管敏 郭智新 常帆 任線妮 王亞妮 種莉珍
摘要 針對蔬果廢棄物普遍具有營養(yǎng)豐富、含水率高、極易腐爛的特點(diǎn),設(shè)計了一種蔬果廢棄物液肥發(fā)酵生產(chǎn)線,將腐爛蔬果與功能微生物菌充分混合后由提升機(jī)提升至發(fā)酵罐內(nèi),密封后靜置發(fā)酵,發(fā)酵罐內(nèi)靠近底部處布置有特制過濾網(wǎng),濾液通過過濾網(wǎng)靜置在底部,罐底預(yù)留出液閥,產(chǎn)生的濾液通過管路直接流入儲液桶二次發(fā)酵,通過抽液系統(tǒng)將儲液桶中的液肥抽到成品桶中分裝儲存。測試結(jié)果表明,蔬果廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)線能夠滿足含水率高的蔬果廢棄物的發(fā)酵,發(fā)酵周期較短,發(fā)酵菌和有益細(xì)菌生長迅速,抑制有害真菌生長,功耗較低,運(yùn)行成本低,操作簡便,符合農(nóng)業(yè)廢棄物無害化處理要求。
關(guān)鍵詞 蔬果廢棄物;發(fā)酵罐;開蓋;發(fā)酵試驗
中圖分類號 S22? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611(2024)03-0207-05
doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2024.03.049
Development and Experiment of a Key Technology for Vegetable and Fruit Waste Fermentation Production Line
Abstract In view of the characteristics of vegetable and fruit waste, which is rich in nutrition, high moisture content and active decay, a production line of liquid fertilizer fermentation of vegetable and fruit waste is designed.The rotten vegetables and fruits are fully mixed with functional microorganisms and then lifted to the fermenter by the elevator, and then sealed for static fermentation.A special filter is arranged near the bottom of the fermenter, and the filtrate is left at the bottom through the filter,with a liquid outlet valve reserved at the bottom of the tank, the resulting filtrate flows directly into the storage barrel for secondary fermentation through the pipeline, and the liquid in the liquid storage barrel is pumped into the finished product barrel for distribution and storage through the pumping system.The test results show that the production line of vegetable and fruit waste fermentation can meet the fermentation of vegetable and fruit waste with high water content,fermentation cycle, rapid growth of fermenting bacteria and beneficial bacteria, inhibition of the growth of harmful fungi, low power consumption, low operating costs, easy operation, and the requirements of harmless treatment of agricultural waste are met.
Key words Fruit and vegetable waste;Fermenter;Open the cover;Fermentation test
