基于太陽(yáng)能的旋轉(zhuǎn)式庭院廢棄物堆肥裝置的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

李鈺 鄧月華 方利國(guó)

摘 ?????要： 針對(duì)庭院廢棄物量大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于太陽(yáng)能的旋轉(zhuǎn)式庭院廢棄物堆肥裝置。主要從堆肥條件調(diào)節(jié)等方面優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用裝置進(jìn)行好氧堆肥實(shí)驗(yàn)，分析過(guò)程的影響因素等。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)37 d的堆肥化處理，堆肥產(chǎn)品腐熟，符合無(wú)害化處理要求，對(duì)植物生長(zhǎng)基本無(wú)毒性。

關(guān) ?鍵 ?詞：堆肥反應(yīng)器設(shè)計(jì);太陽(yáng)能利用;好氧堆肥;資源化利用

中圖分類號(hào)：X705 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）03-0546-04

Abstract： ?A rotary-type garden waste composting device based on solar energy was designed for the disposal of yard waste. The composting device was mainly optimized from the aspects of composting condition adjustment. An aerobic compost experiment was conducted to comprehensively analyze influence conditions. According to the result， after 37 days of aerobic composting， the compost product matured with no toxicity to plant growth， which met the requirement of harmless treatment.

Key words： Compost reactor design; Solar energy utilization; Aerobic composting; Resource utilization

隨著生活水平的提高，庭院種植日趨流行，花草在美化環(huán)境的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生枯枝落葉等廢棄物。庭院廢棄物中有機(jī)質(zhì)含量高，堆肥作為處理垃圾并維持物質(zhì)循環(huán)的技術(shù)方法，逐漸受到認(rèn)可和應(yīng)用[1]。

目前研究廢棄物處理問(wèn)題主要為工業(yè)設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，不適合庭院使用，庭院堆肥裝置普及程度較低。本文設(shè)計(jì)了一款家用庭院廢棄物堆肥裝置，并進(jìn)行好氧堆肥實(shí)驗(yàn)。

好氧堆肥過(guò)程是指好氧微生物降解有機(jī)物，同時(shí)高溫殺滅病原菌，實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理[2]。好氧堆肥過(guò)程可分為中溫階段、高溫階段以及降溫階段。

1 ?堆肥反應(yīng)器設(shè)計(jì)及堆肥過(guò)程研究

1.1 ?實(shí)驗(yàn)材料

堆肥原料為華南理工大學(xué)校園內(nèi)枯枝落葉等。所用檸檬酸購(gòu)自牡丹江市豐達(dá)化工進(jìn)出口有限責(zé)任公司，供試種子購(gòu)自張家港市常豐種子有限公司。

1.2 ?實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

1.2.1 ?堆肥裝置設(shè)計(jì)

基于太陽(yáng)能的旋轉(zhuǎn)式庭院廢棄物堆肥裝置（如圖1）由支承系統(tǒng)、雨水收集系統(tǒng)、堆肥系統(tǒng)和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)4個(gè)部分組成。

1.2.2 ?堆肥裝置的尺寸及容積確定

徐智[3]等研究得出在不采用外加熱裝置僅依賴保溫材料的情況下，堆肥反應(yīng)裝置的有效推薦容積應(yīng)該在30 L以上。Petiot[4]等發(fā)現(xiàn)反應(yīng)裝置表面積與體積比值越小，保溫效果越好。本文采用的堆肥箱是基于實(shí)驗(yàn)室和庭院落葉堆肥，故不設(shè)置外加熱裝置，通過(guò)雙層殼及中間保溫層隔熱，單個(gè)堆肥室的有效高度為0.2 m。

1.2.3 ?堆肥裝置的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

（1） 堆肥箱外層結(jié)構(gòu)及保溫裝置

堆肥箱主體采用正六棱柱外形，堆肥箱所需要的實(shí)際容積約為166 L。雙層殼體采用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、保溫效果好等的鋼材，殼層間填充4 cm的隔熱材料。

