尿液腐熟設(shè)備設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

邢東倫，黃允魁，申文龍，楊軍太，景全榮，陳月鋒，孫長(zhǎng)征，董世平

(中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100083)

0 引言

我國(guó)城市生活污水中的主要污染物來(lái)源——尿液中含有87%的氮、50%的磷和54%的鉀，按照生態(tài)環(huán)保理論，將源分離尿液回收并最終回歸到農(nóng)田是最佳途徑[1-3]。當(dāng)前，在高寒缺水農(nóng)村地區(qū)，源分離生態(tài)廁所在大力推廣，但面臨的最大困境是糞尿源分離之后，含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富的尿液還不能得到有效的貯存、處理和利用，而且在處理過(guò)程中會(huì)造成二次污染，體現(xiàn)不出糞尿源分離生態(tài)廁所的優(yōu)越性[4-7]。我國(guó)對(duì)尿液處理技術(shù)的研究較少，農(nóng)民也基本都是自然放置尿液后直接施用農(nóng)田[8]。但世界衛(wèi)生組織(WHO)報(bào)告指出，尿液在自然狀態(tài)下腐熟需180 d以上才能安全使用[9]。目前，針對(duì)尿液的處理技術(shù)有磷酸銨鎂沉淀(鳥(niǎo)糞石法)、微生物法、吸附法、離子交換法及膜分離法等，這些技術(shù)基本是對(duì)尿液凈化并對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行回收，處理工藝難度大、處理不經(jīng)濟(jì)[10-14]。因此，研究開(kāi)發(fā)源分離尿液的資源化處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)尿液快速有效的腐熟，直接利用還田,在農(nóng)村地區(qū)是最便利、最有效的方法。目前對(duì)尿液直接資源化處理應(yīng)用方面國(guó)內(nèi)研究還比較少，針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)出一套尿液腐熟設(shè)備，并進(jìn)行了腐熟試驗(yàn)，該設(shè)備殺菌快、腐熟高效，能直接生產(chǎn)液態(tài)肥進(jìn)行還田施用，打通了農(nóng)村廁所、資源化利用生態(tài)閉環(huán)，對(duì)打破源分離生態(tài)廁所推廣應(yīng)用的瓶頸，具有非常重要的意義。

1 尿液腐熟處理設(shè)備整體設(shè)計(jì)

本設(shè)備設(shè)計(jì)采用臭氧殺菌+好氧腐熟工藝路線，如圖1所示。設(shè)有臭氧發(fā)生器供應(yīng)臭氧，對(duì)尿液快速殺菌，達(dá)到安全性目的；對(duì)尿液通過(guò)空壓機(jī)供氧，好氧腐熟達(dá)到資源化目的；設(shè)有自吸泵將尿液箱中的尿液送入好氧發(fā)酵罐中；設(shè)有臭氧殺菌系統(tǒng)、腐熟系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1.臭氧發(fā)生器 2.好氧腐熟罐 3.自吸泵 4.尿液箱 5.空壓機(jī)圖1 腐熟設(shè)備整體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of urine compost equipment

1.1 臭氧殺菌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臭氧殺菌系統(tǒng)主要包括臭氧發(fā)生器、臭氧通氣管、臭氧曝氣盤(pán)及臭氧尾氣處理器等。臭氧發(fā)生器與臭氧通氣管連接處設(shè)有開(kāi)關(guān)閥門(mén)，臭氧通氣管采用不銹鋼材質(zhì)，臭氧通氣管沿著尿液腐熟罐內(nèi)壁進(jìn)入罐內(nèi)底部，在尿液發(fā)酵罐底部設(shè)有兩個(gè)臭氧曝氣盤(pán)，采用鈦合金材質(zhì)。臭氧發(fā)生器制取臭氧，臭氧通過(guò)進(jìn)氣管進(jìn)入曝氣盤(pán)，進(jìn)行臭氧曝氣殺菌，臭氧尾氣處理器與尿液腐熟罐頂部的氣體出口連接，進(jìn)行尾氣處理。

