養(yǎng)殖廢棄物智能發(fā)酵裝備控制系統(tǒng)設計與效果分析

關鍵詞：養(yǎng)殖廢棄物；好氧發(fā)酵；PLC；智能控制

中國農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖廢棄物資源利用潛力巨大，據(jù)統(tǒng)計，中國每年產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)農(nóng)村廢棄物約50億t［1］，種類多、數(shù)量大，但利用率低［2，3］。養(yǎng)殖廢棄物處置不合理影響農(nóng)村環(huán)境，具有污染影響范圍大、處理方式簡陋、欠缺精細規(guī)劃等問題，成為鄉(xiāng)村環(huán)境建設的重要問題［4］。好氧堆肥發(fā)酵是解決家禽家畜糞便等養(yǎng)殖廢棄物的重要方式方法［5］。包括碳氮比、含水率、有機質(zhì)含量、pH值、溫度、碳氮比［6-8］以及物料尺寸、不同種類的養(yǎng)殖廢棄物所占比例、混合物的均勻程度在內(nèi)的多個相關工藝參數(shù)都會影響好氧堆肥發(fā)酵的效果［9-12］。有機肥發(fā)酵需要考慮地域范圍、農(nóng)作物品種、時間季節(jié)?？梢匝邪l(fā)多種新型有機物好氧發(fā)酵利用模式，將養(yǎng)殖廢棄物作為肥料進行處理，實現(xiàn)養(yǎng)殖廢棄物的精準還田，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平。

高溫好氧堆肥發(fā)酵技術是一種在高溫環(huán)境下借助好氧微生物進行堆肥發(fā)酵的技術。這種技術可以在較短的時間內(nèi)完成發(fā)酵過程，并在堆肥過程中殺死一部分有害的微生物，同時提高有機肥料的品質(zhì)。傳統(tǒng)的有機堆肥發(fā)酵的生產(chǎn)模式智能化程度低，工藝水平低，堆肥占地面積大影響農(nóng)作物生長［13］。好氧堆肥過程中，堆肥溫度、濕度、氧含量是影響堆肥化進程和肥料質(zhì)量的3個關鍵工藝控制參數(shù)［14］，適宜的溫度和氧氣濃度可令物料快速升溫并將物料溫度保持在高溫好氧發(fā)酵適宜的溫度范圍內(nèi)，有利于物料分解，從而減少和有害氣體產(chǎn)生，并提升堆肥產(chǎn)品質(zhì)量［15］。因此研發(fā)智能檢測好氧堆肥過程溫濕度、氧含量數(shù)據(jù)的智能控制系統(tǒng)對于實現(xiàn)好氧堆肥過程中的智能化控制，提升堆肥品質(zhì)和開展數(shù)值模擬等科學研究均具有重要意義［16］。提高高溫好氧發(fā)酵設備智能化水平，精準控制高溫好氧發(fā)酵參數(shù)，維持合適的環(huán)境，減輕了勞動強度，同時降低了人力成本和好氧堆肥發(fā)酵控制難度，進而提高了生產(chǎn)效率［17］。

2019年，李杰進行了環(huán)保立式發(fā)酵罐控制系統(tǒng)的研究，其控制系統(tǒng)對發(fā)酵環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度數(shù)據(jù)進行采集，未考慮碳氮比和氧氣含量對發(fā)酵的影響［18］。2020年，任麗麗等進行了中藥渣發(fā)酵制備有機肥的研究，考察中藥渣好氧發(fā)酵制備有機肥的可行性［19］。周曾艷等研究了添加畜禽糞便對中藥渣好氧堆肥發(fā)酵特性的影響，其實驗結果表明，添加畜禽糞便促進了中藥渣好氧堆肥的進程［20］。2022年，韓越強基于STM32單片機設計了一種智能餐廚垃圾處理裝備控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)通過調(diào)整發(fā)酵罐內(nèi)環(huán)境溫度保持最佳發(fā)酵環(huán)境［21］。2023年，徐燕對分層曝氣技術在堆肥發(fā)酵反應器中的運用及效果進行了探究，結果表明分層曝氣技術為堆肥的正常進行提供了更好的發(fā)酵條件［22］。