（2） 左右堆肥室的獨(dú)立堆肥和混合

堆肥箱左、右兩分室中間設(shè)置可部分拆卸隔板，能完成不同堆肥物料的獨(dú)立進(jìn)行和混合，實(shí)現(xiàn)不同種物料發(fā)酵互不干擾以及不同發(fā)酵階段的物料混合，從而調(diào)節(jié)碳氮比，適用于多種堆肥工作環(huán)境。

（3） 物料攪拌

堆肥裝置為旋轉(zhuǎn)式堆肥箱，通過(guò)箱體的旋轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)堆肥物料的攪拌混合，使物料混合均勻。

（4）堆肥過(guò)程參數(shù)的測(cè)定

左右分室的固定攪拌軸各獨(dú)立設(shè)置一組傳感器，可分別實(shí)時(shí)測(cè)定兩個(gè)堆肥室溫度、濕度和氧氣濃度等堆肥過(guò)程狀態(tài)參數(shù)。

（5）裝置供水及供電

雨水收集系統(tǒng)通過(guò)可拆卸槽式雨水收集器收集并儲(chǔ)存雨水，簡(jiǎn)單凈化后為堆肥裝置供水。此外，堆肥箱設(shè)置太陽(yáng)能板與蓄電池。

1.3 ?庭院廢棄物堆肥化處理流程

（1）預(yù)處理

主發(fā)酵前，對(duì)枯枝落葉進(jìn)行收集、分類、堆放。將落葉等粉碎為直徑0.5～5 cm的顆粒。堆肥箱內(nèi)加入粉碎后的原料、約10 L墊料和4 L的水，使C/N維持在25：1～30：1，水分含量在45%～65%，按堆肥物料的1/10添加檸檬酸調(diào)節(jié)其pH為7.0左右。

（2）發(fā)酵堆置

主發(fā)酵階段：在發(fā)酵初期，微生物大量繁殖，釋放熱量，導(dǎo)致環(huán)境溫度升高至45 ℃左右。在發(fā)酵中期，在微生物活動(dòng)劇烈，不斷氧化分解有機(jī)質(zhì)作用下，堆體溫度繼續(xù)升高，可達(dá)60～70 ℃。當(dāng)環(huán)境中溫度達(dá)70 ℃時(shí)，大多數(shù)微生物會(huì)休眠或死亡。

后發(fā)酵階段：在主發(fā)酵后期，由于高溫的作用導(dǎo)致微生物的休眠或死亡，溫度開(kāi)始逐步下降。當(dāng)溫度降至適宜時(shí)，部分微生物結(jié)束休眠，繼續(xù)進(jìn)行分解活動(dòng)。但因微生物數(shù)目的降低以及物料中有機(jī)質(zhì)含量的下降，溫度變化并不十分明顯。后期，有機(jī)質(zhì)的分解基本結(jié)束，溫度基本穩(wěn)定。

（3）堆肥后加工

為滿足市場(chǎng)實(shí)際需求，發(fā)酵后期的產(chǎn)品一般需經(jīng)過(guò)后加工處理。經(jīng)堆肥化處理，堆肥產(chǎn)品已腐熟。將制得的肥料經(jīng)除臭、烘干、磨碎至粒度0.5～2.5 cm、過(guò)篩，測(cè)定全氮、C/N、pH值、EC（電導(dǎo)率）值。

1.4 ?指標(biāo)測(cè)定及方法

1.4.1 ?溫度、氧氣濃度

由固定攪拌軸內(nèi)的傳感器測(cè)定，每天記錄兩次數(shù)據(jù)，每次平行記錄多組數(shù)據(jù)，求其平均值。

1.4.2 ?C/N和全氮含量

產(chǎn)物經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干、粉碎研磨、過(guò)篩處理后用Primacs SNC-100固體/液體樣品分析儀測(cè)定總有機(jī)碳（TOC）和總元素碳（TEC），后計(jì)算C/N值。

