有機廢棄物生物自動化處理系統的設計與研究

陳 卓，黃 晴，蔡小華

(1．中南大學 機電工程學院，湖南 長沙 410083；2．中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410012)

1 引言

隨著畜禽規模化養殖業的快速發展隨著畜禽規模化養殖業的快速發展和人民生活水平的提高，農作物秸稈和畜禽養殖廢棄物[1]極速增長。當前，國內外有機固體廢棄物的處理方式主要有三種：填埋、焚燒和生物處理。填埋方式雖然簡單易行、處理量大，但是需占有大量土地資源，且污水滲透造成環境二次污染。現在，國外正逐步減少原生垃圾填埋量[2]，尤其在歐盟各國,已強調垃圾填埋只能是最終處置手段，而且只能是無機垃圾。焚燒方式的優點是高溫無害化和大而迅速的減容能力，還可以回收能源，其缺點是建設投資和運行費用高，且易造成空氣污染，特別是有毒氣體對人體的影響很大。

農業生物技術，即生物技術在農業領域應用的統稱，這項技術在高科技領域發展速度十分迅速，逐步改寫了人類在農業領域的生產和處理方式。利用生物技術處理有機廢物具有保護環境、節約原材料和能源、投資少、運行費用低、經濟回報高等優點[3]。

任何先進的工藝都必將有先進的設備作為支撐，二者相輔相成，相互促進。目前，有機廢棄物生物轉化設備還相當落后，勞動強度大，生產效率低，自動化程度不高。隨著科技的發展，利用生物技術對有機廢棄物進行自動化處理是發展的一個必然趨勢。項目研發設計了一種有機廢棄物生物技術自動化處理系統，通過該設備，使得有機廢棄物經過處理后，產出大量有機肥、昆蟲蛋白等其他可利用物質，提高有機廢棄物的利用率，減少污染程度。

2 工藝設計與系統總體設計

2.1 工藝設計

為了克服現有有機廢棄物生物技術處理工藝和設施效率低和處理不充分等問題，課題組設計了處理量為100 t/d的有機廢棄物生物技術自動化處理系統，本系統工藝流程包括：分類卸料、混合攪拌、污水處理、空氣凈化、密封儲料、布料布種、提升上架、立體養殖、下架卸料、分離打包等工藝過程。

圖1 系統工藝流程

2.2 系統總體設計

(1)有機廢棄物主料池、左右有機廢棄物輔料池和左右攪拌機均設置在密封除臭消毒區間內，工作中產生的廢氣，通過密封除臭消毒區間兩側的管道依次進入左右脫硝處理器和左右空氣凈化器進行凈化，然后由左右風機通過左右排放口排出，避免對環境的污染。

(2)采用帶輪子的養蛆盆車和鋪有軌道的養蛆盆架，十幾個養蛆盆車可依次由提升上架車推入鋪有軌道的養蛆盆架，由提升下架車從另一端取出，卸載后，空盆車由回送軌道運送至布料布種區的中間轉盤上；這樣使得布料布種、提升上架、立體養殖、下架卸料工藝過程能流暢地循環運行，生產效率高，產量巨大。

3 設備控制系統

3.1 控制系統總體設計

設計PLC控制系統要根據生產工藝流程進行，根據歸類，本系統主要有：混合攪拌，密封除臭，空氣凈化，污水處理，上料運輸，布種布料，卸料打包等等步驟，由此，可以做出控制原理圖如圖2所示。其中，PLC和觸摸屏是系統控制中心，左側列舉了信號采集機構，右側列舉了信號輸出機構，操作中，工作人員可以通過觸摸屏控制系統的各個環節，也能看到系統的溫度，廢氣濃度等參數。

3.2 控制流程

根據有機廢棄物生物利用自動化處理系統的工藝流程，制定其控制流程。控制系統啟動后，工作人員在觸摸屏上設定廢棄物的配比以及攪拌時間，其后的工作可由設備自動完成，室內溫度由溫度采集模塊收集，呈現在觸摸屏上，可由工作人員設定溫度范圍，空調自動調整，以控制溫度在黑水虻幼蟲生長的適宜范圍。