臭氧發(fā)生器如圖2所示，采用先進(jìn)的物理制氧原理，通過(guò)制氧塔的變壓吸附作用，在常溫常壓下直接將空氣中的氧和氮分離，取得高純度的氧氣；然后在常壓下使氧氣在高頻高壓電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電暈放電生成臭氧。本系統(tǒng)采用臭氧最大產(chǎn)量為20 g/h的臭氧發(fā)生器。

臭氧是無(wú)毒的安全氣體，談到它的危險(xiǎn)性主要是其強(qiáng)氧化能力。在我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18202—2000《室內(nèi)空氣中臭氧衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：室內(nèi)空氣中1 h平均臭氧容許最高濃度0.1 g/m3。臭氧尾氣處理器如圖3所示，主要是將剩余的臭氧通過(guò)高溫催化，與臭氧分解催化劑進(jìn)行反應(yīng)，從而使臭氧分解形成氧氣排放。該高溫催化反應(yīng)為可逆反應(yīng)，所以臭氧分解催化劑為可循環(huán)使用，幾乎不用更換。處理流程：臭氧尾氣(含水分)進(jìn)入臭氧尾氣處理器→水氣分離→高溫分解→催化分解→反應(yīng)分解為氧氣→排出臭氧尾氣處理器。

圖2 臭氧發(fā)生器Fig.2 Ozone generator

圖3 臭氧尾氣處理器Fig.3 Ozone exhaust treatment equipment

1.2 好氧腐熟系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)好氧腐熟罐由罐體、支腿、攪拌軸、槳葉、電機(jī)減速機(jī)、進(jìn)出口和電加熱等部分組成，如圖4所示。

好氧腐熟罐設(shè)計(jì)為圓柱形，有利于尿液在罐內(nèi)的混合流動(dòng)，頂部設(shè)有減速機(jī)，帶動(dòng)腐熟罐內(nèi)部中央的攪拌軸，攪拌軸上設(shè)有多層功能構(gòu)件。攪拌軸最上層設(shè)有傘狀分液盤(pán)，尿液進(jìn)入時(shí)通過(guò)分液盤(pán)而形成薄層狀，增大接觸氧面積，提高氧的利用率；分液盤(pán)下層設(shè)有釘齒狀消泡槳，主要是為了消除尿液在殺菌腐熟過(guò)程中產(chǎn)生的泡沫；最下層設(shè)有兩層分散槳葉，槳葉呈凹弧狀，且每層兩片槳葉呈45°傾斜，這樣可以使尿液在攪動(dòng)時(shí)形成“湍流”，利于尿液流動(dòng)的均勻性。腐熟罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.臭氧及氧氣閥門(mén) 2.進(jìn)氣管 3.減速電機(jī) 4.尾氣排氣口5.分液盤(pán) 6.消泡漿 7.分散槳 8.曝氣盤(pán) 9.加熱棒圖4 尿液腐熟罐Fig.4 Urine compost tank

圖5 分液盤(pán)及兩層分散槳Fig.5 Liquid separation turntable and two layer dispersion propeller

加熱保溫系統(tǒng)采用電加熱方式，在腐熟罐的底部設(shè)有兩個(gè)電加熱棒，設(shè)計(jì)夾套結(jié)構(gòu)，加熱層注滿加熱介質(zhì)，通過(guò)加熱棒對(duì)加熱介質(zhì)進(jìn)行加熱。在加熱層外面設(shè)有保溫層，保溫層填充PU保溫棉。

供氧系統(tǒng)設(shè)有空壓機(jī)提供氧氣，設(shè)有三通及閥門(mén)，進(jìn)氣管與罐內(nèi)的臭氧管相連。進(jìn)行好氧腐熟時(shí)，關(guān)閉臭氧進(jìn)氣管閥門(mén)，當(dāng)進(jìn)行臭氧殺菌時(shí)，關(guān)閉空氣進(jìn)氣管閥門(mén)。

1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)

本智能控制系統(tǒng)執(zhí)行元件設(shè)有電磁閥、氣動(dòng)閥、電機(jī)等，加上傳感元件、電路板、PLC等，實(shí)現(xiàn)操作的自動(dòng)化。具體功能主要包括進(jìn)出料啟停控制，腐熟過(guò)程中的曝氣、控溫、攪拌等各參數(shù)的設(shè)定、自動(dòng)控制。整個(gè)腐熟過(guò)程自動(dòng)控制，一鍵操作，如圖6所示。

