一種家用小型太陽(yáng)能堆肥箱的設(shè)計(jì)

余培斌 陳建新 李彥武

(1. 江南大學(xué)工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122；2. 江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù) 國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122；3. 江南大學(xué)生物工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

廚余垃圾是指在日常的食品加工、食用過(guò)程中產(chǎn)生的一種有機(jī)垃圾。由于其含有大量的水分和豐富的有機(jī)質(zhì)，若自然存放，很容易腐敗變質(zhì)、污染環(huán)境。而通過(guò)技術(shù)手段將其轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料、飼料、燃料等，對(duì)于環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[1]。不同國(guó)家對(duì)廚余垃圾處理的政策導(dǎo)向及技術(shù)方法雖各有不同，但總體上都是支持廚余垃圾朝著減量化、資源化、無(wú)害化方向發(fā)展[2]。目前國(guó)內(nèi)外廚余垃圾的處理方式主要有焚燒、填埋、粉碎直排、堆肥、制作飼料、厭氧產(chǎn)氣發(fā)電等。相比以上處理方式而言，運(yùn)用高溫好氧堆肥的處理工藝，將廚余垃圾轉(zhuǎn)化為能被植物所吸收利用的有機(jī)肥料，讓居民施放于自家庭院的植物地里，十分適用于家庭廚余垃圾的處理[3]。該處理方式發(fā)達(dá)國(guó)家起步較早，技術(shù)相對(duì)先進(jìn)。在美國(guó)，早在20世紀(jì)40年代就已經(jīng)成功研制出了家用型食物垃圾處理機(jī)，現(xiàn)如今這種機(jī)器在美國(guó)的普及率已經(jīng)達(dá)到90%[4]。在歐洲，一些發(fā)達(dá)國(guó)家早在90年代就采用特殊顏色的收集裝置對(duì)廚余垃圾進(jìn)行分類(lèi)收集，從而將廚余垃圾在源頭與其它垃圾分離，這就為堆肥處理提供了有利條件[5]。根據(jù)堆肥反應(yīng)器系統(tǒng)的不同通風(fēng)方式、有無(wú)攪拌裝置和外形等特點(diǎn)，將其分為被動(dòng)通風(fēng)反應(yīng)器系統(tǒng)、強(qiáng)制通風(fēng)無(wú)攪拌反應(yīng)器系統(tǒng)、強(qiáng)制通風(fēng)有攪拌反應(yīng)器系統(tǒng)和滾筒反應(yīng)器系統(tǒng)。Rosimara等[6]研究了使用兼性堆肥箱處理走私煙草、廚余垃圾與木屑混合堆肥過(guò)程，認(rèn)為兼性堆肥箱是處理走私煙草和廚余垃圾的有效方法。郭祥珍等[7]設(shè)計(jì)了一款強(qiáng)制通風(fēng)有攪拌的堆肥箱，堆肥箱由氣缸、攪拌器、動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)裝置組成。反應(yīng)器的攪拌軸是中空的，攪拌葉片下有24個(gè)孔，攪拌器的設(shè)計(jì)兼顧攪拌和通風(fēng)功能，應(yīng)用于餐廚垃圾堆肥取得了較好的效果。Bri?ki等[8]利用高溫密閉柱式堆肥箱處理水果蔬菜等廚余垃圾。14 d后80.9%的原始底物已被生物降解。Tronina等[9]設(shè)計(jì)了一款滾筒式餐廚垃圾堆肥箱，以肉類(lèi)、乳制品、牛糞為原料獲得了滿足植物生長(zhǎng)的有機(jī)肥產(chǎn)品。

中國(guó)的廚余垃圾處理才剛剛起步，目前的處理方法主要有填埋處理(82.4%)、焚燒處理(12.9%)和堆肥處理(4.7%)[10]。雖然目前中國(guó)市場(chǎng)引進(jìn)了較多的國(guó)外家用廚余垃圾堆肥箱，但在實(shí)際使用過(guò)程中仍然存在保溫性能差、物料難以混勻、臭味明顯、排液效果差等諸多問(wèn)題。針對(duì)這一系列問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了一種家用小型太陽(yáng)能堆肥箱，并對(duì)其空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。該裝置包括太陽(yáng)能集熱板、太陽(yáng)能電池板、智能控制系統(tǒng)、通風(fēng)管、瀝水篩網(wǎng)、投料口等多個(gè)模塊，箱體主體材料為聚乙烯塑料，箱體有效容積為200 L。該新型堆肥箱非常適用于高溫好氧堆肥，為以后全自動(dòng)堆肥設(shè)備的研制提供了新思路。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 廚余垃圾堆肥工藝

