智能型規(guī)模化膜覆蓋好氧堆肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

孫曉曦 崔儒秀 馬雙雙 韓魯佳 黃光群

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)有機(jī)固體廢棄物產(chǎn)出量巨大，其中每年畜禽糞便約為38億t，每年農(nóng)作物秸稈約為9億t，但總體利用率不足60%[1]，文獻(xiàn)[2]中提出：到2020年，全國(guó)糞污綜合利用率達(dá)75%以上?；谖覈?guó)過(guò)量使用化肥所帶來(lái)的農(nóng)業(yè)成本上升、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境惡化的問(wèn)題，農(nóng)業(yè)部提出到2020年減少20%果菜茶化肥使用量的目標(biāo)[3]。

好氧堆肥是實(shí)現(xiàn)畜禽糞污資源肥料化利用的重要途徑，我國(guó)現(xiàn)有的有機(jī)肥生產(chǎn)企業(yè)多以中小型為主，受成本所限，尚存在生產(chǎn)工藝落后、生產(chǎn)效率低下、能耗較高、生產(chǎn)的有機(jī)肥產(chǎn)品質(zhì)量不高、生產(chǎn)過(guò)程環(huán)保性較差等問(wèn)題[4]。半滲透膜覆蓋好氧堆肥工藝因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便利、高效智能、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性較高，可以滿足不同客戶的不同需求，從而能夠解決上述問(wèn)題[5-8]。

通過(guò)智能控制通風(fēng)的方式，實(shí)現(xiàn)好氧堆肥過(guò)程中溫度、氧濃度、水分的調(diào)節(jié)，可促進(jìn)好氧堆肥的過(guò)程良性化。國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于不同類型好氧堆肥工藝研制了智能控制系統(tǒng)，并用于試驗(yàn)或?qū)嶋H生產(chǎn)[9-12]。筆者所在團(tuán)隊(duì)率先在國(guó)內(nèi)研發(fā)了智能型膜覆蓋好氧堆肥反應(yīng)器系統(tǒng)[13]?；谇捌谘芯炕A(chǔ)，本文設(shè)計(jì)一種適用于規(guī)模化生產(chǎn)的節(jié)能環(huán)保智能型膜覆蓋好氧堆肥系統(tǒng)，旨在滿足規(guī)?；じ采w好氧堆肥的綠色生產(chǎn)和智能化需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能型膜覆蓋好氧堆肥系統(tǒng)包括傳感系統(tǒng)、總控系統(tǒng)、風(fēng)控系統(tǒng)及覆膜系統(tǒng)4部分，圖1是該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及方案。

圖1 膜覆蓋好氧堆肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及方案Fig.1 Designing scheme of membrane-covered system

1.1 總控系統(tǒng)

圖2是總控系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)及操作界面的結(jié)構(gòu)功能示意圖。

總控系統(tǒng)作為智能型膜覆蓋好氧堆肥系統(tǒng)的核心，主要用于對(duì)接各子系統(tǒng)，收集并處理來(lái)自各子系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)，并將其以模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)輸出，這種模擬信號(hào)可以在人機(jī)交互界面(Human machine interface，HMI)顯示，也可通過(guò)通用串行總線(Universal serial bus，USB)接口以Excel文件的形式導(dǎo)出，或者通過(guò)接入該系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)(Personal computer，PC)端查看。此外，總控系統(tǒng)具備控制各子系統(tǒng)的功能，目前該系統(tǒng)主要通過(guò)手動(dòng)控制、自動(dòng)控制及智能反饋控制3種方式用于各子系統(tǒng)的控制。上述功能實(shí)現(xiàn)所依賴的核心模塊主要包括可編程控制器(Programmable logic controller，PLC)(T16S2R、T16S0R、S20M2R、S16M2R，廈門(mén)海為科技有限公司)模擬量模塊(S04AI、S08AI)以及人機(jī)交互界面(C10，廈門(mén)海為科技有限公司)。

