新型好氧堆肥装置的设计

王子龙，周 岭，秦翠兰，孙金龙，李明周（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆　阿拉尔　843300）

新型好氧堆肥装置的设计

王子龙，周 岭※，秦翠兰，孙金龙，李明周
（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔843300）

近年来，人们对畜禽产品的需求量不断增加，一方面我国的畜禽产业得到了长足发展，另一方面畜禽粪便带来的污染随之产生。文中设计了一种新型好氧堆肥装置，由温度数据处理模块、曝气渗透模块、数据处理模块和数据显/存模块组成，堆体内部温度分布不均匀，传感器分布在以桨叶为中心的的堆体内部，能达到精确测量，减小误差，提高堆肥效率，同时曝气部分有效增大曝气面积，通过桨叶的搅拌，不断更新堆体表面，促使空气在界面向液相转移；对堆肥过程实时监控，实现数据可视化观测。

好氧堆肥；搅拌；曝气；控制

0　引言

近年来，随着人民生活水平的提高和饮食结构的变化，中国养殖业和畜牧业生产都得到了长足的发展，在满足人类生活需要，促进经济增长的同时产生的大量废弃物未经处理便弃置［1］，若不加科学合理利用，不仅会导致资源浪费，对生态环境和人类健康也会造成严重威胁［2］。为此，我国《畜禽规模养殖污染防治条例》中对规模化养殖场提倡以沼气工程和有机肥工程为核心的有机固体废弃物循环利用。

好氧堆肥是指好氧菌在有氧条件下，对废弃物进行氧化、吸收、分解的过程，其中微生物在分解的过程中，通过生命活动释放热量，不断提供良好的生存环境，使微生物不断繁殖，产生出更多生物体的过程。在牛粪为主的畜禽粪便的处理过程中（图1），利用堆肥装置，能够高效，清洁的对畜禽粪便进行处理。因此好氧堆肥化（Aerobic composting）是有机固体废弃物无害化、减量化、资源化处理与利用的重要途径之一［3］。

图1　好氧堆肥工艺流程

在畜禽粪便好氧堆肥中，温度空间变化、空间曝气是提高堆肥品质，增大氧气渗透深度，减小堆体厌氧反应的关键工艺。目前，针对在一般堆肥装置设计中，对温度的测量处于堆体外部，外部测量往往受堆体粘度以及堆体传热的影响，温度测量结果不准确，降低了堆肥效率。与此同时，在堆体中的微生物进行好氧反应是处于基质颗粒表面形成的液膜中进行的，氧气通过基质间的缝隙渗入，为微生物提供有氧环境，传输受阻就会出现厌氧反应，对环境造成二次污染。传统的曝气操作在堆体外部进行，氧气从外部进入堆体传输渗透深度较低，限制了畜禽粪便的综合利用。因此本文针对好氧堆肥中遇到的厌氧反应，研发一种高效清洁，对温度变化实时监控，自动搅拌曝气的新型好氧堆肥装置。

1　系统组成

本设计的装置原理简图如图2。

图2　新型好氧堆肥装置原理简图

该新型好氧堆肥装置主要包括温度数据处理模块、曝气渗透模块、数据处理模块、数据显/存模块，其中温度数据处理模块采集数据，将所测信号传递给数据处理模块，数据处理模块根据预编程序进行对堆体搅拌操作，同时可以通过曝气渗透模块进行独立曝气操作，从堆体内部进行曝气，增大反应面积，减少堆肥时间。

2　主要工作部件

2.1温度数据处理模块

温度数据处理模块包括温度传感器、数据传输线和保护装置，其中温度传感器是核心装置。

温度传感器放置处于楔形桨叶保护内部，利用畜禽粪便堆体自身的黏度与物料压实度，将传感器布置在以搅拌轴为圆心，上、中、下三层均匀分布的桨叶中间，堆体充满在仓体和楔形叶片之间，以叶片为测量点，从堆体内部进行温度测量，以提高对堆体内部温度的测量。堆体与叶片充分有效接触，热量经热交换传递给楔形叶片中的温度传感器，传感器将温度信号通过空心搅拌轴及过孔电滑环传递给变送器，达到内部测温的作用。PT100温度传感器以其适用性广，测量方便，造价低廉等优点，广泛的被用于温度检测等方面，因此，好氧堆肥装置采用PT100温度传感器作为装置所需传感器（型号MIK-WZPV1A2B1C1D），温度系数TCR=2 850 ppm/k，测温幅度：-50～200℃，响应时间：水：2 m/s，t0.5=0.05 s，空气：2 m/s，t0.5=3.0 s。好氧堆肥环境是一种具有腐蚀性的环境，利用保护层法，在传感器表面覆盖保护层，使金属制品与周围腐蚀介质隔离，从而防止腐蚀。保护层抗腐蚀等级0.01-V-0.1（耐腐蚀材料）。

