規模化豬舍廢氣復合凈化系統設計與試驗

王 昱 吳 鵬 曾志雄 王廣海 董 冰 呂恩利

(1.華南農業大學工程學院， 廣州 510642； 2.華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室， 廣州 510642)

0 引言

隨著我國生豬養殖規模化、集約化程度的不斷提高，畜禽養殖引起的空氣污染問題日益突出。豬舍向環境排放大量未經處理的氨氣(NH3)、硫化物(H2S)、顆粒物(Particulate matters，PM)和揮發性有機物(Volatile organic compounds，VOCs)等空氣污染物，其中，氨氣是空氣污染物中的主要成分之一。氨的大量排放不僅對畜禽場人畜健康造成危害，而且造成水體富營養化污染和土壤酸化等，同時還會加劇霧霾天氣以及酸雨的形成。因此，對畜禽養殖環境下氨氣減排的研究已成為當前全球關注的熱點問題[1-2]。

規模化豬舍廢氣防治措施主要包括源頭減排、過程控制和末端凈化[3-5]。相較于前兩種，末端凈化因采用智能控制方式，具有凈化效率高、運行可靠、操作簡單以及人力成本低等優勢，被認為是最主要的廢氣處理措施，符合國內外豬場大規模應用的需求。

國內外針對末端凈化的研究多集中于酸洗法和生物法領域，且大多處于實驗室研究階段，采用單一方法去除廢氣中的主要污染成分。如構建無填料的多級酸式洗滌塔，采用順流與逆流的交叉噴淋去除氨氣，通過合理排布噴嘴位置與控制噴淋液滴大小等方式，增大氣流與酸性洗滌液的接觸面，提升凈化效率[6-8]。另外，立式生物滴濾池技術也被應用于末端廢氣凈化，但存在需要嚴格控制微生物生存環境、不適宜去除高濃度廢氣等問題[9-14]。目前，采用網格填料、化學法與水洗法相結合的臥式復合凈化系統對豬舍廢氣凈化效果的研究較少，并且國內在此類畜禽舍廢氣凈化設備與控制系統的研發與應用方面也存在不足。

本文設計一種基于PLC控制系統的豬舍廢氣復合凈化系統，主要應用于規模化豬舍的末端廢氣凈化，以實現廢氣處理的智能化，為畜禽養殖廢氣處理系統的控制優化提供參考借鑒。

1 系統結構及工作原理

1.1 系統整體結構

本系統主要由主控制室、廢氣收集壓力室和廢氣凈化單元3部分組成，整體結構簡圖如圖1所示。整個系統安裝在豬舍末端的負壓風機組外側，負壓風機組、廢氣收集壓力室與廢氣凈化單元橫向依次接續連為一體，主控制室置于系統的側面。

圖1 整體結構簡圖Fig.1 Sketches of overall structure1.控制電箱 2.噴淋電磁閥 3.壓差傳感器 4.螺旋型噴嘴 5.手控球閥 6.塑料網格填料 7.蓄液池 8.酸洗泵 9.pH值傳感器 10.電導率傳感器 11.液位傳感器 12.硫酸計量泵 13.供水電磁閥 14.排廢電磁閥 15.末端負壓風機組 16.廢氣收集壓力室 17.水洗凈化單元 18.水洗泵 19.回水電磁閥 20.酸洗凈化單元 21.地溝風機組

主控制室包括控制電箱、傳感器和執行設備等；廢氣收集壓力室連接負壓風機組與廢氣凈化單元，使由負壓風機組吸入的廢氣氣流和濃度達到平衡狀態；廢氣凈化單元是凈化豬舍廢氣的反應部分，由酸洗凈化單元與水洗凈化單元兩部分組成，包括縱向放置的塑料網格填料、安裝有噴嘴的噴淋管道以及盛有洗滌液的蓄液池等。廢氣凈化單元頂端噴嘴安裝于頂部噴淋主管道，正面噴嘴安裝于中部噴淋支管道，各噴淋支管道裝有手控閥門，用以調節水泵近遠端、上下支管的水壓平衡，保證噴淋流量的均衡。用戶通過主控制室內的控制電箱實時監控凈化系統的運行狀態，并可以進入壓力室內對廢氣凈化單元進行定期清理。整個豬舍復合凈化系統結構簡單、維護方便、通風阻力小，符合當今智能畜牧裝備的研發趨勢。

