一種農(nóng)村戶用型旋轉(zhuǎn)自攪拌堆肥箱的研制

龍翰威 劉飛 王冰 鄭吉澍 李萍 任桂英

摘要?隨著人居環(huán)境整治的不斷深入，廣大農(nóng)村地區(qū)環(huán)境面貌得到了明顯改善，但日常生活垃圾處理仍普遍采用簡單堆放的處理方式?；诖?，研制了一種農(nóng)村戶用型旋轉(zhuǎn)式自攪拌、自保溫、自通風補氧的堆肥箱，以滿足廣大農(nóng)村地區(qū)單個家庭堆肥需要。該堆肥箱可以提高堆肥效率，改善人居環(huán)境，并為后續(xù)產(chǎn)品的研發(fā)提供技術(shù)指導與借鑒。

關(guān)鍵詞?戶用型，堆肥箱，旋轉(zhuǎn)，自攪拌

中圖分類號?S22文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）06-0191-03

Abstract?With the deepening of the renovation of human settlements environment， the environment in the vast rural areas has been significantly improved， but simple stacking is still widely used in daily life garbage disposal. Based on this， a rotary composting bin with selfmixing， selfinsulation and selfventilation for household use in rural areas was developed，in order to meet the needs of individual household composting in rural areas. The composting bin could improve the composting efficiency， improve human settlements， and provide technical guidance and reference for subsequent product development.

Key words?Household type，Composting bin，Rotating，Selfstirring

隨著城市化進程的不斷加快，生活垃圾也日益增多，據(jù)資料顯示生活垃圾中生物質(zhì)垃圾比例為50%～60%，具有含水率高、有機質(zhì)含量高和易腐爛降解等特性[1] ，這些垃圾將給原本脆弱的農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴重的災難。常見的垃圾處理技術(shù)有焚燒、衛(wèi)生填埋、好氧堆肥及厭氧發(fā)酵[2]。農(nóng)村餐廚垃圾以及庭院落葉、動物排泄物均屬于生物質(zhì)垃圾，目前大多采用露天堆放發(fā)酵的方式進行堆肥處理，這種傳統(tǒng)的發(fā)酵方式在日曬雨淋和自然風力作用下將導致其生物肥料中的有效成分大量流失，與此同時，發(fā)酵過程中產(chǎn)生的惡臭對居住環(huán)境也會帶來非常嚴重的影響。市面上常見的堆肥裝置大多采用靜置式密閉塑料桶結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)未對廢棄物進行均勻攪拌、未保證應有發(fā)酵溫度，從而導致廢棄物發(fā)酵程度不均，同時由于密閉處理將導致廢棄物進行厭氧發(fā)酵而非好氧反應，從而產(chǎn)生有機酸和氮氧化物等惡臭氣體。電機帶動攪拌雖然以實現(xiàn)了攪拌功能[3]，但箱體材料成本也會因此大幅增加，同時還需要為該堆肥箱牽線供電，并不適合在農(nóng)村大面積推廣使用。堆肥箱的堆肥過程是一個高溫好氧過程，微生物不斷生長繁殖[4]，采用加熱裝置和小型風機可以實現(xiàn)高溫和空氣流通，但對整機結(jié)構(gòu)也提出了新的要求[5]。筆者研制的一款堆肥箱能夠輕松實現(xiàn)攪拌兼顧保溫與通風，能夠產(chǎn)出合格的有機肥，是踐行我國“一控、兩減、三基本”目標，治理農(nóng)村污染的有效解決方案，可以發(fā)揮治污染減化肥的積極推動作用。

1?總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.1?總體結(jié)構(gòu)

堆肥箱由內(nèi)筒、保溫棉、外筒、保溫棉端蓋、內(nèi)、外筒端蓋、軸、軸承座（帶軸承）、機架止動銷等組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。其中，內(nèi)筒的里層焊接有8塊長80 mm、寬50 mm、厚2 mm的不銹鋼片，鋼片在內(nèi)筒里螺旋排列。內(nèi)筒的端蓋與保溫筒端蓋、外筒端蓋處均分別設(shè)有16個直徑5 mm的通風孔。單個內(nèi)筒的體積為56 L，兩筒并排串聯(lián)在軸上，都可獨立繞軸自由轉(zhuǎn)動，每個外筒上設(shè)置有3個把手，兩筒之間設(shè)有長度30 mm的間隔套。