總控系統(tǒng)與各子系統(tǒng)的信號(hào)傳遞主要通過(guò)有線或無(wú)線兩種方式，其中總控系統(tǒng)與傳感系統(tǒng)的信號(hào)傳遞是通過(guò)P16型航空插頭(寧波市重強(qiáng)電器有限公司)和電纜線實(shí)現(xiàn)?？偪叵到y(tǒng)與風(fēng)控系統(tǒng)以及PC端的信號(hào)傳遞則是通過(guò)無(wú)線方式(ZigBee)實(shí)現(xiàn)，這種無(wú)線功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于人機(jī)交互界面其本身具備無(wú)線功能以及總控系統(tǒng)與風(fēng)控系統(tǒng)內(nèi)部均配置的H0Z1B型無(wú)線通訊模塊(廈門(mén)海為科技有限公司)。無(wú)線通訊方式一般分為兩種：一種是基于以上無(wú)線通訊模塊的局域網(wǎng)內(nèi)通訊的功能，另一種則是基于具備云傳輸功能的人機(jī)交互界面，通過(guò)讓系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)，則可使用相應(yīng)的云平臺(tái)操作軟件實(shí)現(xiàn)PC端、手機(jī)端和該系統(tǒng)的云數(shù)據(jù)互通及云范圍內(nèi)的遠(yuǎn)程控制。

為維持總控系統(tǒng)各模塊的正常供電運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)內(nèi)部還接入了24V6EP1 332-1LA10型電源模塊(西門(mén)子股份有限公司)，用于將220 V交流電轉(zhuǎn)化為各控制元器件模塊工作所需的24 V直流電。為防止過(guò)載情況下電流過(guò)大可能會(huì)對(duì)各元器件造成的損壞，該系統(tǒng)配備了微型斷路器(IC65N 2P C2，IC65N 2P C4，IC65N 4P D20，施耐德電氣有限公司)。

圖3 風(fēng)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagrams of blower control system1.無(wú)線通訊模塊 2.模擬量模塊 3.微型斷路器 4.變頻器 5.流量計(jì)接口 6.工作指示燈 7.電源開(kāi)關(guān) 8.保險(xiǎn)絲 9.外接電源插口 10.風(fēng)機(jī)接口 11.散熱器

1.2 風(fēng)控系統(tǒng)

風(fēng)控系統(tǒng)屬于子控制系統(tǒng)，其主要作用是用于連接位于不同位置的風(fēng)機(jī)以及流量計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)總控系統(tǒng)-風(fēng)控系統(tǒng)-風(fēng)機(jī)-流量計(jì)的信號(hào)互通。風(fēng)控系統(tǒng)的核心部件是6SL3210-5BE31-1UA0型變頻器(西門(mén)子股份有限公司)，變頻器接受總控系統(tǒng)的信號(hào)指令，并根據(jù)指令內(nèi)容通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)工作電源頻率的方式控制調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量。風(fēng)控系統(tǒng)配有流量計(jì)用于測(cè)量各管路進(jìn)風(fēng)流量，本系統(tǒng)所選用的流量計(jì)為VT2WE二線E系列渦街式流量計(jì)(安徽皖科電子工程有限公司)，其工作溫度范圍為0～50℃,壓力上限38 kPa，量程0～480 m3/h，精度±0.5%，響應(yīng)時(shí)間6 s。該類型流量計(jì)主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體(如氣體、液體、蒸汽等多種介質(zhì))的流量測(cè)量，其特點(diǎn)是壓力損失小，量程范圍大，精度高，在測(cè)量工況體積流量時(shí)幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響[14]，故該類型流量計(jì)適用于監(jiān)測(cè)通風(fēng)管路的進(jìn)風(fēng)流量。變頻器、流量計(jì)向主控系統(tǒng)的信號(hào)傳遞過(guò)程可描述為：變頻器或流量計(jì)輸出4～20 mA電流信號(hào)，經(jīng)無(wú)線通訊模塊傳送至PLC的模擬信號(hào)采集模塊，再經(jīng)無(wú)線模塊傳輸至主控系統(tǒng)，經(jīng)PLC的中央處理器(Central processing unit，CPU)處理之后，通過(guò)以態(tài)網(wǎng)的通訊方式將信號(hào)傳輸至觸摸屏。圖3是風(fēng)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，與總控系統(tǒng)相似，風(fēng)控系統(tǒng)配置了模擬量模塊、無(wú)線通訊模塊、航插插頭、24 V電源模塊以及微型斷路器等功能模塊，以滿足其數(shù)據(jù)采集傳輸、控制、電路保護(hù)等功能的實(shí)現(xiàn)。

1.3 傳感系統(tǒng)

