过程控制在堆肥反应中的应用.doc

第一章 控制方案的选择第一节 堆肥系统过程控制的理论基础堆肥化反应是一个生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物学过程实质上它与自然界中树叶和其它有机物的分解过程完全相同，而堆肥过程的控制有别于自然界的腐败该领域已经开展了一些研究工作观察堆肥过程进行得是否顺利，主要根据堆肥物料中有机物和堆肥工艺控制参数的变化通过堆肥的过程控制，保证堆肥过程顺利进行对于各种堆肥系统而言，其控制和监测堆肥过程的运行参数是一致的，主要有有机物、含水率、温度、通气量、pH 值、腐熟度等“〕一．堆肥生产过程自动监控系统本工程设置自动检测与自动控制系统，对进厂垃圾的计量及发酵过程中的温度、湿度、氧气浓度、好氧速率进行监控，并对厂区生产线、总控室、综合办公室、化验室、门卫等主要部分进行电视监控车间内垃圾处理设备的自动控制由设备供货商配套提供，通风及污水处理系统通过 PLC 可编程序控制器及配套附件达到自动控制，CPN 成套变电站采用 TOP9 了 00 变电站综合自动化系统装置对高低压系统进行监控根据工艺流程及厂房布置，依据“实用、可靠、经济、先进”的原则，采用“集中管理、分散控制”模式建立一套先进可靠的现场监测、过程控制和计算机管理一体化的系统，本系统采用计算机连网，集中在总控室进行生产管理及监控。

堆肥过程控制的工作流程示意图如图 4.6.整个 监 控系统的设计内容包括传感设备的选择和位置安排，数据信号传输协议的规范，信号传送线路的布置，数字接口的选择与设计，控制指令系统的调试，主控制中心的建设，传感设备的数据采集方式等采用以计算机和二级监控集散模式，以 PLC 器件构成子站，通过光缆、双绞线，PLC 为基础的将 PLC 和中继器、网桥、集线器、服务器、操作站相连，构成一个局域网，以太网‘’PLC 作为下位机，可以和现场传感器、变送器、自动化仪表相连，进行数据通信，数据处理，数据管理传感器组件将各种被检测因子的信息根据控制中心设定的采样频率送回中心，由人工智能控制系统进行信息识别人工智能控制系统根据当前系统状态，发送索引指令以选择合适的模型控制器最后由选定的模型控制器发出控制指令指令转换成信号通过传感器、自动化仪表反馈到 PLC，通过 PLC 进行数据处理，然后对控制对象进行管理‘叫人工智能控制系统还可根据实时检测的最终堆肥质量，控制堆肥产品的不同流向，从而实现产品的自动分级堆肥 反 应 过程需要考虑的因素很多，但一般选取主要的影响参数进行建模和控制研究图 4.7 所示为堆肥反应过程控制系统方框图第二节 工艺流程本工程采用现代化生产方法综合处理原生生活垃圾，生产的主要产品为优质有机肥，同时回收垃圾中其它可再生利用物质，堆肥残余物由车辆运输至填埋场填埋或焚烧厂焚烧。

主要堆肥生产工艺有垃圾堆肥发酵工艺、垃圾自动分选工艺、堆肥后处理工艺本 工程 采 用二次性垃圾发酵工艺，总发酵周期约 40 天左右由于进厂垃圾含水率较高，平均在 55%，直接进行垃圾分选效果不佳因此将一次发酵和二次发酵分别置于垃圾分选工序的前后，达到垃圾堆肥和分选的目的一次 发 酵 的主要目的是将垃圾中淀粉、糖类等较易分解的物质先进行发酵，并降低垃圾中较高的含水率，以利于筛分时减少有机质流失垃圾的一次发酵在相互分隔封闭的 10 个一次发酵仓内进行，每个仓面积为 54 X 27 =1458 耐，堆高 3.Om 进厂的原生垃圾运输车经过磅后卸入垃圾给料槽(给料槽容积 20m')，由板式给料机送入撕袋机破袋风选，除去大部分塑料及部分纸张后，由转载胶带输送机给入一次发酵仓一次发酵仓内由装载机自内向外堆垛，堆高 3m一个发酵仓堆放 2 天的垃圾量及 2000 吨顺次装满并封闭一次发酵仓后，垃圾的一次发酵便开始了在垃圾堆垛和发酵过程中，喷洒发酵液，并于室内强制通风打氧，经过 20 天的好氧发酵，水份降至 30%左右，即可由移动式输送机出料，转入垃圾分选工艺系统经过分选工艺筛分后的垃圾一次发酵产品由装载机运到二次发酵区堆成条堆进行二次发酵，发酵周期 20 天左右。