1.2 系統工作原理

豬舍內的廢氣經末端的負壓風機組吸入復合凈化系統內，經過至少3 m長度的廢氣收集壓力室均勻混合后導流進入廢氣凈化單元中[15]，蓄液池中的洗滌液會被水泵吸入噴淋管道中，提升至頂端及正面的噴嘴后呈圓錐狀噴出至填料均勻加濕，由于填料本身較大的比表面積，洗滌液的液滴會大量附著，廢氣與液滴緊密接觸，極大地增加了反應時間和接觸面積，顯著提升氣-液傳質效率。反應生成的水溶性離子隨洗滌液一起流入蓄液池內完成循環，從而達到凈化廢氣的目的。

(1)

2 控制系統設計

2.1 控制模式選擇

該凈化系統針對運行方式和凈化效果，設計有“自動/手動”模式與“高效/經濟”模式，通過操作控制電箱面板上的“自動/手動”模式旋鈕開關和“高效/經濟”模式按鈕開關，用戶可以根據實際需要靈活切換系統控制模式。

“自動”模式下，控制系統實時獲取系統的動態環境數據，自動控制凈化系統完成供水、加酸、噴淋和排廢4個工作環節；“手動”模式下，旋轉開關啟停單個執行設備，手動控制凈化系統完成單個工作環節。“高效”模式下，酸洗、水洗凈化單元分別使用硫酸的水溶液和清水作為洗滌液，凈化效果顯著，系統運行成本較高；“經濟”模式下，酸洗、水洗凈化單元均使用清水作為洗滌液，凈化效果一般，系統運行成本較低。控制電箱面板設計有人機交互界面和信號指示燈，實時顯示系統內各個環境數據和報警信息，直觀表達動態控制流程和設備運行狀態。

2.2 硬件系統組成

圖2 控制系統結構簡圖Fig.2 Sketch of control system structure

控制系統的硬件系統以PLC為控制核心，觸摸屏作為人機交互界面，包括主控制模塊、監測模塊、執行模塊、人機交互模塊、電源模塊和信號指示燈模塊，控制系統結構簡圖如圖2所示。PLC、“高效/經濟”模式按鈕開關、“自動/手動”模式旋鈕開關、24 V中間繼電器和220 V接觸器組成主控器模塊，pH值傳感器、電導率傳感器、液位傳感器、壓差傳感器和壓力傳感器組成監測模塊，洗滌泵、硫酸計量泵、供水電磁閥、噴淋電磁閥、排廢電磁閥和回水電磁閥組成執行模塊。監測模塊采集凈化系統內的動態環境數據傳遞至PLC，PLC發送指令控制執行模塊動作，完成系統工作流程。電源模塊包括斷路器、相序繼電器、浪涌保護器、電機保護器和開關電源，為控制系統提供穩定供電。信號指示燈模塊分為設備狀態指示燈組和設備報警指示燈組兩部分，根據指示燈的亮/滅分別指示設備的開啟/停止和水壓的正常/異常。控制系統電路簡圖如圖3所示。

圖3 控制系統電路簡圖Fig.3 Internal connection of control electrical box

PLC在控制系統中主要完成采集監測模塊的模擬量信號并輸出開關量信號控制執行模塊運行，通過串口通訊建立與觸摸屏的連接。PLC 具體型號依據系統架構、I/O端口數、參考精度和經濟性進行選擇[21-22]。為滿足系統需求和中試運行，選擇杭州優穩UW2103型PLC，PLC端口分配如表1所示。該型PLC集成嵌入式32位CPU核心，共有6路AI端口、12路通用DI/DO端口和2路AO端口，支持采用RS485或以太網通信方式，具有編程性強、可靠性高、功耗低、易維護以及成本低等特點，可以保證控制系統的運行穩定性。

