基于厭氧發(fā)酵技術(shù)的新型廚余垃圾資源化處理器設(shè)計(jì)

侯瑜 李凱 周佳豪 郭若彤

（西安工業(yè)大學(xué)，陜西西安 710016）

1 引言

傳統(tǒng)廚余垃圾多以粗放的形式進(jìn)行壓縮、無害化處理，不僅沒能利用廚余垃圾的有效熱值，同時(shí)也向環(huán)境持續(xù)排放了大量無用或有害物質(zhì)，占用了大片土地，造成了地下水污染、惡息氣體持續(xù)排放等環(huán)境問題［1］。廚余垃圾的主流處理技術(shù)有直接粉碎、集中填埋、厭氧發(fā)酵、蚯蚓堆肥、微生物菌體、飼料化、焚燒處理、制肥等，但是存在適應(yīng)性相對較差或局限性較大等問題［2］。市面上廚余垃圾處理器有連接型和獨(dú)立型2 種，連接型處理器把廚余垃圾粉碎后排入下水道；部分獨(dú)立型處理器將廚余垃圾轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥，但因?yàn)樘幚砥魇橇闶鄣模植挤稚?，企業(yè)無法回收，居民無法使用，最后只能將廚余垃圾扔掉。另外，目前廚余垃圾處理器都需要居民自己購買，使用過程中需要耗水、耗電，增加了居民支出，為此需研發(fā)新型的廚余垃圾處理器。

2 系統(tǒng)參數(shù)

在進(jìn)行廚余垃圾厭氧發(fā)酵處理器設(shè)計(jì)時(shí)，采用的系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 廚余垃圾系統(tǒng)參數(shù)

3 廚余垃圾處理器研制

3.1 設(shè)計(jì)工藝流程

本設(shè)計(jì)擬采用以厭氧消化原理設(shè)計(jì)的新型處理器，家庭廚余垃圾日產(chǎn)量約1.25 kg，倒入處理器后首先進(jìn)行油水分離，進(jìn)入破碎裝置，切碎至粒徑≤60 mm 后與菌劑（接種微生物增強(qiáng)廚余垃圾分解）投入處理器中進(jìn)行厭氧消化，在堆肥的同時(shí)輔以攪拌、加熱。攪拌為臥式間歇攪拌。加熱通過發(fā)酵倉底部的加熱貼片實(shí)現(xiàn)，且發(fā)酵倉內(nèi)有溫度傳感器讀取發(fā)酵倉內(nèi)溫度，控制發(fā)酵倉內(nèi)溫度為55 ℃（55 ℃可以殺死蛔蟲卵，蛔蟲卵與其他腸道病原體耐熱性大致相當(dāng)）。堆肥產(chǎn)品養(yǎng)分含量豐富［3］，含有機(jī)質(zhì)為28%～40%，N 為1.2%～2.0%，P2O5為0.5%～0.8%，K2O為1.5%～2.5%，C/N 為10，有效地實(shí)現(xiàn)資源化，并且可以為大眾所接受。具體工藝流程如圖1所示［4-5］。

圖1 家庭廚余垃圾處理工藝流程

3.2 處理器整體設(shè)計(jì)

新型廚余垃圾處理器見圖2，包括外殼，在外殼上端設(shè)置帶有頂蓋的進(jìn)料口，外殼下端設(shè)置出料口，外殼內(nèi)部為發(fā)酵倉，發(fā)酵倉內(nèi)投放菌劑，在發(fā)酵倉內(nèi)部的一側(cè)設(shè)置可拆卸儲水倉，可拆卸儲水倉的上端設(shè)置有傾斜式濾網(wǎng)，下端設(shè)置出水口。在發(fā)酵倉底部設(shè)置攪拌破碎裝置和加熱貼片，發(fā)酵倉的上部側(cè)壁設(shè)置除臭裝置，在外殼外端面設(shè)置有控制臺面。攪拌破碎裝置包括變頻電機(jī)，變頻電機(jī)的輸出端連接攪拌軸，攪拌軸上間隔設(shè)置攪拌葉片和破碎葉片，可在攪拌的同時(shí)進(jìn)行破碎。除臭裝置包括設(shè)置在外殼上的除臭風(fēng)口，除臭風(fēng)口連接除臭管，除臭管與外界連接，除臭管連接風(fēng)機(jī)；除臭管內(nèi)裝有活性炭填料，用來去除臭氣。堆肥產(chǎn)生的臭氣從除臭裝置的除臭風(fēng)口除臭后排出，堆肥成品從出料口排出。發(fā)酵倉的內(nèi)部為“U”形結(jié)構(gòu)，有利于均勻攪拌，提高反應(yīng)速率。