二次发酵区总面积为 278 X 54 X 2= 30024m-,可堆条堆数为 35 堆，单条堆长 130m，其横断面为等腰三角形，底宽 4.5m ,高 2.2m .堆好后即用翻拌机进行翻拌，同时添加微生物发酵液、除臭剂和灭蝇剂每天必须测试温度、pH 值，如达到 700 C 即进行翻拌，水份在发酵期须维持在 50%左右，在二次发酵过程后期堆肥 温 度 会逐渐下降，如降至室温(30 弋以下)表示堆肥己腐熟，即可用装载机出料，转入堆肥成品后处理工艺系统垃 圾 自动 分选工艺该 系 统 按 1 000 吨/天垃圾处理规模考虑，设计配置了两条 500 吨/天的垃圾自动 分选生产线主要工艺采用垃圾自动分类、垃圾重力风选、垃圾弹跳分类等专用垃圾分选技术一．温度的影响所有有机体都有可以维持其生物化学机能的温度范围在一定范围内，温度每升高 100C，这些生物化学反应率提高一倍左右同样在正常堆肥化环境中，温度的上升能提高过程反应率，但温度指数上升是有限的在某种程度上，甚至嗜热菌也受了基酶的热变性影响，在这种情况下，反应率将会下降〔，〕温度极高并不一定意味着反应率高若把堆肥化物料中的温度提高到 75 弋或 s00C，由于温度太高，反应率很可能会降低。

这时降低温度才可能会促进动态反应过程为了做到这一点，必须通过提高通气率或翻动次数，把产生出来的热以更大的速率散发出去不同的研究者所发现的最佳温度范围是从低自 45℃ 到高至 700C 左右过程反应率常数受温度的影响，而且是一个关于温度的函数，下面的等式就是根据SchuIze"”的数据测量结果:(3.24)其中，KdR、是降解系数，与底物的类型和微生物数量有关该方程式的曲线如图 3. 1 所示降解率表示的是随着温度的升高，耗氧量指数的增加当温度到达 60"C时热灭活反应开始占优势，曲线到达 700C 开始呈下降趋势并且迅速到达零第三节 控制方案的选择一 降解过程动力学原理微菌 -- 一底物系统一般可分为均相和多相两种明显的类型在均相系统中，微菌分散在含有一种可溶性底物的水溶液中因此，大量的微生物完全分散在整个发酵仓体积里细胞间的底物梯度减至最小值，而且如果此系统搅拌得非常均匀，则每个细胞实际上可看成相等浓度这种条件在许多工业发酵和废水处理过程中都是差不多的活性污泥工艺就是近乎均相系统得一例然而，它尚未处于完全的均相状态，因为絮凝作用在微菌和底物之间产生了某种程度的分离此外，在絮体颗粒的内部可能存在着底物的浓度梯度，以致各有机体未被同样的底物浓度所包围。

尽管如此，絮花颗粒是随机分散在液相里的因此，按照这个观点，活性污泥单元可视作是近于均相的系统所谓 多 相 系统乃是一种把微菌或是把底物从含有其他成分的液相中分离出来的系统两种不同类型的多相系统都是可能的废水处理的最普遍形式是把微菌从含有其它成分的液相中分离出来的系统滴滤池、氧化塔、旋转式生物接触池、淹没式过滤器和厌氧过滤器都是采用多相条件反应装置的例子这些反应装置的每一种都含有某种惰性培养基，用以支助微菌的生长生物薄膜构成该系统的一相，而含有底物成分的流体则为另一相微生物与液相之间存在一定的内界面底物必须跨过被用在生物膜中的内界面而移动为了确保底物的质量流入微生物膜内，在此膜与大量的液体之间必须具有底物梯度川在多相发酵仓里，不能忽视物料传送极限，为了说明这个问题，并描述多相系统的动力学过程，己运用了多种方法其中或许最主要的是把该过程说成是同时发城市生活垃圾堆肥生产过程控制技术理论气方 gV 逻生了生化反应扩散假定一个单独细胞的动力学受直接包围着该细胞的环境而不受大量液相的外表情况所控制穿过液膜界面扩散的底物分子为膜内微菌所利用从而建立了底物梯度，以使底物进一步扩散进入膜内在平衡状态下，穿过界面的移动率等于通过该细菌膜的底物利用率。

