王子龍，周 嶺，秦翠蘭，孫金龍，李明周（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆　阿拉爾　843300）

新型好氧堆肥裝置的設(shè)計(jì)

王子龍，周 嶺※，秦翠蘭，孫金龍，李明周
（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300）

近年來(lái)，人們對(duì)畜禽產(chǎn)品的需求量不斷增加，一方面我國(guó)的畜禽產(chǎn)業(yè)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，另一方面畜禽糞便帶來(lái)的污染隨之產(chǎn)生。文中設(shè)計(jì)了一種新型好氧堆肥裝置，由溫度數(shù)據(jù)處理模塊、曝氣滲透模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)顯/存模塊組成，堆體內(nèi)部溫度分布不均勻，傳感器分布在以槳葉為中心的的堆體內(nèi)部，能達(dá)到精確測(cè)量，減小誤差，提高堆肥效率，同時(shí)曝氣部分有效增大曝氣面積，通過(guò)槳葉的攪拌，不斷更新堆體表面，促使空氣在界面向液相轉(zhuǎn)移；對(duì)堆肥過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化觀測(cè)。

好氧堆肥；攪拌；曝氣；控制

0　引言

近年來(lái)，隨著人民生活水平的提高和飲食結(jié)構(gòu)的變化，中國(guó)養(yǎng)殖業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在滿足人類(lèi)生活需要，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)產(chǎn)生的大量廢棄物未經(jīng)處理便棄置［1］，若不加科學(xué)合理利用，不僅會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康也會(huì)造成嚴(yán)重威脅［2］。為此，我國(guó)《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》中對(duì)規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)提倡以沼氣工程和有機(jī)肥工程為核心的有機(jī)固體廢棄物循環(huán)利用。

好氧堆肥是指好氧菌在有氧條件下，對(duì)廢棄物進(jìn)行氧化、吸收、分解的過(guò)程，其中微生物在分解的過(guò)程中，通過(guò)生命活動(dòng)釋放熱量，不斷提供良好的生存環(huán)境，使微生物不斷繁殖，產(chǎn)生出更多生物體的過(guò)程。在牛糞為主的畜禽糞便的處理過(guò)程中（圖1），利用堆肥裝置，能夠高效，清潔的對(duì)畜禽糞便進(jìn)行處理。因此好氧堆肥化（Aerobic composting）是有機(jī)固體廢棄物無(wú)害化、減量化、資源化處理與利用的重要途徑之一［3］。

圖1　好氧堆肥工藝流程

在畜禽糞便好氧堆肥中，溫度空間變化、空間曝氣是提高堆肥品質(zhì)，增大氧氣滲透深度，減小堆體厭氧反應(yīng)的關(guān)鍵工藝。目前，針對(duì)在一般堆肥裝置設(shè)計(jì)中，對(duì)溫度的測(cè)量處于堆體外部，外部測(cè)量往往受堆體粘度以及堆體傳熱的影響，溫度測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，降低了堆肥效率。與此同時(shí)，在堆體中的微生物進(jìn)行好氧反應(yīng)是處于基質(zhì)顆粒表面形成的液膜中進(jìn)行的，氧氣通過(guò)基質(zhì)間的縫隙滲入，為微生物提供有氧環(huán)境，傳輸受阻就會(huì)出現(xiàn)厭氧反應(yīng)，對(duì)環(huán)境造成二次污染。傳統(tǒng)的曝氣操作在堆體外部進(jìn)行，氧氣從外部進(jìn)入堆體傳輸滲透深度較低，限制了畜禽糞便的綜合利用。因此本文針對(duì)好氧堆肥中遇到的厭氧反應(yīng)，研發(fā)一種高效清潔，對(duì)溫度變化實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)攪拌曝氣的新型好氧堆肥裝置。