本文介紹1種高溫好氧堆肥發(fā)酵養(yǎng)殖廢棄物處理設備的智能控制系統(tǒng)。通過采用PLC、觸摸屏、繼電器以及各型傳感器精確控制高溫好氧堆肥發(fā)酵養(yǎng)殖廢棄物處理設備，該系統(tǒng)在工作狀態(tài)下，通過各種傳感器精確調(diào)整發(fā)酵環(huán)境的溫度濕度等指標，保證高溫好氧復合微生物菌種在設備內(nèi)部與養(yǎng)殖廢棄物充分混合接觸，改善好氧發(fā)酵環(huán)境，從而提升養(yǎng)殖廢棄物處理設備的處理水平。

1 工作原理與系統(tǒng)構成

養(yǎng)殖廢棄物處理設備主要由西門子PLC、溫度傳感器、濕度傳感器、氧含量傳感器、重力傳感器、威綸通觸摸屏等組成?？刂葡到y(tǒng)流程如圖1所示，養(yǎng)殖廢棄物處理設備的控制系統(tǒng)主要工作在養(yǎng)殖廢棄物處理階段，通過各型傳感器對物料的各種參數(shù)進行檢測，并以檢測結果判斷物料發(fā)酵狀態(tài)，并通過設備內(nèi)的通風、增溫等裝置使物料調(diào)整到最佳發(fā)酵狀態(tài)。養(yǎng)殖廢棄物智能發(fā)酵裝備結構如圖2所示。

養(yǎng)殖廢棄物智能處理設備控制系統(tǒng)工作流程分別為準備階段和好氧發(fā)酵處理階段。準備階段包括按比例調(diào)配養(yǎng)殖廢棄物物料、測量養(yǎng)殖廢棄物物料質(zhì)量、含水率，并通過養(yǎng)殖廢棄物物料的質(zhì)量，計算發(fā)酵所需高溫好氧復合微生物菌種的使用量。在PLC的控制下，養(yǎng)殖廢棄物處理設備開始運行，物料在攪拌系統(tǒng)作用下，與高溫好氧復合微生物菌種攪拌混合，待充分混合后，高溫好氧復合微生物菌種開始對物料進行分解。其具體步驟包括：調(diào)配好的物料通過上料系統(tǒng)進入發(fā)酵罐內(nèi)，高溫好氧復合微生物菌種開始分解物料，菌種分解物料產(chǎn)生熱量，加熱箱將加熱過的空氣向罐體內(nèi)曝氣升溫，溫度開始升高，同時物料開始發(fā)酵。

攪拌系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、送氧系統(tǒng)、控制系統(tǒng)同時開始工作，在各個分系統(tǒng)的相互作用下，罐內(nèi)溫度維持在60℃，發(fā)酵罐內(nèi)物料保持在最佳的高溫好氧發(fā)酵環(huán)境中，較高的溫度可以加速發(fā)酵罐內(nèi)物料好氧發(fā)酵分解，物料在60℃的環(huán)境中持續(xù)發(fā)酵5d，一次性發(fā)酵完畢后，罐體底層物料在攪拌系統(tǒng)與出料系統(tǒng)的作用下通過出料口即可排出，排出后的肥料進入后腐熟階段，上料裝置從入料口向罐內(nèi)補充物料，循環(huán)運行。

加熱風機開始對發(fā)酵罐內(nèi)進行加熱，熱空氣通過攪拌軸和中間葉片的開口進入發(fā)酵罐內(nèi)，發(fā)酵罐內(nèi)溫度上升，高溫好氧復合微生物菌種活躍程度提高，加快養(yǎng)殖廢棄物分解，當物料溫度高于設定溫度上限時，加熱風機停止加熱。當物料溫度低于設定溫度下限時，加熱風機開始加熱。當罐頂部溫度大于設定溫度上限時，頂部排風機開始工作，降低罐內(nèi)溫度和濕度；當發(fā)酵罐頂部的溫度小于設定溫度下限時，頂部排風機關閉。當抽氣泵、鼓風機等設備遇多個打開關閉指令時，PLC執(zhí)行或邏輯運算，存在1個打開指令即打開相應設備。罐內(nèi)物料質(zhì)量不再降低時，系統(tǒng)停止工作，發(fā)酵產(chǎn)物從出料口排出，工作完成。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 總體設計

