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城市生活垃圾堆肥过程控制技术的现状和发展


第 5 卷第 2 期 2004年2月

环境污染治理技术与设备 Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control

Vol . 5 , No . 2 Feb . 2 0 0 4

城市生活垃圾堆肥过程控制 技术的现状和发展
罗    玮 曾

光明
( 湖南大学环境科学与工程系 , 长沙 410082)

摘    要 介绍了堆肥处理过程的特点 ,叙述了国内外城市生活垃圾过程控制技术的发展现状 ,指出了该技术今后的主 要发展方向及发展趋势 ,并讨论了垃圾堆肥过程控制面临的理论与实际问题 。 关键词   城市生活垃圾堆肥   过程控制   模型   模糊神经网络控制   控制方法

Current situation and f uture development of process control technology for municipal solid waste composting
Luo Wei   Zeng Guangming
(Department of Environmental Science and Engineering ,Hunan University , Changsha 410082)

Abstract  In this paper , the characteristics of composting treatment process are simply introduced. The develop2 ments of process control technology at home and abroad for municipal solid waste composting are presented. As well as the main developing direction ,that is the tendency ,of such technology is pointed out . Furthermore ,the theoretical and practical problems facing the process control for solid waste composting are discussed. Key words   municipal solid waste composting ; process control ; modeling ; fuzzy neural networks control ; con2 trol method

1    引 言

2  堆肥处理过程控制的特点

堆肥技术作为一种既古老又不断发展的垃圾处 一个优良的堆肥系统生产出来的最终产物不仅 理技术 ,始于 18 世纪 20 年代的印度 ,但科学地研究 应该可靠 、 稳定 , 而且应是消除了恶臭 、 无害的堆肥 堆肥工艺还是近几十年的事[1 ] 。20 世纪 50 ~ 60 年 代 ,堆肥工艺日趋成熟 ,机械化程度也日益提高 。但 由于其生物化学反应的复杂性 , 堆肥物料中有机物 的变化和堆肥工艺控制参数 ( 如含水率 、 温度 、 N C/ [2 ] 比、 通气量等) 的变化很难得到控制 , 堆肥处理过 产品 [2 ] 。堆肥产品质量的好坏关键在于堆肥过程及 被控参数 。堆肥过程控制技术的目的就是通过对堆 肥过程中的水分 、 有机物含量 、 温度以及通风供氧等 被控参数的控制 ,保证堆肥过程的顺利进行 ,提高堆 肥效率 。其基本流程如图 1 所示 。

程基本采用手动控制 , 堆肥质量和效率比较低下 。 堆肥化过程实际上就是微生物的发酵降解过 [2 ] 从 20 世纪 80 ~ 90 年代开始 , 多变量预测控制等先 程 ,要实现高效的动态过程控制的前提是 ,对该过 进控制方法的应用 ,使控制达到了新的水平 ,在实现 “ 高技术研究发展计划资助项目 ( 2001AA6442 优质 、 、 高产 低消耗的控制目标方面前进了一大步 。 基金项目 : 国家 863 ” 020) ; 国家自然科学基金资助项目 (70171055 ,50179011) ; 工业控制中出现了多学科间的相互渗透与交叉 , 人 工智能和智能控制受到人们的普遍关注 , 信号处理 技术 、 数据库 、 通讯技术以及计算机网络的发展为实 现高水平的自动控制提供了强有力的技术手段[3 ] 。 同时也扩大了堆肥过程控制技术的研究领域 。
国家杰出青年科学基金资助项目 (50225926) ; 高等学校博 士学科点专项科研基金资助项目 (20020532017) ; 2000 年 教育部高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助 项目 收稿日期 : 2003 - 03 - 26 ; 修订日期 : 2003 - 04 - 14 城市生活垃圾的综合利用方面的研究 。

作者简介 : 罗玮 (1978~) ,女 ,硕士研究生 , 主要从事环境系统工程 、

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罗  玮等 : 城市生活垃圾堆肥过程控制技术的现状和发展