图3　传感器空间布置

传统的堆肥装置对温度的测量处于堆体外部，受物料热传递衰减等因素影响，温度测量易出现偏差，相对于传统堆肥装置，新型好氧堆肥装置的测温设计能更精确的对堆体内部温度进行测量，减少温度转递损耗。

2.2曝气渗透模块

曝气渗透模块包括好氧堆肥曝气通道、防堵装置、防腐蚀通气管道、过孔电滑环、风机等（图4）。

图4　曝气渗透模块示意

好氧堆肥中好氧菌与有机物发生反应需要消耗氧气，氧含量供给不及时会发生厌氧反应，生成CH4和NH3等有毒有害气体，对环境造成二次污染。堆体内部设置曝气装置，能够将氧气通入堆体内部，摆脱了过去堆肥装置的单向曝气，增大了曝气面积，降低了堆体内曝气所需深度，提升了曝气效率，达到好氧菌生存所需氧气的最佳环境。过孔电滑环能保证气、电的传输，不影响搅拌的进程，优化了机械结构。

受物料含水率和堆制材料的影响，堆肥深度越深，孔隙度越小，曝气对堆体的作用效果越弱；通过增大曝气对堆体的作用效果，改善微生物好氧反应的生态微环境，应当在堆体内部进行正压鼓风曝气操作，桨叶曝气管道与空心轴内部相互连接，实现电信号与空气的流动，堆肥过程中会产生CO2等腐蚀性气体，因此曝气通道材质应当选取防腐蚀性保护通道，曝气通道能将外部的空气经桨叶充入到堆体内部，通过堆体与桨叶的充分接触，及桨叶自身通道的曝气，有效的将基质颗粒间的氧浓度提升，增大氧气渗透深度，减小厌氧反应的发生，提升堆肥产品的质量［4］。

为了防止堆肥物料的黏度影响曝气通风的输入，将桨叶与堆体的接触部分设计竖直向下，基于牛顿流体力学曝气出口设置成锥型，减少堆体内液体的渗入，曝气出口设置防护网，防止堆体基质颗粒的堵塞［5］。其中堆肥物料中有机物降解所需理论通风量计算公式：

式中 V—堆体理论通风量，L；Mc—堆体物料中有机质质量，g；η—有机物分解所需氧气与质量之比，L/g；ω易—易分解的有机物含量，%；ρ空—室温下空气密度，g/L；

1mol的C6H12O6摩尔质量为180 g，易分解有机物所需η大约为12.5%，则有机物总质量Mc为9 931.03g，全部氧化所需氧气为192 g，理论通风量V为707.10 L空气。

同时假设：（1）堆体在堆制过程中热量平衡；（2）堆体内部基粒分布均匀，堆肥时间为30天。

根据理论通风计算公式，每天进行一次曝气，每次曝气时间5 min，气体通过测温点旁的24个曝气管道向堆体均匀辐射，则每孔流量为3 ml/s。

2.3数据处理模块

数据处理模块包括模拟模块、变送器、可编程逻辑控制器组成。

温度是影响堆肥进行的关键性因素之一，在堆肥的最初阶段，堆肥物料各个部分的温度基本一样，随着堆肥化的进行，堆体内部有机物经微生物分解发酵产生大量的热，直到堆肥过程结束，达到腐熟。堆体温度变化是堆肥过程的中宏观表现，对温度的测量能更好的处理畜禽粪便的堆肥化进程，利堆体内显著的温度变化对整个堆肥进程加以控制，达到最优效果。

温度传感器将上传的信号通过空心搅拌轴及过孔电滑环传递给变送器（transmitter），变送器把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号，模拟模块通过对信号的处理，将电压信号转换成数字信号反馈到可编程逻辑控制器中，可编程逻辑控制器通过对内部预存堆肥温度响应曲线程序，将温度传感器收集到的信号进行判定：温度数据处理模块测定温度低于预定值，搅拌装置不启动，进行待机程序；待机程序结束，温度数据处理模块测定温度值大于预定值，控制器将进行二次测量校验结果，温度低于预定值，进入待机程序；反之，搅拌装置启动，并根据温度变化进行曝气操作。进一步减小堆体厌氧反应，增大堆肥成功率。

数据处理模块通过开环定值控制，使调节量（温度）保持所要求的定值控制，开关控制有静态特性与动态特性两种，这里利用控制量及干扰量与调节（被控）量间的量化关系进行调节。他们之间的关系为：

