蔡永銘， 周文彬， 谷凌雁

（廣東藥學(xué)院，廣東廣州 510006）

0 引 言

大量富含有機質(zhì)和礦物質(zhì)，并且伴隨著病原菌、蟲卵及重金屬等有毒物質(zhì)的污泥在大都市污水廠不斷產(chǎn)生，這個污泥垃圾處理已經(jīng)成為城市管理中一個重要問題。對城市污泥處理技術(shù)近年展開了大量的研究，目前比較典型的處理方法有填埋、投海、焚燒和堆肥等4種方式［1］。其中堆肥技術(shù)是最環(huán)保并且最具有發(fā)展?jié)摿Φ奶幹梅绞?。蚯蚓是一種特殊腐食性的動物，它的消化道可以不斷分泌出蛋白酶、脂肪分解酶和纖維分解酶等分泌物。這些分泌物可以把植物營養(yǎng)素以及有機質(zhì)變成有機復(fù)合肥和高蛋白，同時，這些蚯蚓糞便可以為土壤帶來大量有用的微生物種群，并且起到除臭、脫色功能［2］。正是這些蚯蚓所具有的特殊生物功能，可以被利用來處理這些城市污泥，實驗已經(jīng)證明，經(jīng)過蚯蚓堆肥生物處理后，污泥里面的重金屬和其它有害成分的含量都已經(jīng)明顯減少。所以，污泥蚯蚓堆肥處理技術(shù)可以用來處理城市污泥，以減少污染［3］。

已經(jīng)有開展多項關(guān)于采用蚯蚓處理城市污泥研究結(jié)果在相關(guān)的雜志發(fā)表［4－6］，但是，這些研究基本上是集中在如何選擇合適的蚯蚓種類或者蚯蚓本身及這些污泥在生物堆肥過程中各項指標(biāo)的相關(guān)變化，包括經(jīng)過蚯蚓處理以后污泥所具備的肥料效果等方面的研究。目前所設(shè)計的蚯蚓反應(yīng)器基本上只是滿足于生物反應(yīng)的實驗室功能實現(xiàn)，對于真正在實際生產(chǎn)特別是對機械化以及用于系統(tǒng)集成的機電一體化自動控制方面的研究甚少。正是因為以前由于信息化程度不高導(dǎo)致了人工成本高及生產(chǎn)效率低下，導(dǎo)致蚯蚓處理污泥技術(shù)無法推廣大規(guī)模使用。這里研究的目的是改造蚯蚓生物反應(yīng)器，整合自動化機械的功效與蚯蚓的生物學(xué)功能，設(shè)計用于污泥處理的蚯蚓生物反應(yīng)器自動控制系統(tǒng)。設(shè)計蚯蚓生物反應(yīng)器的數(shù)字控制接口，通過上位機實施監(jiān)控，實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控的系統(tǒng)集成。將來可以為提高城市污泥的資源化利用能力，改變城市污水處理廠工控系統(tǒng)無法集成蚯蚓生物反應(yīng)器的現(xiàn)狀，為城市的污泥處理研究和實踐提供參考［7］。

1 數(shù)字蚯蚓生物反應(yīng)器控制系統(tǒng)

采用數(shù)字蚯蚓生物反應(yīng)器實現(xiàn)規(guī)模化處理城市污泥轉(zhuǎn)化為有機生物肥，實現(xiàn)智能自動化操作是關(guān)鍵。數(shù)字蚯蚓生物反應(yīng)器控制系統(tǒng)部分是實現(xiàn)智能控制的關(guān)鍵。本研究通過改良深層連續(xù)式蚯蚓反應(yīng)器用于處理城市污泥，用于集成系統(tǒng)的規(guī)?；a(chǎn)，將城市污泥轉(zhuǎn)化為有機生物肥（蚯蚓糞）。設(shè)計數(shù)字蚯蚓反應(yīng)器實現(xiàn)智能監(jiān)控，進行在線監(jiān)控把相應(yīng)傳感器收集到的蚯蚓生物反應(yīng)器內(nèi)部溫度和餌料含水率，使蚯蚓在最佳生存環(huán)境中保持最高工作效率。同時，可以實時在線監(jiān)測蚯蚓密度、pH值和C／N等重要生態(tài)因子。通過監(jiān)測反應(yīng)器內(nèi)餌料空間分布，自動控制生產(chǎn)加料（含布料）和出料過程。通過所設(shè)計的蚯蚓反應(yīng)器的數(shù)字化計算機接口，蚯蚓反應(yīng)器可通過數(shù)據(jù)總線連接上位機（車間級工作站），實現(xiàn)設(shè)備的系統(tǒng)集成和遠(yuǎn)程監(jiān)控。并且通過模糊控制技術(shù)實現(xiàn)蚯蚓生物反應(yīng)器中的原料在反應(yīng)器中停留時間、反應(yīng)器內(nèi)溫度控制、反應(yīng)器內(nèi)原料含水率控制、蚯蚓分布深度控制、pH值和C／N值等多項指標(biāo)的控制過程［8－10］。

蚯蚓反應(yīng)器中的各項生態(tài)因子是在一定的工程參數(shù)范圍內(nèi)變化的，建立以各項蚯蚓生態(tài)因子為輸入?yún)?shù)，加料和出料頻率為控制輸出的模糊控制數(shù)學(xué)模型。實現(xiàn)大規(guī)?；a(chǎn)用蚯蚓生物反應(yīng)器的難點在于確定工程參數(shù)。確定蚯蚓反應(yīng)器的工程參數(shù)，主要依據(jù)蚯蚓個體轉(zhuǎn)化有機廢棄物的最佳生態(tài)因子范圍，并且在實踐中進一步驗證和改進。蚯蚓反應(yīng)器的模糊控制數(shù)學(xué)模型中需要使用的模型規(guī)則和模糊推理都缺乏相關(guān)經(jīng)驗，需要通過實驗獲得。蚯蚓生物反應(yīng)器控制系統(tǒng)集成如圖1所示。