傳感系統(tǒng)主要用于采集好氧堆肥過(guò)程中的關(guān)鍵性指標(biāo)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)主要選用了溫度、氧濃度及壓力作為監(jiān)測(cè)主要參數(shù)。選用PT100(鉑熱電阻)溫度傳感器，該類型的傳感器因具備精度高、響應(yīng)時(shí)間短、測(cè)量范圍廣的優(yōu)勢(shì)而被普遍用于好氧堆肥的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[9,15]，本溫度傳感器選用德國(guó)賀利氏公司生產(chǎn)的M222型傳感器，該傳感器的定制量程為-50～100℃，響應(yīng)時(shí)間為30 s以內(nèi)，穩(wěn)定時(shí)間為4 min以內(nèi)，精度為±0.5%。在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，將傳感器探頭依照3個(gè)垂直梯度裝在一根長(zhǎng)1.05 m的金屬套管中，并進(jìn)行后續(xù)加工形成了三梯度插入式的溫度在線監(jiān)測(cè)裝置，該裝置的可監(jiān)測(cè)深度分別為堆體下1.05、0.7、0.35 m。該溫度傳感器與主控系統(tǒng)的信號(hào)傳輸過(guò)程可簡(jiǎn)單描述為：溫度傳感器輸出PT100電信號(hào)并經(jīng)由熱電阻模塊(H04RC、H08RC，廈門(mén)海為科技有限公司)將PT100電信號(hào)放大傳輸至PLC的CPU進(jìn)行處理，CPU再通過(guò)以太網(wǎng)的通訊方式傳輸?shù)接|摸屏，觸摸屏主機(jī)經(jīng)過(guò)處理后呈現(xiàn)出溫度數(shù)值。

壓力監(jiān)測(cè)選用工業(yè)內(nèi)常用的WNK59M3型擴(kuò)散硅式智能壓力傳感器(安徽皖科電子工程有限公司)，該傳感器的常規(guī)量程最大為700 Pa，但其量程比可達(dá)100，響應(yīng)時(shí)間為200 ms，傳感器精度受溫度的影響為每10℃變化±0.045%。該壓力傳感器精度高，響應(yīng)時(shí)間快，抗過(guò)載能力強(qiáng)，適用于本領(lǐng)域的堆體內(nèi)氣體壓力的監(jiān)測(cè)。壓力傳感器與主控系統(tǒng)的信號(hào)傳輸過(guò)程可描述為：壓力傳感器將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號(hào)，經(jīng)電纜傳送至PLC的模擬信號(hào)采集模塊，經(jīng)PLC的CPU處理之后，通過(guò)以太網(wǎng)的通訊方式將信號(hào)傳輸至觸摸屏，觸摸屏主機(jī)經(jīng)過(guò)處理后呈現(xiàn)出壓力數(shù)值。氧濃度監(jiān)測(cè)由于在預(yù)試驗(yàn)階段采用插入式的氧化鋯氧濃度傳感器效果不理想，氧濃度傳感器防水性能未到達(dá)預(yù)期，故選用外源設(shè)備——英國(guó)Geotech公司生產(chǎn)的Biogass 5000進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為更準(zhǔn)確便捷地監(jiān)測(cè)堆體內(nèi)壓力及氧濃度，壓力監(jiān)測(cè)裝置與氧濃度傳感器前端連接了具備通氣作用的插入式不銹鋼套管。

1.4 覆膜系統(tǒng)

覆膜系統(tǒng)主要包括半滲透性功能膜以及膜密封裝置兩部分。其中，半滲透性功能膜需要具備良好的防水透濕性能，以保證堆體內(nèi)的水分在高溫發(fā)酵期處在一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)，并保證堆體后期的含水率可通過(guò)持續(xù)的水蒸氣散失降至30%左右。此外，半滲透性功能膜需要具備良好的選擇透過(guò)性，以減少10 μm以上的顆粒物、病原菌以及臭氣等有害物質(zhì)的揮發(fā)。因用于強(qiáng)制通風(fēng)好氧堆肥過(guò)程的功能膜會(huì)在堆體曝氣時(shí)受到一定氣壓(3 000～5 000 Pa)，故該膜材料的力學(xué)強(qiáng)度需達(dá)到一定要求。以聚四氟乙烯為核心材料的膜材料可具備以上功能特性[16]，近年來(lái)已經(jīng)被用于膜覆蓋好氧堆肥工藝中[5,6,13,17]，故本文選用的半滲透功能膜為志騰堆肥膜(青島志騰科技有限公司)，其主要參數(shù)如表1所示。膜密封裝置，因所采用的好氧堆肥基礎(chǔ)設(shè)施不同而不同，如圖4所示，本文基于槽式堆肥，利用翻拋機(jī)軌道構(gòu)建了適用于槽式翻拋的膜密封裝置。

