劉建偉 葛靜蕓 田洪鈺 史世強

摘要：針對常規(guī)糞便堆肥反應(yīng)器進(jìn)料自動化程度不高、堆肥效率低和產(chǎn)物質(zhì)量差的問題，設(shè)計并構(gòu)建出一種“連續(xù)進(jìn)料—反應(yīng)—出料”運行模式的新型多格室糞便堆肥反應(yīng)器。對反應(yīng)器的通風(fēng)單元、加熱單元進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并以廁所糞便為處理對象，進(jìn)行反應(yīng)器運行性能試驗。試驗結(jié)果表明，經(jīng)反應(yīng)器堆肥處理后，糞便臭味減弱、顏色由棕黃色變?yōu)樽睾稚蚜细邷仄冢ā?0℃）維持在6d以上，反應(yīng)器不同運行階段堆肥產(chǎn)品的種子發(fā)芽指數(shù)分別為104％、81％和128％，表明堆肥成品已實現(xiàn)完全腐熟和無害化。堆肥產(chǎn)品總養(yǎng)分、有機質(zhì)和種子發(fā)芽指數(shù)均達(dá)到相關(guān)要求。

關(guān)鍵詞：多格室堆肥反應(yīng)器；廁所糞便；好氧堆肥；反應(yīng)器；資源化

中圖分類號：S141： X705

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Design and testing of a new multi-compartment manure composting reactor

Abstract：

Aiming at the problems of low feeding automation， low composting efficiency and poor product quality of conventional manure compost reactors， a new multi-compartment manure compost reactor with a “continuous feed-reaction-discharge” operation mode was designed and constructed. The design of the reactor was optimized in terms of ventilation unit and heating unit， and the operational performance of the reactor was tested with the toilet feces as the treatment object. The test results showed that after the reactor composting treatment， the manure odor was reduced， the color changed from brownish yellow to brownish brown， the high temperature period of the compost （≥50℃） was maintained above 6d， and the seed germination index? of the compost products in different operation stages were 104%， 81% and 128% respectively， indicating that the finished compost products had been completely putrefied and rendered harmless. The indicators of total nutrients， organic matter and seed germination index in the compost products met the requirements.

Keywords：

multi-compartment composting reactor; toilet manure; aerobic composting; reactor; resourcefulness

0 引言

農(nóng)村廁所革命是推動人居環(huán)境整治、實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要組成部分，而廁所糞便處理是農(nóng)村廁所革命的重要內(nèi)容［12］。好氧堆肥作為一種常用的糞便處理技術(shù)，能夠?qū)⒓S便中的有機物轉(zhuǎn)化為富含氮、磷等營養(yǎng)元素的有機肥，同時殺滅病原微生物和寄生蟲卵，實現(xiàn)糞便的無害化、穩(wěn)定化和資源化［36］。

好氧堆肥技術(shù)包括靜態(tài)、條垛式、槽式和反應(yīng)器式堆肥技術(shù)。因具有機械化程度高、堆肥周期短、密閉性能好等優(yōu)點，反應(yīng)器式堆肥技術(shù)目前已成為糞便處理中應(yīng)用最廣泛的堆肥技術(shù)之一［78］。然而，常規(guī)的反應(yīng)器式堆肥系統(tǒng)多采用間歇運行方式，較難實現(xiàn)連續(xù)運行，且存在堆肥效率低、自動化程度不高等問題［910］。同時，由于反應(yīng)器式堆肥技術(shù)常采用單一反應(yīng)器，一次性物料投加往往會造成堆肥過程不徹底。采用上、下分區(qū)的立式堆肥反應(yīng)器，則存在反應(yīng)器上、下層溫度分布不均勻、整體堆料腐熟程度不足的問題［11］。

針對以上問題，本研究構(gòu)建出一種可連續(xù)進(jìn)、出料的新型多格室糞便堆肥反應(yīng)器。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計和運行性能試驗。研究結(jié)果可為廁所糞便堆肥設(shè)備的設(shè)計和運行提供科學(xué)依據(jù)。