1.4.3 ?pH值和EC值

稱產(chǎn)品10 g，按樣水質(zhì)量比1∶10混合，置于搖床震蕩30 min（振頻120 r·min-l，振幅30 mm），靜置30 min后，取上清液。用pH酸堿計(jì)測(cè)定pH值，電導(dǎo)率儀測(cè)定EC值。

1.4.4 ?毒害分析

發(fā)芽實(shí)驗(yàn)測(cè)定種子發(fā)芽指數(shù)（Germination Index，GI），堆肥產(chǎn)品處理后振蕩2 h后離心，5 mL浸提液濾液在無(wú)菌培養(yǎng)皿（24± 1）℃恒溫箱中避光培養(yǎng)48 h，計(jì)算GI。發(fā)芽指數(shù)采用Zucconi[5]計(jì)算方法，計(jì)算公式為：

2 ?堆肥反應(yīng)器設(shè)計(jì)及堆肥過(guò)程研究

2.1 ?堆肥前后溫度

由圖2可知，堆體溫度變化趨勢(shì)為先上升再下降，最終穩(wěn)定到室溫。堆肥化處理的升溫階段為堆肥前1～5 d，高溫階段為第6～25 d，后進(jìn)入降溫階段，最終溫度降到室溫。堆肥初期，微生物活躍，降解原料的有機(jī)物產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致溫度迅速上升，而后溫度最高達(dá)67.8 ℃。第6 d開(kāi)始進(jìn)入高溫階段，溫度在最佳溫度（55～65 ℃）上下浮動(dòng)，微生物保持較高活性，高效分解落葉[6]。隨著原料的不斷消耗，微生物減少，25 d后開(kāi)始進(jìn)入降溫階段，接近室溫，可判斷堆肥處理已達(dá)堆肥腐熟度指標(biāo)[7，8]。

2.2 ?堆肥前后氧氣濃度

氧氣濃度直接影響微生物活動(dòng)、溫度以及堆肥質(zhì)量等[9]。由圖3可知，氧氣濃度呈先下降后上升趨勢(shì)，在堆肥前5 d（升溫階段），微生物活動(dòng)強(qiáng)度和化學(xué)反應(yīng)速率低，耗氧速率低，不到1%。第6～14 d為高溫階段前半段，微生物開(kāi)始大量增殖，有機(jī)物劇烈分解，使氧氣濃度從20.7%下降到14.4%。第15 d后，即高溫階段后半段到堆肥降溫階段腐熟期，有機(jī)物逐漸減少，微生物生理活動(dòng)受到抑制，氧氣濃度從最小值漸漸上升，堆肥趨于腐熟[10]。

2.3 ?堆肥前后pH值、EC值及全氮的含量、C/N一般微生物最適宜生存的pH是中性或弱堿性（6.5～ 8.5），pH值在8.0左右能縮短堆肥達(dá)到高溫期的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中，新鮮落葉的pH為8.0，按堆肥物料的1/10添加檸檬酸使pH為7.0。堆肥結(jié)束后pH值為8.0，符合無(wú)害化處理要求，堆體已經(jīng)腐熟[8]。

EC（電導(dǎo)率）值反映基質(zhì)的浸提液中含有的可溶性鹽的濃度。在堆肥過(guò)程中，堆體產(chǎn)生大量的銨離子和礦質(zhì)鹽分已被微生物利用，使堆肥后的EC值與堆肥前相比大大下降。堆肥結(jié)束后的EC值為0.87 mS/cm，遠(yuǎn)小于4.0 mS/cm，即堆肥產(chǎn)品已腐熟。

固態(tài)C/N比是最常用的堆肥腐熟度評(píng)價(jià)方法之一。堆肥初始C/N值在20～40可進(jìn)行好氧堆肥。C/N減少到20以下或終點(diǎn)C/N與初始C/N比值小于0.6時(shí)，堆肥已經(jīng)腐熟[4]。經(jīng)過(guò)37 d的堆肥化處理，C/N值由初始的30.3下降到17.8，C/N的終值/初值為0.59，可認(rèn)為堆肥已腐熟。