圖2 新型廚余垃圾處理器

3.3 處理器關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

3.3.1 外殼尺寸設(shè)計(jì)

家庭版廚余垃圾處理器使用場景為廚房、陽臺、客廳，可以發(fā)揮普通垃圾桶的用途，其尺寸不宜過大，設(shè)計(jì)尺寸長×寬×高為50 cm×40 cm×50 cm，處理器總體積為10 萬cm3。

3.3.2 外殼壁厚設(shè)計(jì)

根據(jù)內(nèi)部壓力計(jì)算處理器外殼厚度，壓力公式如下：

式中，p 為抗壓強(qiáng)度，查得數(shù)據(jù)為49 kg/dm2；P 為壓力，kg；A 為剖面面積，dm2。

外殼所受壓力來自內(nèi)部各構(gòu)件，包括發(fā)酵倉、儲水倉、攪拌軸、電機(jī)、除臭管、紫外燈管以及所投放的廚余垃圾、菌劑質(zhì)量。

內(nèi)部構(gòu)件總質(zhì)量（M總）為6.039 kg。

式中，A 為剖面面積，dm2；L 為剖面長度，dm。

剖面面積為0.335 5 dm2，剖面長度為20 dm，則根據(jù)公式可計(jì)算得出外殼厚度為1.6 mm，取2.0 mm作為壁厚。

3.3.3 發(fā)酵倉設(shè)計(jì)

堆肥發(fā)酵倉是好氧堆肥的發(fā)生場所，也是本設(shè)計(jì)的核心部件之一，目前市場上的堆肥發(fā)酵倉主要為桶式發(fā)酵倉，相對于臥式發(fā)酵倉其攪拌效率較低，不利于堆肥物料的堆翻，所以本設(shè)計(jì)擬使用臥式發(fā)酵倉，以方便進(jìn)出料。

堆肥發(fā)酵倉設(shè)計(jì)為“U”形筒體，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）方便進(jìn)出料?！癠”形筒體上半部分為敞開設(shè)計(jì)，方便進(jìn)料，下半部分為收縮漏斗式設(shè)計(jì)，只要在底部設(shè)置出料口，就可以很好地實(shí)現(xiàn)堆肥成品的集中出料。

（2）有利于攪拌路徑與筒體貼合。攪拌槳葉的運(yùn)動(dòng)路徑為圓形，可與“U”型筒體下半部分半圓形較好貼合，提高攪拌效率。

本設(shè)計(jì)的發(fā)酵倉如圖3 所示。

圖3 發(fā)酵倉

3.3.4 除臭系統(tǒng)設(shè)計(jì)

厭氧發(fā)酵過程在產(chǎn)生CO2與CH4的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生少量的H2S，NH3等有異味的氣體，在家庭中使用的廚余垃圾處理器對于臭氣的處理要求相當(dāng)嚴(yán)格，本設(shè)計(jì)擬采用光氧離子除臭法除臭［6］。

