智能型規模化膜覆蓋好氧堆肥系統設計與試驗

孫曉曦 崔儒秀 馬雙雙 韓魯佳 黃光群

(中國農業大學工學院， 北京 100083)

0 引言

目前，我國農業有機固體廢棄物產出量巨大，其中每年畜禽糞便約為38億t，每年農作物秸稈約為9億t，但總體利用率不足60%[1]，文獻[2]中提出：到2020年，全國糞污綜合利用率達75%以上。基于我國過量使用化肥所帶來的農業成本上升、農產品質量下降、農業生態環境惡化的問題，農業部提出到2020年減少20%果菜茶化肥使用量的目標[3]。

好氧堆肥是實現畜禽糞污資源肥料化利用的重要途徑，我國現有的有機肥生產企業多以中小型為主，受成本所限，尚存在生產工藝落后、生產效率低下、能耗較高、生產的有機肥產品質量不高、生產過程環保性較差等問題[4]。半滲透膜覆蓋好氧堆肥工藝因其結構簡單、操作便利、高效智能、節能環保、經濟性較高，可以滿足不同客戶的不同需求，從而能夠解決上述問題[5-8]。

通過智能控制通風的方式，實現好氧堆肥過程中溫度、氧濃度、水分的調節，可促進好氧堆肥的過程良性化。國內外學者基于不同類型好氧堆肥工藝研制了智能控制系統，并用于試驗或實際生產[9-12]。筆者所在團隊率先在國內研發了智能型膜覆蓋好氧堆肥反應器系統[13]。基于前期研究基礎，本文設計一種適用于規模化生產的節能環保智能型膜覆蓋好氧堆肥系統，旨在滿足規模化膜覆蓋好氧堆肥的綠色生產和智能化需求。

1 系統設計

智能型膜覆蓋好氧堆肥系統包括傳感系統、總控系統、風控系統及覆膜系統4部分，圖1是該系統的設計思路及方案。

圖1 膜覆蓋好氧堆肥系統設計思路及方案Fig.1 Designing scheme of membrane-covered system

1.1 總控系統

圖2是總控系統的三維結構及操作界面的結構功能示意圖。

總控系統作為智能型膜覆蓋好氧堆肥系統的核心，主要用于對接各子系統，收集并處理來自各子系統的數字信號或模擬信號，并將其以模擬信號或數字信號輸出，這種模擬信號可以在人機交互界面(Human machine interface，HMI)顯示，也可通過通用串行總線(Universal serial bus，USB)接口以Excel文件的形式導出，或者通過接入該系統的計算機(Personal computer，PC)端查看。此外，總控系統具備控制各子系統的功能，目前該系統主要通過手動控制、自動控制及智能反饋控制3種方式用于各子系統的控制。上述功能實現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，廈門海為科技有限公司)模擬量模塊(S04AI、S08AI)以及人機交互界面(C10，廈門海為科技有限公司)。

總控系統與各子系統的信號傳遞主要通過有線或無線兩種方式，其中總控系統與傳感系統的信號傳遞是通過P16型航空插頭(寧波市重強電器有限公司)和電纜線實現。總控系統與風控系統以及PC端的信號傳遞則是通過無線方式(ZigBee)實現，這種無線功能的實現主要依賴于人機交互界面其本身具備無線功能以及總控系統與風控系統內部均配置的H0Z1B型無線通訊模塊(廈門海為科技有限公司)。無線通訊方式一般分為兩種：一種是基于以上無線通訊模塊的局域網內通訊的功能，另一種則是基于具備云傳輸功能的人機交互界面，通過讓系統接入互聯網，則可使用相應的云平臺操作軟件實現PC端、手機端和該系統的云數據互通及云范圍內的遠程控制。

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

圖3 風控系統結構示意圖Fig.3 Schematic diagrams of blower control system1.無線通訊模塊 2.模擬量模塊 3.微型斷路器 4.變頻器 5.流量計接口 6.工作指示燈 7.電源開關 8.保險絲 9.外接電源插口 10.風機接口 11.散熱器

