新型好氧堆肥裝置的設計

王子龍，周 嶺，秦翠蘭，孫金龍，李明周（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆　阿拉爾　843300）

新型好氧堆肥裝置的設計

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

近年來，人們對畜禽產品的需求量不斷增加，一方面我國的畜禽產業得到了長足發展，另一方面畜禽糞便帶來的污染隨之產生。文中設計了一種新型好氧堆肥裝置，由溫度數據處理模塊、曝氣滲透模塊、數據處理模塊和數據顯/存模塊組成，堆體內部溫度分布不均勻，傳感器分布在以槳葉為中心的的堆體內部，能達到精確測量，減小誤差，提高堆肥效率，同時曝氣部分有效增大曝氣面積，通過槳葉的攪拌，不斷更新堆體表面，促使空氣在界面向液相轉移；對堆肥過程實時監控，實現數據可視化觀測。

好氧堆肥；攪拌；曝氣；控制

0　引言

近年來，隨著人民生活水平的提高和飲食結構的變化，中國養殖業和畜牧業生產都得到了長足的發展，在滿足人類生活需要，促進經濟增長的同時產生的大量廢棄物未經處理便棄置［1］，若不加科學合理利用，不僅會導致資源浪費，對生態環境和人類健康也會造成嚴重威脅［2］。為此，我國《畜禽規模養殖污染防治條例》中對規模化養殖場提倡以沼氣工程和有機肥工程為核心的有機固體廢棄物循環利用。

好氧堆肥是指好氧菌在有氧條件下，對廢棄物進行氧化、吸收、分解的過程，其中微生物在分解的過程中，通過生命活動釋放熱量，不斷提供良好的生存環境，使微生物不斷繁殖，產生出更多生物體的過程。在牛糞為主的畜禽糞便的處理過程中（圖1），利用堆肥裝置，能夠高效，清潔的對畜禽糞便進行處理。因此好氧堆肥化（Aerobic composting）是有機固體廢棄物無害化、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，增大氧氣滲透深度，減小堆體厭氧反應的關鍵工藝。目前，針對在一般堆肥裝置設計中，對溫度的測量處于堆體外部，外部測量往往受堆體粘度以及堆體傳熱的影響，溫度測量結果不準確，降低了堆肥效率。與此同時，在堆體中的微生物進行好氧反應是處于基質顆粒表面形成的液膜中進行的，氧氣通過基質間的縫隙滲入，為微生物提供有氧環境，傳輸受阻就會出現厭氧反應，對環境造成二次污染。傳統的曝氣操作在堆體外部進行，氧氣從外部進入堆體傳輸滲透深度較低，限制了畜禽糞便的綜合利用。因此本文針對好氧堆肥中遇到的厭氧反應，研發一種高效清潔，對溫度變化實時監控，自動攪拌曝氣的新型好氧堆肥裝置。

1　系統組成

本設計的裝置原理簡圖如圖2。

圖2　新型好氧堆肥裝置原理簡圖

該新型好氧堆肥裝置主要包括溫度數據處理模塊、曝氣滲透模塊、數據處理模塊、數據顯/存模塊，其中溫度數據處理模塊采集數據，將所測信號傳遞給數據處理模塊，數據處理模塊根據預編程序進行對堆體攪拌操作，同時可以通過曝氣滲透模塊進行獨立曝氣操作，從堆體內部進行曝氣，增大反應面積，減少堆肥時間。

2　主要工作部件

2.1溫度數據處理模塊

溫度數據處理模塊包括溫度傳感器、數據傳輸線和保護裝置，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內部，利用畜禽糞便堆體自身的黏度與物料壓實度，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，堆體充滿在倉體和楔形葉片之間，以葉片為測量點，從堆體內部進行溫度測量，以提高對堆體內部溫度的測量。堆體與葉片充分有效接觸，熱量經熱交換傳遞給楔形葉片中的溫度傳感器，傳感器將溫度信號通過空心攪拌軸及過孔電滑環傳遞給變送器，達到內部測溫的作用。PT100溫度傳感器以其適用性廣，測量方便，造價低廉等優點，廣泛的被用于溫度檢測等方面，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MIK-WZPV1A2B1C1D），溫度系數TCR=2 850 ppm/k，測溫幅度：-50～200℃，響應時間：水：2 m/s，t0.5=0.05 s，空氣：2 m/s，t0.5=3.0 s。好氧堆肥環境是一種具有腐蝕性的環境，利用保護層法，在傳感器表面覆蓋保護層，使金屬制品與周圍腐蝕介質隔離，從而防止腐蝕。保護層抗腐蝕等級0.01-V-0.1（耐腐蝕材料）。