我國冷鏈物流前段后端設(shè)施相對而言不夠完善,使得大多數(shù)生鮮商品在運(yùn)輸過程中得不到規(guī)范的保溫、保濕、冷藏,大部分生鮮農(nóng)產(chǎn)品仍在常溫下流通,加大了流通損耗。冷鏈流通率長期低下,新鮮蔬果因為采摘不及時、運(yùn)輸或保存不當(dāng)極易發(fā)生損壞。據(jù)估算,我國每年因冷鏈“斷鏈”造成約1 200萬t水果、1.3億t蔬菜的浪費(fèi),經(jīng)濟(jì)損失超千億元[1],其中絕大部分沒有進(jìn)行資源化利用而被當(dāng)作垃圾隨意丟棄或者排放到環(huán)境中,給空氣、水體和人居環(huán)境都帶來了風(fēng)險[2],蔬果廢棄物中富含大量的粗蛋白和作物所需的氮磷鉀等營養(yǎng)元素,同時還含有豐富的有機(jī)質(zhì),是作為有機(jī)肥來源非常好的原料,將其作為垃圾處理、隨意丟棄既造成資源浪費(fèi)又造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。
土壤中的微量金屬元素由于自然沉積和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動、交通運(yùn)輸?shù)热藶楦蓴_輸入造成含量超過正常范圍值,形成土壤重金屬污染[3]。生物有機(jī)肥中含有的微生物對重金屬具有很強(qiáng)的親和性,可與重金屬形成不溶性金屬-有機(jī)復(fù)合物,增加土壤的陽離子交換量,降低土壤中水溶性重金屬和可交換態(tài)重金屬的含量﹐從而降低其生物有效性,在修復(fù)重金屬、提高耕地生產(chǎn)力方面表現(xiàn)出非常優(yōu)越的性質(zhì)[4],通過將廢棄蔬果無害化處理加工成生物有機(jī)肥,既能夠解決廢棄蔬果當(dāng)成垃圾丟棄造成環(huán)境污染的問題、又能解決現(xiàn)有土壤重金屬污染無法有效改善的難題。
蔬果廢棄物大多含水率很高,一般都在80%以上,只有做液體有機(jī)肥料才避免做其他用途干制過程中造成的浪費(fèi),也繞開了容易發(fā)霉變質(zhì)等不利因素[5],利用率高。蔬果廢棄物普遍具有營養(yǎng)豐富、極易腐爛的特點(diǎn),主要產(chǎn)生在種植田地和加工交易場所,容易實現(xiàn)單獨(dú)收集處理[6-8]。在技術(shù)到位的情況下,資源化過程比較快,是一種寶貴的有機(jī)資源,筆者所在課題組主要針對蔬果廢棄物發(fā)酵液體有機(jī)肥生產(chǎn)線中關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行研究,以期提供一種靜態(tài)連續(xù)式蔬果廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)線。
1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理
1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu) 蔬果廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)線整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
蔬果廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)線主要由原料收集桶、提升機(jī)、卸料斗、發(fā)酵罐、出液管路、儲液罐、增壓泵、抽液管路、成品桶及控制系統(tǒng)等部分組成。發(fā)酵罐罐體纏繞有兩路伴熱帶,伴熱帶外層包裹有保溫層,保證在冬季漫長嚴(yán)寒的北方可以正常使用,實現(xiàn)發(fā)酵過程全年連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)[9],提升機(jī)、發(fā)酵罐、儲液罐、平臺的放置位置可根據(jù)設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)場的具體情況進(jìn)行布置,圖1為樣機(jī)試驗時的擺放形式,原料收集桶的容積和數(shù)量根據(jù)生產(chǎn)的實際情況配備。
1.2 工作原理
蔬果廢棄物液肥發(fā)酵生產(chǎn)線利用廢棄腐爛蔬果中富含的糖分和有機(jī)質(zhì),利用功能微生物發(fā)酵,形成酸性發(fā)酵產(chǎn)物。平時殘次蔬果通過帶蓋的原料收集桶進(jìn)行收集存放,定期加入發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵,發(fā)酵約5~7 d后,打開換向閥取出部分發(fā)酵液樣品進(jìn)行檢驗,檢驗合格后轉(zhuǎn)換換向閥方向?qū)⑵溆喟l(fā)酵液通過出液管路自動流入儲液罐,儲液罐為帶蓋的容器,放置在陰涼通風(fēng)的位置,發(fā)酵液流完后關(guān)閉換向閥,每間隔2~4 d將發(fā)酵液取樣后將其余發(fā)酵液流入儲液罐,在儲液罐內(nèi)繼續(xù)二次發(fā)酵20 d左右[10],發(fā)酵完畢的發(fā)酵液通過增壓泵經(jīng)由抽液管路分裝到成品桶中,可直接作為葉面肥或水溶肥使用,也可添加其他元素后作為微生物液肥進(jìn)行使用,該蔬果廢棄物發(fā)酵系統(tǒng)可連續(xù)加入廢棄蔬果,避免廢棄蔬果大量堆積后再處理,整套系統(tǒng)主要包括原料收集、自動加料、發(fā)酵、液肥分裝儲存等環(huán)節(jié)。
