一種靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱的研制

凌慶成，曾慶東，鄭文漢，魏子凱，劉耀明，陳立海

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510630；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；3.廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

2021 年1 月1 日起施行的《廣東省城鄉(xiāng)生活垃圾管理?xiàng)l例》規(guī)定，有機(jī)易腐垃圾應(yīng)當(dāng)按照農(nóng)業(yè)廢棄物的要求，采用生化處理等技術(shù)就地處理，直接還田、堆肥或生產(chǎn)沼氣；2019 年10 月19 日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《關(guān)于建立健全農(nóng)村生活垃圾收集、轉(zhuǎn)運(yùn)和處置體系的指導(dǎo)意見》要求配合推動(dòng)農(nóng)村易腐爛垃圾就地就近堆肥處理[1-2]；2023 年5 月8 日，廣東省發(fā)改委等部門發(fā)布的《廣東省全面推行清潔生產(chǎn)實(shí)施方案（2023-2025）》指出，推廣農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)模式，落實(shí)百縣千鎮(zhèn)萬村高質(zhì)量發(fā)展各項(xiàng)要求，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用，持續(xù)推進(jìn)禽畜糞污資源化利用，支持推廣清潔養(yǎng)殖和糞污全量收集處理利用技術(shù)模式，鼓勵(lì)在規(guī)模種植基地周邊建設(shè)農(nóng)牧循環(huán)型規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)，提倡糞肥就近還田利用，促進(jìn)農(nóng)牧結(jié)合循環(huán)發(fā)展。為探索推廣液體有機(jī)肥還田、全量收集還田等模式，提升種養(yǎng)結(jié)合水平，針對(duì)中小型養(yǎng)殖場(chǎng)以及村鎮(zhèn)的有機(jī)廢棄物，設(shè)計(jì)一種靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱，不僅可以滿足中小型養(yǎng)殖場(chǎng)的禽畜糞污以及村鎮(zhèn)的有機(jī)廢棄物就近就地?zé)o害化處理的要求，且處理后的產(chǎn)品符合無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、方便運(yùn)輸和施肥，還能降低處理設(shè)施裝備的投資和運(yùn)營成本；既符合政策導(dǎo)向，還可以為有機(jī)廢棄物源頭減量、資源化利用及無害化處理提供裝備、技術(shù)支撐[3]。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱主要用于中小型養(yǎng)殖場(chǎng)以及村鎮(zhèn)的有機(jī)廢棄物預(yù)發(fā)酵、減量化處理，減少運(yùn)輸成本以及節(jié)省后端的二次發(fā)酵時(shí)間，靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱結(jié)構(gòu)如圖1 所示。整體結(jié)構(gòu)由e-PTFE 分子膜進(jìn)料門、固液耦合發(fā)酵系統(tǒng)、噴淋回流循環(huán)系統(tǒng)、微壓鼓風(fēng)系統(tǒng)、吊裝勾環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。固液耦合發(fā)酵系統(tǒng)整體為密閉空間，根據(jù)場(chǎng)景使用不同孔徑的沖孔板隔離分開為上下兩層，實(shí)現(xiàn)固液分離的目的。上層為固體發(fā)酵倉，占密閉空間的4/5，接納固體有機(jī)廢棄物發(fā)酵，底部添加粒徑大的墊料用于隔離細(xì)小發(fā)酵物料，防止掉落到液體貯存發(fā)酵倉，同時(shí)方便底部的微壓鼓風(fēng)系統(tǒng)的氣體透過間隙進(jìn)入固體發(fā)酵倉；下層為液體貯存?zhèn)}，占密閉空間的1/5，連接噴淋回流循環(huán)系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，液體通過水泵噴淋到固液耦合發(fā)酵系統(tǒng)頂部，流經(jīng)固體發(fā)酵倉的發(fā)酵物料、篩網(wǎng)，回到液體發(fā)酵倉。鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)通過整體框架的不銹鋼中空方管，中空方管側(cè)面開孔進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣進(jìn)入固體發(fā)酵倉。