1　系統(tǒng)組成

本設(shè)計(jì)的裝置原理簡(jiǎn)圖如圖2。

圖2　新型好氧堆肥裝置原理簡(jiǎn)圖

該新型好氧堆肥裝置主要包括溫度數(shù)據(jù)處理模塊、曝氣滲透模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯/存模塊，其中溫度數(shù)據(jù)處理模塊采集數(shù)據(jù)，將所測(cè)信號(hào)傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)預(yù)編程序進(jìn)行對(duì)堆體攪拌操作，同時(shí)可以通過(guò)曝氣滲透模塊進(jìn)行獨(dú)立曝氣操作，從堆體內(nèi)部進(jìn)行曝氣，增大反應(yīng)面積，減少堆肥時(shí)間。

2　主要工作部件

2.1溫度數(shù)據(jù)處理模塊

溫度數(shù)據(jù)處理模塊包括溫度傳感器、數(shù)據(jù)傳輸線和保護(hù)裝置，其中溫度傳感器是核心裝置。

溫度傳感器放置處于楔形槳葉保護(hù)內(nèi)部，利用畜禽糞便堆體自身的黏度與物料壓實(shí)度，將傳感器布置在以攪拌軸為圓心，上、中、下三層均勻分布的槳葉中間，堆體充滿在倉(cāng)體和楔形葉片之間，以葉片為測(cè)量點(diǎn)，從堆體內(nèi)部進(jìn)行溫度測(cè)量，以提高對(duì)堆體內(nèi)部溫度的測(cè)量。堆體與葉片充分有效接觸，熱量經(jīng)熱交換傳遞給楔形葉片中的溫度傳感器，傳感器將溫度信號(hào)通過(guò)空心攪拌軸及過(guò)孔電滑環(huán)傳遞給變送器，達(dá)到內(nèi)部測(cè)溫的作用。PT100溫度傳感器以其適用性廣，測(cè)量方便，造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛的被用于溫度檢測(cè)等方面，因此，好氧堆肥裝置采用PT100溫度傳感器作為裝置所需傳感器（型號(hào)MIK-WZPV1A2B1C1D），溫度系數(shù)TCR=2 850 ppm/k，測(cè)溫幅度：-50～200℃，響應(yīng)時(shí)間：水：2 m/s，t0.5=0.05 s，空氣：2 m/s，t0.5=3.0 s。好氧堆肥環(huán)境是一種具有腐蝕性的環(huán)境，利用保護(hù)層法，在傳感器表面覆蓋保護(hù)層，使金屬制品與周?chē)g介質(zhì)隔離，從而防止腐蝕。保護(hù)層抗腐蝕等級(jí)0.01-V-0.1（耐腐蝕材料）。

圖3　傳感器空間布置

傳統(tǒng)的堆肥裝置對(duì)溫度的測(cè)量處于堆體外部，受物料熱傳遞衰減等因素影響，溫度測(cè)量易出現(xiàn)偏差，相對(duì)于傳統(tǒng)堆肥裝置，新型好氧堆肥裝置的測(cè)溫設(shè)計(jì)能更精確的對(duì)堆體內(nèi)部溫度進(jìn)行測(cè)量，減少溫度轉(zhuǎn)遞損耗。

2.2曝氣滲透模塊

曝氣滲透模塊包括好氧堆肥曝氣通道、防堵裝置、防腐蝕通氣管道、過(guò)孔電滑環(huán)、風(fēng)機(jī)等（圖4）。

圖4　曝氣滲透模塊示意

好氧堆肥中好氧菌與有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)需要消耗氧氣，氧含量供給不及時(shí)會(huì)發(fā)生厭氧反應(yīng)，生成CH4和NH3等有毒有害氣體，對(duì)環(huán)境造成二次污染。堆體內(nèi)部設(shè)置曝氣裝置，能夠?qū)⒀鯕馔ㄈ攵洋w內(nèi)部，擺脫了過(guò)去堆肥裝置的單向曝氣，增大了曝氣面積，降低了堆體內(nèi)曝氣所需深度，提升了曝氣效率，達(dá)到好氧菌生存所需氧氣的最佳環(huán)境。過(guò)孔電滑環(huán)能保證氣、電的傳輸，不影響攪拌的進(jìn)程，優(yōu)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。