氮素的變化對(duì)臭氣的釋放、養(yǎng)分的流失以及堆肥的腐熟有重要的影響[11]。微生物分解有機(jī)物質(zhì)生成的氣體和水分揮發(fā)，元素的相對(duì)含量發(fā)生濃縮效應(yīng)，使氮素的含量增加[12]。實(shí)驗(yàn)中，全氮的含量從1.160%增加到1.500%，增加了29.3%，這說(shuō)明堆肥化過(guò)程大大提高了堆肥產(chǎn)品的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)（表1）。

2.4 ?種子發(fā)芽實(shí)驗(yàn)

種子發(fā)芽試驗(yàn)[13]被認(rèn)為是檢驗(yàn)正在堆肥的有機(jī)質(zhì)腐熟度的最精確和最有效的方法之一，由于未成熟堆肥中，小分子量組分會(huì)引起植物毒性，而大分子量的組分反而會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)有刺激作用。許多植物種子在堆肥原料和未腐熟堆肥浸出液中發(fā)芽和生長(zhǎng)受到抑制，而隨著堆肥的進(jìn)行，小分子量組分逐漸被轉(zhuǎn)化或消失，抑制作用不斷減少[14]。種子發(fā)芽指數(shù)（GI）能反映生物毒性物質(zhì)的含量：數(shù)值越大，毒性物質(zhì)含量越低，堆肥腐熟度越高。理論上，GI<100%，就判斷是有植物毒性的（表2）。

在實(shí)際試驗(yàn)中，當(dāng)GI>50%時(shí)，表明這種堆肥已達(dá)到可接受的腐熟度，基本無(wú)毒，若GI>80%則表明堆肥已達(dá)到完全腐熟[15]。實(shí)驗(yàn)中，小白菜、甜心菜和油綠生菜的GI均大于80%，油綠生菜甚至達(dá)到了122.80%，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)37 d的堆肥化處理，堆肥產(chǎn)品都已達(dá)到腐熟程度。

3 ?結(jié) 論

本文對(duì)庭院廢棄物的好氧發(fā)酵反應(yīng)裝置進(jìn)行兩方面的研究：一是設(shè)計(jì)基于太陽(yáng)能的旋轉(zhuǎn)式庭院廢棄物堆肥裝置，二是利用該裝置進(jìn)行好氧堆肥實(shí)驗(yàn)。

該基于太陽(yáng)能的旋轉(zhuǎn)式庭院廢棄物堆肥裝置該設(shè)計(jì)包括支承系統(tǒng)、雨水收集系統(tǒng)、堆肥系統(tǒng)以及太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)在理論上對(duì)裝置的堆肥箱體積進(jìn)行計(jì)算。堆肥裝置可改善土壤環(huán)境，實(shí)現(xiàn)廢物利用，減少環(huán)境污染。

基于設(shè)計(jì)裝置的好氧堆肥實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

（1）在反應(yīng)過(guò)程中，堆體溫度呈先上升再下降趨勢(shì)，最終穩(wěn)定至室溫。堆肥化處理的升溫階段為堆肥前5 d;高溫階段為第6～25 d，此時(shí)最佳溫度為55～65 ℃;第26 d進(jìn)入降溫階段，最終降至室溫。

（2）在堆肥過(guò)程中，氧氣濃度呈先下降后上升趨勢(shì)。堆肥結(jié)束后，堆體的pH為8.0，符合無(wú)害化處理要求。EC值為0.87 mS/cm，遠(yuǎn)小于4.0 mS/cm，且C/N的終值/初值為0.59，均表明堆體已經(jīng)腐熟。全氮的含量從1.160%增加到1.500%，增加了29.3%，大大提高堆肥產(chǎn)品的全氮百分含量。

（3）在種子實(shí)驗(yàn)中，小白菜、甜心菜和油綠生菜的GI均大于80%，油綠生菜達(dá)122.80%，表明由設(shè)計(jì)裝置得到的堆肥產(chǎn)物對(duì)植物生長(zhǎng)基本無(wú)毒性。

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