發(fā)酵罐濾網(wǎng)附近布置有清渣孔,發(fā)酵停止后對發(fā)酵產(chǎn)生的殘渣進(jìn)行清理,發(fā)酵罐直端周圍布置有伴熱帶,在合適位置布置測溫裝置,根據(jù)發(fā)酵物體的溫度情況,對伴熱帶進(jìn)行啟??刂?,在發(fā)酵初期可對罐體進(jìn)行輔助加熱,發(fā)酵溫度起來后,伴熱帶可停止加熱,纏繞的伴熱帶及保溫材料對罐體起到一定保溫作用。罐蓋采用分體結(jié)構(gòu),側(cè)面設(shè)置有手動或自動開罐裝置,通過加長料桿的擺動或推桿移動完成發(fā)酵罐料蓋開合動作。
2 關(guān)鍵設(shè)備及部件設(shè)計
2.1 發(fā)酵罐的總體設(shè)計
根據(jù)冷庫、批發(fā)市場殘次蔬果的產(chǎn)生量及設(shè)備市場承受價格能力預(yù)估后,最終確定采用304單層發(fā)酵罐纏繞伴熱帶及保溫材料的結(jié)構(gòu),容積為3 m3。蔬果廢棄物發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
2.2 發(fā)酵罐手動開蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計
發(fā)酵罐手動開蓋機(jī)構(gòu)如圖3所示,主要由支撐架、半圓形罐蓋、左右擺桿、軸承組件、限位組件、左右連接桿、轉(zhuǎn)動手柄和快擰手輪等結(jié)構(gòu)組成,發(fā)酵罐罐蓋進(jìn)行開合動作時,將快擰手輪向下擰開,連接桿與擺桿之間可進(jìn)行局部轉(zhuǎn)動,通過轉(zhuǎn)動手柄的推拉實現(xiàn)連接桿水平移動及轉(zhuǎn)動,帶動與連接桿樞接在一起的斜L型左右擺桿繞軸承組件轉(zhuǎn)動,斜L型左右擺桿帶動固接的兩組半圓形罐蓋繞軸承組件轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)發(fā)酵罐罐蓋的開合,在發(fā)酵罐頂部焊接有支撐架,支撐架水平板的中間位置安裝有兩組限位組件,在擺桿繞軸承組件轉(zhuǎn)動時,通過半球限位端頭對左右擺桿進(jìn)行機(jī)械限位,通過調(diào)整半球限位端頭在第一限位組件和第二限位組件上的位置,可以對發(fā)酵料罐打開角度進(jìn)行調(diào)整,該結(jié)構(gòu)開蓋動作采用的是繞軸承組件旋轉(zhuǎn)的方式,在實際應(yīng)用過程中僅需很小的力就能實現(xiàn)罐蓋開合動作,通過實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)整體動作簡單,容易操作,省力省時,不再需要操作人員爬到發(fā)酵罐頂部完成罐蓋的開合動作。
發(fā)酵罐蓋兩半部分靠在一起時,通過左右連接桿向內(nèi)推動產(chǎn)生的外力將密封條擠壓變形與發(fā)酵罐頂部的空心圓柱形成密封空間[11],保證發(fā)酵罐的密封要求。
2.3 發(fā)酵罐自動開蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計
發(fā)酵罐自動開蓋機(jī)構(gòu)如圖4所示,自動開蓋機(jī)構(gòu)主要由支撐架、半圓形罐蓋、左右擺桿、軸承組件、連接桿組件、驅(qū)動推桿及密封條等結(jié)構(gòu)組成, 自動開蓋機(jī)構(gòu)與手動開蓋機(jī)構(gòu)基本原理相同,將動力變?yōu)轵?qū)動推桿,通過驅(qū)動推桿桿件的伸縮,推動左右連接桿的一端同時進(jìn)行水平位移,帶動樞接在上面的斜L型左右擺桿及固接的兩半圓形發(fā)酵罐蓋繞軸承組件轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)發(fā)酵罐罐蓋的開合動作,通過驅(qū)動推桿自鎖產(chǎn)生的外力將密封條擠壓變形后與發(fā)酵罐頂部的空心圓柱形成密封空間[11],保證發(fā)酵罐的密封要求。
2.4 提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計