堆肥是利用自然界存在的細(xì)菌、真菌、放線菌等微生物分解有機(jī)質(zhì)而制成有機(jī)肥料的過(guò)程。隨著多年來(lái)堆肥技術(shù)的不斷進(jìn)步，廚余垃圾用于堆肥的研究不斷增多，其中廚余垃圾高溫好氧堆肥處理技術(shù)以其減量快、運(yùn)行費(fèi)用低、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛青睞[11]。其主要工藝包括前處理、主發(fā)酵、后發(fā)酵和后處理等，見(jiàn)圖1。堆肥設(shè)備主要在主發(fā)酵和后發(fā)酵階段發(fā)揮重要作用。堆肥過(guò)程中，主發(fā)酵和后發(fā)酵是在同一個(gè)艙室中完成的，區(qū)別只是發(fā)酵程度進(jìn)行的不同層面而已，當(dāng)肥堆在其表面進(jìn)行主發(fā)酵的同時(shí)，其深層后發(fā)酵也在持續(xù)。

圖1 堆肥工藝流程Figure 1 Composting process flow chart

廚余垃圾堆肥的前處理階段主要包括分選、破碎、配料和混合等，主要目的是為肥堆中微生物的生長(zhǎng)提供合適的環(huán)境。由于中國(guó)廚余垃圾中油、鹽、水等含量普遍過(guò)高，因此在堆肥前，需要進(jìn)行預(yù)處理。添加輔料等不但可以有效改變含水率和比重，而且還具有調(diào)節(jié)C/N比，改善肥堆通風(fēng)等優(yōu)點(diǎn)。

主發(fā)酵是指發(fā)酵初期，微生物分解易降解有機(jī)物，產(chǎn)生二氧化碳和水的過(guò)程，這一階段大量產(chǎn)熱，肥堆溫度急劇上升。該階段嗜溫微生物異?；钴S，發(fā)揮重要作用，隨著溫度的持續(xù)上升，嗜溫微生物逐漸被嗜熱微生物取代，同時(shí)各種蟲(chóng)卵及病原菌也在該階段被殺死。主發(fā)酵一般進(jìn)行4～12 d。

后發(fā)酵是指將經(jīng)過(guò)主發(fā)酵的半成品繼續(xù)腐熟，緩慢降解剩余較難分解的有機(jī)質(zhì)的過(guò)程。后發(fā)酵的時(shí)間長(zhǎng)短直接影響堆肥的使用環(huán)境，例如，要給一直未耕種過(guò)的土地施肥，一般可以不進(jìn)行后發(fā)酵處理直接使用，但是對(duì)于種有作物的土地施肥，則需要后發(fā)酵20～30 d，等有機(jī)肥完全腐熟才合適。

后處理是將經(jīng)過(guò)后發(fā)酵的肥料根據(jù)需要破碎制成有機(jī)肥產(chǎn)品，同時(shí)對(duì)產(chǎn)生的臭氣進(jìn)行除臭處理的過(guò)程。

1.2 堆肥箱總體布置方案

家用小型太陽(yáng)能堆肥箱的系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括2個(gè)部分：一是箱體(即反應(yīng)器)的設(shè)計(jì)，該箱體具備控溫、通風(fēng)、尾氣收集、瀝水等功能；二是太陽(yáng)能集能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括太陽(yáng)能水箱和太陽(yáng)能光伏發(fā)電兩方面。

