有机废弃物生物自动化处理系统的设计与研究

陈 卓，黄 晴，蔡小华

(1．中南大学 机电工程学院，湖南 长沙 410083；2．中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410012)

1 引言

随着畜禽规模化养殖业的快速发展随着畜禽规模化养殖业的快速发展和人民生活水平的提高，农作物秸秆和畜禽养殖废弃物[1]极速增长。当前，国内外有机固体废弃物的处理方式主要有三种：填埋、焚烧和生物处理。填埋方式虽然简单易行、处理量大，但是需占有大量土地资源，且污水渗透造成环境二次污染。现在，国外正逐步减少原生垃圾填埋量[2]，尤其在欧盟各国,已强调垃圾填埋只能是最终处置手段，而且只能是无机垃圾。焚烧方式的优点是高温无害化和大而迅速的减容能力，还可以回收能源，其缺点是建设投资和运行费用高，且易造成空气污染，特别是有毒气体对人体的影响很大。

农业生物技术，即生物技术在农业领域应用的统称，这项技术在高科技领域发展速度十分迅速，逐步改写了人类在农业领域的生产和处理方式。利用生物技术处理有机废物具有保护环境、节约原材料和能源、投资少、运行费用低、经济回报高等优点[3]。

任何先进的工艺都必将有先进的设备作为支撑，二者相辅相成，相互促进。目前，有机废弃物生物转化设备还相当落后，劳动强度大，生产效率低，自动化程度不高。随着科技的发展，利用生物技术对有机废弃物进行自动化处理是发展的一个必然趋势。项目研发设计了一种有机废弃物生物技术自动化处理系统，通过该设备，使得有机废弃物经过处理后，产出大量有机肥、昆虫蛋白等其他可利用物质，提高有机废弃物的利用率，减少污染程度。

2 工艺设计与系统总体设计

2.1 工艺设计

为了克服现有有机废弃物生物技术处理工艺和设施效率低和处理不充分等问题，课题组设计了处理量为100 t/d的有机废弃物生物技术自动化处理系统，本系统工艺流程包括：分类卸料、混合搅拌、污水处理、空气净化、密封储料、布料布种、提升上架、立体养殖、下架卸料、分离打包等工艺过程。

图1 系统工艺流程

2.2 系统总体设计

(1)有机废弃物主料池、左右有机废弃物辅料池和左右搅拌机均设置在密封除臭消毒区间内，工作中产生的废气，通过密封除臭消毒区间两侧的管道依次进入左右脱硝处理器和左右空气净化器进行净化，然后由左右风机通过左右排放口排出，避免对环境的污染。

(2)采用带轮子的养蛆盆车和铺有轨道的养蛆盆架，十几个养蛆盆车可依次由提升上架车推入铺有轨道的养蛆盆架，由提升下架车从另一端取出，卸载后，空盆车由回送轨道运送至布料布种区的中间转盘上；这样使得布料布种、提升上架、立体养殖、下架卸料工艺过程能流畅地循环运行，生产效率高，产量巨大。

3 设备控制系统

3.1 控制系统总体设计

设计PLC控制系统要根据生产工艺流程进行，根据归类，本系统主要有：混合搅拌，密封除臭，空气净化，污水处理，上料运输，布种布料，卸料打包等等步骤，由此，可以做出控制原理图如图2所示。其中，PLC和触摸屏是系统控制中心，左侧列举了信号采集机构，右侧列举了信号输出机构，操作中，工作人员可以通过触摸屏控制系统的各个环节，也能看到系统的温度，废气浓度等参数。

3.2 控制流程

根据有机废弃物生物利用自动化处理系统的工艺流程，制定其控制流程。控制系统启动后，工作人员在触摸屏上设定废弃物的配比以及搅拌时间，其后的工作可由设备自动完成，室内温度由温度采集模块收集，呈现在触摸屏上，可由工作人员设定温度范围，空调自动调整，以控制温度在黑水虻幼虫生长的适宜范围。