養(yǎng)殖廢棄物智能發(fā)酵裝備的控制系統(tǒng)下位機為PLC，上位機為智能觸摸屏，數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)包括堆肥溫度傳感器、頂部溫度傳感器、上加熱溫度傳感器、下加熱溫度傳感器、頂部濕度傳感器、氨氣含量傳感器、硫化氫含量傳感器、氧含量傳感器、質(zhì)量傳感器。傳感器采集的模擬量信號通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，PLC通過對采集量與設定值的對比，控制各執(zhí)行機構繼電器通斷，從而可以通過PLC及其輔助控制系統(tǒng)控制電機、鼓風機、加熱箱等設備。養(yǎng)殖廢棄物智能發(fā)酵裝備控制系統(tǒng)如圖3所示。

2.2 PLC控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用西門子S7-200SMARTPLC。晶體管輸出型，24V直流供電。12輸入/8輸出?？刂葡到y(tǒng)模塊電源配置走線如圖4所示，外接1個EMAR044通道熱電阻測溫模塊，2個EMAE044輸入模擬量輸入模塊。主要分為進氣溫度采集模塊、頂部溫濕度采集模塊、攪拌運行時間控制模塊、堆肥溫度控制采集模塊、氣體采集模塊、取樣泵時間控制模塊、加熱風機運行時間控制模塊、質(zhì)量采集模塊、上進氣溫度高限溫度設定控制模塊、上進氣溫度高低限溫度設定控制模塊、下進氣溫度高低限溫度設定控制模塊、排風機啟?？刂颇K、加熱箱溫度高低限控制模塊。主要完成對觸摸屏指令信息的接受與反饋，采集并記錄堆肥溫度、上加熱溫度、下加熱溫度、頂部溫度、頂部濕度、氨氣含量、硫化氫含量、氧含量、質(zhì)量等功能。采用西門子S7-200SMARTPLC，滿足智能養(yǎng)殖廢棄物處理設備控制系統(tǒng)的需求?？刂葡到y(tǒng)模塊電源配置走線如圖4所示

2.3 主控系統(tǒng)設計

PLC作為養(yǎng)殖廢棄物處理設備的控制系統(tǒng)的核心模塊，主要完成對各個模塊信息的接收與反饋，采集各個傳感器的溫度、濕度、氣體含量等數(shù)據(jù)，控制電機、加熱風機，排風機等功能。系統(tǒng)整體方案如圖5所示。

罐體頂部裝有功率為0.2kW的WM9290-24V微型鼓風機作為頂部排風機，最大風量680l/min，最大風壓13kPa，轉(zhuǎn)速23500rpm。頂部的管道溫濕度傳感器型號為華控興業(yè)HSTL-103WS。加熱風機選用亞士霸HG010-12AD1旋渦風機，上下各一臺，功率0.12kW，風量29m3/h。電機驅(qū)動系統(tǒng)通過驅(qū)動滾軸攪拌物料，實現(xiàn)罐內(nèi)物料與高溫好氧復合微生物菌種均勻接觸，有利于好氧發(fā)酵進行，電動機是養(yǎng)殖廢棄物處理設備攪拌系統(tǒng)的重要組成部分，主軸及葉片在電動機驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)選用的電動機為三相異步電動機，型號為錦龍JL180M2-4，額定功率0.75kW，額定轉(zhuǎn)速1400r/min。PLC通過繼電器對電動機進行啟停以及點動等控制。主減速器同電動機相連接，攪拌軸與主減速器連接，使電機驅(qū)動攪拌軸和葉片對物料進行攪拌。