圖3 控制流程

3.3 控制系統的硬件設計

CPU是PLC的控制核心，其功能是接收用戶輸入的程序和數據，經過計算和分析后向電路輸出控制指令以驅動執行元件[4]。CPU的性能決定了PLC的工作效率，I/O點數等等，在設計PLC控制系統時，首先需要確定控制對象，控制流程，接下來為輸入輸出設備按照數字量與模擬量分配I/O點，再估算需求的內存容量，以確定適當類型的機器(小型、中型和大型)，該機器具有一定的裕度且不會浪費存儲空間。

在本系統中，需要用到的輸入設備包括廢棄濃度檢測儀，光電開關等17個設備，占用21個輸入點，其中11個模擬量輸入點，6個數字量輸入點。輸出設備有空氣凈化器，風機等31個輸出設備，占用31個輸出點，均為數字量輸出點。結合輸入輸出點分析以及內存預估，選擇臺達dvp32eh00t作為主機，但該主機輸入，輸出點數都只有16個，且均只支持數字量，因此我們需要選擇擴展模塊和擴展機以支持模擬量輸入輸出，根據所需I/O點數，選擇4個dvp04ad-h作為輸入擴展模塊，2個dvp08hn11t作為輸出擴展模塊，具體的配置見表1[5]。

表1 擴展模塊的配置

選擇PLC控制器后，按照需要選擇合適的觸摸屏、傳感器、檢測器等連接組控制系統的硬件部分，再使用臺達WPLsoft軟件編程，下載至PLC中，經過調試實現系統的自動化控制。

4 系統特點與優勢

4.1 利用黑水虻處理有機廢棄物轉化率高，殺菌效果好

黑水虻(Hermetiaillucensl.)是一種全世界廣泛分布的資源昆蟲，幼蟲在自然界以動物糞便、腐爛的有機物，如腐肉、腐爛的水果、蔬菜和植物性垃圾為食，能夠被用于畜禽糞便的無害化處理[6]。

黑水虻能夠快速消化餐廚垃圾、禽畜糞便、農田尾菜、動物尸體等易腐垃圾資源，在幼蟲采食的過程中，可有效殺滅大腸桿菌等有害菌99%以上，并將有機垃圾中的有機質轉換成自身物質。

黑水虻繁殖量驚人，代際繁殖倍數接近1000倍。水虻幼蟲取食量大，單只處理用水虻幼蟲每日消化餐廚垃圾接近自身體重，只需要5～7 d即可生長到可以資源回收的狀態。黑水虻幼蟲個體大，易于與飼料分離，可以實現自動化和集約化的生產應用[7]。

4.2 將黑水虻處理有機廢棄物與機械自動化工藝結合，提高資源利用率

生物技術與有機廢棄物處理的綜合利用顯著提高了資源利用率。兩者的結合將污染防治變成資源利用，黑水虻處理有機廢棄物可以有效減少廢棄物的臭味，且成為預蛹后遇到45°以下的斜坡會向上爬，利用這一特點可以實現成蟲的自動收集，減少工序。

結合黑水虻生活習性制造的有機廢棄物生物利用自動化處理系統操作性強、可控性好、嚴密性高，在多次實踐與改進的過程中該裝置可實現穩定的運作。該技術也在朝著有機垃圾的處理效率高且能耗低、對垃圾適應性強、在確定的垃圾特性范圍內保持額定處理能力、更加充分的處理有機垃圾及廢棄處理合理達標排放等方向發展。

4.3 機械設備自動化程度高，生產效能高

該系統通過PLC控制操作，可實現自動上料、布料、運輸、攪拌等工序[8]，經過產品試制實驗，平均處理量可達100 t/d，且黑水虻成長速度快，處理周期僅需5～7 t，處理速度遠高于傳統堆肥法。

5 結論

面對全球有機廢棄物總量越來越大，增速越來越快的現狀，焚燒、填埋、堆肥等傳統方法的局限性越來越大，缺點也越來越突出。相比于傳統方法，生物利用技術自動化處理系統實現了生物利用技術工藝與機械自動化的有機結合，有效利用了有機廢棄物中的有機質，解決了再生資源的利用問題，產生了顯著的經濟效益，同時也避免了對環境造成第二次污染，推動了綠色生態農業的健康發展，極具研究和推廣價值。