【摘要】：在污泥处置工程中，采用先进的自动监测和过程控制技术对堆肥过程进行实时在线监测和控制，保证堆体维持适宜的氧气浓度和最佳的温度条件，提高微生物活性和有机物料的腐熟速度，防止恶臭气体的产生，同时提高发酵处理工艺的可靠性和无害化效率。
【关键词】：工艺方案监测和控制软件功能信号采集
目前国家政策大力支持建设城市污水处理设施，以保护水环境防止水污染，促进国民经济和环境保护可持续发展。城市污水污染问题得到逐步缓解，但却由此产生了大量的污水污泥，这些污泥如果处置不当则会引起严重的二次污染，因此污泥的无害化处理又成为另一个亟需解决的问题。但在污泥的处理和处置过程中，因为污泥的成分复杂，稍有疏忽，堆肥过程就会出现很多问题。因此通过采用自动控制技术，对堆肥物料的温度、氧气等参数进行自动监测和控制，实现过程控制的智能化，用以提高污泥处理和处置的技术水平和效率显得尤为重要。
一、污泥处置的工艺方案
根据城市污水污泥的组成及性状特点，结合污泥处置方式的要求，采用好氧堆肥工艺不仅投资低，运行成本也低，在处理过程中能充分利用生物能来降低污泥的含水率，减少设备，节约能耗，同时该工艺能充分供给污泥好氧发酵必需的氧分，使污泥中难降解的有机物得到熟化，而且发酵后的成品堆肥还可以应用于土壤改良、防护林建设、花卉苗木培育、城市园林绿化等方面，具有良好的经济效益和社会效益。
好氧堆肥工艺采用基于过程自动监控的静态堆肥与动态堆肥相结合的先进组合工艺，对堆肥过程进行实时在线自动监测和控制，保证堆肥的成功率和稳定性。在一次发酵过程中，利用有机物料降解的产热作用使堆体的温度迅速升高，在高温阶段可以加速微生物对有机质的降解效果，同时也可以达到蒸发脱水、杀灭病原菌等无害化处理的效果。通过对堆肥物料温度和氧气的自动监测和控制，可以保证堆体维持适宜的氧气浓度和最佳的温度条件，提高微生物活性和有机物料的腐熟速度，防止恶臭气体的产生，有效杀灭污泥中的病原菌和杂草种子等，达到良好的污泥快速脱水、减量和无害化处理效果。在二次发酵过程中，翻抛可以对堆肥物料起到搅拌、混匀及破碎作用。通过二次发酵既可以克服一次发酵中个别地方存在发酵不均匀的问题，又可以使堆肥的物料进一步腐熟和稳定化。此外，翻抛过程中还可以补充少量氧气。
二、堆肥过程的充氧方式与控制
堆肥物料的充氧方式有两种：风机鼓风曝气充氧和翻抛充氧。风机鼓风曝气充氧是利用设在堆肥物料下部的风管不断地向堆肥物料传输空气，达到充氧的目的；翻抛充氧是利用翻抛机作业使物料与空气进行短期接触，从而补充部分氧气。
在一次发酵（主发酵阶段）采用风机鼓风曝气充氧。鼓风曝气充氧的时间长，而且充氧时间比较灵活，可以根据需要随时进行充氧，尤其是采用自动监控系统进行氧气的监测和充氧，则可以根据堆体的氧气消耗情况随时进行曝气充氧，保证堆体氧气的充足供应，从而防止堆体出现厌氧发臭的可能性，保证产区的环境卫生。但是，如果曝气过量或连续曝气，不仅会因通气过多而导致堆体中大量热量的损失，导致堆体温度下降，同时也会增加能耗。因此，通风时间既要适时，通风量也必须合适，不能太大或太少。
二次发酵过程则采用翻抛充氧。翻抛充氧是利用物料被翻抛的刹那间与空气的接触而实现充氧，其充氧时间短，而且翻抛充气最多每天只能做一次，在堆肥过程中的大部分时间中都存在严重的氧气供应不足问题。由于在堆肥的快速发酵阶段中，氧气消耗非常快，有时在半小时即可以使堆体的氧气浓度下降到产生硫化氢等臭气的氧气临界值(7%~8%)。因此，堆肥过程中仅依靠翻抛进行充氧，则不可避免地会导致大部分时间存在厌氧问题，从而导致恶臭和蚊蝇的环境卫生问题。
三、堆肥过程的温度监测和控制
堆体温度是好氧高温堆肥的一项重要指标。它关系到堆肥过程中的发酵速度、稳定化效果、脱水效率、灭菌和生物灭活等无害化程度。在高温阶段，堆体中的嗜高温微生物可以大量繁殖，嗜高温微生物的生物降解效率比其他微生物高，高温不仅有利于加速堆肥过程，而且有利于灭菌和杀灭杂草种子，因此是堆肥无害化处理中最关键的阶段。但是，如果堆体温度太高，则会导致所有微生物都被杀灭或者休眠，从而降低堆肥过程的发酵效率，对堆肥过程反而产生不利影响。因此须对堆肥的温度进行监测和控制，使之达到最理想的温度条件，以最大限度地促进堆体中有益微生物的大量繁殖和迅速生长。