堆肥箱為塑料材質(zhì)，分為內(nèi)箱和保溫層。箱體外設(shè)計(jì)有控制箱，控制箱內(nèi)安裝有智能控制系統(tǒng)和蓄電池，蓄電池通過(guò)箱體上端的太陽(yáng)能電池板進(jìn)行充電蓄能，作為整個(gè)控制箱電能的來(lái)源。堆肥箱內(nèi)部安裝的溫度傳感器與智能控制系統(tǒng)相連，堆肥箱側(cè)邊安裝有水箱，由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)對(duì)箱體中水進(jìn)行加熱。內(nèi)部通風(fēng)套管連接2支進(jìn)風(fēng)管，一支直接與外界相連，一支在水箱中盤(pán)管2.5圈后與外界相連，2根進(jìn)風(fēng)管路進(jìn)口端分別連接2臺(tái)微型風(fēng)機(jī)。內(nèi)箱體下端設(shè)計(jì)有瀝水篩網(wǎng)和滲瀝液排放口，上端除設(shè)計(jì)有投料口外，還有尾氣排放口和排放管路，可連接到尾氣處理裝置。

堆肥箱總體圖見(jiàn)圖2。堆肥箱具體操作方法為：將堆肥箱放在庭院內(nèi)陽(yáng)光充足處，通過(guò)太陽(yáng)能電池板為蓄電池充電備用，將家庭廚余垃圾預(yù)處理后通過(guò)投料口投入箱體中，堆肥自發(fā)進(jìn)行，并在控制箱內(nèi)設(shè)定主發(fā)酵溫度及時(shí)間。主發(fā)酵階段：肥堆溫度上升，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，智能控制系統(tǒng)啟動(dòng)冷風(fēng)機(jī)，向堆肥箱內(nèi)吹入冷風(fēng)，當(dāng)肥堆溫度降到設(shè)定值時(shí)，風(fēng)機(jī)自動(dòng)關(guān)閉。隨著有機(jī)物不斷分解，肥堆自身產(chǎn)熱能力降低，不足以保持較高溫度時(shí)，智能控制系統(tǒng)啟動(dòng)熱風(fēng)機(jī)，向肥堆內(nèi)部吹入熱風(fēng)，以保持肥堆溫度。堆肥進(jìn)行一段時(shí)間后，根據(jù)需要從出肥口挖出堆肥箱底部已經(jīng)腐熟的有機(jī)肥，中部及上部繼續(xù)堆肥，家庭每天產(chǎn)生的廚余垃圾由投料口投入，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)堆肥過(guò)程的循環(huán)。

2 主要系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

家用堆肥箱為庭院使用產(chǎn)品，在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮在庭院中的美觀，又要滿足其基本功能。重點(diǎn)考察以下因素：

1. 太陽(yáng)能電池板 2. 投料口 3. 尾氣排放口 4. 密封墊片 5. 冷凝水收集槽 6. 水箱 7. 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng) 8. 內(nèi)部通風(fēng)管 9. 瀝水篩網(wǎng) 10. 廢液排放口 11. 出肥口 12. 配電箱 13. 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)伸縮桿 14. 進(jìn)風(fēng)口

圖2 堆肥箱總體圖

Figure 2 Composting box overall map

(1) 結(jié)構(gòu)緊湊美觀，重量合理，便于移動(dòng)。

(2) 堆肥箱保溫效果好，投料取料方便。

(3) 具有尾氣處理裝置，對(duì)環(huán)境影響小，節(jié)能環(huán)保。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，將堆肥箱總體分為箱體設(shè)計(jì)、投料口設(shè)計(jì)、通風(fēng)設(shè)計(jì)、瀝水篩網(wǎng)設(shè)計(jì)和尾氣處理設(shè)計(jì)等。

2.1 堆肥箱箱體設(shè)計(jì)

箱體內(nèi)箱體積：參照室外常用垃圾箱尺寸及一個(gè)堆肥周期內(nèi)家庭產(chǎn)生的廚余垃圾量，設(shè)計(jì)為200 L。

箱體內(nèi)箱形狀：溫度控制對(duì)于堆肥系統(tǒng)的影響巨大，因此必須做好堆肥箱的保溫，盡可能地減少箱體的自身散熱。Petiot等[12]研究發(fā)現(xiàn)保溫效果與反應(yīng)器的外形有著直接的關(guān)系，反應(yīng)器表面積和體積之比越小保溫效果就越好。在同等體積下，圓柱形有較小的表面積與體積比，其表面散熱相對(duì)較少，因此選擇圓柱形作為堆肥箱的內(nèi)箱形狀，理論上來(lái)說(shuō)可以更好地防止散熱，有益于保溫。內(nèi)箱選用體積200 L的圓柱體，所以內(nèi)徑r滿足：