1.2 風控系統

風控系統屬于子控制系統，其主要作用是用于連接位于不同位置的風機以及流量計，從而實現總控系統-風控系統-風機-流量計的信號互通。風控系統的核心部件是6SL3210-5BE31-1UA0型變頻器(西門子股份有限公司)，變頻器接受總控系統的信號指令，并根據指令內容通過調整風機工作電源頻率的方式控制調節風機風量。風控系統配有流量計用于測量各管路進風流量，本系統所選用的流量計為VT2WE二線E系列渦街式流量計(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%，響應時間6 s。該類型流量計主要用于工業管道介質流體(如氣體、液體、蒸汽等多種介質)的流量測量，其特點是壓力損失小，量程范圍大，精度高，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數的影響[14]，故該類型流量計適用于監測通風管路的進風流量。變頻器、流量計向主控系統的信號傳遞過程可描述為：變頻器或流量計輸出4～20 mA電流信號，經無線通訊模塊傳送至PLC的模擬信號采集模塊，再經無線模塊傳輸至主控系統，經PLC的中央處理器(Central processing unit，CPU)處理之后，通過以態網的通訊方式將信號傳輸至觸摸屏。圖3是風控系統的結構圖，與總控系統相似，風控系統配置了模擬量模塊、無線通訊模塊、航插插頭、24 V電源模塊以及微型斷路器等功能模塊，以滿足其數據采集傳輸、控制、電路保護等功能的實現。

1.3 傳感系統

傳感系統主要用于采集好氧堆肥過程中的關鍵性指標數據，本系統主要選用了溫度、氧濃度及壓力作為監測主要參數。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、響應時間短、測量范圍廣的優勢而被普遍用于好氧堆肥的監測領域[9,15]，本溫度傳感器選用德國賀利氏公司生產的M222型傳感器，該傳感器的定制量程為-50～100℃，響應時間為30 s以內，穩定時間為4 min以內，精度為±0.5%。在實際監測過程中，將傳感器探頭依照3個垂直梯度裝在一根長1.05 m的金屬套管中，并進行后續加工形成了三梯度插入式的溫度在線監測裝置，該裝置的可監測深度分別為堆體下1.05、0.7、0.35 m。該溫度傳感器與主控系統的信號傳輸過程可簡單描述為：溫度傳感器輸出PT100電信號并經由熱電阻模塊(H04RC、H08RC，廈門海為科技有限公司)將PT100電信號放大傳輸至PLC的CPU進行處理，CPU再通過以太網的通訊方式傳輸到觸摸屏，觸摸屏主機經過處理后呈現出溫度數值。

壓力監測選用工業內常用的WNK59M3型擴散硅式智能壓力傳感器(安徽皖科電子工程有限公司)，該傳感器的常規量程最大為700 Pa，但其量程比可達100，響應時間為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，響應時間快，抗過載能力強，適用于本領域的堆體內氣體壓力的監測。壓力傳感器與主控系統的信號傳輸過程可描述為：壓力傳感器將采集到的信號轉換成4～20 mA的電流信號，經電纜傳送至PLC的模擬信號采集模塊，經PLC的CPU處理之后，通過以太網的通訊方式將信號傳輸至觸摸屏，觸摸屏主機經過處理后呈現出壓力數值。氧濃度監測由于在預試驗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預期，故選用外源設備——英國Geotech公司生產的Biogass 5000進行監測。為更準確便捷地監測堆體內壓力及氧濃度，壓力監測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

覆膜系統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，以保證堆體內的水分在高溫發酵期處在一個相對平衡的狀態，并保證堆體后期的含水率可通過持續的水蒸氣散失降至30%左右。此外，半滲透性功能膜需要具備良好的選擇透過性，以減少10 μm以上的顆粒物、病原菌以及臭氣等有害物質的揮發。因用于強制通風好氧堆肥過程的功能膜會在堆體曝氣時受到一定氣壓(3 000～5 000 Pa)，故該膜材料的力學強度需達到一定要求。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]，近年來已經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)，其主要參數如表1所示。膜密封裝置，因所采用的好氧堆肥基礎設施不同而不同，如圖4所示，本文基于槽式堆肥，利用翻拋機軌道構建了適用于槽式翻拋的膜密封裝置。