選用北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司生產的TPC1061TX觸摸屏作為控制系統的人機交互界面，通過RS485通信方式與PLC建立連接，是一款以Cortex-A8 CPU為核心(主頻600 MHz)的高性能嵌入式一體化觸摸屏，預裝MCGS嵌入式組態軟件(運行版)，采用10.2英寸的TFT液晶顯示屏(分辨率1 024像素×600像素)，額定功率5.5 W，功耗低，具備強大的圖像顯示和數據處理功能[23]。

表1 PLC端口分配Tab.1 Distribution of PLC port

2.3 系統控制策略

復合凈化系統自動運行中，影響系統凈化效果的主要因素是蓄液池中洗滌液的pH值和電導率，這兩項值可以衡量洗滌液的酸性和潔凈程度，因此將pH值、電導率設定為控制系統的優先控制因素，對影響控制系統自動運行的pH值、電導率和液位采用雙限值的調控策略，實現凈化系統各工作環節的穩定控制。pH值分設上限值和下限值，上限值表示系統觸發加酸環節的洗滌液pH值，下限值表示系統停止加酸環節的洗滌液pH值；電導率分設上限值和高臨值，上限值表示系統觸發排廢環節的洗滌液電導率，高臨值表示系統可以觸發加酸環節的洗滌液電導率最大值，該值下繼續加酸將導致電導率升高，易觸發排廢環節；液位分設上限值和下限值，上限值表示蓄液池自動補水至設定的高度，下限值表示系統觸發蓄液池自動補水的高度。

控制系統通電后，PLC接收“高效/經濟”模式按鈕開關發出的開關量信號，判斷凈化系統進入“高效”或是“經濟”模式。酸洗凈化程序流程圖如圖4所示，酸洗凈化單元在“高效”模式下，當洗滌液的電導率低于設定的高臨值，開啟酸洗泵，凈化系統進入噴淋環節，開始廢氣處理過程，若此時洗滌液的pH值高于設定的上限值，開啟硫酸計量泵，完成定時定量加酸后關閉，系統定時運行噴淋環節實現pH值穩定，此時洗滌液的pH值已接近下限值，再次開啟硫酸計量泵加酸，直至pH值達到下限值停止，目的是避免因酸溶解速度較慢導致pH監測值滯后，無法準確控制pH值，造成過量加酸；當洗滌液的電導率大于高臨值小于上限值，凈化系統不再進入加酸環節，防止加酸后洗滌液內電導率超過上限值觸發排廢環節，造成酸的浪費；當洗滌液的電導率大于設定的上限值，開啟排廢電磁閥和酸洗泵、關閉噴淋電磁閥，凈化系統停止噴淋進入排廢環節。酸洗凈化單元在“經濟”模式下，采用清水作為洗滌液處理廢氣，以電導率作為該模式下的優先控制因素，控制過程相較于“高效”模式，系統將不再進入加酸環節。復合凈化系統處于“高效”或是“經濟”模式中，液位傳感器連續監測洗滌液液面高度，若液面高度下降至設定的下限值，關閉洗滌泵停止噴淋、開啟供水電磁閥，控制系統自動補水至液面高度到達設定的上限值[24]。

圖4 酸洗凈化程序流程圖Fig.4 Flow chart of program for acid purification

水洗凈化單元不需要判斷系統的“高效/經濟”模式，控制過程與酸洗凈化單元在“經濟”模式下基本相同，水洗凈化程序流程圖如圖5所示。水洗凈化單元運行中電導率增長緩慢，電導率上限值設定為小于酸洗電導率高臨值，系統觸發水洗排廢時，若酸洗凈化單元的加酸和排廢環節未開啟，系統會根據兩單元的液位狀態開啟回水電磁閥，將需要排廢的洗滌液向酸洗凈化單元的蓄液池內補充，實現洗滌液的重復利用。

圖5 水洗凈化程序流程圖Fig.5 Flow chart of program for washing purification

本凈化系統為防止凈化系統一直處于異常狀態運行，控制系統設置了報警程序，全程監測系統環境數據，并通過人機交互界面實時顯示4種報警信息，系統報警程序流程圖如圖6所示。若壓差高于設定的上限值，表示淤塞在過濾網中的固體顆粒較多，造成風阻過大，進而影響通風效果；若液位低于設定的下限值，表示蓄液池內洗滌液余量不足；若pH值低于設定的下限值，表示洗滌液酸性過高；若電導率大于設定的上限值，表示洗滌液內水溶性離子濃度過高。

