余培斌 陳建新 李彥武

(1. 江南大學工業(yè)生物技術教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學糧食發(fā)酵工藝與技術 國家工程實驗室，江蘇 無錫 214122；3. 江南大學生物工程學院，江蘇 無錫 214122)

廚余垃圾是指在日常的食品加工、食用過程中產(chǎn)生的一種有機垃圾。由于其含有大量的水分和豐富的有機質(zhì)，若自然存放，很容易腐敗變質(zhì)、污染環(huán)境。而通過技術手段將其轉化為有機肥料、飼料、燃料等，對于環(huán)境保護和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[1]。不同國家對廚余垃圾處理的政策導向及技術方法雖各有不同，但總體上都是支持廚余垃圾朝著減量化、資源化、無害化方向發(fā)展[2]。目前國內(nèi)外廚余垃圾的處理方式主要有焚燒、填埋、粉碎直排、堆肥、制作飼料、厭氧產(chǎn)氣發(fā)電等。相比以上處理方式而言，運用高溫好氧堆肥的處理工藝，將廚余垃圾轉化為能被植物所吸收利用的有機肥料，讓居民施放于自家庭院的植物地里，十分適用于家庭廚余垃圾的處理[3]。該處理方式發(fā)達國家起步較早，技術相對先進。在美國，早在20世紀40年代就已經(jīng)成功研制出了家用型食物垃圾處理機，現(xiàn)如今這種機器在美國的普及率已經(jīng)達到90%[4]。在歐洲，一些發(fā)達國家早在90年代就采用特殊顏色的收集裝置對廚余垃圾進行分類收集，從而將廚余垃圾在源頭與其它垃圾分離，這就為堆肥處理提供了有利條件[5]。根據(jù)堆肥反應器系統(tǒng)的不同通風方式、有無攪拌裝置和外形等特點，將其分為被動通風反應器系統(tǒng)、強制通風無攪拌反應器系統(tǒng)、強制通風有攪拌反應器系統(tǒng)和滾筒反應器系統(tǒng)。Rosimara等[6]研究了使用兼性堆肥箱處理走私煙草、廚余垃圾與木屑混合堆肥過程，認為兼性堆肥箱是處理走私煙草和廚余垃圾的有效方法。郭祥珍等[7]設計了一款強制通風有攪拌的堆肥箱，堆肥箱由氣缸、攪拌器、動力和驅(qū)動裝置組成。反應器的攪拌軸是中空的，攪拌葉片下有24個孔，攪拌器的設計兼顧攪拌和通風功能，應用于餐廚垃圾堆肥取得了較好的效果。Bri?ki等[8]利用高溫密閉柱式堆肥箱處理水果蔬菜等廚余垃圾。14 d后80.9%的原始底物已被生物降解。Tronina等[9]設計了一款滾筒式餐廚垃圾堆肥箱，以肉類、乳制品、牛糞為原料獲得了滿足植物生長的有機肥產(chǎn)品。

中國的廚余垃圾處理才剛剛起步，目前的處理方法主要有填埋處理(82.4%)、焚燒處理(12.9%)和堆肥處理(4.7%)[10]。雖然目前中國市場引進了較多的國外家用廚余垃圾堆肥箱，但在實際使用過程中仍然存在保溫性能差、物料難以混勻、臭味明顯、排液效果差等諸多問題。針對這一系列問題，本研究設計了一種家用小型太陽能堆肥箱，并對其空間結構進行了優(yōu)化。該裝置包括太陽能集熱板、太陽能電池板、智能控制系統(tǒng)、通風管、瀝水篩網(wǎng)、投料口等多個模塊，箱體主體材料為聚乙烯塑料，箱體有效容積為200 L。該新型堆肥箱非常適用于高溫好氧堆肥，為以后全自動堆肥設備的研制提供了新思路。