圖3　傳感器空間布置

傳統的堆肥裝置對溫度的測量處于堆體外部，受物料熱傳遞衰減等因素影響，溫度測量易出現偏差，相對于傳統堆肥裝置，新型好氧堆肥裝置的測溫設計能更精確的對堆體內部溫度進行測量，減少溫度轉遞損耗。

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、過孔電滑環、風機等（圖4）。

圖4　曝氣滲透模塊示意

好氧堆肥中好氧菌與有機物發生反應需要消耗氧氣，氧含量供給不及時會發生厭氧反應，生成CH4和NH3等有毒有害氣體，對環境造成二次污染。堆體內部設置曝氣裝置，能夠將氧氣通入堆體內部，擺脫了過去堆肥裝置的單向曝氣，增大了曝氣面積，降低了堆體內曝氣所需深度，提升了曝氣效率，達到好氧菌生存所需氧氣的最佳環境。過孔電滑環能保證氣、電的傳輸，不影響攪拌的進程，優化了機械結構。

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，曝氣對堆體的作用效果越弱；通過增大曝氣對堆體的作用效果，改善微生物好氧反應的生態微環境，應當在堆體內部進行正壓鼓風曝氣操作，槳葉曝氣管道與空心軸內部相互連接，實現電信號與空氣的流動，堆肥過程中會產生CO2等腐蝕性氣體，因此曝氣通道材質應當選取防腐蝕性保護通道，曝氣通道能將外部的空氣經槳葉充入到堆體內部，通過堆體與槳葉的充分接觸，及槳葉自身通道的曝氣，有效的將基質顆粒間的氧濃度提升，增大氧氣滲透深度，減小厭氧反應的發生，提升堆肥產品的質量［4］。

為了防止堆肥物料的黏度影響曝氣通風的輸入，將槳葉與堆體的接觸部分設計豎直向下，基于牛頓流體力學曝氣出口設置成錐型，減少堆體內液體的滲入，曝氣出口設置防護網，防止堆體基質顆粒的堵塞［5］。其中堆肥物料中有機物降解所需理論通風量計算公式：

式中 V—堆體理論通風量，L；Mc—堆體物料中有機質質量，g；η—有機物分解所需氧氣與質量之比，L/g；ω易—易分解的有機物含量，%；ρ空—室溫下空氣密度，g/L；

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

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

根據理論通風計算公式，每天進行一次曝氣，每次曝氣時間5 min，氣體通過測溫點旁的24個曝氣管道向堆體均勻輻射，則每孔流量為3 ml/s。

2.3數據處理模塊

數據處理模塊包括模擬模塊、變送器、可編程邏輯控制器組成。

溫度是影響堆肥進行的關鍵性因素之一，在堆肥的最初階段，堆肥物料各個部分的溫度基本一樣，隨著堆肥化的進行，堆體內部有機物經微生物分解發酵產生大量的熱，直到堆肥過程結束，達到腐熟。堆體溫度變化是堆肥過程的中宏觀表現，對溫度的測量能更好的處理畜禽糞便的堆肥化進程，利堆體內顯著的溫度變化對整個堆肥進程加以控制，達到最優效果。

溫度傳感器將上傳的信號通過空心攪拌軸及過孔電滑環傳遞給變送器（transmitter），變送器把傳感器的輸出信號轉變為可被控制器識別的信號，模擬模塊通過對信號的處理，將電壓信號轉換成數字信號反饋到可編程邏輯控制器中，可編程邏輯控制器通過對內部預存堆肥溫度響應曲線程序，將溫度傳感器收集到的信號進行判定：溫度數據處理模塊測定溫度低于預定值，攪拌裝置不啟動，進行待機程序；待機程序結束，溫度數據處理模塊測定溫度值大于預定值，控制器將進行二次測量校驗結果，溫度低于預定值，進入待機程序；反之，攪拌裝置啟動，并根據溫度變化進行曝氣操作。進一步減小堆體厭氧反應，增大堆肥成功率。

數據處理模塊通過開環定值控制，使調節量（溫度）保持所要求的定值控制，開關控制有靜態特性與動態特性兩種，這里利用控制量及干擾量與調節（被控）量間的量化關系進行調節。他們之間的關系為：

式中 r—調節量，表示被控系統的狀態、行為、性能的物理量；c—控制量，是經PLC處理后、產生控制作用的輸出量；t1，t2—使系統的狀態與行為產生所不希望變化的物理量［6］。