πr2×h=200÷90%×103。

當(dāng)選取h=100 cm 時(shí)可計(jì)算出r=26.5 cm。

箱體外結(jié)構(gòu)：考慮到將在箱體外部的一面嵌入太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，因此外部設(shè)計(jì)成立方體，并對(duì)安裝有太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)端面進(jìn)行傾斜，傾斜方式按照?qǐng)D3(b)設(shè)置，傾斜面下端與箱體之間連接伸縮桿，根據(jù)不同地區(qū)陽(yáng)光照射角度不同可以調(diào)節(jié)傾斜角度β。這種設(shè)計(jì)可以增加箱體的穩(wěn)定性，而且能夠讓太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)充分采集陽(yáng)光。

圖3 堆肥箱箱體結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of compost box structure

2.2 堆肥箱投料口設(shè)計(jì)

現(xiàn)有市場(chǎng)上銷(xiāo)售的家用小型堆肥箱與室外垃圾箱相似，多采用翻蓋式投料口，翻蓋式投料雖然開(kāi)口面積大，方便了投料操作，但在翻蓋投料過(guò)程中熱量散失也較多。取2臺(tái)市場(chǎng)銷(xiāo)售的某品牌家用小型堆肥箱測(cè)試開(kāi)蓋投料前后箱體內(nèi)溫度變化情況，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，普通堆肥箱在加料過(guò)程中開(kāi)蓋面積直接影響10 min內(nèi)溫度的變化，即開(kāi)蓋面積越大，降溫幅度越大，整個(gè)系統(tǒng)熱量散失越多，箱體需要維持溫度所需要的外加能量越多，因此有必要對(duì)投料口進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，但同時(shí)還要遵循方便投料的原則。具體設(shè)計(jì)如圖4所示，原投料口增加密封條堆肥過(guò)程中處于常閉狀態(tài)，維修及清理堆肥箱內(nèi)箱時(shí)可開(kāi)啟。在其頂端側(cè)面新增投料口，以每次可投加5 kg物料為原則并盡可能縮小投料口面積，以便減緩箱體內(nèi)外空氣的對(duì)流換熱，防止熱量在加料環(huán)節(jié)散失過(guò)多。

表1 全開(kāi)及半開(kāi)對(duì)堆肥箱溫度影響Table 1 Effect of full opening and half open on composting box temperature

圖4 設(shè)計(jì)前后堆肥箱投料口簡(jiǎn)圖

Figure 4 A brief drawing of the feeding port of the compost box before and after the design

改進(jìn)后的投料口為側(cè)邊開(kāi)口，避免了冷熱空氣的直接對(duì)流傳熱，考慮到新投料口的保溫問(wèn)題，因此如圖4中投料口剖面圖所示，在新投料口上安裝可上下滑動(dòng)的蓋板，平時(shí)關(guān)閉，投料時(shí)滑動(dòng)打開(kāi)。參照Q/HMJ 0403001—2001《塑料制品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)投料口尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即選擇開(kāi)口為150 mm×250 mm。