1 總體設計方案

1.1 廚余垃圾堆肥工藝

堆肥是利用自然界存在的細菌、真菌、放線菌等微生物分解有機質(zhì)而制成有機肥料的過程。隨著多年來堆肥技術的不斷進步，廚余垃圾用于堆肥的研究不斷增多，其中廚余垃圾高溫好氧堆肥處理技術以其減量快、運行費用低、操作簡單等特點，在國內(nèi)外得到廣泛青睞[11]。其主要工藝包括前處理、主發(fā)酵、后發(fā)酵和后處理等，見圖1。堆肥設備主要在主發(fā)酵和后發(fā)酵階段發(fā)揮重要作用。堆肥過程中，主發(fā)酵和后發(fā)酵是在同一個艙室中完成的，區(qū)別只是發(fā)酵程度進行的不同層面而已，當肥堆在其表面進行主發(fā)酵的同時，其深層后發(fā)酵也在持續(xù)。

圖1 堆肥工藝流程Figure 1 Composting process flow chart

廚余垃圾堆肥的前處理階段主要包括分選、破碎、配料和混合等，主要目的是為肥堆中微生物的生長提供合適的環(huán)境。由于中國廚余垃圾中油、鹽、水等含量普遍過高，因此在堆肥前，需要進行預處理。添加輔料等不但可以有效改變含水率和比重，而且還具有調(diào)節(jié)C/N比，改善肥堆通風等優(yōu)點。

主發(fā)酵是指發(fā)酵初期，微生物分解易降解有機物，產(chǎn)生二氧化碳和水的過程，這一階段大量產(chǎn)熱，肥堆溫度急劇上升。該階段嗜溫微生物異?；钴S，發(fā)揮重要作用，隨著溫度的持續(xù)上升，嗜溫微生物逐漸被嗜熱微生物取代，同時各種蟲卵及病原菌也在該階段被殺死。主發(fā)酵一般進行4～12 d。

后發(fā)酵是指將經(jīng)過主發(fā)酵的半成品繼續(xù)腐熟，緩慢降解剩余較難分解的有機質(zhì)的過程。后發(fā)酵的時間長短直接影響堆肥的使用環(huán)境，例如，要給一直未耕種過的土地施肥，一般可以不進行后發(fā)酵處理直接使用，但是對于種有作物的土地施肥，則需要后發(fā)酵20～30 d，等有機肥完全腐熟才合適。

后處理是將經(jīng)過后發(fā)酵的肥料根據(jù)需要破碎制成有機肥產(chǎn)品，同時對產(chǎn)生的臭氣進行除臭處理的過程。

1.2 堆肥箱總體布置方案

家用小型太陽能堆肥箱的系統(tǒng)設計主要包括2個部分：一是箱體(即反應器)的設計，該箱體具備控溫、通風、尾氣收集、瀝水等功能；二是太陽能集能系統(tǒng)的設計，包括太陽能水箱和太陽能光伏發(fā)電兩方面。

堆肥箱為塑料材質(zhì)，分為內(nèi)箱和保溫層。箱體外設計有控制箱，控制箱內(nèi)安裝有智能控制系統(tǒng)和蓄電池，蓄電池通過箱體上端的太陽能電池板進行充電蓄能，作為整個控制箱電能的來源。堆肥箱內(nèi)部安裝的溫度傳感器與智能控制系統(tǒng)相連，堆肥箱側邊安裝有水箱，由太陽能集熱系統(tǒng)對箱體中水進行加熱。內(nèi)部通風套管連接2支進風管，一支直接與外界相連，一支在水箱中盤管2.5圈后與外界相連，2根進風管路進口端分別連接2臺微型風機。內(nèi)箱體下端設計有瀝水篩網(wǎng)和滲瀝液排放口，上端除設計有投料口外，還有尾氣排放口和排放管路，可連接到尾氣處理裝置。