受物料含水率和堆制材料的影響，堆肥深度越深，孔隙度越小，曝氣對(duì)堆體的作用效果越弱；通過(guò)增大曝氣對(duì)堆體的作用效果，改善微生物好氧反應(yīng)的生態(tài)微環(huán)境，應(yīng)當(dāng)在堆體內(nèi)部進(jìn)行正壓鼓風(fēng)曝氣操作，槳葉曝氣管道與空心軸內(nèi)部相互連接，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與空氣的流動(dòng)，堆肥過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生CO2等腐蝕性氣體，因此曝氣通道材質(zhì)應(yīng)當(dāng)選取防腐蝕性保護(hù)通道，曝氣通道能將外部的空氣經(jīng)槳葉充入到堆體內(nèi)部，通過(guò)堆體與槳葉的充分接觸，及槳葉自身通道的曝氣，有效的將基質(zhì)顆粒間的氧濃度提升，增大氧氣滲透深度，減小厭氧反應(yīng)的發(fā)生，提升堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量［4］。

為了防止堆肥物料的黏度影響曝氣通風(fēng)的輸入，將槳葉與堆體的接觸部分設(shè)計(jì)豎直向下，基于牛頓流體力學(xué)曝氣出口設(shè)置成錐型，減少堆體內(nèi)液體的滲入，曝氣出口設(shè)置防護(hù)網(wǎng)，防止堆體基質(zhì)顆粒的堵塞［5］。其中堆肥物料中有機(jī)物降解所需理論通風(fēng)量計(jì)算公式：

式中 V—堆體理論通風(fēng)量，L；Mc—堆體物料中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量，g；η—有機(jī)物分解所需氧氣與質(zhì)量之比，L/g；ω易—易分解的有機(jī)物含量，%；ρ空—室溫下空氣密度，g/L；

1mol的C6H12O6摩爾質(zhì)量為180 g，易分解有機(jī)物所需η大約為12.5%，則有機(jī)物總質(zhì)量Mc為9 931.03g，全部氧化所需氧氣為192 g，理論通風(fēng)量V為707.10 L空氣。

同時(shí)假設(shè)：（1）堆體在堆制過(guò)程中熱量平衡；（2）堆體內(nèi)部基粒分布均勻，堆肥時(shí)間為30天。

根據(jù)理論通風(fēng)計(jì)算公式，每天進(jìn)行一次曝氣，每次曝氣時(shí)間5 min，氣體通過(guò)測(cè)溫點(diǎn)旁的24個(gè)曝氣管道向堆體均勻輻射，則每孔流量為3 ml/s。

2.3數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊包括模擬模塊、變送器、可編程邏輯控制器組成。

溫度是影響堆肥進(jìn)行的關(guān)鍵性因素之一，在堆肥的最初階段，堆肥物料各個(gè)部分的溫度基本一樣，隨著堆肥化的進(jìn)行，堆體內(nèi)部有機(jī)物經(jīng)微生物分解發(fā)酵產(chǎn)生大量的熱，直到堆肥過(guò)程結(jié)束，達(dá)到腐熟。堆體溫度變化是堆肥過(guò)程的中宏觀表現(xiàn)，對(duì)溫度的測(cè)量能更好的處理畜禽糞便的堆肥化進(jìn)程，利堆體內(nèi)顯著的溫度變化對(duì)整個(gè)堆肥進(jìn)程加以控制，達(dá)到最優(yōu)效果。

溫度傳感器將上傳的信號(hào)通過(guò)空心攪拌軸及過(guò)孔電滑環(huán)傳遞給變送器（transmitter），變送器把傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀豢刂破髯R(shí)別的信號(hào)，模擬模塊通過(guò)對(duì)信號(hào)的處理，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)反饋到可編程邏輯控制器中，可編程邏輯控制器通過(guò)對(duì)內(nèi)部預(yù)存堆肥溫度響應(yīng)曲線程序，將溫度傳感器收集到的信號(hào)進(jìn)行判定：溫度數(shù)據(jù)處理模塊測(cè)定溫度低于預(yù)定值，攪拌裝置不啟動(dòng)，進(jìn)行待機(jī)程序；待機(jī)程序結(jié)束，溫度數(shù)據(jù)處理模塊測(cè)定溫度值大于預(yù)定值，控制器將進(jìn)行二次測(cè)量校驗(yàn)結(jié)果，溫度低于預(yù)定值，進(jìn)入待機(jī)程序；反之，攪拌裝置啟動(dòng)，并根據(jù)溫度變化進(jìn)行曝氣操作。進(jìn)一步減小堆體厭氧反應(yīng)，增大堆肥成功率。

