基于PLC的養殖場氨氣生物氧化裝置設計與試驗

郭建斌 牛紅林 韓玉花 董仁杰 劉賢喜 龐昌樂

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.山東農業大學機械與電子工程學院， 泰安 271018；3.北京市環境保護科學研究院， 北京 100037)

基于PLC的養殖場氨氣生物氧化裝置設計與試驗

郭建斌1牛紅林2韓玉花3董仁杰1劉賢喜2龐昌樂1

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.山東農業大學機械與電子工程學院， 泰安 271018；3.北京市環境保護科學研究院， 北京 100037)

隨著畜禽養殖業生產規模化、集約化不斷提高，養殖場氨氣排放控制日益受到關注。養殖場氨氣不經處理直接排放到大氣中，一方面與SO2和NOx結合生成大氣二次顆粒物，降低大氣能見度。另一方面銨的沉降還可造成土壤酸化及水體富營養化等環境問題。針對上述問題，根據生物法原理，設計了基于PLC控制的養殖場氨氣生物氧化裝置，實現了pH值控制、風機的啟停控制、生物反應器中各環境參數的實時測量、環境參數曲線的實時顯示和監測數據的自動存儲等功能。設計后在北京某豬場進行了中試裝置的示范搭建，運行結果表明：該裝置對氨氣去除率達到90%，具有運行穩定可靠、運行成本低等特點。

養殖場； 氨氣； 生物氧化裝置； 可編程邏輯控制器

引言

氨氣是養殖場排放的惡臭氣體中主要的污染物之一[1-4]，相關資料文獻表明：動物排放出的氨氣約占全球氨氣總排放量的50%[5]，在我國，2013年度氨排放總量為988萬t，其中畜牧業所排放的氨氣約占氨排放總量的54%。氨氣能夠與大氣中的二氧化硫、氮氧化物的氧化產物發生反應，生成硝酸銨、硫酸銨等大氣二次顆粒物，其對我國大氣PM 2.5的貢獻率在7.6%～37.7%[6]。因而，養殖場氨氣的排放控制是大氣污染防治的重要環節之一。

規模化養殖場氨排放防治技術主要包括“上游”防治技術、“中游”防治技術和“下游”防治技術[7]。“上游”防治技術主要是通過日糧配比調控、添加飼料改良劑來實現。“中游”防治技術主要是使用物理、化學、生物除臭劑或者合理配置畜禽舍，嚴格控制畜禽舍的溫濕度、通風量[8]。用于規模化養殖場氨排放控制的“下游”防治技術主要包括吸收、吸附、催化、冷凝和生物處理技術及相關配套設備等。相對于物理化學方法，氨氣的生物法去除技術由于具有處理效率高、無二次污染、安全性好、設備簡單工程造價低、易于操作、管理維護以及運行費用低廉等優點受到越來越多的關注[9-13]。

目前，生物法處理污染氣體的方法主要分為生物過濾法、生物滴濾池法和生物洗滌法[14-16]。生物法降解污染物氣體的過程可總結為以下3個階段：氣體的溶解過程、氣體的遷移過程、氣體的代謝過程。生物法治理污染氣體的裝置已在發達國家得到成功應用，與之配套的自動控制系統在國外也比較成熟[17]，已實現了整個裝置工藝流程的自動監測和控制。國內在環保單元設備和自動控制系統的研究和應用方面與國外還存在較大差距[18-19]。

本文基于生物洗滌塔技術和PLC控制技術設計一種自動監測與控制的氨氣生物氧化裝置，當豬舍產生的臭氣通過生物填料時，被附著在生物填料上的微生物吸收、降解而實現氨氣的氧化去除。

1 系統組成與工作原理

該養殖場氨氣生物氧化裝置主要由3個功能單元組成，包括養殖場臭氣收集單元、生物氧化反應器單元、監測控制單元，如圖1所示。當養殖場中的惡臭氣體通過生物反應器中附有生物膜的填料層時，惡臭氣體中的氨氣首先溶解于循環水中，然后被附著在填料表面的微生物吸附獲取、降解，從而達到去除養殖場氨氣的目的，凈化后的氣體經過出氣口排出。