2.3 堆肥箱通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

家用堆肥箱采用的堆肥技術(shù)為高溫好氧堆肥，堆肥過(guò)程中隨著微生物的生長(zhǎng)繁殖，需要補(bǔ)充大量新鮮空氣，通過(guò)自然通風(fēng)難以達(dá)到好氧堆肥工藝的要求[13]，因此堆肥箱內(nèi)箱設(shè)計(jì)為強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括內(nèi)部套管式散風(fēng)管路、冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)管路和熱風(fēng)進(jìn)風(fēng)管路，進(jìn)風(fēng)口處安裝小型風(fēng)機(jī)，由控制箱智能控制系統(tǒng)控制開(kāi)關(guān)，蓄電池提供電力。內(nèi)部套管式散風(fēng)管路進(jìn)氣結(jié)構(gòu)采用2圈開(kāi)孔環(huán)，通過(guò)風(fēng)機(jī)導(dǎo)入的新鮮空氣會(huì)經(jīng)過(guò)該出風(fēng)口均勻分散到堆體內(nèi)部，消除堆肥過(guò)程中供氧不足的問(wèn)題，且出風(fēng)口開(kāi)在管路下部，投入濕物料時(shí)不易堵塞風(fēng)口，結(jié)構(gòu)如圖5所示。散風(fēng)管路分別連接冷熱風(fēng)進(jìn)風(fēng)管，進(jìn)風(fēng)管進(jìn)風(fēng)口處安裝風(fēng)機(jī)，當(dāng)堆體自身產(chǎn)熱能夠滿足堆肥溫度需求時(shí)，智能控制開(kāi)啟冷風(fēng)機(jī)，主要為堆體提供新鮮空氣，堆肥后期，堆體內(nèi)有機(jī)質(zhì)利用完全，微生物代謝產(chǎn)熱較少時(shí)，智能控制系統(tǒng)開(kāi)啟熱風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)引入的新鮮空氣通過(guò)水箱中的盤(pán)管時(shí)被加熱，隨后分散進(jìn)入堆體，起加熱堆體作用。

圖5 通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(單位為mm)Figure 5 Structure diagram of ventilation system

2.4 堆肥箱瀝水篩網(wǎng)設(shè)計(jì)

堆肥箱在堆肥過(guò)程中，隨著有機(jī)物的分解，會(huì)產(chǎn)生大量滲瀝液。目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的堆肥箱大多數(shù)沒(méi)有設(shè)計(jì)安裝瀝水篩網(wǎng)，滲瀝液無(wú)法及時(shí)排出，匯集在堆肥箱底部，影響了堆體氧氣含量，堆體內(nèi)微生物生長(zhǎng)緩慢，易產(chǎn)生惡臭。取進(jìn)口某著名堆肥箱產(chǎn)品，堆肥一段時(shí)間后，可明顯發(fā)現(xiàn)底部匯集大量滲瀝液，部分已經(jīng)從出肥口流出，且肥堆內(nèi)存在大量未被利用的有機(jī)物。

本研究設(shè)計(jì)的家用堆肥箱瀝水篩網(wǎng)以及出肥口進(jìn)行了如圖6所示的幾個(gè)改進(jìn)，升高出肥口位置，增加了10 mm高的下底盤(pán)，雖舍棄了一部分堆肥空間，但可以防止?jié)B瀝液從出肥口流出。瀝水篩網(wǎng)采用斜面篩網(wǎng)，在滿足結(jié)實(shí)的條件下盡可能地增加篩網(wǎng)的網(wǎng)孔，利用正三角形排布篩孔，孔間距為孔徑的5倍，孔徑為8 mm。在瀝水篩網(wǎng)較高一側(cè)安裝滲瀝液排出管路，堆肥過(guò)程中可以及時(shí)排掉滲瀝液。

2.5 堆肥箱控制電路設(shè)計(jì)

堆肥箱控制箱中安裝有蓄電池、控制器、接觸器、空開(kāi)、智能控制器等，因此需要對(duì)電路進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。該電路由太陽(yáng)能電池、控制器、蓄電池、時(shí)間繼電器、智能顯示調(diào)節(jié)儀、接觸器，以及風(fēng)機(jī)組成。如圖7所示，在電路中使用了小功率控制器，以防止對(duì)蓄電池過(guò)分充放電，保證整個(gè)電路系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，控制器可以單獨(dú)使用也可和逆變器等一起使用。開(kāi)關(guān)1、2為充放電控制開(kāi)關(guān)。閉合開(kāi)關(guān)1時(shí)，太陽(yáng)能電板通過(guò)控制器給蓄電池充電，充電完成后開(kāi)關(guān)1被切斷，需要充電時(shí)，保護(hù)模式解除，自動(dòng)恢復(fù)對(duì)蓄電池的充電。開(kāi)關(guān)2閉合，蓄電池向風(fēng)機(jī)供電，蓄電池放電到一定程度，開(kāi)關(guān)2被切斷，如此，控制器就可以很好地保護(hù)整個(gè)電路系統(tǒng)。