蚯蚓生物反應(yīng)器控制系統(tǒng)集成主要包括4部分：箱體在線測量系統(tǒng)、輔助受控空調(diào)、加料小車控制系統(tǒng)和出料系統(tǒng)，4個部分系統(tǒng)集成一起協(xié)同工作。

2 蚯蚓反應(yīng)器工作流程

這里以深層連續(xù)式蚯蚓箱式蚯蚓反應(yīng)器作為基礎(chǔ)，改進原來反應(yīng)器裝置，模擬蚯蚓在自然環(huán)境中居于富含有機質(zhì)的土壤表層（0～40cm）的特性。把布料功能設(shè)計放置在蚯蚓反應(yīng)器模型的頂層，在底層排出蚯蚓糞的這樣箱體結(jié)構(gòu)。蚯蚓生物反應(yīng)器的工作流程主要是把堆肥預(yù)處理后的廢棄物通過布料機均勻布置在反應(yīng)器主體的表面；蚯蚓反應(yīng)器內(nèi)的蚯蚓遷移至反應(yīng)器主體表面，轉(zhuǎn)化有機廢棄物原料，而反應(yīng)器主體底面的原料已是蚯蚓轉(zhuǎn)化完成的蚯蚓糞，通過置于底部的刮料器和收集器取出蚯蚓糞，形成每天添加新的有機廢棄物，取出蚯蚓糞，使反應(yīng)器中的物料量保持平衡，連續(xù)生產(chǎn)。蚯蚓反應(yīng)器由4部分組成：加料系統(tǒng)、反應(yīng)器主體、出料系統(tǒng)和微處理器控制單元。

加料系統(tǒng)位于反應(yīng)器的頂部，由電機拖動實現(xiàn)水平直線往返移動，實現(xiàn)在反應(yīng)器箱體內(nèi)表面均勻布料。水平移動裝置上附帶有霧狀噴水系統(tǒng)和紅外測距設(shè)備。霧狀噴水系統(tǒng)用于調(diào)劑箱體內(nèi)餌料的含水率。紅外測距設(shè)備用來測量餌料在箱體表面的水平分布情況。加料的工作流程如圖2所示。

反應(yīng)器主體規(guī)格根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模需要進行擴容。在箱體內(nèi)安裝各種傳感器，用于測量蚯蚓轉(zhuǎn)化有機質(zhì)的各項主導(dǎo)生態(tài)因子。反應(yīng)器主體采用類似火車的分節(jié)設(shè)計，可以依據(jù)需要加長拼裝。每節(jié)反應(yīng)器長約2m、寬約2．5m、高約1m。各節(jié)反應(yīng)器共享相同的微處理器控制單元和布料小車系統(tǒng)，但有自己的傳感器測量系統(tǒng)和底部出料系統(tǒng)。

出料系統(tǒng)位于底部，由出料器和收集器組成。底部設(shè)計紅外線暖光和收集量檢測裝置。用紅外線取暖在底部利用蚯蚓避光的生物特性向上驅(qū)趕蚯蚓并烘干蚯蚓糞。收集量檢測裝置采用紅外線開關(guān)測量，當(dāng)光路被阻斷則表示空間內(nèi)收集量已滿。出料的工作流程如圖3所示。

蚯蚓生物反應(yīng)器的設(shè)計主要是根據(jù)蚯蚓轉(zhuǎn)化有機物質(zhì)和重金屬的前人研究基礎(chǔ)中蚯蚓所適合的最佳生態(tài)閥值，蚯蚓種群的大小以及它的分布及需要布料的頻率等綜合考慮。因為蚯蚓生物反應(yīng)器中最為主要的生態(tài)因子包括溫度和餌料含水率，所以為了使蚯蚓能夠在最佳的工作環(huán)境中生產(chǎn)運作，采用計算機自動化控制技術(shù)進行智能調(diào)節(jié)控制生態(tài)環(huán)境因素。因為實現(xiàn)了自動化控制，可以極大地減少人工成本，也減少了人為干擾因素，更加有利于蚯蚓生產(chǎn)運作。

圖1 控制系統(tǒng)集成

圖2 加料的工作流程圖

圖3 出料的工作流程圖

3 結(jié) 語

由上位機實施監(jiān)控的數(shù)字蚯蚓生物反應(yīng)器可實現(xiàn)將污泥高溫發(fā)酵預(yù)處理與蚯蚓生物反應(yīng)器的系統(tǒng)集成。國內(nèi)現(xiàn)有研究普遍將高溫發(fā)酵預(yù)處理過程和蚯蚓生物堆肥反應(yīng)分開處理，餌料轉(zhuǎn)運需要依靠人力實現(xiàn)。這里研究的蚯蚓反應(yīng)器加入計算機通訊接口，實現(xiàn)高溫發(fā)酵預(yù)處理與蚯蚓生物反應(yīng)器優(yōu)化組合，便于優(yōu)化生態(tài)因子的參數(shù)條件控制，使其達(dá)到高效的處理目的。國內(nèi)現(xiàn)有的蚯蚓生物反應(yīng)器缺乏在線檢測蚯蚓轉(zhuǎn)化有機質(zhì)的主導(dǎo)生態(tài)因子，不能自動檢測反應(yīng)器內(nèi)餌料分布的情況，加料和出料的量及位置均由人工操作。

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