 鋼絲繩(4)自由端由套管(5)的上端口伸出后，繞過定滑輪(9)與拉線式位 移傳感器(10)相連接；拉線式位移傳感器(10)經(jīng)導(dǎo)線依次與變送器(11)、顯示儀表(12)電連接。
4、 如權(quán)利要求3所述的測定堆肥堆體沉降和容重的裝置，其特征在 于，或拉線式位移傳感器(10)經(jīng)導(dǎo)線依次與變送器(11)、計算機終端(13) 電連接。
5、 如權(quán)利要求3所述的測定堆肥堆體沉降和容重的裝置，其特征在 于，所述沉降板(l)，厚度為5 12 mm，面積為0.1 m2 0. 4 m2;長條形狹縫(2)寬度為2 10誦，圓形小孔(3)的直徑為3 15咖，沉降板(l)開 孔面積百分比為30% 60%。
6、 如權(quán)利要求3所述的測定堆肥堆體沉降和容重的裝置，其特征在 于，所述一基準(zhǔn)支架(8)上表面，固接有多數(shù)個定滑輪(9)和多數(shù)個拉線式 位移傳感器(IO)，多數(shù)個拉線式位移傳感器(10)由多數(shù)根鋼絲繩(4)經(jīng)多 數(shù)個定滑輪(9)與多數(shù)個沉降板(1)相連，多數(shù)個拉線式位移傳感器(10)經(jīng) 導(dǎo)線與多數(shù)個變送器(ll)電連接；多數(shù)個變送器(11)與一顯示儀表(12)或一計算機終端(13)電連接； 一沉降板(l)、 一鋼絲繩(4)、 一不銹鋼套管(5)、 一有機玻璃棒(6)、 一定滑輪(9)、 一拉線式位移傳感器(IO)、 一變送器(ll)構(gòu)成一個系統(tǒng)， 與一顯示儀表(12)或一計算機終端(13)電連接，實時在線監(jiān)測堆體的一個 層面。
7、 如權(quán)利要求3所述的測定堆肥堆體沉降和容重的裝置，其特征在 于，所述多數(shù)個時，其數(shù)目都相同。
全文摘要
一種測定堆肥堆體沉降和容重的方法與裝置，涉及堆肥技術(shù)，用于填埋場堆體沉降的監(jiān)測。開有小孔或狹縫的沉降板埋設(shè)在待測點，沉降板與有機玻璃棒連接，有機玻璃棒頂端與細(xì)鋼絲繩連接，有機玻璃棒和細(xì)鋼絲繩的外面有不銹鋼外套。不銹鋼外套固定在基準(zhǔn)支架上，細(xì)鋼絲繩經(jīng)定滑輪與拉線式位移傳感器連接，信號經(jīng)過變送器處理后輸入顯示儀表顯示或與計算機連接。沉降板的多孔結(jié)構(gòu)，保證堆體中氣體、水分和熱量的交換或運移，使測定結(jié)果準(zhǔn)確可靠。裝置材料防腐蝕、不易吸濕膨脹、不易變形、易加工，滿足堆體高溫高濕條件的要求。通過對各層沉降數(shù)據(jù)的處理，計算得到堆體的沉降數(shù)據(jù)和容重分布情況。整套裝置與計算機相連實現(xiàn)實時在線監(jiān)測，精度1mm。
文檔編號G01N33/00GK101271098SQ20071006459
公開日2008年9月24日 申請日期2007年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月21日
發(fā)明者波 岳, 鄭國砥, 陳同斌, 定 高 申請人:中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所