1 多格室糞便堆肥反應(yīng)器設(shè)計

1.1 多格室糞便堆肥反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

多格室糞便堆肥反應(yīng)器由進(jìn)料、多格室生化、攪拌、通風(fēng)、加熱及PLC控制單元組成。

多格室生化單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。該單元由3個橫截面為U型的格室A、B、C依次串聯(lián)組成。其中，格室A前端設(shè)置自動進(jìn)料機，格室C下方設(shè)置出料口。3個格室四周均設(shè)置直徑為1mm的瀝出液排液孔，排液孔通過排液管與貯存槽連接，貯存槽內(nèi)的瀝出液達(dá)到一定液位后，可通過管道進(jìn)入尿液處理系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行處理。各格室底部均設(shè)置若干個直徑為10mm的曝氣孔，并通過氣體管路與風(fēng)機連接。

進(jìn)料單元由絞龍、料斗和步進(jìn)電機組成；攪拌單元包含電機、減速器、聯(lián)軸器、變頻器和攪拌器；而通風(fēng)單元由空氣壓縮機、調(diào)壓閥、3組電磁閥和流量計組成。多格室生化單元的頂部和底部均設(shè)置保溫層；加熱單元設(shè)置在多格室生化單元與保溫層之間，主要由電伴熱帶和溫度傳感器組成。其中，電伴熱帶安裝在多格室生化單元底部，而溫度傳感器分別設(shè)置在各格室頂部和底部。PLC控制單元由PLC控制器、進(jìn)料器、主電機、溫度變送器和氧氣傳感器組成。

1.2 多格室糞便堆肥反應(yīng)器設(shè)計

1.2.1 多格室生化反應(yīng)單元設(shè)計

多格室糞便堆肥反應(yīng)器的設(shè)計處理規(guī)模為3kg/d，堆肥周期為20d。其中，多格室生化單元為反應(yīng)器的核心部分。反應(yīng)器由長1000mm、寬400mm、高300mm的立方體和直徑400mm的半圓柱體組成，其頂部預(yù)留40L氣體空間，反應(yīng)器總?cè)莘e為142.8L。

多格室生化單元的格室A、B、C分別對應(yīng)堆肥過程的升溫、高溫和降溫期。其中，格室A主要利用嗜溫微生物對堆肥原料中可溶性有機物生化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，使得格室A內(nèi)堆料的溫度不斷上升；在格室B中，堆料溫度升至45℃以上，該格室內(nèi)占優(yōu)勢的嗜熱微生物將堆肥原料中纖維素、木質(zhì)素等難降解有機物以及格室A未降解的部分可溶性物質(zhì)進(jìn)行分解；在格室C中，占優(yōu)勢的嗜溫微生物對在A、B兩格室未能降解的難降解有機物進(jìn)一步分解，物料逐漸腐殖化并趨于穩(wěn)定。在三個格室中分別通過不同類型優(yōu)勢微生物的協(xié)同降解反應(yīng)，糞便得以高效腐殖化，同時堆肥周期明顯降低，堆肥效率得以提高。

多格室生化單元中格室A、B、C體積比為1∶2∶3，在螺旋攪拌作用下，堆肥物料依次經(jīng)過格室A、B、C，物料傳輸速度依次遞增，實現(xiàn)在各格室內(nèi)的均勻混合。

攪拌單元設(shè)置由螺旋槳葉片和棒狀葉片組成的攪拌器，其中螺旋槳葉片的作用主要是將前一格室的物料輸送至后一格室，棒狀葉片的作用主要是保證各格室內(nèi)物料的均勻混合。攪拌單元組成示意圖如圖2所示。螺旋槳葉片長度為150mm，寬度為40mm，棒狀葉片長度為190mm，在其末端有5mm長度的小齒。格室A、B、C中分別設(shè)置1、2、3組攪拌器，其中格室A設(shè)置的攪拌器為三葉片結(jié)構(gòu)，格室B、C設(shè)置的相鄰攪拌器組的葉片呈90°設(shè)置。攪拌單元攪拌器的電機功率為2.2kW，轉(zhuǎn)速為3～5r/min。

多格室糞便堆肥反應(yīng)器的格室A、B、C分別通過上、下交錯的隔板隔開。物料通過隔板之間的撥料葉片從前一格室單向傳輸至后一格室，堆肥后的成品通過格室C底部的出料口排出。