1.2?工作原理?堆肥箱工作時鎖緊萬向輪，使整個堆肥箱處于水平穩(wěn)定狀態(tài)。通過手動轉(zhuǎn)動把手，在筒體轉(zhuǎn)動過程中，內(nèi)筒里的混合物在8塊不銹鋼薄鋼片的作用下相互切削、攪拌，由此大塊的混合物被切削、撞擊，最終被切碎、切斷從而實現(xiàn)生物質(zhì)物料細碎化和均勻混合。為保證筒體內(nèi)的混合物能被充分發(fā)酵，每間隔1～2 d對外筒進行一輪充分的物料翻轉(zhuǎn)。由于軸上設(shè)置有2個筒體，可一筒完成填裝后，再對另一筒進行填裝，2個筒體分批次交替使用，以保障筒內(nèi)的物料實現(xiàn)充分發(fā)酵。堆肥箱總質(zhì)量≤260 kg，機架底部安裝有萬向輪，便于轉(zhuǎn)運，適宜移動使用。

2?主要零部件的設(shè)計

2.1?內(nèi)筒的設(shè)計

由于盛裝的混合物含有水分和油污，發(fā)酵過程中還可能產(chǎn)生酸性物質(zhì)，所以內(nèi)筒采用SUS304不銹鋼材料制作而成。304不銹鋼可以耐800 ℃左右的高溫，且具有良好的加工性能好，廣泛使用于工業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域。該內(nèi)筒直徑400 mm，長460 mm，筒壁開有260 mm×260 mm的方孔用于盛裝和排出廢物。在內(nèi)筒的內(nèi)部均布焊接8塊厚1 mm、長5 mm的不銹鋼片，以保證筒體在旋轉(zhuǎn)過程中不銹鋼片可以對堆肥箱內(nèi)的混合物進行有效切削，從而實現(xiàn)對混合區(qū)的物料均勻混合。在筒體的底部布置滲濾液溢出孔，以安裝滲濾液調(diào)控閥門。堆肥箱內(nèi)筒結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2?保溫筒的設(shè)計

研究發(fā)現(xiàn)，在自由發(fā)酵過程中保持適當?shù)臏囟瓤梢蕴岣哳w粒態(tài)有機物水解速率。針對農(nóng)村餐廚廢棄物的性狀，研究采用珍珠棉進行筒壁貼體包裹。珍珠棉（EPE）是一種近些年發(fā)展起來的新型環(huán)保的包裝材料，具有隔水防潮、抗震、隔音、保溫等優(yōu)點，被廣泛用作保溫包裝材料[6]。保溫筒直徑400 mm，長460 mm ，在端蓋出均布有16個直徑5 mm的圓孔，方便空氣在可控條件下進入筒內(nèi)，以實現(xiàn)好氧發(fā)酵的順利進行。

2.3?機架與軸的設(shè)計

機架是支撐整個堆肥箱的關(guān)鍵部件，同時由于堆肥箱在堆肥過程中，需要外部力量驅(qū)動以旋轉(zhuǎn)堆肥箱，所以要求整個機架具有足夠的剛性，保證設(shè)備受力時仍保持平穩(wěn)狀態(tài)。機架采用30 mm×30 mm×2.5 mm的304不銹鋼方管彎制而成。由于機架滿載負荷為120 kg，為確保機架擁有足夠的剛性，分別機架的底部和背后焊接3根加強筋以確保整機的穩(wěn)定性。堆肥箱機架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在機架的兩端安裝軸承座，堆肥箱的主軸采用45鋼制作而成，主軸長1 230 mm，直徑30 mm，主軸貫穿2個內(nèi)筒和間隔套與軸承連接在一起。45鋼是一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，與普通A3鋼相比具有更高的強度，抗變形能力。內(nèi)筒與主軸連接處打上密封膠，以避免滲濾液隨著內(nèi)筒的轉(zhuǎn)動而失控流出筒體，從而導致環(huán)境污染。