图3 控制流程

3.3 控制系统的硬件设计

CPU是PLC的控制核心，其功能是接收用户输入的程序和数据，经过计算和分析后向电路输出控制指令以驱动执行元件[4]。CPU的性能决定了PLC的工作效率，I/O点数等等，在设计PLC控制系统时，首先需要确定控制对象，控制流程，接下来为输入输出设备按照数字量与模拟量分配I/O点，再估算需求的内存容量，以确定适当类型的机器(小型、中型和大型)，该机器具有一定的裕度且不会浪费存储空间。

在本系统中，需要用到的输入设备包括废弃浓度检测仪，光电开关等17个设备，占用21个输入点，其中11个模拟量输入点，6个数字量输入点。输出设备有空气净化器，风机等31个输出设备，占用31个输出点，均为数字量输出点。结合输入输出点分析以及内存预估，选择台达dvp32eh00t作为主机，但该主机输入，输出点数都只有16个，且均只支持数字量，因此我们需要选择扩展模块和扩展机以支持模拟量输入输出，根据所需I/O点数，选择4个dvp04ad-h作为输入扩展模块，2个dvp08hn11t作为输出扩展模块，具体的配置见表1[5]。

表1 扩展模块的配置

选择PLC控制器后，按照需要选择合适的触摸屏、传感器、检测器等连接组控制系统的硬件部分，再使用台达WPLsoft软件编程，下载至PLC中，经过调试实现系统的自动化控制。

4 系统特点与优势

4.1 利用黑水虻处理有机废弃物转化率高，杀菌效果好

黑水虻(Hermetiaillucensl.)是一种全世界广泛分布的资源昆虫，幼虫在自然界以动物粪便、腐烂的有机物，如腐肉、腐烂的水果、蔬菜和植物性垃圾为食，能够被用于畜禽粪便的无害化处理[6]。

黑水虻能够快速消化餐厨垃圾、禽畜粪便、农田尾菜、动物尸体等易腐垃圾资源，在幼虫采食的过程中，可有效杀灭大肠杆菌等有害菌99%以上，并将有机垃圾中的有机质转换成自身物质。

黑水虻繁殖量惊人，代际繁殖倍数接近1000倍。水虻幼虫取食量大，单只处理用水虻幼虫每日消化餐厨垃圾接近自身体重，只需要5～7 d即可生长到可以资源回收的状态。黑水虻幼虫个体大，易于与饲料分离，可以实现自动化和集约化的生产应用[7]。

4.2 将黑水虻处理有机废弃物与机械自动化工艺结合，提高资源利用率

生物技术与有机废弃物处理的综合利用显著提高了资源利用率。两者的结合将污染防治变成资源利用，黑水虻处理有机废弃物可以有效减少废弃物的臭味，且成为预蛹后遇到45°以下的斜坡会向上爬，利用这一特点可以实现成虫的自动收集，减少工序。

结合黑水虻生活习性制造的有机废弃物生物利用自动化处理系统操作性强、可控性好、严密性高，在多次实践与改进的过程中该装置可实现稳定的运作。该技术也在朝着有机垃圾的处理效率高且能耗低、对垃圾适应性强、在确定的垃圾特性范围内保持额定处理能力、更加充分的处理有机垃圾及废弃处理合理达标排放等方向发展。

4.3 机械设备自动化程度高，生产效能高

该系统通过PLC控制操作，可实现自动上料、布料、运输、搅拌等工序[8]，经过产品试制实验，平均处理量可达100 t/d，且黑水虻成长速度快，处理周期仅需5～7 t，处理速度远高于传统堆肥法。

5 结论

面对全球有机废弃物总量越来越大，增速越来越快的现状，焚烧、填埋、堆肥等传统方法的局限性越来越大，缺点也越来越突出。相比于传统方法，生物利用技术自动化处理系统实现了生物利用技术工艺与机械自动化的有机结合，有效利用了有机废弃物中的有机质，解决了再生资源的利用问题，产生了显著的经济效益，同时也避免了对环境造成第二次污染，推动了绿色生态农业的健康发展，极具研究和推广价值。