1.2.2 通風(fēng)單元

通風(fēng)單元的主要作用是為堆料提供氧氣。該單元采用間歇通風(fēng)方式，通過反應(yīng)器底部的曝氣孔與三個格室相連接。

通風(fēng)量是通風(fēng)單元關(guān)鍵參數(shù)之一，計算方法如下。

1） 有機物降解所需風(fēng)量。根據(jù)反應(yīng)器設(shè)計處理規(guī)模，每日向反應(yīng)器中投加堆肥原料3.0 kg，其中可降解有機物質(zhì)量為堆料總質(zhì)量的15%，每降解1.0 kg有機物所需的O2為1.0～1.5 kg。反應(yīng)器堆體中O2含量需保持在8%以上（空氣中O2濃度以21%計）［12］。計算公式如式（1）所示。

式中：

Vm——有機物降解每日所需風(fēng)量，m3/d；

M0——每日投加堆肥原料的質(zhì)量，3.0 kg/d；

Kv——可降解有機物的含量，取15%；

α——降解單位質(zhì)量有機物所需O2量，取1.5kg/kg；

ρ0——空氣密度，取1.29kg/m3。

計算可得有機物降解所需要風(fēng)量Vm為1.78m3/d。

2） 水分蒸發(fā)所需風(fēng)量?；旌隙逊试虾蕿?0%～65%，堆肥產(chǎn)品的含水率低于30%。在不考慮堆料微生物反應(yīng)產(chǎn)生H2O和瀝出液外排的情況下，反應(yīng)器每日蒸發(fā)水量為1.05kg。設(shè)定反應(yīng)器內(nèi)溫度為55℃、環(huán)境溫度為25℃，經(jīng)過堆肥反應(yīng)后，單位體積空氣攜帶的飽和水蒸汽中H2O的含量為103g/m3。由此計算得出，水分蒸發(fā)所需的風(fēng)量Vw為10.2m3/d。

比較Vw和Vm值，本設(shè)計的通風(fēng)量取10.2m3/d，反應(yīng)器采用每30min通風(fēng)5min的方式，因此通風(fēng)量為42.46L/min 。一般認(rèn)為，好氧堆肥過程適宜的含水率為50%～60%［13］。根據(jù)格室A、B、C的分區(qū)反應(yīng)機理，其中格室A、B的主要作用是維持反應(yīng)的適宜溫度和濕度以促進(jìn)堆料快速腐熟，而格室C的主要功能是保證堆料水分的去除，因此，在設(shè)計中格室A、B、C分別選擇不同的通風(fēng)量。

1.2.3 加熱單元

多格室生化單元的底部和頂板分別設(shè)置100mm厚的巖棉卷材組成的保溫層，加熱單元設(shè)置在多格室生化單元與保溫層之間。當(dāng)多格室生化單元頂板溫度低于45℃時，自動開啟電伴熱帶加熱，當(dāng)溫度超過55℃時，即刻停止加熱。

加熱功率根據(jù)熱平衡分析進(jìn)行計算，即當(dāng)反應(yīng)器溫度達(dá)到平衡時，輸入熱量等于輸出熱量。其中，輸入熱量包括生化反應(yīng)熱Qm、電加熱Qd，輸出熱量包括保溫層熱傳導(dǎo)散熱Qr、水蒸氣的汽化潛熱Qw、熱對流散熱Qa、和原料加熱Qf。設(shè)定反應(yīng)器內(nèi)溫度為55℃、環(huán)境溫度為0℃，對輸入和輸出熱量進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表1所示。

依據(jù)熱力學(xué)平衡公式：Qr+Qw+Qa+Qf=Qm+Qd，計算得出，反應(yīng)器需要通過電加熱Qd輸入的熱量為8.37MJ/d，需要的加熱功率為97W。在此電加熱功率條件下，可以保持反應(yīng)器55℃的恒溫條件。

2 多格室糞便堆肥反應(yīng)器性能試驗

2.1 試驗材料

以北京市通州區(qū)某村鎮(zhèn)的農(nóng)村旱廁糞便為處理對象，研究多格室糞便堆肥反應(yīng)器的運行性能。以稻殼為調(diào)理劑，糞便和稻殼的組成如表2所示。