堆肥箱總體圖見圖2。堆肥箱具體操作方法為：將堆肥箱放在庭院內(nèi)陽光充足處，通過太陽能電池板為蓄電池充電備用，將家庭廚余垃圾預處理后通過投料口投入箱體中，堆肥自發(fā)進行，并在控制箱內(nèi)設定主發(fā)酵溫度及時間。主發(fā)酵階段：肥堆溫度上升，當溫度高于設定值時，智能控制系統(tǒng)啟動冷風機，向堆肥箱內(nèi)吹入冷風，當肥堆溫度降到設定值時，風機自動關閉。隨著有機物不斷分解，肥堆自身產(chǎn)熱能力降低，不足以保持較高溫度時，智能控制系統(tǒng)啟動熱風機，向肥堆內(nèi)部吹入熱風，以保持肥堆溫度。堆肥進行一段時間后，根據(jù)需要從出肥口挖出堆肥箱底部已經(jīng)腐熟的有機肥，中部及上部繼續(xù)堆肥，家庭每天產(chǎn)生的廚余垃圾由投料口投入，從而實現(xiàn)整個堆肥過程的循環(huán)。

2 主要系統(tǒng)的設計

家用堆肥箱為庭院使用產(chǎn)品，在總體結構設計時既要考慮在庭院中的美觀，又要滿足其基本功能。重點考察以下因素：

1. 太陽能電池板 2. 投料口 3. 尾氣排放口 4. 密封墊片 5. 冷凝水收集槽 6. 水箱 7. 太陽能集熱系統(tǒng) 8. 內(nèi)部通風管 9. 瀝水篩網(wǎng) 10. 廢液排放口 11. 出肥口 12. 配電箱 13. 太陽能集熱系統(tǒng)伸縮桿 14. 進風口

圖2 堆肥箱總體圖

Figure 2 Composting box overall map

(1) 結構緊湊美觀，重量合理，便于移動。

(2) 堆肥箱保溫效果好，投料取料方便。

(3) 具有尾氣處理裝置，對環(huán)境影響小，節(jié)能環(huán)保。

根據(jù)以上設計要求，將堆肥箱總體分為箱體設計、投料口設計、通風設計、瀝水篩網(wǎng)設計和尾氣處理設計等。

2.1 堆肥箱箱體設計

箱體內(nèi)箱體積：參照室外常用垃圾箱尺寸及一個堆肥周期內(nèi)家庭產(chǎn)生的廚余垃圾量，設計為200 L。

箱體內(nèi)箱形狀：溫度控制對于堆肥系統(tǒng)的影響巨大，因此必須做好堆肥箱的保溫，盡可能地減少箱體的自身散熱。Petiot等[12]研究發(fā)現(xiàn)保溫效果與反應器的外形有著直接的關系，反應器表面積和體積之比越小保溫效果就越好。在同等體積下，圓柱形有較小的表面積與體積比，其表面散熱相對較少，因此選擇圓柱形作為堆肥箱的內(nèi)箱形狀，理論上來說可以更好地防止散熱，有益于保溫。內(nèi)箱選用體積200 L的圓柱體，所以內(nèi)徑r滿足：

πr2×h=200÷90%×103。

當選取h=100 cm 時可計算出r=26.5 cm。

箱體外結構：考慮到將在箱體外部的一面嵌入太陽能集熱系統(tǒng)，因此外部設計成立方體，并對安裝有太陽能集熱系統(tǒng)端面進行傾斜，傾斜方式按照圖3(b)設置，傾斜面下端與箱體之間連接伸縮桿，根據(jù)不同地區(qū)陽光照射角度不同可以調(diào)節(jié)傾斜角度β。這種設計可以增加箱體的穩(wěn)定性，而且能夠讓太陽能集熱系統(tǒng)充分采集陽光。

圖3 堆肥箱箱體結構示意圖Figure 3 Schematic diagram of compost box structure

2.2 堆肥箱投料口設計

現(xiàn)有市場上銷售的家用小型堆肥箱與室外垃圾箱相似，多采用翻蓋式投料口，翻蓋式投料雖然開口面積大，方便了投料操作，但在翻蓋投料過程中熱量散失也較多。取2臺市場銷售的某品牌家用小型堆肥箱測試開蓋投料前后箱體內(nèi)溫度變化情況，結果見表1。