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关系 ,或经验的生物降解动力学模型 。将之应用于 不同的处理流程 ,可以回答许多问题 ,如多长时间可 获得稳定的堆肥产品 、 反应时间过长或过短会产生 [6 ] 什么影响等 。一些研究人员在这方面已开展了一 些初步工作 。Huang , G. H. 等人 [7 ] 开展了固体废物 管理系统中不确定性和危险因子的研究分析 。该项 目综合应用模糊数学 、 随机数学 、 运筹学 、 计算数学 和生物学等方面的技术 ,进行综合模拟 、 优化和危险 图1  堆肥过程控制基本流程 评价的方法研究 , 建立了固体废物堆肥处理过程的 Fig. 1  General frame of composting process control 生物反应动力学模型及优化控制模型 。Seki [8 ] 对间 程有准确的了解和描述 。固体废弃物在堆肥过程中 歇式堆肥处理过程建立了基于 F2P 方程的随机模拟 [9 ] 的状态一般用腐熟度来表示 。当前普遍运用的检测 模型 。Kim 等 对混合污泥的好氧堆肥处理开展了 [10 ] 堆肥腐熟度的指标包括 : 温度 、 N 比 、 C/ 灰分 、 腐殖 模拟并进行了风险评价 。Ndegwa 等 开发了一个 酸、 富里酸和非腐质成分等 。不同堆肥阶段 ,固体废 粪肥 堆 肥 处 理 过 程 的 动 态 模 拟 模 型 。 Guerra2Ro2 [11 ] 弃物的腐熟度不一样 ,相应各项指标的值也不一样 。 driguez 等 对树叶堆肥反应过程中的生物及物理 [12 ] 这些值的大小取决于上一阶段的腐熟度以及微生物 化学参数的变化进行了动力学研究 。Lasaridi 等 的活性状态 。即堆肥系统在某一时间阶段的反应结 研究了城市生活垃圾堆肥过程中微生物的降解动态 [12 ] 果也就是下一时间阶段的初始状态 。所以控制作用 模型 。 腐熟度的检测与评价技术 应该基于当前系统状态 ( 上一反应阶段的输出) 而动 3. 2   堆肥腐熟度检测与评价技术是实现系统过程控 态确定 ,与下一反应阶段无关 ,因而底层的控制过程 属于前馈控制 [4 ] 。假定腐熟度指标为温度 、 N比 、 制的关键技术之一 。要使垃圾堆肥系统实现真正的 C/ 腐殖酸等 , 这些指标可表示为 X = ( x1 , x 2 , . . . , 群状态下 , 降解机制不同 , 相应的动态模型也不一 3. 3   堆肥过程控制技术的应用水平 样 。而对于不同的固体废弃物来源 , 因其组成特征 近年来 , 国外在堆肥过程的模拟和自动控制方 不同 ,会需要不同的微生物菌群 。所以 ,针对不同菌 面进行了许多研究开发工作 。德国环保电子技术公 群建立相应的模型 ,最终建成模型数据库 ,同时也为 司开发的 COMPO2matic 垃圾堆肥发酵系统 , 垃圾的 后续工作即设计最优的控制方案提供基础 。 有氧发酵过程由计算机控制 。该系统包括垃圾堆放 类模型主要基于堆肥过程中的物料平衡或能量平衡 系统传输给中心控制器 。中心控制器对数据进行分

自动化控制必须拥有一套准确 、 、 快速 低成本的腐熟 [13 ] 度检测系统 。Klamer 等 研究了用磷脂酸含量测 x n) , 其中 n 是腐熟度指标总数 。假定影响固体废 定微生物种群结构的方法 , 从而根据微生物种群结 弃物降解过程的控制因子为 U = ( u1 , u2 , . . . , um ) , 构来确定腐熟度 。Benitez 等 [14 ] 研究了酶活性作为 其中 m 为控制因子总数 。在特定的微生物菌群下 , 检测污泥堆肥产品腐熟度指标的可行性[8 ] 。另外 , 通过实验 ,改变不同的控制因子组合 ,观察同一腐熟 生物活性酶在电极上的应用 , 使对腐熟度及堆肥微 状态的固体废弃物在某一时间段内的降解情况 , 以 环境的在线监控变为可能 。如 Uniswitch 公司开发 及相应的生物化学机制 、 生物降解动力学 、 传质过程 的酶电极可用来检测葡萄糖和乳酸盐的浓度[15 ] 。 机制 。这样 ,便可建立如下关系模型 : X T = f ( X0 , U , 目前国内普遍运用传统的指标 ( 温度 、 N 比 、 C/ 腐殖 T) , 其中 X T 为 T 时间段后的堆肥质量或腐熟度 , 酸等) 来检测腐熟度 。在新型腐熟度指标开发如酶 [5 ] X0 为固体废弃物的初始状态 。在不同的生物菌 传感器检测腐熟度方面国内尚未出现专利报道 。