圖1 養殖場氨氣生物氧化裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of farm ammonia biological oxidation device1.觸摸屏 2.PLC與模擬擴展模塊 3.壓力傳感器 4.液體電磁流量計 5.液位傳感器 6.pH值傳感器 7.溫濕度傳感器 8.風機 9.氣體分布器 10.填料 11.生物氧化反應器 12.循環水泵 13.加堿泵 14.堿液 15.加水泵 16.水箱 17.出氣口 18.畜禽舍

養殖場臭氣收集單元包括風機、氣體分布器、壓力傳感器。舍中氣體通過風機抽取經管道進入到生物反應器中，氣體分布器使氣體平均分布。通過壓力傳感器監測進氣口的壓力變化。

監測控制單元包括PLC、觸摸屏、模擬量模塊、風機、加堿泵。PLC通過模擬量模塊對多個傳感器電信號進行采集；產生的電信號通過A/D轉換電路轉換成數字信號，然后根據傳感器特性對數據進行傳感器系數換算。然后根據各個傳感器子程序(傳感器系數換算成相應的溫濕度、壓力、液位、pH值、循環水流量)轉換的數值通過顯示電路顯示在觸摸屏上，并且對數據進行存儲，同時調用pH值、液位比較函數，并通過控制酸堿計量泵來調節控制循環水pH值與液位，同時根據壓力變化控制風機的啟、停。

2 系統硬件設計

2.1 生物氧化裝置整體設計

生物氧化反應器是由鋼板組成的箱體，箱體內外鋼板都進行防腐處理，出氣口安裝旋流板防止循環水流失。生物氧化裝置通過通風管道與豬舍側向風機相連，廢氣經通風管道從生物氧化裝置側下方進入(圖2)，凈化后的氣體從上方出氣口排出。通風管采用耐腐蝕的硬質塑料搭建。

圖2 生物氧化裝置現場圖Fig.2 Biological oxidation device1.生物反應器 2.管道 3.豬舍

養殖場氨氣生物氧化裝置填料為聚氨酯(Polyurethane)填料，簡稱PU填料。聚氨酯填料由于在成型過程中內部形成了很多微孔，使其不僅具有多孔結構，而且開孔率高，透氣性好，抗壓強度高并具有彈性，從而為微生物提供了非常良好、相對安定的生存環境，有利于微生物的附著、繁殖。具體設計參數如表1所示。

表1 養殖場氨氣生物氧化裝置設計參數Tab.1 Design parameters of farm ammonia biological oxidation device

2.2 控制系統的組成及控制方式

根據控制系統現場需求，裝置自動控制系統分為2層結構：現場層，由系統的各種主要測量儀表設備和被控設備組成；本地控制層，由基于PLC的控制系統組成。裝置自動監控系統結構示意圖如圖3所示。

圖3 裝置自動監控系統結構示意圖Fig.3 Structure diagram of automatic monitoring and control system

控制系統現場層的主要控制儀表有：填料層的溫濕度、進出口壓差檢測和控制設備；循環水箱水位、pH值檢測和控制設備；循環水流量與風量檢測。所有測量儀表都可直接變送至本地控制屏，循環水流量可現場表頭讀取也可變送至本地控制屏讀取。加水泵、加堿泵、風機、備用泵等控制設備由本地控制系統控制，所有被控設備都可選擇手動控制或自動控制。

本地控制系統主要由PLC主機、模擬量擴展模塊、工業觸摸顯示器等組成。由于整個系統控制規模較小，選擇臺達公司DVP32ES2系列PLC作為本地控制的CPU，擴展添加2塊四輸入模擬量模塊，工業觸摸顯示器采用10寸臺達DOP-B10S411型觸摸屏。由于PLC主機不能識別各監測模擬量信號，所以系統中的模擬量信號必須由模擬量輸入模塊處理后輸入到PLC主機。主機與觸摸屏之間采用RS-485連接，觸摸屏為用戶提供了一個用于現場層監測控制的人機交互界面，現場層所包含的設備運行狀態以及傳感器讀數都可以在觸摸屏上實時顯示，并顯示實時數據曲線。同時，工作人員也可以通過觸摸屏設置設備運行參數以及設備的運行狀態。

2.3 系統電源及驅動設備

配電系統電路如圖4、5所示。配電系統電路主要分為2部分：強電部分和弱電部分。強電部分包含空氣開關(QF1～QFn)、交流接觸器(KM1～KMn)、熱繼電器(FR1 ～FRn)、加藥泵、循環水泵、風機等。

