有機廢棄物生物自動化處理系統(tǒng)的設(shè)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(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展隨著畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，農(nóng)作物秸稈和畜禽養(yǎng)殖廢棄物[1]極速增長。當前，國內(nèi)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(huán)境二次污染?，F(xiàn)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(diào)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(yōu)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(shè)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(nóng)業(yè)生物技術(shù)，即生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的統(tǒng)稱，這項技術(shù)在高科技領(lǐng)域發(fā)展速度十分迅速，逐步改寫了人類在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)和處理方式。利用生物技術(shù)處理有機廢物具有保護環(huán)境、節(jié)約原材料和能源、投資少、運行費用低、經(jīng)濟回報高等優(yōu)點[3]。

任何先進的工藝都必將有先進的設(shè)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(zhuǎn)化設(shè)備還相當落后，勞動強度大，生產(chǎn)效率低，自動化程度不高。隨著科技的發(fā)展，利用生物技術(shù)對有機廢棄物進行自動化處理是發(fā)展的一個必然趨勢。項目研發(fā)設(shè)計了一種有機廢棄物生物技術(shù)自動化處理系統(tǒng)，通過該設(shè)備，使得有機廢棄物經(jīng)過處理后，產(chǎn)出大量有機肥、昆蟲蛋白等其他可利用物質(zhì)，提高有機廢棄物的利用率，減少污染程度。

2 工藝設(shè)計與系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 工藝設(shè)計

為了克服現(xiàn)有有機廢棄物生物技術(shù)處理工藝和設(shè)施效率低和處理不充分等問題，課題組設(shè)計了處理量為100 t/d的有機廢棄物生物技術(shù)自動化處理系統(tǒng)，本系統(tǒng)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(yǎng)殖、下架卸料、分離打包等工藝過程。

圖1 系統(tǒng)工藝流程

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)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(shè)置在密封除臭消毒區(qū)間內(nèi)，工作中產(chǎn)生的廢氣，通過密封除臭消毒區(qū)間兩側(cè)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(huán)境的污染。

(2)采用帶輪子的養(yǎng)蛆盆車和鋪有軌道的養(yǎng)蛆盆架，十幾個養(yǎng)蛆盆車可依次由提升上架車推入鋪有軌道的養(yǎng)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(qū)的中間轉(zhuǎn)盤上；這樣使得布料布種、提升上架、立體養(yǎng)殖、下架卸料工藝過程能流暢地循環(huán)運行，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)量巨大。

3 設(shè)備控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

設(shè)計PLC控制系統(tǒng)要根據(jù)生產(chǎn)工藝流程進行，根據(jù)歸類，本系統(tǒng)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(tǒng)控制中心，左側(cè)列舉了信號采集機構(gòu)，右側(cè)列舉了信號輸出機構(gòu)，操作中，工作人員可以通過觸摸屏控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，也能看到系統(tǒng)的溫度，廢氣濃度等參數(shù)。

3.2 控制流程

根據(jù)有機廢棄物生物利用自動化處理系統(tǒng)的工藝流程，制定其控制流程?？刂葡到y(tǒng)啟動后，工作人員在觸摸屏上設(shè)定廢棄物的配比以及攪拌時間，其后的工作可由設(shè)備自動完成，室內(nèi)溫度由溫度采集模塊收集，呈現(xiàn)在觸摸屏上，可由工作人員設(shè)定溫度范圍，空調(diào)自動調(diào)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(tǒng)的硬件設(shè)計

CPU是PLC的控制核心，其功能是接收用戶輸入的程序和數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算和分析后向電路輸出控制指令以驅(qū)動執(zhí)行元件[4]。CPU的性能決定了PLC的工作效率，I/O點數(shù)等等，在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)時，首先需要確定控制對象，控制流程，接下來為輸入輸出設(shè)備按照數(shù)字量與模擬量分配I/O點，再估算需求的內(nèi)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(tǒng)中，需要用到的輸入設(shè)備包括廢棄濃度檢測儀，光電開關(guān)等17個設(shè)備，占用21個輸入點，其中11個模擬量輸入點，6個數(shù)字量輸入點。輸出設(shè)備有空氣凈化器，風機等31個輸出設(shè)備，占用31個輸出點，均為數(shù)字量輸出點。結(jié)合輸入輸出點分析以及內(nèi)存預(yù)估，選擇臺達dvp32eh00t作為主機，但該主機輸入，輸出點數(shù)都只有16個，且均只支持數(shù)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(jù)所需I/O點數(shù)，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(tǒng)的硬件部分，再使用臺達WPLsoft軟件編程，下載至PLC中，經(jīng)過調(diào)試實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化控制。

4 系統(tǒng)特點與優(yōu)勢

4.1 利用黑水虻處理有機廢棄物轉(zhuǎn)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(nóng)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(zhì)轉(zhuǎn)換成自身物質(zhì)。

黑水虻繁殖量驚人，代際繁殖倍數(shù)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(tài)。黑水虻幼蟲個體大，易于與飼料分離，可以實現(xiàn)自動化和集約化的生產(chǎn)應(yīng)用[7]。

4.2 將黑水虻處理有機廢棄物與機械自動化工藝結(jié)合，提高資源利用率

生物技術(shù)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(jié)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(yù)蛹后遇到45°以下的斜坡會向上爬，利用這一特點可以實現(xiàn)成蟲的自動收集，減少工序。

結(jié)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(tǒng)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(xiàn)穩(wěn)定的運作。該技術(shù)也在朝著有機垃圾的處理效率高且能耗低、對垃圾適應(yīng)性強、在確定的垃圾特性范圍內(nèi)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(fā)展。

4.3 機械設(shè)備自動化程度高，生產(chǎn)效能高

該系統(tǒng)通過PLC控制操作，可實現(xiàn)自動上料、布料、運輸、攪拌等工序[8]，經(jīng)過產(chǎn)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(tǒng)堆肥法。

5 結(jié)論

面對全球有機廢棄物總量越來越大，增速越來越快的現(xiàn)狀，焚燒、填埋、堆肥等傳統(tǒng)方法的局限性越來越大，缺點也越來越突出。相比于傳統(tǒng)方法，生物利用技術(shù)自動化處理系統(tǒng)實現(xiàn)了生物利用技術(shù)工藝與機械自動化的有機結(jié)合，有效利用了有機廢棄物中的有機質(zhì)，解決了再生資源的利用問題，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益，同時也避免了對環(huán)境造成第二次污染，推動了綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展，極具研究和推廣價值。