圖6 堆肥箱瀝水篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖(單位為mm)Figure 6 Structural drawing of sieve screen for composting tank leachate

圖7 堆肥箱電路圖Figure 7 Circuit diagram of composting box

本設(shè)計(jì)中，由智能控制系統(tǒng)和時(shí)間繼電器控制通風(fēng)，當(dāng)傳感器測(cè)量的堆肥箱內(nèi)肥堆溫度過(guò)低時(shí)，電路中熱風(fēng)機(jī)接觸器閉合，堆肥箱內(nèi)堆體被熱風(fēng)加熱。過(guò)高時(shí)，電路中冷風(fēng)機(jī)接觸器閉合，新鮮空氣被引入同時(shí)堆體溫度降低。根據(jù)不同環(huán)境條件，可以通過(guò)電路中的時(shí)間繼電器控制通風(fēng)時(shí)間。

2.6 尾氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

堆肥箱在堆肥過(guò)程中，廚余垃圾中的有機(jī)成分如蛋白質(zhì)等，在好氧微生物的作用下會(huì)產(chǎn)生有刺激性氣味的氣體NH3，在厭氧微生物作用下會(huì)分解為不徹底的氧化產(chǎn)物如含硫的化合物 H2S、SO2等和含氮的化合物如胺類(lèi)、酞胺類(lèi)[14]。這些氣體臭味明顯，會(huì)影響庭院環(huán)境。

氣體常用的除臭方法主要分為物理吸附和化學(xué)吸收，其中化學(xué)吸收主要是利用化學(xué)試劑和臭味物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生不溶物來(lái)達(dá)到除臭效果?？紤]到吸收試劑本身價(jià)格較高且更換過(guò)程繁雜，所以本研究設(shè)計(jì)的家用堆肥箱使用物理吸附的方法進(jìn)行除臭，活性炭吸附是最常用的手段。為堆肥箱設(shè)計(jì)一只裝滿活性炭顆粒的除臭箱，作為輔助設(shè)備，根據(jù)堆肥過(guò)程中的實(shí)際情況選擇性使用，使用時(shí)將堆肥箱排氣管路插入除臭箱即可。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖8所示。

圖8 除臭箱簡(jiǎn)圖Figure 8 Schematic diagram of deodorization box

2.7 運(yùn)行投入及使用維護(hù)

堆肥過(guò)程中的能量衡算：能量衡算主要是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的能量進(jìn)行衡算，計(jì)算出保持系統(tǒng)正常運(yùn)行所需要的能量輸入，繼而對(duì)配套設(shè)備進(jìn)行合理選型。

如圖9所示為堆肥過(guò)程中的能量輸出、輸入簡(jiǎn)圖。在計(jì)算過(guò)程中本著輸入能量選最低，輸出能量選最高的原則，將衡算時(shí)間選擇在冬季這個(gè)能耗較多且產(chǎn)能較少的季節(jié)。在堆肥箱的使用中，采用先加入近1/2的原料，使箱體的溫度自發(fā)上升到所需溫度，然后每天持續(xù)投料，模擬整個(gè)堆肥過(guò)程，選取7 d作為能量衡算的一個(gè)周期。