由表1可知，普通堆肥箱在加料過程中開蓋面積直接影響10 min內(nèi)溫度的變化，即開蓋面積越大，降溫幅度越大，整個系統(tǒng)熱量散失越多，箱體需要維持溫度所需要的外加能量越多，因此有必要對投料口進行重新設計，但同時還要遵循方便投料的原則。具體設計如圖4所示，原投料口增加密封條堆肥過程中處于常閉狀態(tài)，維修及清理堆肥箱內(nèi)箱時可開啟。在其頂端側面新增投料口，以每次可投加5 kg物料為原則并盡可能縮小投料口面積，以便減緩箱體內(nèi)外空氣的對流換熱，防止熱量在加料環(huán)節(jié)散失過多。

表1 全開及半開對堆肥箱溫度影響Table 1 Effect of full opening and half open on composting box temperature

圖4 設計前后堆肥箱投料口簡圖

Figure 4 A brief drawing of the feeding port of the compost box before and after the design

改進后的投料口為側邊開口，避免了冷熱空氣的直接對流傳熱，考慮到新投料口的保溫問題，因此如圖4中投料口剖面圖所示，在新投料口上安裝可上下滑動的蓋板，平時關閉，投料時滑動打開。參照Q/HMJ 0403001—2001《塑料制品設計標準》對投料口尺寸進行優(yōu)化設計，即選擇開口為150 mm×250 mm。

2.3 堆肥箱通風系統(tǒng)的設計

家用堆肥箱采用的堆肥技術為高溫好氧堆肥，堆肥過程中隨著微生物的生長繁殖，需要補充大量新鮮空氣，通過自然通風難以達到好氧堆肥工藝的要求[13]，因此堆肥箱內(nèi)箱設計為強制通風系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括內(nèi)部套管式散風管路、冷風進風管路和熱風進風管路，進風口處安裝小型風機，由控制箱智能控制系統(tǒng)控制開關，蓄電池提供電力。內(nèi)部套管式散風管路進氣結構采用2圈開孔環(huán)，通過風機導入的新鮮空氣會經(jīng)過該出風口均勻分散到堆體內(nèi)部，消除堆肥過程中供氧不足的問題，且出風口開在管路下部，投入濕物料時不易堵塞風口，結構如圖5所示。散風管路分別連接冷熱風進風管，進風管進風口處安裝風機，當堆體自身產(chǎn)熱能夠滿足堆肥溫度需求時，智能控制開啟冷風機，主要為堆體提供新鮮空氣，堆肥后期，堆體內(nèi)有機質(zhì)利用完全，微生物代謝產(chǎn)熱較少時，智能控制系統(tǒng)開啟熱風機，風機引入的新鮮空氣通過水箱中的盤管時被加熱，隨后分散進入堆體，起加熱堆體作用。

圖5 通風系統(tǒng)結構圖(單位為mm)Figure 5 Structure diagram of ventilation system

2.4 堆肥箱瀝水篩網(wǎng)設計

堆肥箱在堆肥過程中，隨著有機物的分解，會產(chǎn)生大量滲瀝液。目前市場上銷售的堆肥箱大多數(shù)沒有設計安裝瀝水篩網(wǎng)，滲瀝液無法及時排出，匯集在堆肥箱底部，影響了堆體氧氣含量，堆體內(nèi)微生物生長緩慢，易產(chǎn)生惡臭。取進口某著名堆肥箱產(chǎn)品，堆肥一段時間后，可明顯發(fā)現(xiàn)底部匯集大量滲瀝液，部分已經(jīng)從出肥口流出，且肥堆內(nèi)存在大量未被利用的有機物。

本研究設計的家用堆肥箱瀝水篩網(wǎng)以及出肥口進行了如圖6所示的幾個改進，升高出肥口位置，增加了10 mm高的下底盤，雖舍棄了一部分堆肥空間，但可以防止?jié)B瀝液從出肥口流出。瀝水篩網(wǎng)采用斜面篩網(wǎng)，在滿足結實的條件下盡可能地增加篩網(wǎng)的網(wǎng)孔，利用正三角形排布篩孔，孔間距為孔徑的5倍，孔徑為8 mm。在瀝水篩網(wǎng)較高一側安裝滲瀝液排出管路，堆肥過程中可以及時排掉滲瀝液。