2.4 智能觸摸屏設計

觸摸屏型號采用威綸通生產(chǎn)的MT8102iQ型觸摸屏。采用EasyBuilderPro軟件進行界面設計，并使用以太網(wǎng)串行接口與PLC進行通信。初始界面為開機界面。設備狀態(tài)如圖6所示，可以實時顯示頂部溫度、頂部濕度、堆肥溫度、上進氣加熱箱溫度、下進氣加熱箱溫度、氨氣含量、硫化氫含量、氧含量、物料質(zhì)量，并可以顯示攪拌、加熱風機、排風、采樣的工作狀態(tài)并控制其啟停。

參數(shù)界面如圖7所示，可對取樣時間、攪拌運行與間隔時間、加熱風機運行與間隔時間、上進氣啟動/停止加熱溫度，下進氣啟動/停止加熱溫度、啟動/停止頂部排風機溫度、加熱箱溫度進行調(diào)整。

手動操作界面如圖8所示，可對攪拌、加熱風機、排風、采樣泵等功能進行單獨控制。

觸摸屏儲存各個采集模塊的數(shù)據(jù)，并可以繪制一定時間內(nèi)的數(shù)據(jù)變化曲線，如圖9所示。數(shù)據(jù)可傳輸至U盤保存。

3 試驗與分析

3.1 試驗目的與試驗裝備

為了驗證養(yǎng)殖廢棄物智能發(fā)酵裝備控制系統(tǒng)可靠性、控制精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性。養(yǎng)殖廢棄物智能發(fā)酵裝備的外觀及控制系統(tǒng)實物如圖10所示。發(fā)酵產(chǎn)物含水率測試采用青島拓科儀器有限公司生產(chǎn)的MS105鹵素水分儀進行檢測。發(fā)酵產(chǎn)物的養(yǎng)分與有機質(zhì)檢測采用鄭州錦農(nóng)科技有限公司生產(chǎn)的JN-GYF高精度土壤肥料養(yǎng)分檢測儀進行檢測。

3.2 試驗材料與方法

試驗原材料為牛糞與中藥渣混合物如圖11所示，牛糞由河北省辛集市某養(yǎng)殖場提供，含水率為76.26%，中藥渣由河北省唐山市某中藥公司提供，經(jīng)MS105鹵素水分儀測定，含水率為89.01%，高溫好氧復合微生物菌種由河北省農(nóng)林科學院資環(huán)所提供。將牛糞與中藥渣以4∶1的比例進行混合，物料按150∶1的比例與高溫好氧復合微生物菌種進行混合，共使用牛糞與中藥渣混合物料35.6kg，高溫好氧復合微生物菌種0.24kg，中藥渣物料最大長度8cm。投入前將牛糞與中藥渣混合物料同高溫好氧復合微生物菌種均勻混合，試驗地點為河北省石家莊市。

發(fā)酵工藝參考NY/T3442-2019《畜禽糞便堆肥技術規(guī)范》。加入物料后，設備靜置1d，從第2d開始，采取間歇式的運行方式，攪拌運行5min，停止715min。

每日對罐體內(nèi)物料溫度進行檢測，溫度傳感器安裝于罐體側(cè)面，距罐底30cm處。同時對罐體內(nèi)物料質(zhì)量變化進行檢測，質(zhì)量傳感器安裝于罐體下方四個支柱，并在控制柜中部的電子稱重儀表進行數(shù)據(jù)顯示。并通過電度表統(tǒng)計用電量。

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 試驗結果 罐體內(nèi)溫度與物料質(zhì)量隨時間變化曲線如圖12-13所示，由測試結果可知，罐內(nèi)物料溫度在發(fā)酵過程中溫度穩(wěn)定維持在60℃5d，在第7d回落至環(huán)境溫度，且物料質(zhì)量穩(wěn)定不再減少。在整個試驗過程中，控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可以實現(xiàn)高溫好氧發(fā)酵流程的精確控制，控制系統(tǒng)未出現(xiàn)錯誤?；谠囼灲Y果，繪制高溫好氧發(fā)酵堆肥過程中溫度變化曲線和高溫好氧發(fā)酵堆肥過程中質(zhì)量變化曲線。曲線趨勢符合養(yǎng)殖廢棄物高溫好氧發(fā)酵堆肥規(guī)律。