平台 、 通风系统 、 信号采集系统 、 堆肥计算机控制系 统、 筛分系统和垃圾翻堆系统等 。中控系统控制着 3. 1   堆肥过程动态模型的开发 一个网状连接的传感系统和若干个氧气和温度传感 动态模型可用来模拟堆肥过程中的生物化学反 器插入探头 。在发酵过程中 , 系统将对肥堆中的氧 应变化情况 ,从而为过程的优化控制提供依据 。这 气和温度进行在线测量 , 并将测到的数据通过总线

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析 ,在计算机屏幕上显示数据 ,并存储数据 。根据生 水 、 灭菌和除臭等工艺进行优化 , 并对氧气 、 温度状 物的氧气需求量 , 一个智能控制系统按实际运转时 间调节堆肥通风设备 。通风系统既有场地固定式 , 也有移动式的 [16 ] 。 美国 NaturTech 公司研制开发的堆肥系统包括 反应器 、 生物过滤器 、 正压空气输送系统 、 负压废气 处理系统 、 计算机过程控制器及数据记录系统 。反 应器处理容量可达 25 t/ a ,原料含水率可达 60 % ,垃 圾停留时间为 21 d 。堆肥反应器中的温度探头与过 程控制器相连接 ,当温度超过预先设定的上限值时 , 过量的空气会被输送进来以降低温度 , 空气流量可 况进行控制 。 总的来说 , 我国在垃圾堆肥处理领域的技术开 发和研究方面虽已做了一些工作 , 但都在对堆肥设 备和工艺的优化和改造方面 , 在线监测和自动化控 制的研究比较落后 ,目前多限于对氧气 、 温度等因子 的直接调节 ,缺乏动态模拟 、 优化的综合软 、 硬件控 制系统的研究 ; 同时 ,也没有腐熟度在线监测技术的 研究报道 。落后的技术现状是低效率 、 高投资 、 劣产 [19 ] 品的根源 ,导致了国内堆肥处理行业的不景气 。

通过管线中的传感器调节 [17 ] 。 堆肥技术在欧美国家起步较早 , 目前已经达到 随着工业自动化仪表与计算机技术的发展 , 先 工业化应用的水平 。然而 , 在将过程控制技术用于 进过程控制技术的开发以及堆肥化生产对过程控制 实际的堆肥处理系统时 ,仍然存在控制参数单一 、 的要求越来越高 , 堆肥过程控制技术将得到快速的 可 靠模 型 缺 乏 、 合 动 态 和 实 时 管 理 功 能 差 等 问 发展 。其发展主要体现在以下几方面 。 综 题 [18 ] ,从而使系统不能根据堆肥过程的动力学规律 实现真正的自动控制和调节 。 3. 4   国内堆肥过程控制技术的应用现状 20 世纪 90 年代 , 我国开始重点研究和推广堆 肥技术 。为提高堆肥处理的效率和产品质量 , 很多 研究者在优化处理过程工艺 、 提高自动化水平方面 开展了研发工作 。 北京东方同华公司开发了一种垃圾动态堆肥工 艺 ,其主要设备为发酵滚筒 ( 又称 DANO 筒 ) 。滚筒 具有良好的混合和搅拌功能 , 不仅能有效控制发酵 参数使之呈最佳状态 , 而且可缩短一次发酵周期 。 该公司还开发了处理 50 — 300 t/ d 垃圾的系列化静 态好氧发酵制肥工艺 。为克服自然通风静态堆肥堆 体内经常出现的供氧不足的缺点 , 在料堆底部沿着 长度方向设置通风管或通风槽 , 由高压离心风机根 据堆体的发酵状况强制通风 。通过控制鼓风量 , 能 对堆体的需氧量和含水量进行一定程度的控制 。此 强制通风静态堆肥法的发酵周期比自然通风静态堆 肥法明显缩短 ,一次发酵的时间可缩短至 10 d 。 同济大学开发的间歇式动态好氧堆肥处理技 术 ,是在筒仓式堆肥技术的基础上发展起来的 。该 技术对发酵反应器与操作方法进行优化设计 , 采用 分层出料法来优化发酵条件 。这样 , 垃圾经 5 d 堆 肥发酵后 ,可达到初步熟化及无害化的指标 。中国 科学院地理研究所在 “九五” 期间 , 开发出城市污泥
4. 1   堆肥过程动态模拟模型的不断完善