表1 半滲透膜參數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(翻拋機軌道) 5.槽鋼 6.功能膜

1.5 控制工藝及外形設計

控制工藝程序是以PLC編程軟件HaiwellHappy(V2.2.4)為基礎，通過組態軟件內部的各模塊功能的調用、組合、編輯形成了滿足膜覆蓋好氧堆肥過程參數控制的工藝操作界面。圖5是工藝操作界面圖，其中圖5a為數據顯示界面圖，可實時顯示好氧堆肥過程中各接口對應的溫度、壓力、氧濃度、流量以及各風機的實際工作頻率。圖5b是參數設定界面，主要用于設定風機的通風方案，從左至右的5欄分別代表以時間、流量、壓力、氧氣以及溫度作為基本參數進行通風調節的5種智能反饋模式，每一欄都可以通過設定反饋值或者反饋區間兩種方式進行參數反饋控制，當實際值與所設參數值不符時，反饋控制功能啟動，風機以最初設定的反饋工作值或區間進行調節直至實際值與所設參數值符合。此外，每一欄上部設有反饋參數功能選擇按鈕與反饋目標風機選擇按鈕，操作中可根據實際需求實現多參數多風機的靈活反饋功能。圖5c是針對系統內重要傳感器損壞而啟用系統外部的設備時提出的通風工藝備用解決方案，其實現流程為：首先由技術人員根據前幾批試驗的歷史數據或文獻里的數據，輸入不同目標值(氧濃度、溫度)下的通風參考方案(通風量、通風間隔)，其次手動輸入用外源設備所測的數值，則該模塊會根據參考方案自動確立通風方案。圖5d則是根據各參數所繪制的參數變化曲線。

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

2 性能試驗

2.1 試驗設計

基于以上膜覆蓋好堆肥智能監測裝備，進行了性能試驗，針對其主要測定參數及性能穩定性進行了檢驗。本次試驗所采用的原料是北京市順義區周邊奶牛養殖場生產的奶牛糞便，以及密云區農機合作社提供的打捆玉米秸稈，兩者比例調至質量比大約10∶1，并添加40%的腐熟堆肥用于調節水分。

試驗采用堆肥槽由北京市北郎中有機肥料廠提供(長44 m，寬3.85 m，高1.8 m)，試驗時覆蓋半滲透膜(圖6c)，覆膜方案與預設方案一致(圖6h)。曝氣采用一臺最大通風量可達3 100 m3/h的離心風機并經由改良過的通風管路實現(圖6d)。總控系統設備平臺(圖6a)、風控系統設備平臺(圖6b)、溫度監測裝置(圖6e)、壓力監測裝置(圖6f)、氧濃度監測裝置(圖6g)與上文所述一致。

2.2 結果與討論

圖7a為本次試驗的體積流量及頻率變化曲線，本次試驗采用4條通風管路送風至堆體的4個不同方位，由圖7a可知，各管路的體積流量差別不大，基本上滿足送風的均勻性。綜合頻率變化及體積流量變化來看，變頻調節的方式穩定性高，相同頻率下的體積流量基本趨于平穩。體積流量與頻率在第8天的缺失是因為第8天全天進行了翻拋。

圖7b為本次試驗的溫度變化曲線，在該系統控制下的堆體發酵情況較為良好，最高溫度達到了70℃以上，且高溫持續時間較長，符合國家糞便衛生化處理需求[18]。此外，溫度曲線在第22天時發生驟降，是由夜間環境溫度過低導致的系統暫時性失靈所致，此外獲取穩定溫度約需8～10 min，比預計的4 min要長。圖7c是氧濃度變化曲線，由圖可知，堆體內氧氣體積分數基本高于5%，證明覆膜系統作用下的堆體好氧程度較高，與已報道文獻中合理的氧濃度區間范圍一致[19]。

圖6 堆肥試驗過程Fig.6 Test pictures of compost process

圖7 好氧堆肥過程參數監測結果Fig.7 Monitoring results of aerobic compost process parameters

壓力分布是覆膜型好氧堆肥關注的重點過程指標，基于此可判斷堆體內的通風是否良性，氧濃度分布是否均勻。根據所測的整個堆體的壓力分布箱圖可知(圖7d)，相同時間內，堆體不同位置壓力差異較大，不同時間點壓力也各不相同，自16 d之后，大部分壓力基本上趨于零，這與文獻[13，20]報道的壓力分布規律差異較大。結合實際監測情況判斷，一方面是由于插入式壓力監測裝置容易產生堵塞，一方面是由于堆體內氣孔分布不均，堆體內氣壓不便采集所致。

與此同時，本系統的使用使得曝氣方式更加智能、曝氣效率更高，并降低了翻拋機的使用頻率，從而在節能降耗方面表現優異。而覆膜系統的存在則可顯著降低溫室氣體及環境惡臭氣體的排放，該設備系統環保性表現優異。

3 結論

(1)設計了一種適用于規模化生產的節能環保智能型膜覆蓋好氧堆肥系統，主要包括總控系統、風控系統、傳感系統和覆膜系統4部分，具備在線監測、數據導出、無線通訊和智能反饋控制功能。該系統智能化程度顯著提升，生產能耗和氣體產排顯著降低。

(2)利用所設計的節能環保智能型膜覆蓋好氧堆肥系統進行性能試驗，結果表明：該系統在實際應用中，可實現較高的好氧堆肥發酵智能化控制水平，且實際發酵效果良好。