式中 r—调节量，表示被控系统的状态、行为、性能的物理量；c—控制量，是经PLC处理后、产生控制作用的输出量；t1，t2—使系统的状态与行为产生所不希望变化的物理量［6］。

可编程逻辑控制器采用西门子公司的S7-200CPU224 XPCN，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，具有使用方便，编程简单，功能强，可靠性高等优点。

该PLC上自带有模拟量的输入和输出通道因此节省了元器件成本。CPU 224XP含有两个模拟量输入通道和一个模拟量输出通道，其中自带的模拟量I/O规格如下：

表1　自带模拟量I/O规格

在S7-200中，单极性模拟量输入输出信号的数值范围是0～32 000，双极性模拟量信号的数值范围是-32 000～+32 000，其中温度传感器与PLC串接电阻把电流信号转化为0～10 V的电压信号，送入PLC模拟量输入通道。通过程序编制，对堆体进行搅拌曝气，并对温度进行PID调节。用PID运算的结果去控制接通电机或风机，但电机与风机控制只能为ON或OFF，不接受模拟量调节，故采用“占空比”调节方法。PID控制输入输出关系式为

式中 M（t）—控制器的输出；M0—输出的创始值；Kc—比例系数；T1—积分时间常数；TD—微分时间常数；e（t）—误差信号。

(1)当频率小于大约270 Hz时，车轮与同质量的一个刚体的行为无异，其在角频率为Ω时的垂向动柔度可按-1/(Ω2mW)进行计算，不管是否在旋转；

假设采样周期为TS，系统开始运行的时刻为t= 0，用矩形积分来近似精确积分，用差分近似精确微分，则第n次采样的控制器输出为

式中en-1—第n-1次采样时的误差值；KI—积分系数；KD—微分系数。

图中的spn、pvn、en、Mn分别为模拟量sp（t）、pv （t）、e（t）、M（t）在第n次采样时的数字量。温度传感器检测到的温度送入PLC后，若经PID指令运算得到一个0～1的实数，把该实数按比例换算成一个0～100的整数，把该整数作为一个范围为0～10s的时间t。设计了一个周期为10s的脉冲，脉冲宽度为t，把该脉冲加给风机或电机，即可根据温度变化曲线对堆体进行控制［7］。

2.4数据显/存模块

数据显/存模块包括数据监控界面和嵌入式触摸屏组成。

数据监控界面通过与可编程逻辑控制器的兼容，嵌入式一体化触摸屏可以对堆肥进程进行监控，其内置软件与可编程逻辑控制器进行传输，将堆肥过程中的信号变化以及所测数据进行显示，通过对触摸屏进行操控，调整参数变化，可以对堆肥进程进行控制，触摸屏可以进行手动的操作，查询当前堆肥进程温度变化曲线和历史曲线，通过人机交互，达到机、电、信息的高度集成。

数据显/存模块即监视与控制通用系统，采用北京昆仑通态自动化软件科技有限公司，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，具有容量小、速度快、成本低、稳定性高、功能强大和操作简便等优点，利用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互界面，组态根据堆肥的功能条件，可以同时对实时数据进行可视化处理。

3　结论

设计了一套内部测温与曝气鼓风的新型好氧堆肥装置，主要包括温度数据处理模块、曝气渗透模块、数据处理模块、数据显/存模块；增加了好氧堆肥装置的人机交互系统，堆肥过程直观可视化增强。为堆肥工艺的改进以及堆肥产品的资源化利用提供了新的技术途径。

［1］刘飞，周岭.棉秆木醋液对牛粪堆肥过程中CH4和CO2排放的影响［J］.江苏农业科学，2015（09）：364～369.

［2］吕黄珍，韩鲁佳，张锐.试验室好氧堆肥反应器系统性能试验［J］.农业机械学报，2008（01）：91～96.

［3］曾剑飞，张安琪，黄光群，韩鲁佳.规模化好氧堆肥温氧监测系统设计与试验［J］.农业机械学报，2015，03：186～191.

［4］张安琪，黄光群，张绍英，杨增玲，韩鲁佳.好氧堆肥反应器试验系统设计与性能试验［J］.农业机械学报，2014，07：156～161.

［5］陈洪章，徐建.现代固态发酵原理及应用［M］.北京：化学工业出版社，2004：195～198

［6］宋伯生.PLC编程理论·算法及技巧［M］.机械工业出版社，254～255.

［7］西门子S7-200/300/400系列PLC自学手册［M］.中国电力出版社，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

国家自然科学基金项目资助（51266014）；兵团博士资金专项（2011BB012）；“十二五”农村领域国家科技计划课题（2012BAD14B10-9）

周 岭