2.4?端蓋的設(shè)計?為保證整個堆肥箱能充分進行有氧發(fā)酵，分別在內(nèi)筒、外筒、保溫筒的端蓋上均布設(shè)16個直徑5 mm的圓形通風孔，并保證3個部件上所有的端蓋孔能夠很好地對應重合，串成通孔后實現(xiàn)筒內(nèi)外氣體交換以補充氧氣。內(nèi)端蓋與內(nèi)筒體通過焊接進行連接，保溫筒夾在外端蓋與內(nèi)端蓋之間，并填充緊密。外端蓋與筒體采用密封膠連接。堆肥箱端蓋結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3?試驗結(jié)果與分析

設(shè)計完成后，通過試制樣機并對樣機進行堆肥試驗。此次試驗選用豬糞與食堂餐廚垃圾的混合物料進行試驗，并將此次設(shè)計的旋轉(zhuǎn)式自攪拌堆肥箱與普通靜置式堆肥箱盛裝物料進行對照試驗。連續(xù)5 d向2種堆肥箱投入等批量的有機廢棄物混合原料，10 d后觀察堆肥箱內(nèi)物料的性狀變化情況。堆肥箱實物圖如圖5所示，試驗結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，采用旋轉(zhuǎn)式自攪拌堆肥箱可以有效切碎廢棄物中的大規(guī)格物質(zhì)，并能有效減少混合物的含水量，有機物料大部分完成切碎和降解，混合物在氧氣的作用下進行有氧發(fā)酵，因此無明顯刺激性氣味。

堆肥箱的堆肥效果是評價堆肥箱堆肥性能好壞的重要指標。將餐廚垃圾、畜禽糞便進行無害化、資源化處理后為植物提供源源不斷的有機肥[7]，這也是綠色農(nóng)業(yè)一直提倡和引導的處理方式。為評價旋轉(zhuǎn)式堆肥箱堆肥后的腐熟度，開展種子發(fā)芽試驗。目前種子發(fā)芽試驗被認為是評價堆腐產(chǎn)品無害腐熟最具說服力的方法。種子發(fā)芽指數(shù)綜合反映了堆肥的植物毒性，被認為是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度評價指標[8-9]。

該試驗用堆肥浸出液進行種子發(fā)芽試驗。同時，為保證試驗的科學性，選取蒸餾水進行參照試驗。通過試驗測出種子發(fā)芽率指數(shù)，如表2所示。

從表2可以看出，使用堆肥箱堆肥的種子發(fā)芽指數(shù)高于傳統(tǒng)堆肥，說明其腐熟度更高，堆肥效果更好。

4?結(jié)論與討論

該試驗結(jié)果表明，通過設(shè)置雙筒結(jié)構(gòu)的農(nóng)村戶用型旋轉(zhuǎn)式自攪拌、自保溫、自通風補氧堆肥箱，實現(xiàn)了對不同種類和性狀的有機廢棄物進行分散處理，不僅提高了處理的效率，而且實現(xiàn)了單個堆肥載體內(nèi)發(fā)酵進程的相互獨立、批次處理，內(nèi)筒設(shè)置的不銹鋼片可以對大規(guī)格狀的混合物進行有效切碎和攪拌，輔之保溫筒的接入，從而確保堆肥發(fā)酵的熟化程度和均勻性，端蓋設(shè)置的通風孔確保了廢棄物發(fā)酵過程中的氧氣供給，減少厭氧發(fā)酵的發(fā)生，從而明顯減少惡臭的產(chǎn)生，滲濾液孔及其閥門和引流管還能夠有效分離和導流發(fā)酵過程中產(chǎn)生的滲濾液，避免滲濾液無序流動而導致的環(huán)境污染。

現(xiàn)場的堆肥試驗表明，適當?shù)难鯕夤怯欣诙逊实母?，基于此在后續(xù)同類產(chǎn)品的研發(fā)過程中應該設(shè)計更加優(yōu)異的通風裝置，以提高堆肥腐熟程度。同時，還應考慮向堆肥中添加菌劑來縮短堆肥腐熟進程，并有效殺滅病原體。

該新型堆肥箱提供了農(nóng)村有機廢棄物的資源化轉(zhuǎn)化利用的新方案，實現(xiàn)了有機肥自制自用，從而減少化肥施用，特別是對改善鄉(xiāng)村人居環(huán)境起到了積極的推動作用，同時也為后續(xù)產(chǎn)品研發(fā)提供技術(shù)借鑒。

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