城市生活垃圾堆肥过程控制技术的现状和发展

3.3堆肥过程控制技术的应用水平
近年来，国外在堆肥过程的模拟和自动控制方面进行了许多研究开发工作。德国环保电子技术公司开发的COMPO2matic垃圾堆肥发酵系统，垃圾的有氧发酵过程由计算机控制。该系统包括垃圾堆放平台、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。中控系统控制着一个网状连接的传感系统和若干个氧气和温度传感器插入探头。在发酵过程中，系统将对肥堆中的氧气和温度进行在线测量，并将测到的数据通过总线系统传输给中心控制器。中心控制器对数据进行分析，在计算机屏幕上显示数据，并存储数据。根据生物的氧气需求量，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Natur Tech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25t/a，原料含水率可达60%，垃圾停留时间为21d。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，目前已经达到工业化应用的水平。然而，在将过程控制技术用于实际的堆肥处理系统时，仍然存在控制参数单一、可靠模型缺乏、综合动态和实时管理功能差等问题[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50～300t/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10d。
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5d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，开发出城市污泥工业化快速堆肥及复合肥制备成套技术。该技术在原有强制通风堆肥法的基础上，对堆肥的布气、脱水、灭菌和除臭等工艺进行优化，并对氧气、温度状况进行控制。
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、劣产品的根源，导致了国内堆肥处理行业的不景气[19]。
4城市生活垃圾堆肥过程控制的发展趋势
随着工业自动化仪表与计算机技术的发展，先进过程控制技术的开发以及堆肥化生产对过程控制的要求越来越高，堆肥过程控制技术将得到快速的发展。其发展主要体现在以下几方面。
4.1堆肥过程动态模拟模型的不断完善
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，从而将生产装置推向更接近其约束边界条件下运行，最终达到增强装置运行的稳定性和安全性、保证产品质量的均匀性、提高目标产品收率、增加装置处理量和降低运行成本等目的[20]。