四、自动监测和控制系统
自动监测和控制系统硬件设备包括温度、氧气信号和环境温湿度、硫化氢、氨气等监测传感器、信号调理采集模块、工业级控制平台、操作台等，系统软件包括堆肥过程的数据实时在线采集、数据存储备份以及根据专家系统实时调控堆肥过程。具有数据实时采集、实时报警(监测设备异常、堆肥升温速率过缓、阀门开启异常、通讯故障等)、耗氧速率计算、参数调整、数据查询、物料批次数据库管理等功能，并可实时显示各发酵仓运行状态、温度、氧气及产区环境(硫化氢、氨气、温湿度)。
自动监测和控制系统为现场实时测控系统与远程监控系统，它对测量数据的处理是以模拟量采集为基础，通过软件实现的。同大多数计算机化监控系统一样，主体部分传感器�现场采集模块及工业电脑�远程监控中心等部分组成。
所有采集器的通讯方式主要以485总线或工业以太网为主，数据吞吐率高，可靠性强，数据可以直接进入Internet，实现远程访问。布线方式简单，供电采用标准工业用电24V和12V。
控制原理图如下：
五、系统软件及主要功能
系统软件是数据采集与过程控制的专用软件，同时集分步式、Modbus协议、TCP 协议等多种功能为一体。系统软件是在自动控制系统监控层一级开发的软件，提供良好的人机界面，其预置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O产品，与工控计算机和网络系统结合，可向控制层，无线层和管理层提供软，硬件的全部接口，进行系统集成。
1．功能多样
系统软件模式灵活，能满足用户所需的测控要求。能对测控信息的历史记录进行存储，显示，计算，分析，打印，界面操作灵活方便，具有双重安全体系，数据处理安全可靠。
2．丰富的画面显示功能
系统软件提供趋势图，历史曲线，组数据分析图等；提供友好的图形化用户界面。画面丰富多彩，为设备的正常运行，操作人员的集中监控提供了极大的方便。具有强大的通信功能和良好的开放性，系统软件向下可以与数据采集硬件通信；向上通过TCP/IP无线与高层管理网互联。
3．多任务的软件运行环境，数据库管理及资源共享
系统软件基于Windows系统，充分利用面向对象的技术和ActiveX动态连接库技术，极大地丰富了控制系统的显示画面和编程环境，从而方便灵活地实现多任务操作。
系统软件除可根据各氧气、温度模块的信号进行汇总、运算，根据运算结果对鼓风机、阀门等外部设备发出指令，完成堆肥系统的自动控制外；还具有以下功能：
对H2S、NH3在线监测装置收集的信号进行分析，判断车间环境状态，完成危险情况下的报警
显示各设备的运行状态，完成设备故障提示
对所收集的氧气数据(如耗氧速率)进行运算
对所收集的温度数据(如升温速率)进行运算
数据库查询功能，可查询不同时刻的运行数据，并可通过报表形式储存、打印
六、模拟量信号采集模块
I/O数据采集采用485总线或以太网总线采集方式，具有智能实时控制和分布监控控制功能，模块设计具有扩展性，对现场多种仪器仪表，传感器进行采集和控制。
多功能I/O独立配置：每个模拟量通道可由软件独立配置为电压或电流模式，模拟输入通道支持16位从+/-150mV到+/-10V不同的信号类型，而每个模拟量输入通道支持0-20mA或4-20mA输出，精度为12 bit.
每个数字输入可被独立配置为DI或计数器模式，而每个数字输出可被独立配置为DO或脉冲输出模式。
采集信号包括为温度、氧气、温湿度、氨气、硫化氢等。下图为采集模块基本原理图。
七、结束语
城市污水污泥的处理和处置过程非常复杂，对过程控制的自动化程度要求也很高，本文结合作者刚刚完成的某污泥处置工程对其进行了简单的介绍和分析，希望能给设计行业的同仁带来一点提示和启发。