圖4 配電系統強電部分電路圖Fig.4 Circuit diagram of high voltage power distribution system1.風機 2.循環泵 3.加藥泵

弱電部分包含空氣開關和電源開關，主要將220 V強電轉為24 V弱電，為PLC、觸摸屏和各類傳感器供電。 PLC與觸摸屏之間通過RS-485連接，PLC通過控制繼電器的開、關控制風機、循環水泵、加藥泵的啟、停。

圖5 配電系統弱電部分電路圖Fig.5 Circuit diagram of low-voltage distribution system

2.4 控制系統的硬件配置

生物氧化裝置自動監測控制系統包括PLC、傳感器以及相應的擴展模塊和人機界面等。根據生物氧化裝置控制系統的要求以及今后產品的升級改造，選擇臺達公司生產的DVP32ES2系列PLC作為主控器件；選擇與之配套的DVP04AD-E2模擬量輸入模塊，為數據采集提供四通道模擬量輸入；選擇臺達DOP-B10S411觸摸屏作為人機交互界面；采用溫濕度傳感器、液位傳感器、pH值傳感器、壓力傳感器。傳感器輸出電信號(4～20 mA或0～5 V)。

(1)主控器件：臺達公司生產的DVP32ES2系列PLC提供32點數輸入/輸出(16點數字量輸入、16點數字量輸出)，滿足整個系統對I/O口的需求。整合的通訊功能，內建1組RS-232，2組RS-485通訊端口，支持MODBUS主/從站模式，為以后產品升級奠定基礎。本PLC具有工作穩定、使用壽命長等特點。

(2)模擬量擴展模塊：臺達公司生產的DVP04AD-E2模擬量輸入模塊可接受4點模擬信號(電壓或電流)輸入，將之轉換成14位的數字信號。通過DVP-PLC程序指令FROM/TO讀寫模塊的內容，模塊內具有49個CR(control register)寄存器，寄存器為16位寄存器。DVP04AD-E2模擬量輸入模塊其他參數為：擬輸入范圍為±10 V、±20 mA；數字轉換范圍為電壓輸入±8 000、電流輸入±4 000；在0～25℃范圍內滿量程時總體精度為±0.5%，在0～55℃范圍內滿量程時為±1%；響應時間為3 ms與通道數乘積。

(3)信號檢測：測溫濕度元件選用HYWSD型溫濕度傳感器，輸出信號為4～20 mA標準信號，精度為：溫度±0.3℃，相對濕度±3%。壓力選用HY133型壓力傳感器，輸出信號為4～20 mA標準信號，量程為0～100 kPa。液位選用UTP型投入式液位傳感器，輸出信號為4～20 mA標準信號，量程為0～100 cm。循環水流量采用LGD-10/S/M型電磁流量計，輸出信號為4～20 mA標準信號或控制電平可選擇，也可在表頭上直接讀取流量。

3 系統軟件設計

系統軟件設計包括2部分：PLC觸摸屏監控程序設計和PLC控制程序設計。PLC觸摸屏監控程序設計采用DOPsoft軟件進行模塊化設計，觸摸屏是系統的人機交互界面，具有輸入輸出功能。PLC控制程序設計是系統功能的實施流程，采用WPLSoft軟件編寫，采用梯形圖語言編寫。

3.1 建立監控界面

監控主界面如圖6所示，包括設備運行情況動態圖、執行狀態和監測數據實時顯示，具有翻頁功能，通過觸摸屏幕下方按鈕可選擇進入查看監控數據曲線、查看設備信息、設備操作、修改時間參數、修改其他參數的頁面。

圖6 監控主界面圖Fig.6 Main monitoring interface

3.2 PLC控制程序設計

PLC控制程序設計是系統功能的實施流程，采用WPLSoft軟件、梯形圖語言編寫。同時也結合模塊化設計思想設計各功能模塊，主要包括程序初始化、數據采集、輸出控制、數據管理等功能，如圖7所示。