3.3.2 裝備能耗與發(fā)酵產(chǎn)物品質(zhì)分析 發(fā)酵裝備入料后運行7d，物料溫度回落至環(huán)境溫度時，物料發(fā)酵結束，通過質(zhì)量檢測系統(tǒng)可知，發(fā)酵結束時物料質(zhì)量為12.30kg。打開出料口，發(fā)酵產(chǎn)物在攪拌軸的作用下從出料口出料。使用土壤肥料養(yǎng)分檢測儀化驗檢測。發(fā)酵產(chǎn)物的檢測結果如表1所示。發(fā)酵產(chǎn)物外觀如圖14所示。

從表1中可以得出，經(jīng)過養(yǎng)殖廢棄物智能發(fā)酵裝備產(chǎn)出的發(fā)酵產(chǎn)物，在總養(yǎng)分、有機質(zhì)含量均優(yōu)于NY∕T3442-2019《畜禽糞便堆肥技術規(guī)范》行業(yè)標準要求。

根據(jù)發(fā)酵前后的牛糞與中藥渣混合物料與高溫好氧復合微生物菌種混合物質(zhì)量計算混合物減重率，減重率的計算公式為

通過公式（1）可計算出，物料減重率為65.7%。

通過試驗可知，當系統(tǒng)工作溫度從環(huán)境溫度上升至60℃時，物料的減重率上升，當發(fā)酵進入最后階段，物料溫度緩慢下降，物料的減重率下降。分析其成因，應為高溫好氧復合微生物菌種進入代謝活躍期，物料中大部分有機物開始被分解，物料減重率呈明顯上升趨勢，經(jīng)過長時間分解，物料中只剩下較難分解的木質(zhì)素等大分子有機物及新形成的腐殖質(zhì)，菌種的活性降低，反應速度變慢，物料溫度下降，物料減重率呈下降趨勢。

4 結論

（1）設計了智能養(yǎng)殖廢棄物處理設備控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由西門子S7-200PLC、凈化系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、質(zhì)量控制系統(tǒng)、溫度調(diào)控系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)組成。并基于EBPRO軟件編寫智能觸摸屏界面，觸摸屏通過RS232端口與PLC進行串口通信，實現(xiàn)對養(yǎng)殖廢棄物發(fā)酵的工作參數(shù)控制、系統(tǒng)運行狀態(tài)信息顯示，發(fā)酵全過程相關數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲等功能。通過對溫度、濕度、氣體含量進行測量與精準控制，可以準確調(diào)控高溫好氧發(fā)酵所需的溫度、濕度等指標，實現(xiàn)了對養(yǎng)殖廢棄物處理裝備的精確控制。

（2）在設計的控制系統(tǒng)自動運行模式下，以35.6kg含水率為76.26%和89.01%的鮮牛糞與中藥渣混合物為原料，按150∶1配比加入高溫好氧復合微生物菌種，環(huán)境溫度35℃時，進行了發(fā)酵試驗。試驗分析得出：裝備內(nèi)物料第2d溫度升至60℃，溫度維持5d后逐漸降低，第7d物料溫度降至環(huán)境溫度；發(fā)酵產(chǎn)物質(zhì)量為12.30kg，減重率為65.7%，有機質(zhì)含量、總養(yǎng)分含量和含水率分別為49.67%、5.18%和33.1%，均優(yōu)于NY∕T3442-2019《畜禽糞便堆肥技術規(guī)范》標準規(guī)定；發(fā)酵產(chǎn)物未檢測出糞大腸菌群，蛔蟲卵死亡率為100%，滿足NY∕T3442-2019《畜禽糞便堆肥技術規(guī)范》標準。

（3）與傳統(tǒng)的堆肥方式相比，養(yǎng)殖廢棄物智能發(fā)酵裝備控制系統(tǒng)具有操作簡便、平穩(wěn)可靠等特點。使用該控制系統(tǒng)控制的智能養(yǎng)殖廢棄物處理設備在整個處理過程中，可實現(xiàn)無人操作，全自動控制。