4  城市生活垃圾堆肥过程控制的发展趋势

现代工业过程的先进控制 、 参数的软测量 、 过程 优化 、 调度与管理等 ,它们都是以模型为基础的 。因 此 ,综合地考虑影响堆肥处理的各种因素及其相互 之间的关系 ,建立准确可靠的过程反应动力学方程 与实时控制模型是堆肥过程控制得以实现的核心和 关键 。由于垃圾堆肥过程的机理非常复杂 , 影响因 素多而且又都是相互关联的 , 它的动力学研究包括 能量守衡方程 、 物料平衡方程 、 微生物动力学方程 、 水量平衡方程和气体平衡方程等诸多方面[13 ] 。只 考虑单因素或双因素的 、 孤立的反应过程模型已不 能适应现代堆肥过程控制提出的要求 。因此 , 以堆 肥动力学为基础 , 开发有效的多因素综合动力学方 程已成为这一研究领域今后的发展趋势 。它能有效 地考虑过程控制中各种因素的影响 , 使得堆肥反应 过程的模型更为成熟有效 , 同时也为控制模型的建 立打下坚实可靠的基础 。 4. 2   由简单控制向先进控制发展 由于在工业生产过程中 , 特别是连续工业生产 过程往往伴随着物理化学反应 、 生化反应 、 相变过程 及物质和能量的转移和传递 , 因而是一个十分复杂 的工业大系统 。系统本身存在的复杂性 、 不确定性 和非线性因素导致使用传统的控制策略很难奏效 。 而先进控制则可以改善过程动态控制的性能 、 减少 过程变量的波动幅度 ,使之能更接近其优化目标值 ,

工业化快速堆肥及复合肥制备成套技术 。该技术在 从而将生产装置推向更接近其约束边界条件下运 原有强制通风堆肥法的基础上 , 对堆肥的布气 、 行 ,最终达到增强装置运行的稳定性和安全性 、 脱 保证

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产品质量的均匀性 、 提高目标产品收率 、 增加装置处 用处于兴旺时期 ,许多仿真研究和应用实例表明 ,智 理量和降低运行成本等目的[20 ] 。 通常堆肥处理过程大多采用手动控制和自动反 馈控制这 2 种控制方法 。手动控制要求操作人员不 断监视堆肥过程并作出判断以调整氧气输送和反应 温度 ,这种方法效果差 。自动反馈控制是通过由计 算机控制的传感器监测堆肥过程 , 并把反应参数调 整到设定值 ,即 PID 控制方法 。以上这 2 种方法在 控制领域中属于传统控制策略 。常规的 PID 控制模 型的建立涉及复杂的动力学原理 , 往往很难构建一 个完善的降解模型对堆肥过程进行比较准确的模 拟 。随着计算机科学与模拟技术的不断发展 , 出现 了一些新的控制方法 。人工智能控制技术越来越多 地涉及和应用到工业生产和垃圾处理等领域中 , 象 模糊神经网络控制 ( FNNC) [21 ] 。FNNC 是模糊推理 与人工神经网络相结合而出现的一种新型控制技 术 ,是用人工神经网络的形式实现模糊推理与控制 过程 。它既具有人工神经网络的学习能力 , 又具有 模糊控制的自然语言处理能力 , 可以方便地将人的 操作经验作为控制规则加入控制器[22 ] 。采用 FNNC 系统进行代替模型控制系统可以避免较为复杂的过 能控制在解决复杂系统控制时极有潜力 ,但是 ,智能 控制理论体系还未建立 , 智能控制系统的分析和设 计缺乏理论上的指导 , 对它的应用研究正在进行而 并未真正进入实用阶段 。 5. 3   测量技术 由于堆肥过程中的控制因子 ,如温度 、 值 、 pH 碳 氮比和耗氧率等过程变量 , 在现有的技术条件下难 以直接测量或不易快速在线测量 , 只能通过控制其 他可测变量 ,间接地保证质量要求 。当今 ,为实现直 接质量控制要求 , 出现了一种采用离线或在线实验 数据建立模型 ,揭示这些变量与操作参数之间关系 的软测量方法 。它的实质是建立被测量参数与影响 该参数的其他操作参数之间的数学模型 。软测量技 术涉及到操作变量和测量点的选择 、 数据处理 、 软测 量模型的建立 、 在线校正等 [24 ] 。
5. 4   综合软 、 硬件控制系统的设计开发

相关硬件监控系统在其他生产工业特别是相近 的化学工业领域中已经得到应用 ,完全可以借鉴 ,在 技术上不会有较多难点 。而软件技术包括开发动态 模拟模型库 、 优化控制方案数据库 、 模型控制器及人