表1 半滲透膜參數(shù)Tab.1 Parameters of semi-permeable membrane

圖4 膜密封裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of membrane sealing device1.堆肥槽墻體 2.六角螺栓 3.六角螺母 4.工字鋼(翻拋機(jī)軌道) 5.槽鋼 6.功能膜

1.5 控制工藝及外形設(shè)計(jì)

控制工藝程序是以PLC編程軟件HaiwellHappy(V2.2.4)為基礎(chǔ)，通過(guò)組態(tài)軟件內(nèi)部的各模塊功能的調(diào)用、組合、編輯形成了滿足膜覆蓋好氧堆肥過(guò)程參數(shù)控制的工藝操作界面。圖5是工藝操作界面圖，其中圖5a為數(shù)據(jù)顯示界面圖，可實(shí)時(shí)顯示好氧堆肥過(guò)程中各接口對(duì)應(yīng)的溫度、壓力、氧濃度、流量以及各風(fēng)機(jī)的實(shí)際工作頻率。圖5b是參數(shù)設(shè)定界面，主要用于設(shè)定風(fēng)機(jī)的通風(fēng)方案，從左至右的5欄分別代表以時(shí)間、流量、壓力、氧氣以及溫度作為基本參數(shù)進(jìn)行通風(fēng)調(diào)節(jié)的5種智能反饋模式，每一欄都可以通過(guò)設(shè)定反饋值或者反饋區(qū)間兩種方式進(jìn)行參數(shù)反饋控制，當(dāng)實(shí)際值與所設(shè)參數(shù)值不符時(shí)，反饋控制功能啟動(dòng)，風(fēng)機(jī)以最初設(shè)定的反饋工作值或區(qū)間進(jìn)行調(diào)節(jié)直至實(shí)際值與所設(shè)參數(shù)值符合。此外，每一欄上部設(shè)有反饋參數(shù)功能選擇按鈕與反饋目標(biāo)風(fēng)機(jī)選擇按鈕，操作中可根據(jù)實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)多參數(shù)多風(fēng)機(jī)的靈活反饋功能。圖5c是針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)重要傳感器損壞而啟用系統(tǒng)外部的設(shè)備時(shí)提出的通風(fēng)工藝備用解決方案，其實(shí)現(xiàn)流程為：首先由技術(shù)人員根據(jù)前幾批試驗(yàn)的歷史數(shù)據(jù)或文獻(xiàn)里的數(shù)據(jù)，輸入不同目標(biāo)值(氧濃度、溫度)下的通風(fēng)參考方案(通風(fēng)量、通風(fēng)間隔)，其次手動(dòng)輸入用外源設(shè)備所測(cè)的數(shù)值，則該模塊會(huì)根據(jù)參考方案自動(dòng)確立通風(fēng)方案。圖5d則是根據(jù)各參數(shù)所繪制的參數(shù)變化曲線。

圖5 工藝操作界面示意圖Fig.5 Operation interfaces of process

2 性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于以上膜覆蓋好堆肥智能監(jiān)測(cè)裝備，進(jìn)行了性能試驗(yàn)，針對(duì)其主要測(cè)定參數(shù)及性能穩(wěn)定性進(jìn)行了檢驗(yàn)。本次試驗(yàn)所采用的原料是北京市順義區(qū)周邊奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)生產(chǎn)的奶牛糞便，以及密云區(qū)農(nóng)機(jī)合作社提供的打捆玉米秸稈，兩者比例調(diào)至質(zhì)量比大約10∶1，并添加40%的腐熟堆肥用于調(diào)節(jié)水分。