可編程邏輯控制器采用西門子公司的S7-200CPU224 XPCN，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程，具有使用方便，編程簡單，功能強，可靠性高等優點。

該PLC上自帶有模擬量的輸入和輸出通道因此節省了元器件成本。CPU 224XP含有兩個模擬量輸入通道和一個模擬量輸出通道，其中自帶的模擬量I/O規格如下：

表1　自帶模擬量I/O規格

在S7-200中，單極性模擬量輸入輸出信號的數值范圍是0～32 000，雙極性模擬量信號的數值范圍是-32 000～+32 000，其中溫度傳感器與PLC串接電阻把電流信號轉化為0～10 V的電壓信號，送入PLC模擬量輸入通道。通過程序編制，對堆體進行攪拌曝氣，并對溫度進行PID調節。用PID運算的結果去控制接通電機或風機，但電機與風機控制只能為ON或OFF，不接受模擬量調節，故采用“占空比”調節方法。PID控制輸入輸出關系式為

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

(1)當頻率小于大約270 Hz時，車輪與同質量的一個剛體的行為無異，其在角頻率為Ω時的垂向動柔度可按-1/(Ω2mW)進行計算，不管是否在旋轉；

假設采樣周期為TS，系統開始運行的時刻為t= 0，用矩形積分來近似精確積分，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次采樣時的誤差值；KI—積分系數；KD—微分系數。

圖中的spn、pvn、en、Mn分別為模擬量sp（t）、pv （t）、e（t）、M（t）在第n次采樣時的數字量。溫度傳感器檢測到的溫度送入PLC后，若經PID指令運算得到一個0～1的實數，把該實數按比例換算成一個0～100的整數，把該整數作為一個范圍為0～10s的時間t。設計了一個周期為10s的脈沖，脈沖寬度為t，把該脈沖加給風機或電機，即可根據溫度變化曲線對堆體進行控制［7］。

2.4數據顯/存模塊

數據顯/存模塊包括數據監控界面和嵌入式觸摸屏組成。

數據監控界面通過與可編程邏輯控制器的兼容，嵌入式一體化觸摸屏可以對堆肥進程進行監控，其內置軟件與可編程邏輯控制器進行傳輸，將堆肥過程中的信號變化以及所測數據進行顯示，通過對觸摸屏進行操控，調整參數變化，可以對堆肥進程進行控制，觸摸屏可以進行手動的操作，查詢當前堆肥進程溫度變化曲線和歷史曲線，通過人機交互，達到機、電、信息的高度集成。

數據顯/存模塊即監視與控制通用系統，采用北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司，用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統，主要完成現場數據的采集與監測、前端數據的處理與控制，具有容量小、速度快、成本低、穩定性高、功能強大和操作簡便等優點，利用主控窗口、設備窗口和用戶窗口來構成一個應用系統的人機交互界面，組態根據堆肥的功能條件，可以同時對實時數據進行可視化處理。

3　結論

設計了一套內部測溫與曝氣鼓風的新型好氧堆肥裝置，主要包括溫度數據處理模塊、曝氣滲透模塊、數據處理模塊、數據顯/存模塊；增加了好氧堆肥裝置的人機交互系統，堆肥過程直觀可視化增強。為堆肥工藝的改進以及堆肥產品的資源化利用提供了新的技術途徑。

［1］劉飛，周嶺.棉稈木醋液對牛糞堆肥過程中CH4和CO2排放的影響［J］.江蘇農業科學，2015（09）：364～369.

［2］呂黃珍，韓魯佳，張銳.試驗室好氧堆肥反應器系統性能試驗［J］.農業機械學報，2008（01）：91～96.

［3］曾劍飛，張安琪，黃光群，韓魯佳.規模化好氧堆肥溫氧監測系統設計與試驗［J］.農業機械學報，2015，03：186～191.

［4］張安琪，黃光群，張紹英，楊增玲，韓魯佳.好氧堆肥反應器試驗系統設計與性能試驗［J］.農業機械學報，2014，07：156～161.

［5］陳洪章，徐建.現代固態發酵原理及應用［M］.北京：化學工業出版社，2004：195～198

［6］宋伯生.PLC編程理論·算法及技巧［M］.機械工業出版社，254～255.

［7］西門子S7-200/300/400系列PLC自學手冊［M］.中國電力出版社，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

國家自然科學基金項目資助（51266014）；兵團博士資金專項（2011BB012）；“十二五”農村領域國家科技計劃課題（2012BAD14B10-9）

周 嶺