采用納米TiO2作為光催化劑，納米TiO2與垃圾厭氧發(fā)酵時(shí)產(chǎn)生的廢氣表面吸附的水分和氧氣反應(yīng)，生成氧化性很活潑的羥基自由基和超氧離子自由基，在光氧離子的轟擊下再次使惡臭物質(zhì)分子解離和激發(fā)，能夠把各種有機(jī)廢氣如醛類、苯類、氨類、氮氧化物、硫化物以及其他VOC 類有機(jī)物及無機(jī)物，經(jīng)離子解離、激發(fā)后，在光催化氧化的作用下還原成CO2，H2O 以及其他無毒無害物質(zhì)。同時(shí)，納米TiO2光催化還可以對管道內(nèi)滋生的細(xì)菌病毒有效地去除，由于在光催化氧化反應(yīng)過程中無任何添加劑，所以不會(huì)產(chǎn)生二次污染，運(yùn)行成本方面只是用到電能，無需經(jīng)常更換配件，節(jié)能環(huán)保。

3.3.5 過濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廚余垃圾含水率對于厭氧發(fā)酵過程有重要影響，水作為良好的溶劑，對于水解過程有促進(jìn)作用，但是如果含水率過大，一方面，微生物生化過程釋放的酸性物質(zhì)會(huì)使其生存環(huán)境發(fā)生變化，另一方面水的比熱容較大，不利于堆肥溫度的保持。因此設(shè)計(jì)處理器帶有傾斜式濾網(wǎng)以及可拆卸式儲水倉，廚余垃圾倒入進(jìn)料口，首先經(jīng)過濾網(wǎng)，會(huì)將呈流動(dòng)狀態(tài)的水分過濾后進(jìn)入儲水倉，廚余垃圾在重力作用下進(jìn)入發(fā)酵倉進(jìn)行攪拌、破碎，與菌劑充分混合進(jìn)行厭氧發(fā)酵。濾網(wǎng)使得部分水分得以保留，促進(jìn)水解，又不至于水分過多影響厭氧發(fā)酵過程。具體尺寸見圖4。

圖4 新型廚余垃圾處理器的濾網(wǎng)與儲水倉

儲水倉主要功能為暫時(shí)儲存水分過大的廚余垃圾過濾下的水分，其材質(zhì)選用PC 鋼化塑料板，密度1.18 g/cm3，厚度2 mm，其總面積為5 600 cm2，體積為3.4 dm3，總質(zhì)量為0.802 4 kg。

3.3.6 攪拌及破碎系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廚余垃圾的粒徑對于厭氧發(fā)酵的影響主要體現(xiàn)在微生物與物料的接觸，物料的比表面積要盡可能小，可以使厭氧發(fā)酵過程進(jìn)行得更快，提升厭氧發(fā)酵效率。

根據(jù)攪拌器推動(dòng)物料的力及槳葉與堆體之間剪切力共同產(chǎn)生的扭矩，對主軸尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3.7 加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研究發(fā)現(xiàn)，厭氧發(fā)酵在35～43 ℃以及50～65 ℃之間各有一個(gè)峰值，從節(jié)能以及安全角度考慮，本設(shè)計(jì)取35～43 ℃的溫度范圍，采用ZW100D15－U524紫外燈管恒溫加熱系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)加熱至35～42 ℃。加熱控制器與自控系統(tǒng)連接，通過編程邏輯控制器控制溫度，若溫度低于35 ℃則自動(dòng)加熱，若溫度高于42 ℃則自動(dòng)停止加熱。程序如圖5 所示。

圖5 紫外燈恒溫加熱系統(tǒng)

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用目前中國家庭廚余垃圾平均參數(shù)，基于厭氧發(fā)酵方法，設(shè)計(jì)了一款新型基于厭氧發(fā)酵處理廚余垃圾的垃圾處理器。該處理器在40 ℃，每2 h 攪拌2 min 的運(yùn)行條件下，通過厭氧菌劑和除油菌劑混合使用，可使85%以上的廚余垃圾厭氧消化，生成的有機(jī)肥產(chǎn)量為30～150 g/kg 廚余垃圾，達(dá)到了廚余垃圾資源化的目的。