圖1 靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱結(jié)構(gòu)圖

該機(jī)工作原理為：中小型養(yǎng)殖場(chǎng)以及村鎮(zhèn)的有機(jī)廢棄物投至固液耦合發(fā)酵系統(tǒng)中，噴淋回流循環(huán)系統(tǒng)保證整套系統(tǒng)合適的水分以及定時(shí)噴淋提供發(fā)酵的微生物以及除臭菌液，微壓鼓風(fēng)系統(tǒng)提供氧氣，為微生物營造良好的好氧發(fā)酵環(huán)境，能有效減少臭味并抑制細(xì)菌和其他病原體的滋長，確保生物安全性；有機(jī)廢棄物在微生物的作用下，將有機(jī)廢棄物分解消化，固體有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)變成固體有機(jī)肥，滲濾液有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)變成液體肥，達(dá)到初級(jí)無害化、減量化、資源化處理的目的。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

在靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱設(shè)計(jì)中，固液耦合發(fā)酵系統(tǒng)中的支撐底板作為發(fā)酵物料的重要支撐承重部件，吊裝勾環(huán)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)二次轉(zhuǎn)運(yùn)發(fā)酵的關(guān)鍵部件。本文按照實(shí)際參數(shù)進(jìn)行模型建立，通過solidworks軟件模擬支撐底板以及吊裝勾環(huán)系統(tǒng)受力時(shí)的狀態(tài)，分析兩者受力時(shí)的等效應(yīng)力、位移形變數(shù)據(jù)是否在合理范圍內(nèi)，保證兩者結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及安全性。e-PTFE 分子膜進(jìn)料門的設(shè)計(jì)是充分利用e-PTFE 分子膜大分子氣體出不去，小分子氣體選擇性外排的特性，保留有機(jī)養(yǎng)分增加發(fā)酵物料產(chǎn)品肥效的同時(shí)降低了除臭成本；微壓鼓風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于分析鼓風(fēng)風(fēng)量與出風(fēng)風(fēng)量的差值，使靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱內(nèi)部形成微壓鼓風(fēng)空間，且滿足供氧需求；噴淋回流循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在于調(diào)節(jié)發(fā)酵空間的含水率，保持正常發(fā)酵水分滿足微生物的發(fā)酵需求。

2.1 固液耦合發(fā)酵系統(tǒng)受力分析

固液耦合發(fā)酵系統(tǒng)是靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱核心部分，為堆肥物料提供良好的發(fā)酵空間，內(nèi)部空間的容積直接影響有機(jī)廢棄物的處理量；固液耦合發(fā)酵系統(tǒng)的支撐底板用來盛放堆肥發(fā)酵物料，是重要支撐承重部件[4]。本模型采用了solidworks 軟件對(duì)固液耦合發(fā)酵系統(tǒng)的支撐底板按表1 所列主要參數(shù)進(jìn)行了實(shí)體模型建立，分析在滿負(fù)載承重作用下支撐底板的受力響應(yīng)特性，驗(yàn)證等效應(yīng)力、變形位移是否在合理范圍內(nèi)，以確保支撐底板的承重能力滿足實(shí)際工作需要，支撐底板受力分析試驗(yàn)主要參數(shù)如表1 所示[5-6]。

表1 支撐底板受力分析試驗(yàn)主要參數(shù)

如圖2 所示，將支撐底板作為有限元網(wǎng)格劃分對(duì)象進(jìn)行網(wǎng)格劃分，具體網(wǎng)格設(shè)置參數(shù)如下：劃分網(wǎng)格的單元大小設(shè)置為50 mm，公差為2.5 mm。網(wǎng)格劃分完成后，支撐底板的模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為21 555 個(gè)，單元總數(shù)為10 529 個(gè)。

圖2 支撐底板的網(wǎng)格劃分模型

使用solidworks 軟件對(duì)物料支撐底板承重狀況進(jìn)行模擬，導(dǎo)入圖2 所示的模型，選擇的分析類型為靜應(yīng)力分析，將所有零部件的材料定義為普通碳鋼，對(duì)支撐底板進(jìn)行施加約束及施加載荷。模擬靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱裝滿物料時(shí)，底部以及支撐件受到發(fā)酵物料的重力作用，裝載5 t 的物料，設(shè)計(jì)的安全系數(shù)為1.25，因此底板受到總力為62 500 N，支撐底板所受到的應(yīng)力云圖和變形位移圖如圖3 和圖4 所示。普通碳鋼的屈服應(yīng)力為221 MPa，支撐底板模擬受力分析最大的應(yīng)力為107 MPa，小于普通碳鋼的屈服應(yīng)力；產(chǎn)生的最大變形位移為0.234 mm，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，變形應(yīng)力、變形位移均在彈性變化范圍內(nèi)。模擬受力分析表明，靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱在滿負(fù)載的情況下，固液耦合發(fā)酵系統(tǒng)的支撐底板滿足承重強(qiáng)度要求。