对于膜内微菌动力学可以 Monod 模式(如 下方程)，利用包围每个细胞的底物浓度来说明X- 微 菌 浓 度 ( 质 量/体积);k 厂最大有效系数 ，在高浓度营养物中最大的物料消耗率(物质质量/微生物一天质量 ) ;Ky 半速系数 ， 也 称为 Michaelis-Menten 系数(质量/体积);s 一 限 制 底 物 的 浓度 (质量/体积)若已知底物浓度与进入生物膜的深度的关系，就能确定在液膜界面位置的梯度然后运用分子扩散的 Fick 定律，可确定穿过界面的底物通量Fick 定律阐述可溶性底物 aF/ at 在传递方向上通过表面面积 A，达到该物料浓度梯度的质量传递率式中 aFl at 一底物的质量传递率(质量/时间);A 一 表 面 积 ( 长度的二次方);Dr 生 物 膜 扩 散 系 数(长度的二次方/时间):as / az 一 垂直于表面层方向的底物梯度，质量/(容积为 了开 发 底物浓度与进入生物膜深度关系的表达式，可建立底物在单位横截面积与厚度 d，增量(容积)方面的物料平衡应用于此单体的物料平衡关系是；根据 dz 的物料平衡，给出的稳态方程式为：没有出现物料穿过膜介质界面的传递。

因此，一膜界面处的底物浓度一定等于液相里的浓度 S,为:在此界面的 dSf/ d z 一定是零·在 A因此，这个问题的边界条件(QC) fit方程是二级非线性常微分方程照该式来解是没有确定解的，但我们可以得到一个近似值方程明确了同时进行生化反应的扩散过程膜内微菌的质量浓度X 可以测量出来若是均相时，k 和 K，为同一系数，并可通过不同的实验程序或根据己发表的文献数值加以确定因此，出现在方程(3.3)中的各项可以充分合理地求出该模式己应用于厌氧过滤装置和淹没式过滤装置尽 管附 着 生长的多相系统没有直接应用于堆肥化工艺，然而这种做法提供了示例，可以把质量转移与化学或生化反应动力学联系起来必须首先以经得起数学运算检验的概念模式把这种关系予以肯定对多相系统的这种介绍在对同样复杂而尚未十分明确的堆肥化过程应该是有用的二 降解过程关键控制因子的求解模型能量(温度)变化能量即温度变化方程式对于描述堆肥系统非常重要，温度的变化与时间有关，以天为单位可表达成:d(T)/dt=(产生的能量一散失的能量 ) /热容量也可更清楚地表达成:式中AH -:底物反应的降解热(kJ/kgBVS); h, : 水蒸发的热量(kJ/kgH20) ,T,:反应器温度;T_:周围环境(入口)温度;A:边 i 的面积;U;:边 1 的热传递系数:C,:液态水的比热(kJ/kg0C); W: 反应器中水的质量密度(kg/m');CAI,:活性干膨胀物质的比热; BVS:挥发性固体物质的密度;C,v,：非挥发性固体的比热;Cond: 单位时间通过反应器壁传导所散失的热量(k1/h/m');M,:经传导散失到反应器周围所有热量的总值(kJ/'C X m')NVS:反应器中非挥发性固体的密度;三 被控参数的选择被控量的选择是控制系统方案设计中必须首先解决的重要内容，它的选择对稳定生产，提高产品产量和质量，节料节能，改善劳动条件，以及保护环境等都具有决定性意义。

被控量的选择方法有两种：一种是选择直接参数，另一种是选择间接参数能直接地反映生产过程产品的产量和质量安全生产经济运行环境保护等具有决定性作用，并且可直接测量的工艺参数作为被控量当选直接参数作为被控粮油困难时，可选那些能够间接的反映质量指标的参数如温度流量液位压力湿度等参数作为被控量在选择间接参数作为被控量时，应考虑以下原则：（1） 间接参数英语直接参数有某种单值的函数关系（2） 必须考虑工艺生产的合理性（3） 必须有足够的灵敏度且可测量（4） 必须具有被控量间的独立在堆肥过程中，随着物料中微生物活动的加剧，微生物分解有机物所释放出的热量大于堆肥的热耗时，堆肥温度就上升因此，温升是微生物活动剧。