試驗(yàn)采用堆肥槽由北京市北郎中有機(jī)肥料廠提供(長(zhǎng)44 m，寬3.85 m，高1.8 m)，試驗(yàn)時(shí)覆蓋半滲透膜(圖6c)，覆膜方案與預(yù)設(shè)方案一致(圖6h)。曝氣采用一臺(tái)最大通風(fēng)量可達(dá)3 100 m3/h的離心風(fēng)機(jī)并經(jīng)由改良過(guò)的通風(fēng)管路實(shí)現(xiàn)(圖6d)?？偪叵到y(tǒng)設(shè)備平臺(tái)(圖6a)、風(fēng)控系統(tǒng)設(shè)備平臺(tái)(圖6b)、溫度監(jiān)測(cè)裝置(圖6e)、壓力監(jiān)測(cè)裝置(圖6f)、氧濃度監(jiān)測(cè)裝置(圖6g)與上文所述一致。

2.2 結(jié)果與討論

圖7a為本次試驗(yàn)的體積流量及頻率變化曲線，本次試驗(yàn)采用4條通風(fēng)管路送風(fēng)至堆體的4個(gè)不同方位，由圖7a可知，各管路的體積流量差別不大，基本上滿足送風(fēng)的均勻性。綜合頻率變化及體積流量變化來(lái)看，變頻調(diào)節(jié)的方式穩(wěn)定性高，相同頻率下的體積流量基本趨于平穩(wěn)。體積流量與頻率在第8天的缺失是因?yàn)榈?天全天進(jìn)行了翻拋。

圖7b為本次試驗(yàn)的溫度變化曲線，在該系統(tǒng)控制下的堆體發(fā)酵情況較為良好，最高溫度達(dá)到了70℃以上，且高溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，符合國(guó)家糞便衛(wèi)生化處理需求[18]。此外，溫度曲線在第22天時(shí)發(fā)生驟降，是由夜間環(huán)境溫度過(guò)低導(dǎo)致的系統(tǒng)暫時(shí)性失靈所致，此外獲取穩(wěn)定溫度約需8～10 min，比預(yù)計(jì)的4 min要長(zhǎng)。圖7c是氧濃度變化曲線，由圖可知，堆體內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)基本高于5%，證明覆膜系統(tǒng)作用下的堆體好氧程度較高，與已報(bào)道文獻(xiàn)中合理的氧濃度區(qū)間范圍一致[19]。

圖6 堆肥試驗(yàn)過(guò)程Fig.6 Test pictures of compost process

圖7 好氧堆肥過(guò)程參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.7 Monitoring results of aerobic compost process parameters

壓力分布是覆膜型好氧堆肥關(guān)注的重點(diǎn)過(guò)程指標(biāo)，基于此可判斷堆體內(nèi)的通風(fēng)是否良性，氧濃度分布是否均勻。根據(jù)所測(cè)的整個(gè)堆體的壓力分布箱圖可知(圖7d)，相同時(shí)間內(nèi)，堆體不同位置壓力差異較大，不同時(shí)間點(diǎn)壓力也各不相同，自16 d之后，大部分壓力基本上趨于零，這與文獻(xiàn)[13，20]報(bào)道的壓力分布規(guī)律差異較大。結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)情況判斷，一方面是由于插入式壓力監(jiān)測(cè)裝置容易產(chǎn)生堵塞，一方面是由于堆體內(nèi)氣孔分布不均，堆體內(nèi)氣壓不便采集所致。

與此同時(shí)，本系統(tǒng)的使用使得曝氣方式更加智能、曝氣效率更高，并降低了翻拋機(jī)的使用頻率，從而在節(jié)能降耗方面表現(xiàn)優(yōu)異。而覆膜系統(tǒng)的存在則可顯著降低溫室氣體及環(huán)境惡臭氣體的排放，該設(shè)備系統(tǒng)環(huán)保性表現(xiàn)優(yōu)異。

3 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種適用于規(guī)?；a(chǎn)的節(jié)能環(huán)保智能型膜覆蓋好氧堆肥系統(tǒng)，主要包括總控系統(tǒng)、風(fēng)控系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和覆膜系統(tǒng)4部分，具備在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、無(wú)線通訊和智能反饋控制功能。該系統(tǒng)智能化程度顯著提升，生產(chǎn)能耗和氣體產(chǎn)排顯著降低。

(2)利用所設(shè)計(jì)的節(jié)能環(huán)保智能型膜覆蓋好氧堆肥系統(tǒng)進(jìn)行性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)較高的好氧堆肥發(fā)酵智能化控制水平，且實(shí)際發(fā)酵效果良好。