針對蔬果廢棄物發(fā)酵特點(diǎn),項目組提出2種可行方案,一種是采用裙邊皮帶提升機(jī)將產(chǎn)生的蔬果廢棄物直接傾倒在裙邊帶上,通過裙邊帶連續(xù)旋轉(zhuǎn)將蔬果廢棄物倒入發(fā)酵罐中,一種是將產(chǎn)生的蔬果廢棄物隨時收集在原料桶中,通過鏈條提升機(jī)將原料桶中的蔬果廢棄物整體進(jìn)行提升,到頂部后傾倒進(jìn)發(fā)酵罐中。
2種方案各有優(yōu)缺點(diǎn),裙邊皮帶提升機(jī)方便添加發(fā)酵菌劑,后期可實現(xiàn)菌劑添加動作自動化,但大部分蔬果腐爛后汁液橫流,容易粘在裙邊帶上,含糖量高的汁液存在清洗困難、易招蚊蠅等問題;鏈條提升機(jī)的原料桶選用帶蓋垃圾桶,可以收集大量的蔬果廢棄物后再進(jìn)行提升放料,整個過程中除過渡斗外不與其他器件接觸,方便清洗、蓋子蓋好后可防止蚊蠅亂飛,但菌劑需要人工分批添加,將2種方案的優(yōu)缺點(diǎn)對比后最終選擇了鏈條式提升機(jī)。
鏈條提升機(jī)示意圖如圖5所示,借鑒了垃圾桶翻轉(zhuǎn)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理,根據(jù)發(fā)酵罐的高度設(shè)計了適合蔬果廢棄物的提升機(jī),提升機(jī)在原有垃圾桶翻轉(zhuǎn)機(jī)限位開關(guān)的基礎(chǔ)上增加了機(jī)械限位機(jī)構(gòu),確保原料桶在初始位置和高位??康姆€(wěn)定性,對動力機(jī)構(gòu)的安裝位置及減速比進(jìn)行了調(diào)整,設(shè)計了能夠滿足蔬果廢棄物完全卸料的過渡料斗,新的鏈條提升機(jī)的參數(shù)更加符合蔬果廢棄物的提升要求。
2.5 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計
生產(chǎn)線主要由鏈條提升機(jī)、發(fā)酵罐、出液管路、儲液罐、抽液管路、增壓泵等組成,對鏈條提升機(jī)的升降位置及罐蓋開合需要進(jìn)行控制,發(fā)酵罐外圍纏繞有2組獨(dú)立的伴熱帶,根據(jù)伸到發(fā)酵罐內(nèi)部的多組溫度傳感器數(shù)據(jù)反饋的情況,完成2組同時加熱、單組加熱、不加熱3組模式的自動選擇,儲液罐處于低位,液體由發(fā)酵罐底部的抽液管路自流進(jìn)儲液罐內(nèi),不需要自動控制,抽液管路與增壓泵組成的液體分裝系統(tǒng),通過控制增壓泵電機(jī)的啟停進(jìn)行分裝。考慮到生產(chǎn)線的工作環(huán)境及工作特點(diǎn),選用PLC作為整機(jī)控制系統(tǒng)的控制器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計[12]。
控制系統(tǒng)以可編程控制器PLC為核心,自動完成信號采集、處理以及輸出。提升機(jī)上限位、下限位、發(fā)酵罐開蓋信號、關(guān)蓋信號、發(fā)酵罐溫度信號、儲液罐液位信號、增壓泵開關(guān)信號由PLC輸入端輸入,經(jīng)PLC處理器處理,發(fā)出相應(yīng)的輸出信號,實現(xiàn)提升機(jī)上升、發(fā)酵罐開蓋、計數(shù)、提升機(jī)放料、下降、待料、發(fā)酵罐關(guān)蓋、加熱、保溫、斷電、儲液罐液位報警、增壓泵啟停等功能,其控制框圖如圖6所示。
3 樣機(jī)試制與試驗
為驗證蔬果廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)線的設(shè)計是否符合發(fā)酵要求,項目組按手動開蓋機(jī)構(gòu)進(jìn)行了樣機(jī)試制,同時對樣機(jī)進(jìn)行了提升加料、發(fā)酵、出液等試驗,樣機(jī)如圖7所示。
3.1 樣機(jī)空動作調(diào)試
對生產(chǎn)線中鏈條提升機(jī)、發(fā)酵罐、抽液管路系統(tǒng)分別進(jìn)行了裝配調(diào)試,調(diào)試過程如圖8所示,將3套設(shè)備按合適位置擺放在一起,按發(fā)酵流程對生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)進(jìn)行了驗證調(diào)試。調(diào)試試驗主要包括鏈條提升機(jī)提升、放料、返回原位的工作時間及穩(wěn)定性,發(fā)酵罐空罐時加熱升溫情況、抽液管路的動作等,生產(chǎn)線樣機(jī)整體運(yùn)行順利。
3.2 發(fā)酵罐加料發(fā)酵試驗