2.2 試驗方案

堆肥反應(yīng)器性能試驗為連續(xù)性，反應(yīng)器運行時間共計60d。其中1～5d為啟動階段，僅對各格室內(nèi)的物料進(jìn)行少量通風(fēng)和攪拌，不進(jìn)行進(jìn)、出料；從第6d開始，反應(yīng)器開始分3個階段運行。每日投加堆肥物料的質(zhì)量為3kg，各階段的運行時間和堆料配比如表3所示。

堆肥腐熟度評價指標(biāo)主要分為3大類：生物學(xué)指標(biāo)、物理學(xué)指標(biāo)和化學(xué)指標(biāo)。本試驗以物理學(xué)指標(biāo)（堆料顏色、溫度）和生物學(xué)指標(biāo)（種子發(fā)芽指數(shù)）為指標(biāo)，對堆肥產(chǎn)物進(jìn)行腐熟度評價，檢測堆肥產(chǎn)品的總養(yǎng)分、有機質(zhì)和種子發(fā)芽指數(shù)GI指標(biāo)。

2.3 指標(biāo)測定方法

反應(yīng)器內(nèi)堆肥物料溫度的測定采用在線監(jiān)測方法，即通過反應(yīng)器頂部和底部設(shè)置的溫度傳感器監(jiān)測，利用PLC控制系統(tǒng)實時記錄堆肥物料溫度。

種子發(fā)芽指數(shù)通過取樣后實驗室分析測定，測定方法參照NY 525—2021《有機肥料》標(biāo)準(zhǔn)［14］。

總養(yǎng)分（TN、P2O5、K2O）的測定根據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY 525—2021《有機肥料》中規(guī)定的方法［14］。

3 結(jié)果與分析

3.1 堆料的顏色和性狀變化

堆料顏色和性狀可以作為堆料腐熟度的標(biāo)志之一。腐熟堆料顏色一般呈深褐色、性狀呈疏松狀、干燥，無惡臭氣味。圖3為反應(yīng)器運行各個階段，不同格室內(nèi)堆料的顏色及變化。

圖3結(jié)果顯示，從格室A、B到格室C，堆料顏色由棕黃色變?yōu)樽睾稚?，可見顏色逐漸加深，且物料濕度也逐漸降低，這表明隨著堆肥反應(yīng)的進(jìn)行，堆料的腐熟度逐漸提高。在格室C中，堆肥物料的顏色為棕褐色，堆料的表觀粒徑較小、整體較為疏松、穩(wěn)定性較好，表明在格室C中，堆肥物料已相對較為腐熟。

3.2 堆料溫度的變化

溫度不僅影響堆肥微生物的代謝活性，對堆料水分蒸發(fā)和干燥起重要作用，從而影響物料的堆肥效果［15］。圖4顯示了在60d堆肥試驗過程中，反應(yīng)器內(nèi)不同格室的溫度變化情況。

從圖4可以看出，在試驗期內(nèi)，格室A、格室B和格室C內(nèi)的平均溫度分別為39.0℃、49.8℃和27.8℃，分別對應(yīng)堆肥過程的升溫期、高溫期和降溫期。堆料在格室C中的溫度相對穩(wěn)定在28℃～30℃，說明在此格室中，堆料已基本穩(wěn)定。

一般來說，當(dāng)堆肥溫度在高于50℃的條件下持續(xù)5～7d后，才能實現(xiàn)堆料的無害化［16］。本試驗中，在第Ⅰ階段，格室B的堆肥溫度一直高于50℃，在第Ⅱ階段，格室B的堆肥溫度高于50℃的天數(shù)達(dá)6d，而在第 Ⅲ 階段，格室B的堆肥溫度也一直維持在45℃～50℃。因此，在反應(yīng)器運行的大部分時間內(nèi)，格室B中的堆肥溫度均保持在相對較高值，從而能夠較好地促進(jìn)堆料的腐熟。

3.3 堆肥成品腐熟度檢測

堆肥產(chǎn)品作為重要的肥料或土壤改良劑，其植物生長試驗是評價產(chǎn)品腐熟度的重要依據(jù)之一。種子發(fā)芽指數(shù)GI能夠直觀反映堆肥成品的腐熟度，一般情況下，當(dāng)GI≥50%時，認(rèn)為堆肥產(chǎn)品基本腐熟，當(dāng)GI>80%時，說明堆肥產(chǎn)品已完全腐熟［1718］。