圖6 系統報警程序流程圖Fig.6 Flow chart of program for system alarm

2.4 人機交互界面設計

MCGS嵌入版是一種專門用于快速構建嵌入式上位機監控系統和通信控制的組態軟件，可以將現場采集到的數據以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案[25]。

觸摸屏的人機交互界面通過MCGS嵌入式組態軟件設計，基于RS485串口通信將PLC與觸摸屏建立連接，通過在MCGS組態軟件的實時數據庫添加PLC的I/O通道，實現將PLC采集到的環境數據讀入至觸摸屏軟件中，在觸摸屏上設置組態畫面，以動畫的形式對系統運行狀態、傳感器數據和控制參數設置進行實時流動顯示，最小采集周期為100 ms。

根據復合凈化系統的監控需求，人機交互界面設計如圖7所示，由用戶登錄界面、實時監控界面和高級設置界面3部分組成[26-27]。其中，用戶登錄界面，根據操作人員屬性輸入密碼登錄至實時監控界面，若是普通用戶，只具備查看實時監控界面的權限，無法使用高級設置功能，凈化系統將以默認參數運行；若是高級用戶，具備使用所有功能的權限，可以按需配置凈化系統運行參數；實時監控界面，流動呈現系統整體運行狀態，實時顯示系統內動態環境數據，報警輸出系統異常狀態，包括簾阻報警、缺水報警、過酸報警和污水報警4種異常狀態；高級設置界面，用戶可以按需配置pH值、電導率、液位和壓差4項系統運行關鍵參數。

圖8 進出口氨氣質量濃度、去除率及pH值變化曲線Fig.8 Changing curves of inport and export of ammonia, removal efficiency and pH value

圖7 人機交互界面Fig.7 Human machine interface

3 試驗設計與結果分析

3.1 除氨試驗設計

利用前期搭建的凈化系統試驗裝置完成控制系統安裝與調試，進行去除氨氣的模擬試驗。整個試驗通過超聲波霧化氨水的方法釋放氨氣，由負壓風機將釋放出的氨氣吸入試驗裝置，模擬豬舍末端排風口排出的廢氣，經凈化后橫向排出。試驗裝置進出口處裝有4～20 mA信號型氨氣傳感器，監測進出口處氨氣的質量濃度，系統每5 s采集一次數據，并將數據存儲在PLC的實時數據庫中，通過上位機軟件的報表管理器導出Excel數據表。待氨氣釋放穩定后，分別就“高效”模式和“經濟”模式下系統對氨氣的去除效果進行連續測試，氨氣去除率計算公式為

(2)

式中η——氨氣去除率，%

Cin——入口處氨氣質量濃度，mg/m3

Cout——出口處氨氣質量濃度，mg/m3

3.2 試驗結果分析

(1)“高效”模式

系統在“高效”模式下連續測試時間共90 min，洗滌液的初始pH值設定為2.7，試驗裝置進出口處氨氣的質量濃度變化、去除率和洗滌液的pH值變化曲線如圖8所示。試驗裝置入口處的氨氣質量濃度在21.52～35.96 mg/m3波動，pH值在2.7～3.7之間時，出口處氨氣質量濃度在3.20～5.90 mg/m3小幅波動，氨氣去除率基本維持在82%以上，由于pH值較低，洗滌液內H+濃度較高，加強氨氣向銨態的轉移，提高了系統去除氨氣的能力；pH值在3.7～6之間時，pH值升高速度較快，出口處的氨氣質量濃度隨pH值呈緩慢上升趨勢，氨氣去除率逐漸降低，由于pH值升高，洗滌液內H+濃度降低，系統去除氨氣的能力隨之下降[28]。

(2)“經濟”模式

圖9 進出口氨氣質量濃度、去除率變化曲線Fig.9 Changing curves of inport and export of ammonia and removal efficiency