數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)開(kāi)環(huán)定值控制，使調(diào)節(jié)量（溫度）保持所要求的定值控制，開(kāi)關(guān)控制有靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性兩種，這里利用控制量及干擾量與調(diào)節(jié)（被控）量間的量化關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)。他們之間的關(guān)系為：

式中 r—調(diào)節(jié)量，表示被控系統(tǒng)的狀態(tài)、行為、性能的物理量；c—控制量，是經(jīng)PLC處理后、產(chǎn)生控制作用的輸出量；t1，t2—使系統(tǒng)的狀態(tài)與行為產(chǎn)生所不希望變化的物理量［6］。

可編程邏輯控制器采用西門(mén)子公司的S7-200CPU224 XPCN，它采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程，具有使用方便，編程簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

該P(yáng)LC上自帶有模擬量的輸入和輸出通道因此節(jié)省了元器件成本。CPU 224XP含有兩個(gè)模擬量輸入通道和一個(gè)模擬量輸出通道，其中自帶的模擬量I/O規(guī)格如下：

表1　自帶模擬量I/O規(guī)格

在S7-200中，單極性模擬量輸入輸出信號(hào)的數(shù)值范圍是0～32 000，雙極性模擬量信號(hào)的數(shù)值范圍是-32 000～+32 000，其中溫度傳感器與PLC串接電阻把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～10 V的電壓信號(hào)，送入PLC模擬量輸入通道。通過(guò)程序編制，對(duì)堆體進(jìn)行攪拌曝氣，并對(duì)溫度進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。用PID運(yùn)算的結(jié)果去控制接通電機(jī)或風(fēng)機(jī)，但電機(jī)與風(fēng)機(jī)控制只能為ON或OFF，不接受模擬量調(diào)節(jié)，故采用“占空比”調(diào)節(jié)方法。PID控制輸入輸出關(guān)系式為

式中 M（t）—控制器的輸出；M0—輸出的創(chuàng)始值；Kc—比例系數(shù)；T1—積分時(shí)間常數(shù)；TD—微分時(shí)間常數(shù)；e（t）—誤差信號(hào)。

(1)當(dāng)頻率小于大約270 Hz時(shí)，車(chē)輪與同質(zhì)量的一個(gè)剛體的行為無(wú)異，其在角頻率為Ω時(shí)的垂向動(dòng)柔度可按-1/(Ω2mW)進(jìn)行計(jì)算，不管是否在旋轉(zhuǎn)；

假設(shè)采樣周期為T(mén)S，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行的時(shí)刻為t= 0，用矩形積分來(lái)近似精確積分，用差分近似精確微分，則第n次采樣的控制器輸出為

式中en-1—第n-1次采樣時(shí)的誤差值；KI—積分系數(shù)；KD—微分系數(shù)。

圖中的spn、pvn、en、Mn分別為模擬量sp（t）、pv （t）、e（t）、M（t）在第n次采樣時(shí)的數(shù)字量。溫度傳感器檢測(cè)到的溫度送入PLC后，若經(jīng)PID指令運(yùn)算得到一個(gè)0～1的實(shí)數(shù)，把該實(shí)數(shù)按比例換算成一個(gè)0～100的整數(shù)，把該整數(shù)作為一個(gè)范圍為0～10s的時(shí)間t。設(shè)計(jì)了一個(gè)周期為10s的脈沖，脈沖寬度為t，把該脈沖加給風(fēng)機(jī)或電機(jī)，即可根據(jù)溫度變化曲線對(duì)堆體進(jìn)行控制［7］。