程动力学原理 ,而且结果建立在实验与历史数据上 。 工智能控制系统 , 如何用这些算法解决实际堆肥过 在数据具有一定规模的前提下 , 可以准确有效地实 程的控制是一件很艰苦的工作 。同时 , 也需要大量 现控制过程 。 商品化的软件应用在过程控制中 , 对它们进行不太 复杂的组态和设置就能完成特定的过程或设备的建 5  面临的问题 模、 、 控制 优化和管理 。目前先进控制技术主要掌握 城市生活垃圾堆肥过程控制技术是一项复杂的 系统工程 。它在过程建模 、 控制方法 、 测量技术 、 优 化的综合软 、 硬件控制系统的设计开发等方面还存 在一些问题 。 5. 1   过程建模 由于堆肥过程内在机理非常复杂 , 还难以完全 从机理上揭示其内在规律 。堆肥过程受到耗氧率 、 碳氮比 、 、 、 值 、 温度 湿度 pH 挥发固体含量 、 堆料的密 度、 孔隙率和自由空域等诸因素的影响 ,所涉及的学 科相当广泛 ,以物理 、 、 化学 微生物 、 热力学和动力学 在为数不多的国外公司手中 , 著名的先进控制软件 包主要有美 Setpoint 公司 SMCA ( Setpoint2Multivariable Control Architecture ) DynamicMatrix2Control 公 司 的 DMC 。而国内进行这方面研究的清华大学 、 中国科 学技术大学 、 浙江大学和东北大学等单位取得了显

著的应用和开发成果 ,也开发了一些软件 ,取得了一 些效果 ,但多数没有工程化 , 设计难以采用 , 推广也 困难 。一些大型企业的应用软件多数从国外购买 。 我国城市垃圾堆肥还没有工业化 、 市场化 ,其应用软 件尚没有构成商业化的系统产品 , 而相关通用软件

等为理论基础 [23 ] ,其中的各种变化过程和反应过程 的购置价格较高 [25 ] 。因此 ,在这方面有大量的研发 存在严重的非线性 、 不确定性 、 参数分布性和时变 工作需要完成 。 性 ,这些特点给建模带来了困难 。 6  结束语 5. 2   控制方法 基于人工智能技术的先进控制由于模型复杂、 用堆肥法处理城市生活垃圾不但可以变废为宝 , 运行工况变动较大 , 目前控制参数的调整在很大程 还能节约垃圾填埋所占土地 ,并减轻垃圾焚烧对大气 度上依赖于人的经验 。当前 , 智能控制的研究和应 的污染 ,它在安全和经济方面明显优于其他方法而成

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为目前最有发展潜力的垃圾处理技术[26 ] 。近年来 ,

Compost Science and Utilization ,2000 ,8 (3) :190~202 [11 ] Guerra2Rodriguez ,E. ,M. Vazquez , M. Diaz2Ravina. Dynam2 dicators of the stabilization of sewage sludges composting with Eisenia locatada. Bioresource Technology , 1999 , 67 ( 3) :297

研发具有良好减量化和资源化效果的堆肥处理技术 ics of physicochemical and biological parameters during the co2 在国际上日益受到重视。而城市生活垃圾堆肥过程 composting of chestnut burr/ leaf litter with solid poultry ma2 控制技术是体现堆肥处理技术水平、 降低运行成本、 nure. Journal of the Science of Food and Agriculture ,2001 ,81 提高堆肥产品质量的重要因素。目前国内外在这方 (7) :648~659 面的研究和开发工作正处于发展当中 ,没有系统的理 [12 ] Lasaridi , K. , E. l. Stentiford. Composting of source separated
MSW : An approach to respirometric techniques and biodegra2 论作指导 ,也没有形成比较完善、 成熟的技术。作为 dation kinetics. Acta Horticulture ,2001 ,549 :81~92 一种多学科交叉渗透的研究领域 ,城市生活垃圾堆肥 [13 ] K lamer ,M. , E. Baath. Microbial community dynamics during 过程控制完全可以借鉴已发展比较成熟的其他工业 composting of straw material studied using phospholipid fatty 过程的自动化控制技术 ,例如生产过程比较类似的石 acid analysis. FEMS Microbiol. Ecol. ,1998 ,27 :9~21 油化工行业 ,在它的基础上进行开发研究可以获得宝 [14 ] Bebitez ,E. ,R. Nogales , B. Ceccanti. Enzyme activities as in2

贵的经验和启发性思维。随着其他相关学科的发展 , 堆肥技术水平和要求的不断提高 ,我们有理由相信在 不久的将来 ,城市生活垃圾堆肥过程控制技术将具有 极大的发展潜力和非常广阔的应用前景。 参考文献

~310

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