2.5 堆肥箱控制電路設計

堆肥箱控制箱中安裝有蓄電池、控制器、接觸器、空開、智能控制器等，因此需要對電路進行合理設計。該電路由太陽能電池、控制器、蓄電池、時間繼電器、智能顯示調(diào)節(jié)儀、接觸器，以及風機組成。如圖7所示，在電路中使用了小功率控制器，以防止對蓄電池過分充放電，保證整個電路系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，控制器可以單獨使用也可和逆變器等一起使用。開關1、2為充放電控制開關。閉合開關1時，太陽能電板通過控制器給蓄電池充電，充電完成后開關1被切斷，需要充電時，保護模式解除，自動恢復對蓄電池的充電。開關2閉合，蓄電池向風機供電，蓄電池放電到一定程度，開關2被切斷，如此，控制器就可以很好地保護整個電路系統(tǒng)。

圖6 堆肥箱瀝水篩網(wǎng)結構圖(單位為mm)Figure 6 Structural drawing of sieve screen for composting tank leachate

圖7 堆肥箱電路圖Figure 7 Circuit diagram of composting box

本設計中，由智能控制系統(tǒng)和時間繼電器控制通風，當傳感器測量的堆肥箱內(nèi)肥堆溫度過低時，電路中熱風機接觸器閉合，堆肥箱內(nèi)堆體被熱風加熱。過高時，電路中冷風機接觸器閉合，新鮮空氣被引入同時堆體溫度降低。根據(jù)不同環(huán)境條件，可以通過電路中的時間繼電器控制通風時間。

2.6 尾氣處理系統(tǒng)設計

堆肥箱在堆肥過程中，廚余垃圾中的有機成分如蛋白質(zhì)等，在好氧微生物的作用下會產(chǎn)生有刺激性氣味的氣體NH3，在厭氧微生物作用下會分解為不徹底的氧化產(chǎn)物如含硫的化合物 H2S、SO2等和含氮的化合物如胺類、酞胺類[14]。這些氣體臭味明顯，會影響庭院環(huán)境。

氣體常用的除臭方法主要分為物理吸附和化學吸收，其中化學吸收主要是利用化學試劑和臭味物質(zhì)發(fā)生化學反應產(chǎn)生不溶物來達到除臭效果?？紤]到吸收試劑本身價格較高且更換過程繁雜，所以本研究設計的家用堆肥箱使用物理吸附的方法進行除臭，活性炭吸附是最常用的手段。為堆肥箱設計一只裝滿活性炭顆粒的除臭箱，作為輔助設備，根據(jù)堆肥過程中的實際情況選擇性使用，使用時將堆肥箱排氣管路插入除臭箱即可。結構簡圖如圖8所示。

圖8 除臭箱簡圖Figure 8 Schematic diagram of deodorization box

2.7 運行投入及使用維護

堆肥過程中的能量衡算：能量衡算主要是對整個系統(tǒng)的能量進行衡算，計算出保持系統(tǒng)正常運行所需要的能量輸入，繼而對配套設備進行合理選型。

如圖9所示為堆肥過程中的能量輸出、輸入簡圖。在計算過程中本著輸入能量選最低，輸出能量選最高的原則，將衡算時間選擇在冬季這個能耗較多且產(chǎn)能較少的季節(jié)。在堆肥箱的使用中，采用先加入近1/2的原料，使箱體的溫度自發(fā)上升到所需溫度，然后每天持續(xù)投料，模擬整個堆肥過程，選取7 d作為能量衡算的一個周期。