圖6 尿液腐熟控制柜Fig.6 Urine compost control cabinet

2 尿液腐熟試驗(yàn)

尿液好氧腐熟資源化試驗(yàn)，首先考慮資源的安全性，采用臭氧殺菌技術(shù)，研究對(duì)病菌的消殺效果，從殺菌時(shí)間和臭氧量影響因素進(jìn)行研究；其次研究好氧腐熟技術(shù)，在微生物的幫助下，對(duì)腐熟溫度和腐熟時(shí)間兩個(gè)影響因素進(jìn)行研究。

2.1 殺菌時(shí)間對(duì)尿液殺菌效果的影響

試驗(yàn)?zāi)蛞海菏占珟”愠氐哪蛞?。室溫下，把尿液?dǎo)入兩個(gè)10 L的玻璃容器內(nèi)，用最大產(chǎn)臭氧量10 g/h的臭氧發(fā)生器對(duì)其進(jìn)行臭氧殺菌試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，通過(guò)對(duì)尿液菌落總數(shù)的測(cè)定，原始尿液的菌落總數(shù)為3.8×106CFU/mL，隨著殺菌時(shí)間的延長(zhǎng)，菌落總數(shù)下降，經(jīng)過(guò)10 min后數(shù)量快速下降，達(dá)到2 000 CFU/mL。尿液殺菌試驗(yàn)前后對(duì)比如圖8所示，臭氧殺菌后，尿液顏色變淺，臭味明顯下降。

2.2 尿液腐熟試驗(yàn)

腐熟劑選擇液態(tài)菌種，可以方便直接使用。該菌種是由酵母菌、枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、雙岐菌、醋酸菌、乳酸菌、放線菌、糞腸球菌等經(jīng)特殊工藝研制而成的濃縮型復(fù)合微生物菌種。每克含有益總菌數(shù)≥50億CFU。菌種添加量為尿液的0.1%，對(duì)腐熟的主要影響因素溫度和時(shí)間進(jìn)行研究。

圖7 殺菌過(guò)程中菌落總數(shù)變化Fig.7 Variation of total bacterial count number in process of sterilization

圖8 尿液殺菌試驗(yàn)前后對(duì)比Fig.8 Urine status before and after sterilization test

不同溫度(15、25和35 ℃)下氨氮濃度的變化規(guī)律如圖9所示。在25 ℃下，尿液在腐熟菌劑的催化下，其總氮、氨氮濃度變化規(guī)律如圖10所示。

從圖9、圖10可以看出，氨氮濃度隨著溫度的增高而迅速增加，在腐熟5～7 d后，氨氮濃度增長(zhǎng)緩慢，顯示進(jìn)一步腐熟比較困難；而在15 ℃下氨氮濃度一直增長(zhǎng)緩慢，這表示菌種活性弱，腐熟沒(méi)有有效進(jìn)行；在25 ℃下，總氮濃度一直降低，表明自由氮在揮發(fā)而導(dǎo)致氮損失，綜合考慮氮損失及腐熟度，以腐熟7 d左右為最佳。

圖9 不同溫度下氨氮含量隨腐熟時(shí)間的變化Fig.9 Variation of ammonia nitrogen content on different temperature

圖10 25 ℃下總氮及氨氮含量隨腐熟時(shí)間的變化Fig.10 Variation of total nitrogen and ammonia nitrogen content at 25 ℃

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的源分離尿液好氧腐熟設(shè)備，融合臭氧殺菌系統(tǒng)和腐熟系統(tǒng)處理工藝為一體，能夠使尿液快速殺菌、高效腐熟，解決了現(xiàn)有的尿液處理技術(shù)往往以單一工藝為主而不能將尿液徹底進(jìn)行資源化處理的問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)了氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的回收，制得液態(tài)肥。這種以資源化回收為目的的高效、安全、產(chǎn)品附加值高的處理設(shè)備與技術(shù)比起以污染物去除為目的的尿液凈化處理技術(shù)更符合環(huán)保生態(tài)的需求，更能體現(xiàn)源分離生態(tài)廁所的優(yōu)越性，特別是在高寒缺水農(nóng)村地區(qū)具有很大的應(yīng)用前景。