3.3 數據處理模塊

由于各類傳感器輸出的信號為模擬信號(電信號：4～20 mA或0～5 V)，選用的PLC不能識別模擬量信號，所以采用模擬量擴展模塊。各類傳感器輸出的電信號首先輸入模擬量擴展模塊，由模擬量擴展模塊將電信號轉換成14位數字信號，再輸入到PLC中。在采集相應的物理量之前，先要在屏幕上設置采集時間，存放于相應的寄存器中，由延時函數完成。傳感器輸出的信號經模擬量擴展模塊A/D轉換后進入數據緩沖區，通過FROM擴充模塊CR數據讀出函數成批讀取緩沖區數據，然后在PLC內部利用數據處理和浮點運算指令將其轉換為對應的物理量。數據處理程序梯形圖與指令圖如圖8所示。

圖7 PLC控制程序設計流程圖Fig.7 Flow chart of PLC control program design

圖8 數據處理程序梯形圖與指令圖Fig.8 Ladder diagram and instructions of data processing program

數據處理程序包括數據的前期處理和數據顯示、儲存，數據顯示包括測量結果顯示和運行狀態顯示。測量結果借助DOPsoft上的數值顯示模塊和一般曲線圖模塊以數字和曲線的形式顯示在觸摸屏上。PLC通過標記繼電器來表示控制部件的啟、停，觸摸屏圖標與繼電器存在一一對應關系，通過訪問繼電器來控制圖標。

3.4 輸出控制模塊

輸出控制包括風機的啟、停控制和加堿液控制。通過數據處理模塊采集反應器中的壓力變化，控制3臺風機的啟、停，優先啟動2號風機，隨機啟動2號和3號風機。通過RAND隨機數值指令產生隨機數來判斷啟動1號和3號風機。PLC通過標記繼電器(M25～M30)控制觸摸屏上的圖標轉動、停止。風機控制程序梯形圖與指令圖如圖9所示。

圖9 風機控制程序梯形圖與指令圖Fig.9 Ladder diagram and instructions of fan control program

由pH值傳感器檢測循環水中pH值的變化，當循環水中pH值小于設定值時，加堿泵開啟。由于反應器底面積大、循環水量大，pH值傳感器過少，不能準確控制pH值。所以采用定時定量添加堿液，分多次添加堿液，同時顯示添加量和添加時間。添加堿液控制梯形圖和指令圖如圖10所示。

圖10 pH值控制程序梯形圖和指令圖Fig.10 Ladder diagram and instructions of pH control program

4 運行結果與分析

完成裝置的硬件設計和軟件設計后，在北京市昌平區某豬場進行了中試裝置示范搭建。并于2016年7月1日開始進行生物氧化裝置的安裝調試。系統運行穩定后采用長期測試、連續測試2種方法來檢測豬場氨氣氧化裝置的處理效果。氨氮采用水楊酸-次氯酸鹽光度法；亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法；硝酸鹽氮采用AutoAnalyzer3型連續流動分析儀；短期測試氨氣濃度采用Thermo Fisher 17i型分析儀；長期測試氨氣濃度采用GT903型泵吸式氨氣檢測儀。

(1)長期測試(10月2日—11月3日，共33 d)

長期測試共進行33 d，每3 d檢測一次豬場氨氣氧化裝置進、出口氨氣體積分數(圖11)，循環水中的氨氮、亞硝酸鹽氮以及pH值(圖12)。由圖11、12可以看出豬場氧化裝置的起始氨氮質量濃度為42.8 mg/L，亞硝酸鹽氮質量濃度為103.23 mg/L，硝酸鹽氮質量濃度為72.3 mg/L，氨氣去除率先維持在60%左右，是由于剛掛膜結束，微生物的含量不高，但之后去除率開始提高，能達到90%以上。這與圖12所示的循環水中pH值變化相對應，后期pH值下降較快，說明氨氮開始轉換為硝氮(圖12)，從硝氮質量濃度變化曲線可以看出硝氮、硝酸鹽氮呈現上升趨勢，循環水呈現酸性。經過33 d實驗結束時，氨氮質量濃度為123.12 mg/L，亞硝酸鹽氮質量濃度為255.64 mg/L，硝酸鹽氮質量濃度達到284.3 mg/L。由此可以得出填料微生物掛膜成功，氨氮的硝化反應逐漸強化。pH值調節設置為當pH值低于6時加堿泵開啟。由于反應器底面積大、循環水量大，pH值傳感器過少，還不能準確控制pH值。