圖3 支撐底板應(yīng)力有限元分析結(jié)果

圖4 支撐底板變形位移有限元分析結(jié)果

2.2 吊裝勾環(huán)系統(tǒng)受力分析

吊裝勾環(huán)系統(tǒng)是靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱實(shí)現(xiàn)二次轉(zhuǎn)運(yùn)的必要結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于吊裝勾環(huán)系統(tǒng)在滿負(fù)載情況下，其在吊拉過程中等效應(yīng)力和變形位移是否滿足在允許范圍內(nèi)，確保吊拉靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱的安全性以及人員安全。

使用solidworks 軟件，按2.1 同樣步驟，對(duì)靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱吊裝勾環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行受力分析模擬，導(dǎo)入表2 所示的數(shù)據(jù)，選擇的分析類型為靜應(yīng)力分析，將所有零部件的材料定義為Q235 碳鋼，對(duì)吊裝勾環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行施加約束及施加載荷。

表2 吊裝勾環(huán)系統(tǒng)受力分析試驗(yàn)主要參數(shù)

在實(shí)際使用過程中，吊裝勾環(huán)系統(tǒng)受到勾臂的拉力以及靜態(tài)堆肥的重力作用，假設(shè)靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱裝滿物料時(shí)，裝載5 t 的物料，設(shè)計(jì)的安全系數(shù)為1.25，根據(jù)勾臂吊拉狀態(tài)，如圖5 所示，受到斜向上45°的牽引拉力作用。根據(jù)模擬分析，受到的等效應(yīng)力為105 MPa，變形位移0.204 mm，均在允許范圍內(nèi)，如圖6 所示，表明在模擬條件下，設(shè)計(jì)的吊裝勾環(huán)系統(tǒng)在滿載荷條件下符合設(shè)計(jì)要求，可確保吊裝時(shí)設(shè)備與人員的安全。

圖5 吊裝勾環(huán)系統(tǒng)變形位移有限元分析結(jié)果

圖6 吊裝勾環(huán)系統(tǒng)應(yīng)力有限元分析結(jié)果

2.3 e-PTFE分子膜進(jìn)料門設(shè)計(jì)

e-PTFE 分子膜進(jìn)料門是由不銹鋼支撐架以及e-PTFE 分子膜組成，與固液耦合發(fā)酵系統(tǒng)圍閉形成1 個(gè)密閉艙體，可以隔絕發(fā)酵物料與外界環(huán)境的接觸。分子膜由e-PTFE 膜配合基材組合而成，e-PTFE 夾持在兩層具有防紫外線和耐腐蝕的聚氨酯基材膜中間，根據(jù)e-PTFE 分子膜的特性，均布有0.2 μm 孔徑的微孔，幫助發(fā)酵系統(tǒng)保持溫度，使堆放物中的氧氣分子均勻分布，同時(shí)也是灰塵、氣溶膠和微生物的有效物理屏障，阻止其向外擴(kuò)散[7]。在發(fā)酵的過程中，e-PTFE 分子膜具有優(yōu)良的防水、選擇性透氣和保溫隔菌功能，有機(jī)廢棄物發(fā)酵過程中產(chǎn)生的水蒸氣和二氧化碳可透過e-PTFE 分子膜順利排放出去，從而降低發(fā)酵物料的含水率；同時(shí)，發(fā)酵中產(chǎn)生的臭味大分子氣體、熱量、細(xì)菌和粉塵被很好地隔絕在堆體內(nèi)部，而氨氣、硫化氫、揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）等[8]則會(huì)溶解于附著在e-PTFE 分子膜表面的冷凝水膜中，并隨水滴回落到發(fā)酵堆體上，繼續(xù)被微生物分解，這樣就能夠?qū)l(fā)酵過程中的臭氣濃度降至最低，無需外加除臭系統(tǒng)便解決了環(huán)保臭味的問題，還提高了產(chǎn)出物的肥效。

2.4 微壓鼓風(fēng)系統(tǒng)