圖9 堆肥中的能量輸出、輸入過程Figure 9 Energy output and input process during composting

維持堆體高溫好氧堆肥的總條件是：W1+W2+W3≥W4+W5+W6+W7。

由于系統(tǒng)中能量并不能全部互相轉換，因此電能需滿足的條件是：W2≥W6+W7，熱能需滿足：W1+W3≥W4+W5。

進行熱力學分析，計算過程參考文獻[15～17]得出：W1=5.43×107J，W4=5.29×107J，W5=4.52×106J。計算出W1-(W4+W5)≥0 已經(jīng)滿足，表明在初始加料7 d之內(nèi)系統(tǒng)熱量可以滿足自給自足，即系統(tǒng)可以保持溫度的暫時穩(wěn)定。然而當只考慮原料產(chǎn)熱為后續(xù)每天投加3 kg的廚余垃圾的話。W1=7.76×106J，(W4+W5)/ 7=7.83×106J散熱已經(jīng)大于原料產(chǎn)熱，需要補充其它能量對系統(tǒng)進行熱量補償，設計中采用了太陽能光電和光熱轉化，用光熱轉化產(chǎn)生的熱能來彌補此處可能存在的能量缺口?；诖嗽瓌t，選?。和L泵(深圳市精塑光科技有限公司，4A12C25R37型)、智能控制器(浙江聯(lián)泰儀表有限公司，CHINLT-6000型)、繼電器(樂清市揚豐儀表有限公司，DH48S-S型)、太陽能電池板(光耀太陽能科技有限公司，ZJP-50wp型)。

運行投入：太陽能堆肥箱箱體設計材質(zhì)為PE+PU。保溫層填充聚氨酯硬泡沫塑料，設計使用壽命10～15年，太陽能電池板使用壽命15～20年，電子元器件使用壽命5～8年，如使用過程中損壞，需及時更換。蓄電池使用壽命3～5年，建議每3年更換一次。

使用及維護：第一次投料時，需要先添加填料，根據(jù)廚余垃圾的濕度，填料添加量為垃圾的1/3～1/2，堆肥過程中需要特別注意，冬季使用時，不能停止加料和出肥，這樣才能保證堆肥箱中微生物的活力。堆肥期間需要經(jīng)常檢查通風管路是否流暢，堆肥過程中如果出現(xiàn)肥堆含水量過高，可適當補加填料，以降低含水率。清潔堆肥箱時不可用水沖洗堆肥箱內(nèi)部，各種霉菌、真菌、放線菌等微生物都是堆肥箱中的分解者，不能把它們沖走。為了保持堆肥的延續(xù)性，建議一次出肥不要超過堆體體積的1/2。在正常的晴天，使用堆肥箱過程中，不需要額外提供能量，太陽能電池板需要定期進行清潔，以免灰塵影響光伏發(fā)電效率。持續(xù)陰雨天，水箱水溫過低時，可向水箱中加入熱水，維持堆肥箱保溫功能。同時每隔一段時間對水箱中的盤管表面污垢進行清理，以免影響熱量傳遞。除臭箱每次添加1～2 kg活性炭吸附劑，每月更新一次，堆肥后期肥堆產(chǎn)生臭氣較少，可不使用。

3 結論

本研究設計將堆肥箱與太陽能巧妙結合在一起，利用太陽能為堆肥箱保溫、通風，智能控制提供能量，不需要額外布置電纜線為堆肥箱供電。整個系統(tǒng)移動搬運方便，不受放置地點限制，十分適合庭院內(nèi)使用。新設計的瀝水篩網(wǎng)，可以及時排出滲瀝液，同時也增強了堆體通風效果。新投料口設計雖減少了投料面積，卻增強了堆肥箱保溫性能，減少了能量損失。

本研究設計的家用堆肥箱是在實驗室試驗的基礎上設計的，一些設計參數(shù)還需要在實際應用中進行優(yōu)化完善。普及推廣還需要自身的改進和社會環(huán)境的改善，包括：堆肥箱需要新設計添加輔料、脫鹽等預處理功能。根據(jù)發(fā)達國家的廚余垃圾處理經(jīng)驗，要想最大程度的提高堆肥效果還需要向堆肥箱中投入優(yōu)良的堆肥復合菌劑，因此在堆肥箱優(yōu)化設計的同時，還需要大力研發(fā)新的菌劑。廚余垃圾的資源化處理需要全民配合，也需要國家和地方出臺相關的政策指導。