圖11 長期測試進出口氨氣體積分數及去除率 變化曲線Fig.11 Import and export of ammonia concentration and removal efficiency change in the long-term test

圖12 長期測試氨氮、亞硝酸鹽氮、硝氮、pH值變化曲線Fig.12 Changes of ammonia nitrogen, nitrite nitrogen, nitrate nitrogen and pH value in the long-term test

(2)連續測試(10月26日00:00—10月29日00:00，共72 h，18：00—次日06：00豬舍風機停)

為了考察晝夜差別，進行氨氣去除效果的連續測試。每隔3 h取樣一次，測試豬場氨氣氧化裝置進、出口氨氣體積分數(圖13)。由圖13可以看出，豬舍內氨氣體積分數在1.0×10-5～3.0×10-5晝夜波動。雖然豬舍內晝夜氨氣體積分數具有差異(夜間高于白天)，但是整體去除率均能達到90%以上。雖然整體處理效果略低于其他文獻的實驗處理效果(表2)，但是由于本研究處理氣量大、空床停留時間短，對于工程示范已經達到很好的處理效果。

5 結論

(1)適宜的環境對微生物的生長和繁殖起著重要作用，系統實現了生物氧化反應器溫度、濕度、pH值、壓力的采集與處理，通過RS-485總線的方式將觸摸屏控制與PLC現場數據采集相結合，對現場數據的實時采集，并完成數據的分析與保存。實現生物氧化反應器現場環境的實時監測與控制，為微生物的生長和繁殖提供保障。

圖13 連續測試進出口體積分數及去除率 變化曲線Fig.13 Import and export of ammonia concentration and removal efficiency change in the short-term test表2 生物氧化裝置處理效果對比Tab.2 Treatment effect comparison of biological oxidation device

氣源類型停留時間/s去除率/%規模數據來源瓶裝液體高純氨4595.0小試文獻[4]硫化氨和氨氣混合氣3097.5小試文獻[20]豬舍臭氣2.8890.0中試

(2)實施監測實驗期間，豬舍內氨氣體積分數在1.0×10-5～3.0×10-5晝夜波動，生物氧化裝置的氨氣去除率可達到90%。

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Design and Experiment of Farm Ammonia Bio-oxidation Device Based on PLC

GUO Jianbin1NIU Honglin2HAN Yuhua3DONG Renjie1LIU Xianxi2PANG Changle1

(1.CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,ShandongAgriculturalUniversity,Taian271018,China3.BeijingMunicipalResearchInstituteofEnvironmentalProtection,Beijing100037,China)

With the increasing scale and intensive production of the livestock and poultry breeding industry, more and more attention has been paid to ammonia emission reduction from the animal farm. Ammonia discharged directly into the atmosphere would combine with SO2or NOxto form secondary particles which can reduce atmospheric visibility. Moreover, the NH3emission is related to the risk of environmental problems such as soil acidification and water eutrophication. Ammonia is the stench gas emission in farms as one of the major pollutants in farms. Emission control of farm ammonia is an important part of air pollution control. There is a big gap in the research and application of environmental protection unit and automatic control system between our country and abroad. Biomass removal technology has attracted more and more attention due to its advantages of high efficiency, no secondary pollution, good safety, simple equipment construction, easy operation and maintenance, and low cost. A pilot ammonia bio-oxidation device based on the biological principle and PLC control was set up in a pig farm in Beijing. It realized the automatic storage and adjustment of pH value, the ventilation control, the real-time measurement and curve display of environment parameters in the bioreactor. After the system in pig farm was running stable, long-term test and continuous test were adopted to detect the treatment effect of ammonia oxidation device. After two-month operation, the ammonia removal efficiency could reach up to 90%. The device has the advantages of stable and reliable operation, together with low operation cost.

farm; ammonia gas; bio-oxidation device; PLC

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.039

2016-12-08

2016-12-28

北京市科技計劃項目(D151100005115004)

郭建斌(1982—)，男，副教授，主要從事廢棄物處理與生物質利用研究，E-mail: jianbinguo@cau.edu.cn

龐昌樂(1963—)，男，教授，博士生導師，主要從事生物質轉化和農業工程裝備研究，E-mail： pangcl@cau.edu.cn

X701.7

A

1000-1298(2017)03-0310-07