好氧堆肥過程中需要足量的氧氣維持微生物繁殖生長，以加速微生物氧化分解發(fā)酵有機(jī)物，由于靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱為密閉空間，因此選用強(qiáng)制微壓鼓風(fēng)系統(tǒng)[9]。微壓鼓風(fēng)系統(tǒng)由曝氣風(fēng)機(jī)和通風(fēng)管道組成，管道亦作為內(nèi)部支撐框架的方管；設(shè)計(jì)篩網(wǎng)底部框架兩側(cè)等間距均勻開孔，使其鼓風(fēng)均勻曝氣到發(fā)酵艙體各個(gè)角落，滿足其發(fā)酵堆肥的氧氣濃度要求[10-11]。微壓鼓風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于曝風(fēng)量與出氣量的計(jì)算，按堆體內(nèi)部氧氣濃度宜不小于5%，曝氣風(fēng)量宜為0.05～0.20 m3/min[12-13]，靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱整體密閉發(fā)酵空間為5 m3，經(jīng)計(jì)算得出曝氣風(fēng)量范圍值15～60 m3/h，堆肥分子膜的面積為10 m2。按堆肥分子膜的透氣量為2.0 L/（m2/s），經(jīng)計(jì)算，每小時(shí)e-PTFE 分子膜進(jìn)料門的透氣量為：72 m3/h，考慮到管道風(fēng)損以及物料阻力，選用了風(fēng)量80 m3/h 的曝氣風(fēng)機(jī)，形成微壓空間，同時(shí)曝氣風(fēng)量大于透氣量，滿足好氧發(fā)酵微生物的曝氣供氧要求。

2.5 噴淋回流循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在本靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱的設(shè)計(jì)中大部分液體不再需要通過發(fā)酵熱汽化排放，而是通過噴淋回流循環(huán)系統(tǒng)來循環(huán)底部滲濾液，通過隔膜泵將滲濾液回噴到固液耦合發(fā)酵系統(tǒng)的固體發(fā)酵倉，利用發(fā)酵滲濾液含有豐富微生物群落接種來促進(jìn)固體發(fā)酵，加快固體發(fā)酵速度。同時(shí)滲濾液流經(jīng)固體發(fā)酵堆體、液體下滲過程中，可以收集固體發(fā)酵部分的易溶、易揮發(fā)成分，成為滲濾液發(fā)酵養(yǎng)分，提升滲濾液發(fā)酵成液肥的品質(zhì)質(zhì)量的同時(shí)，減少固體發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)生的臭氣，降低除臭系統(tǒng)的處理難度和處理成本。本設(shè)計(jì)選用2.5 L/min 噴霧量的隔膜泵，噴淋管上等間距布置5 個(gè)噴頭，通過時(shí)控開關(guān)控制噴淋時(shí)間為3 s，每小時(shí)噴淋一次，通過計(jì)算得出，噴淋量為125 mL/h，每個(gè)噴頭25 mL 的噴淋量，既不會(huì)引起發(fā)酵物料的過濕，又可保持適合微生物生長繁殖的水分環(huán)境，達(dá)到快速處理發(fā)酵物料的目的[14]。

3 驗(yàn)證堆肥試驗(yàn)

為檢測(cè)靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱設(shè)計(jì)是否滿足堆肥要求，使用靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱進(jìn)行堆肥試驗(yàn)。本試驗(yàn)采用的原料為雞糞和木屑，進(jìn)行連續(xù)堆肥性能測(cè)試。按NY/T 3442—2019 畜禽糞便堆肥技術(shù)規(guī)范中5.2 條例進(jìn)行物料預(yù)處理，讓禽畜糞便和輔料混合均勻，混合后的物料含水率為45%～65%。本試驗(yàn)以容積為5 m3靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱為例，假設(shè)中小養(yǎng)殖場(chǎng)雞糞含水率為70%，為了獲得更好的堆肥效果，與含35%水分的木屑混合，混合物料目標(biāo)含水率為60%，根據(jù)自然堆積計(jì)算公式[15]：

計(jì)算得出，1 kg 雞糞需要至少0.4 kg 的木屑，即雞糞與木屑的比例為5：2，混合搭配混合發(fā)酵物料的含水率不超過60%，按此雞糞與木屑比例混合，裝4 m3的混合發(fā)酵物料作為試驗(yàn)，圖7 為靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱溫度曲線圖。

圖7 靜態(tài)堆肥箱溫度曲線

由圖7 可知，雞糞與木屑混合發(fā)酵物在發(fā)酵過程中，初始溫度為40 ℃，經(jīng)過2～4 d 的發(fā)酵時(shí)間，發(fā)酵堆體的溫度迅速升高，但從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看發(fā)酵堆體的表層初始溫度偏低，是由于噴淋回流循環(huán)系統(tǒng)的作用，滲濾液帶走了部分熱量到堆體的中深層，同時(shí)與e-PTFE 分子膜進(jìn)料門的外部空間進(jìn)行了少量熱量交換，導(dǎo)致發(fā)酵物料堆體表層溫度低于中深層。