根據兩種控制模式的氨氣去除率對比，研究發現采用以酸性洗滌液為主的化學法對氨氣的去除效果明顯，且洗滌液pH值在3以下時，氨氣去除率可保持在85%左右，表明過量的酸對于氨氣去除率的提升沒有顯著作用，這與文獻[8]中的研究結論基本相同，但對于維持系統高效除氨的能力非常重要；采用以清水洗滌液為主的水洗法對氨氣的去除效果一般，但仍然可以滿足當前國內畜禽場的應用需求，且系統運行成本相對較低。同時，通過出口處氨氣質量濃度變化可以看出，系統對氨氣氣流的均勻效果較好，增強了系統的凈化能力。

綜上，本研究設計的復合凈化系統不僅可以實現顯著的廢氣凈化效果，還能通過控制模式的切換滿足不同凈化效果要求以及有效降低運行成本。

4 經濟成本核算

復合凈化系統的經濟成本主要由建設成本和運行成本兩方面組成，通過量化經濟成本中各部分的數據指標，對比得出凈化系統的投資比例情況及不同控制模式下的消耗量，有助于為豬舍廢氣凈化系統的優化設計與推廣應用提供依據。

運行成本核算需結合硫酸消耗、廢水排放、電能消耗和廢液回收率等參數進行綜合考慮。“高效”模式下產生的質量分數為22%～36%的硫酸銨廢液接近于工業級氮肥，可作為液態肥料回收，回收率可以達到75%。同時，為避免出現硫酸銨在洗滌液中沉淀的情況，通常控制硫酸銨質量濃度在150 g/L，約為其最大溶解度的40%，以實現最小的廢水排放率[20]。PLC控制系統因主要采用低功耗的器件與儀表，使凈化系統的總體電能消耗主要取決于洗滌泵的耗能。在未考慮因蒸發造成的洗滌液損失及廢水處理費用的情況下，凈化系統以采用平均功率為4 kW的洗滌泵為例，“高效”、“經濟”模式下的運行成本估算對比如表2所示。

表2 運行成本估算對比Tab.2 Comparison of estimated operating cost data

建設成本由基建費用、填料費用、耗材費用及控制系統費用組成，額度和各項占比與凈化系統的建設規模和器材規格等因素有關，根據相關設計資料與實際工程項目經驗，其中基建費用占比37%，填料費用占比28%，耗材費用占比5%，控制系統費用占比30%。

5 工程應用

本凈化系統已經在江西省某種豬場成功搭建應用，現場工程圖如圖10所示。整套系統安裝于妊娠舍的末端排風口外側，采用鋼架構搭建而成，主控制室位于系統鄰側，與廢氣收集壓力室之間有進出通道，方便用戶進行日常維護，所有與洗滌液接觸的部分均實現了防腐處理，使用壽命長。因系統配備有“自動/手動”模式和“高效/經濟”模式切換，用戶可以根據實際需求靈活運行凈化系統。

圖10 凈化系統工程圖Fig.10 Engineering diagram of purification system

整套凈化系統運行穩定可靠，除臭效果顯著，節約人力成本，配套有供水系統、排污溝道等，排放的廢物可作為液態肥料的原料進行利用，不產生二次污染，極大地改善了豬場周邊的空氣環境。

6 結論

(1)控制系統采用控制因素的雙限值調控策略，同時針對硫酸溶解慣性較大的問題，采用定時定量與pH值調節相結合的加酸方法，有效避免了酸過量添加造成洗滌液過酸的情況，該調控策略可以為畜禽養殖末端廢氣凈化系統的自動化研究提供參考。

(2)利用凈化系統試驗裝置進行控制系統調試，以氨氣作為試驗廢氣，開展了在“高效”、“經濟”模式下的除氨試驗研究，兩種控制模式下平均氨氣去除率可分別達到85%和50%，檢驗了系統的凈化效果和工作穩定性。

(3)復合凈化系統整體建設成本中，通常投資比例最大的是基建費用，占37%。以化學法為主的“高效”控制模式，增強了系統的凈化能力，但會顯著提高運行成本。