圖9 堆肥中的能量輸出、輸入過(guò)程Figure 9 Energy output and input process during composting

維持堆體高溫好氧堆肥的總條件是：W1+W2+W3≥W4+W5+W6+W7。

由于系統(tǒng)中能量并不能全部互相轉(zhuǎn)換，因此電能需滿足的條件是：W2≥W6+W7，熱能需滿足：W1+W3≥W4+W5。

進(jìn)行熱力學(xué)分析，計(jì)算過(guò)程參考文獻(xiàn)[15～17]得出：W1=5.43×107J，W4=5.29×107J，W5=4.52×106J。計(jì)算出W1-(W4+W5)≥0 已經(jīng)滿足，表明在初始加料7 d之內(nèi)系統(tǒng)熱量可以滿足自給自足，即系統(tǒng)可以保持溫度的暫時(shí)穩(wěn)定。然而當(dāng)只考慮原料產(chǎn)熱為后續(xù)每天投加3 kg的廚余垃圾的話。W1=7.76×106J，(W4+W5)/ 7=7.83×106J散熱已經(jīng)大于原料產(chǎn)熱，需要補(bǔ)充其它能量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱量補(bǔ)償，設(shè)計(jì)中采用了太陽(yáng)能光電和光熱轉(zhuǎn)化，用光熱轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的熱能來(lái)彌補(bǔ)此處可能存在的能量缺口。基于此原則，選取：通風(fēng)泵(深圳市精塑光科技有限公司，4A12C25R37型)、智能控制器(浙江聯(lián)泰儀表有限公司，CHINLT-6000型)、繼電器(樂(lè)清市揚(yáng)豐儀表有限公司，DH48S-S型)、太陽(yáng)能電池板(光耀太陽(yáng)能科技有限公司，ZJP-50wp型)。

運(yùn)行投入：太陽(yáng)能堆肥箱箱體設(shè)計(jì)材質(zhì)為PE+PU。保溫層填充聚氨酯硬泡沫塑料，設(shè)計(jì)使用壽命10～15年，太陽(yáng)能電池板使用壽命15～20年，電子元器件使用壽命5～8年，如使用過(guò)程中損壞，需及時(shí)更換。蓄電池使用壽命3～5年，建議每3年更換一次。

使用及維護(hù)：第一次投料時(shí)，需要先添加填料，根據(jù)廚余垃圾的濕度，填料添加量為垃圾的1/3～1/2，堆肥過(guò)程中需要特別注意，冬季使用時(shí)，不能停止加料和出肥，這樣才能保證堆肥箱中微生物的活力。堆肥期間需要經(jīng)常檢查通風(fēng)管路是否流暢，堆肥過(guò)程中如果出現(xiàn)肥堆含水量過(guò)高，可適當(dāng)補(bǔ)加填料，以降低含水率。清潔堆肥箱時(shí)不可用水沖洗堆肥箱內(nèi)部，各種霉菌、真菌、放線菌等微生物都是堆肥箱中的分解者，不能把它們沖走。為了保持堆肥的延續(xù)性，建議一次出肥不要超過(guò)堆體體積的1/2。在正常的晴天，使用堆肥箱過(guò)程中，不需要額外提供能量，太陽(yáng)能電池板需要定期進(jìn)行清潔，以免灰塵影響光伏發(fā)電效率。持續(xù)陰雨天，水箱水溫過(guò)低時(shí)，可向水箱中加入熱水，維持堆肥箱保溫功能。同時(shí)每隔一段時(shí)間對(duì)水箱中的盤(pán)管表面污垢進(jìn)行清理，以免影響熱量傳遞。除臭箱每次添加1～2 kg活性炭吸附劑，每月更新一次，堆肥后期肥堆產(chǎn)生臭氣較少，可不使用。

3 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)將堆肥箱與太陽(yáng)能巧妙結(jié)合在一起，利用太陽(yáng)能為堆肥箱保溫、通風(fēng)，智能控制提供能量，不需要額外布置電纜線為堆肥箱供電。整個(gè)系統(tǒng)移動(dòng)搬運(yùn)方便，不受放置地點(diǎn)限制，十分適合庭院內(nèi)使用。新設(shè)計(jì)的瀝水篩網(wǎng)，可以及時(shí)排出滲瀝液，同時(shí)也增強(qiáng)了堆體通風(fēng)效果。新投料口設(shè)計(jì)雖減少了投料面積，卻增強(qiáng)了堆肥箱保溫性能，減少了能量損失。

本研究設(shè)計(jì)的家用堆肥箱是在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，一些設(shè)計(jì)參數(shù)還需要在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行優(yōu)化完善。普及推廣還需要自身的改進(jìn)和社會(huì)環(huán)境的改善，包括：堆肥箱需要新設(shè)計(jì)添加輔料、脫鹽等預(yù)處理功能。根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家的廚余垃圾處理經(jīng)驗(yàn)，要想最大程度的提高堆肥效果還需要向堆肥箱中投入優(yōu)良的堆肥復(fù)合菌劑，因此在堆肥箱優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)，還需要大力研發(fā)新的菌劑。廚余垃圾的資源化處理需要全民配合，也需要國(guó)家和地方出臺(tái)相關(guān)的政策指導(dǎo)。