采用冷庫殘次腐爛的蘋果作為原料進(jìn)行發(fā)酵試驗,對蘋果進(jìn)行簡單切塊后分層攪拌發(fā)酵菌劑加入原料桶內(nèi),由提升機(jī)分批加入發(fā)酵罐,關(guān)閉發(fā)酵罐料蓋進(jìn)行發(fā)酵試驗,試驗時間30 d,記錄相關(guān)數(shù)據(jù)收集發(fā)酵樣品。由于試驗時間在冬季,外界環(huán)境溫度較低,初始溫度達(dá)不到發(fā)酵菌自身生長的條件,啟用溫控裝置對伴熱帶進(jìn)行通電,伴熱帶熱量通過發(fā)酵罐罐體及內(nèi)部空氣傳導(dǎo)至發(fā)酵物。第1天每0.5 h記錄一次實時顯示溫度,間隔4 h短暫打開罐蓋手動多點(diǎn)測試蘋果發(fā)酵物的溫度,與傳感器顯示溫度進(jìn)行對比,兩者相差不大。后期發(fā)酵溫度達(dá)到要求后,僅對溫度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄,發(fā)酵初期溫度記錄結(jié)果顯示,通過伴熱帶加熱,罐體及預(yù)留空間中氣體升溫很快,蘋果表面溫度與罐內(nèi)空氣溫度接近,但蘋果內(nèi)部溫升較慢,在伴熱帶持續(xù)加熱10 h后,罐內(nèi)空氣溫度達(dá)到50 ℃以上,蘋果表面溫度接近30 ℃,蘋果堆體中心溫度只有19 ℃。之后每天通過監(jiān)測蘋果發(fā)酵物的內(nèi)部溫度,根據(jù)溫度反饋數(shù)據(jù)自動對罐體進(jìn)行輔助加熱,多日數(shù)據(jù)記錄表明,罐體外面的保溫層對發(fā)酵物發(fā)酵過程中能起到一定保溫效果。蘋果內(nèi)部發(fā)酵溫度達(dá)到要求范圍后停止加熱,發(fā)酵物內(nèi)微生物能夠快速繁殖,發(fā)酵溫度保持在合適的范圍內(nèi)。
3.3 測試結(jié)果
發(fā)酵試驗過程中對發(fā)酵物表面微生物生長情況定期進(jìn)行拍照記錄,微生物在發(fā)酵物表面逐漸增多,由點(diǎn)狀到覆蓋至表面大部分,第7天開始從發(fā)酵罐采樣口收集產(chǎn)生的液體樣本,記錄液體的重量、顏色、氣味等數(shù)據(jù),進(jìn)行pH、糖降解及微生物變化等數(shù)據(jù)檢測,發(fā)酵物微生物生長變化情況如圖9所示。
3.3.1 液體肥性狀、pH與糖度變化。
發(fā)酵液的pH和糖度是發(fā)酵過程中各種生化反應(yīng)的綜合指標(biāo),了解pH、糖度的變化規(guī)律、菌體的生長規(guī)律及代謝特征,判斷發(fā)酵的正常情況[13],蘋果果核發(fā)酵30 d內(nèi)生產(chǎn)出的液體肥性狀變化:發(fā)酵前期是好氧菌快速生長期,罐體大量產(chǎn)氣,液體顏色較深、水狀;發(fā)酵10 d后進(jìn)入穩(wěn)定期,發(fā)酵程度逐漸平穩(wěn),液體顏色轉(zhuǎn)淺;發(fā)酵20 d后進(jìn)入深度發(fā)酵,內(nèi)部發(fā)酵程度加劇,液體顏色逐漸加深,液體黏度逐漸增大。
蔬果廢棄物發(fā)酵產(chǎn)生的液體肥pH和糖度變化趨勢如表1。發(fā)酵前期pH快速降低,發(fā)酵中期pH保持酸性,穩(wěn)定持續(xù)到發(fā)酵后期。含糖量和pH變化一致,前期快速降低,發(fā)酵中期緩慢降低,到發(fā)酵后期糖度為5°Z左右。
3.3.2 液體肥微生物的變化。
蘋果果核發(fā)酵生產(chǎn)出的酵素液體肥細(xì)菌真菌數(shù)量統(tǒng)計如圖10。在發(fā)酵前期細(xì)菌數(shù)量較少,種類較多,主要由芽孢桿菌、假單胞菌、乳酸菌等組成,細(xì)菌數(shù)量在35×106個;而真菌數(shù)量較多,種類主要由黑曲霉組成,真菌數(shù)量在13×107個。發(fā)酵中期微生物數(shù)量提高,種類減少,主要由芽孢桿菌、乳酸菌組成,細(xì)菌數(shù)量在24×107個;真菌數(shù)量降低,種類主要由黑曲霉組成,數(shù)量在9×105個。發(fā)酵后期細(xì)菌數(shù)量顯著提高,主要由芽孢桿菌組成,細(xì)菌數(shù)量在86×108個;真菌數(shù)量減少到涂布×102未檢測到。
4 結(jié)論
從pH、可溶性糖含量、微生物數(shù)量、感官評定等方面進(jìn)行系統(tǒng)分析[14],在北方冬季低溫條件下,通過伴熱帶通電加熱,蘋果果核可以在立式保溫發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行持續(xù)發(fā)酵,果核糖分利用較徹底,蘋果果核發(fā)酵過程細(xì)菌數(shù)量顯著提高,種類單一,說明發(fā)酵反應(yīng)器和發(fā)酵過程適合芽孢菌劑的生長繁殖和進(jìn)行果核的發(fā)酵,同時發(fā)酵條件有抑制真菌的效果,可以抑制可能侵染土壤的有害真菌的繁殖。
立式保溫型發(fā)酵罐及相關(guān)配套技術(shù)可以滿足蘋果果核的發(fā)酵,發(fā)酵周期較短,發(fā)酵細(xì)菌和有益細(xì)菌生長迅速,抑制有害真菌生長,功耗較低,運(yùn)行成本低,操作簡便,適宜不同類型的果核、果渣、含水率高蔬菜廢棄物的發(fā)酵。
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