對該反應(yīng)器不同堆肥階段末期的堆肥產(chǎn)品各項指標(biāo)進(jìn)行檢測，結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，試驗階段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的堆肥產(chǎn)品中總養(yǎng)分（TN、P2O5、K2O）、有機質(zhì)和GI指標(biāo)均達(dá)到NY 525—2021《有機肥料》中有機肥料的指標(biāo)要求。其中，反應(yīng)器三個運行階段堆肥產(chǎn)品的GI值分別為104％、81％和128％，均高于80%，說明反應(yīng)器三個運行階段的堆肥產(chǎn)品均已實現(xiàn)完全腐熟［14］。新型多格室糞便堆肥反應(yīng)器能夠較好實現(xiàn)廁所糞便的無害化和資源化。

3.4 經(jīng)濟性評價

堆肥周期、建設(shè)費用和運行費用是影響堆肥技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)。研究了試驗運行期間新型多格室糞便堆肥反應(yīng)器的堆肥周期、建設(shè)費用和運行費用，結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出，新型多格室糞便堆肥反應(yīng)器與現(xiàn)有研究者設(shè)計的反應(yīng)器在堆肥周期上相比，家用轉(zhuǎn)鼓式人糞便堆肥箱和梨形筒式好氧堆肥反應(yīng)器在處理糞便的堆肥周期均為30d，則本堆肥反應(yīng)器縮減了堆肥周期，降低了處理能耗［1819］。在物料成本方面，糞便堆肥反應(yīng)器普遍采用鋸末為調(diào)理劑，而本試驗堆肥反應(yīng)器則選擇稻殼，稻殼不易降解，能在反應(yīng)器中長期保持初始狀態(tài)，是比較理想的調(diào)理劑，而且在農(nóng)村地區(qū)稻殼相對鋸末會更廉價易得［20］。此外，新型多格室糞便堆肥反應(yīng)器在每日電費僅為5.59元的條件下，實現(xiàn)糞便無害化處理，同時每日還可產(chǎn)生0.92kg的有機肥產(chǎn)品，達(dá)到糞便污染物資源化處理和利用的目的。

綜上，從處理性能、技術(shù)和經(jīng)濟方面考慮，新型堆肥多格室糞便堆肥反應(yīng)器具有較好的推廣和應(yīng)用優(yōu)勢。

4 結(jié)論

1） 設(shè)計并構(gòu)建出包括進(jìn)料、多格室生化、攪拌、通風(fēng)、加熱及PLC控制單元的新型多格室糞便堆肥反應(yīng)器。多格室生化反應(yīng)單元采用三格室結(jié)構(gòu)，對廁所糞便進(jìn)行分區(qū)處理，并實現(xiàn)“進(jìn)料—反應(yīng)—出料”的連續(xù)運行。根據(jù)設(shè)計處理規(guī)模，對各單元的參數(shù)進(jìn)行了確定。

2） 進(jìn)行了反應(yīng)器運行性能的試驗研究。結(jié)果表明，經(jīng)反應(yīng)器堆肥處理后，堆料臭味減弱，顏色由棕黃色加深為棕褐色，腐熟程度高，且堆料溫度≥50℃的天數(shù)在6d以上，符合堆肥無害化要求。不同運行階段堆肥產(chǎn)品的種子發(fā)芽指數(shù)分別為104％、81％和128％，說明堆肥產(chǎn)品已完全腐熟。堆肥產(chǎn)品中總養(yǎng)分、有機質(zhì)和種子發(fā)芽指數(shù)均達(dá)到NY 525—2021《有機肥料》指標(biāo)要求。新型多格室糞便堆肥反應(yīng)器在堆肥周期和運行費用上與現(xiàn)有的堆肥反應(yīng)器相比具有一定的優(yōu)勢。新型堆肥多格室糞便堆肥反應(yīng)器在處理廁所糞便方面，具有較好的推廣和應(yīng)用優(yōu)勢。

參 考 文 獻(xiàn)

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