2.4數(shù)據(jù)顯/存模塊

數(shù)據(jù)顯/存模塊包括數(shù)據(jù)監(jiān)控界面和嵌入式觸摸屏組成。

數(shù)據(jù)監(jiān)控界面通過(guò)與可編程邏輯控制器的兼容，嵌入式一體化觸摸屏可以對(duì)堆肥進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)控，其內(nèi)置軟件與可編程邏輯控制器進(jìn)行傳輸，將堆肥過(guò)程中的信號(hào)變化以及所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，通過(guò)對(duì)觸摸屏進(jìn)行操控，調(diào)整參數(shù)變化，可以對(duì)堆肥進(jìn)程進(jìn)行控制，觸摸屏可以進(jìn)行手動(dòng)的操作，查詢當(dāng)前堆肥進(jìn)程溫度變化曲線和歷史曲線，通過(guò)人機(jī)交互，達(dá)到機(jī)、電、信息的高度集成。

數(shù)據(jù)顯/存模塊即監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)，采用北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)、前端數(shù)據(jù)的處理與控制，具有容量小、速度快、成本低、穩(wěn)定性高、功能強(qiáng)大和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，利用主控窗口、設(shè)備窗口和用戶窗口來(lái)構(gòu)成一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，組態(tài)根據(jù)堆肥的功能條件，可以同時(shí)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。

3　結(jié)論

設(shè)計(jì)了一套內(nèi)部測(cè)溫與曝氣鼓風(fēng)的新型好氧堆肥裝置，主要包括溫度數(shù)據(jù)處理模塊、曝氣滲透模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯/存模塊；增加了好氧堆肥裝置的人機(jī)交互系統(tǒng)，堆肥過(guò)程直觀可視化增強(qiáng)。為堆肥工藝的改進(jìn)以及堆肥產(chǎn)品的資源化利用提供了新的技術(shù)途徑。

［1］劉飛，周嶺.棉稈木醋液對(duì)牛糞堆肥過(guò)程中CH4和CO2排放的影響［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015（09）：364～369.

［2］呂黃珍，韓魯佳，張銳.試驗(yàn)室好氧堆肥反應(yīng)器系統(tǒng)性能試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008（01）：91～96.

［3］曾劍飛，張安琪，黃光群，韓魯佳.規(guī)?；醚醵逊蕼匮醣O(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，03：186～191.

［4］張安琪，黃光群，張紹英，楊增玲，韓魯佳.好氧堆肥反應(yīng)器試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，07：156～161.

［5］陳洪章，徐建.現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵原理及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：195～198

［6］宋伯生.PLC編程理論·算法及技巧［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，254～255.

［7］西門(mén)子S7-200/300/400系列PLC自學(xué)手冊(cè)［M］.中國(guó)電力出版社，497～498.

The design of the new aerobic composting device

Wang Zilong，Zhou Ling，Qin Cuilan，Sun Jinlong，Li Mingzhou
（College of Mechanic and Electrical Engineering，Tarim University，Alar，Xinjiang 843300，China）

Recently，people demand for livestock products is increasing.On the one hand our country's poultry industry has made considerable progress，on the other hand manure pollution caused by the consequent.Therefore，this paper designed a new aerobic composting system，it comprises a temperature data processing module，aeration permeation module，data processing module and data display/memory modules.Unevenly temperature distribution inside of the stack，sensors located in the center ofthe blade to the inside ofthe body ofthe heap，to achieve accurate measurements，reduce errorsand improve the efficiency of composting.Meanwhile aeration partially effective aeration area increased by paddle stirring constantly updated pile surface，prompting the air transfer to the liquid phase at the interface；Enhanced interactive system of the compost apparatus，data visualization observation，real-time monitoring ofthe composting process.

Aerobic composting；Stir；Aeration；Control

1007-7782（2015）06-0024-04

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.06.009

S141.4

A

2015-12-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（51266014）；兵團(tuán)博士資金專(zhuān)項(xiàng)（2011BB012）；“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃課題（2012BAD14B10-9）

周 嶺