城市生活垃圾堆肥过程控制技术的现状和发展

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
1引言
堆肥技术作为一种既古老又不断发展的垃圾处理技术，始于18世纪20年代的印度，但科学地研究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、C/N比、通气量等）的变化很难得到控制[2]，堆肥处理过程基本采用手动控制，堆肥质量和效率比较低下。
从20世纪80～90年代开始，多变量预测控制等先进控制方法的应用，使控制达到了新的水平，在实现优质、高产、低消耗的控制目标方面前进了一大步。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。
2堆肥处理过程控制的特点
一个优良的堆肥系统生产出来的最终产物不仅应该可靠、稳定，而且应是消除了恶臭、无害的堆肥产品[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。

图1堆肥过程控制基本流程
堆肥化过程实际上就是微生物的发酵降解过程[2]，要实现高效的动态过程控制的前提是，对该过程有准确的了解和描述。固体废弃物在堆肥过程中的状态一般用腐熟度来表示。当前普遍运用的检测堆肥腐熟度的指标包括：温度、C/N比、灰分、腐殖酸、富里酸和非腐质成分等。不同堆肥阶段，固体废弃物的腐熟度不一样，相应各项指标的值也不一样。这些值的大小取决于上一阶段的腐熟度以及微生物的活性状态。即堆肥系统在某一时间阶段的反应结果也就是下一时间阶段的初始状态。所以控制作用应该基于当前系统状态（上一反应阶段的输出）而动态确定，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、C/N比、腐殖酸等，这些指标可表示为X=（x1，x2，...，xn），其中n是腐熟度指标总数。假定影响固体废弃物降解过程的控制因子为U=（u1，u2，...，um），其中m为控制因子总数。在特定的微生物菌群下，通过实验，改变不同的控制因子组合，观察同一腐熟状态的固体废弃物在某一时间段内的降解情况，以及相应的生物化学机制、生物降解动力学、传质过程机制。这样，便可建立如下关系模型：XT=f（X0，U，T），其中XT为T时间段后的堆肥质量或腐熟度，X0为固体废弃物的初始状态[5]。在不同的生物菌群状态下，降解机制不同，相应的动态模型也不一样。而对于不同的固体废弃物来源，因其组成特征不同，会需要不同的微生物菌群。所以，针对不同菌群建立相应的模型，最终建成模型数据库，同时也为后续工作即设计最优的控制方案提供基础。
3城市生活垃圾堆肥过程控制的现状
3.1堆肥过程动态模型的开发
动态模型可用来模拟堆肥过程中的生物化学反应变化情况，从而为过程的优化控制提供依据。这类模型主要基于堆肥过程中的物料平衡或能量平衡关系，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什么影响等[6]。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、优化和危险评价的方法研究，建立了固体废物堆肥处理过程的生物反应动力学模型及优化控制模型。Seki[8]对间歇式堆肥处理过程建立了基于F-P方程的随机模拟模型。Kim等[9]对混合污泥的好氧堆肥处理开展了模拟并进行了风险评价。Ndegwa等[10]开发了一个粪肥堆肥处理过程的动态模拟模型。Guerra-Rodriguez等[11]对树叶堆肥反应过程中的生物及物理化学参数的变化进行了动力学研究。Lasaridi等[12]研究了城市生活垃圾堆肥过程中微生物的降解动态模型[12]。
3.2腐熟度的检测与评价技术
堆肥腐熟度检测与评价技术是实现系统过程控制的关键技术之一。要使垃圾堆肥系统实现真正的自动化控制必须拥有一套准确、快速、低成本的腐熟度检测系统。Klamer等[13]研究了用磷脂酸含量测定微生物种群结构的方法，从而根据微生物种群结构来确定腐熟度。Benitez等[14]研究了酶活性作为检测污泥堆肥产品腐熟度指标的可行性[8]。另外，生物活性酶在电极上的应用，使对腐熟度及堆肥微环境的在线监控变为可能。如Uni switch公司开发的酶电极可用来检测葡萄糖和乳酸盐的浓度[15]。目前国内普遍运用传统的指标（温度、C/N比、腐殖酸等）来检测腐熟度。在新型腐熟度指标开发如酶传感器检测腐熟度方面国内尚未出现专利报道。