本試驗(yàn)中，從第6～16 d，發(fā)酵溫度保持55 ℃以上的范圍波動(dòng)，最高溫度達(dá)到80 ℃，發(fā)酵堆體溫度滿足NY/T3442—2019 畜禽糞便堆肥技術(shù)規(guī)范中5.3 條例中的一次發(fā)酵情況中，通過發(fā)酵堆體曝氣，使發(fā)酵堆體溫度達(dá)到55 ℃以上，反應(yīng)器堆肥維持時(shí)間不少于5 d 的堆肥技術(shù)要求[16]。圖8 為靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱性能試驗(yàn)過程中的含水率曲線圖。

圖8 靜態(tài)堆肥箱水分曲線

由圖8 可知，發(fā)酵物料初始含水率為60%，堆肥試驗(yàn)前期，含水率迅速升高，因?yàn)閲娏芑亓餮h(huán)系統(tǒng)初始添加微生物發(fā)酵菌液以及除臭菌液，用于加快堆體發(fā)酵；第8 d 后，由于e-PTFE 分子膜的作用，以及減少噴淋量，水分逐步降低，發(fā)酵堆體的表層、中層含水率降低到60% 以下，滿足其發(fā)酵含水率的要求；發(fā)酵物料堆體深層的含水率依然偏大，主要原因是發(fā)酵物料堆體表層、中層的水分流回深層。

4 結(jié)論與展望

為解決中小型養(yǎng)殖場(chǎng)以及村鎮(zhèn)的有機(jī)廢棄物，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物就近收集、儲(chǔ)存、初級(jí)無害化、減量化、資源化處理的目的，本文研制了一款靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱，主要結(jié)論如下。

1）通過對(duì)固液耦合發(fā)酵系統(tǒng)的支撐底板、吊裝勾環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，結(jié)果顯示，靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱支撐底板與吊裝勾環(huán)系統(tǒng)在滿載荷狀態(tài)下增加安全系數(shù)的條件下，所受最大等效應(yīng)力為107 MPa，變形位移0.234 mm；吊裝勾環(huán)系統(tǒng)所受到的最大等效應(yīng)力為105 MPa，最大變形位移0.204 mm，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，支撐底板與吊裝勾環(huán)系統(tǒng)的變形應(yīng)力、變形位移在彈性變化范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)承重要求以及強(qiáng)度要求。

2）通過靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱雞糞與木屑混合發(fā)酵堆肥試驗(yàn)，根據(jù)NY/T 3442—2019 畜禽糞便堆肥技術(shù)規(guī)范5.3 條例，一次發(fā)酵過程中，使堆體溫度達(dá)到55 ℃以上，反應(yīng)器堆肥維持時(shí)間不少于5 d。本堆肥試驗(yàn)發(fā)酵堆體溫度達(dá)到55 ℃以上保持了10 d，符合堆肥技術(shù)規(guī)范要求。

3）e -PTFE 分子膜進(jìn)料門的透氣量經(jīng)計(jì)算為72 m3/ h，與微壓鼓風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)選型的曝氣量為80 m3/h，曝氣量略大于透氣量，形成微壓鼓風(fēng)空間的同時(shí)滿足了好氧發(fā)酵微生物的供氧需求。

本文設(shè)計(jì)的靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱在使用過程中存在發(fā)酵物料的水分偏大，影響微生物好氧發(fā)酵的現(xiàn)象，下一步將研究靜態(tài)發(fā)酵堆肥發(fā)酵過程中含水率對(duì)微生物菌種的影響，并對(duì)噴淋回流循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；通過建立密閉環(huán)境，檢測(cè)靜態(tài)堆肥箱外部環(huán)境好氧發(fā)酵產(chǎn)生的氣體變化，驗(yàn)證e-PTFE 分子膜進(jìn)料門阻隔氣體的有效性，同時(shí)對(duì)靜態(tài)發(fā)酵堆肥箱出來的滲濾液液體肥以及固體肥進(jìn)行檢測(cè)和種植試驗(yàn)，驗(yàn)證其發(fā)酵物料產(chǎn)品的效果。