一种农村户用型旋转自搅拌堆肥箱的研制

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　　摘要 随着人居环境整治的不断深入，广大农村地区环境面貌得到了明显改善，但日常生活垃圾处理仍普遍采用简单堆放的处理方式。基于此，研制了一种农村户用型旋转式自搅拌、自保温、自通风补氧的堆肥箱，以满足广大农村地区单个家庭堆肥需要。该堆肥箱可以提高堆肥效率，改善人居环境，并为后续产品的研发提供技术指导与借鉴。
　　关键词 户用型，堆肥箱，旋转，自搅拌
　　中图分类号 S22文献标识码 A
　　文章编号 0517-6611（2020）06-0191-03
　　Abstract With the deepening of the renovation of human settlements environment， the environment in the vast rural areas has been significantly improved， but simple stacking is still widely used in daily life garbage disposal. Based on this， a rotary composting bin with selfmixing， selfinsulation and selfventilation for household use in rural areas was developed，in order to meet the needs of individual household composting in rural areas. The composting bin could improve the composting efficiency， improve human settlements， and provide technical guidance and reference for subsequent product development.
　　Key words Household type，Composting bin，Rotating，Selfstirring
　　随着城市化进程的不断加快，生活垃圾也日益增多，据资料显示生活垃圾中生物质垃圾比例为50%～60%，具有含水率高、有机质含量高和易腐烂降解等特性[1] ，这些垃圾将给原本脆弱的农村生态系统带来严重的灾难。常见的垃圾处理技术有焚烧、卫生填埋、好氧堆肥及厌氧发酵[2]。农村餐厨垃圾以及庭院落叶、动物排泄物均属于生物质垃圾，目前大多采用露天堆放发酵的方式进行堆肥处理，这种传统的发酵方式在日晒雨淋和自然风力作用下将导致其生物肥料中的有效成分大量流失，与此同时，发酵过程中产生的恶臭对居住环境也会带来非常严重的影响。市面上常见的堆肥装置大多采用静置式密闭塑料桶结构，这种结构未对废弃物进行均匀搅拌、未保证应有发酵温度，从而导致废弃物发酵程度不均，同时由于密闭处理将导致废弃物进行厌氧发酵而非好氧反应，从而产生有机酸和氮氧化物等恶臭气体。电机带动搅拌虽然以实现了搅拌功能[3]，但箱体材料成本也会因此大幅增加，同时还需要为该堆肥箱牵线供电，并不适合在农村大面积推广使用。堆肥箱的堆肥过程是一个高温好氧过程，微生物不断生长繁殖[4]，采用加热装置和小型风机可以实现高温和空气流通，但对整机结构也提出了新的要求[5]。笔者研制的一款堆肥箱能够轻松实现搅拌兼顾保温与通风，能够产出合格的有机肥，是践行我国“一控、两减、三基本”目标，治理农村污染的有效解决方案，可以发挥治污染减化肥的积极推动作用。
　　1 总体结构设计及工作原理
　　1.1 总体结构
　　堆肥箱由内筒、保温棉、外筒、保温棉端盖、内、外筒端盖、轴、轴承座（带轴承）、机架止动销等组成，其结构简图如图1所示。其中，内筒的里层焊接有8块长80 mm、宽50 mm、厚2 mm的不锈钢片，钢片在内筒里螺旋排列。内筒的端盖与保温筒端盖、外筒端盖处均分别设有16个直径5 mm的通风孔。单个内筒的体积为56 L，两筒并排串联在轴上，都可独立绕轴自由转动，每个外筒上设置有3个把手，两筒之间设有长度30 mm的间隔套。
　　1.2 工作原理 堆肥箱工作时锁紧万向轮，使整个堆肥箱处于水平稳定状态。通过手动转动把手，在筒体转动过程中，内筒里的混合物在8块不锈钢薄钢片的作用下相互切削、搅拌，由此大块的混合物被切削、撞击，最终被切碎、切断从而实现生物质物料细碎化和均匀混合。为保证筒体内的混合物能被充分发酵，每间隔1～2 d对外筒进行一轮充分的物料翻转。由于轴上设置有2个筒体，可一筒完成填装后，再对另一筒进行填装，2个筒体分批次交替使用，以保障筒内的物料实现充分发酵。堆肥箱总质量≤260 kg，机架底部安装有万向轮，便于转运，适宜移动使用。
　　2 主要零部件的设计
　　2.1 内筒的设计
　　由于盛装的混合物含有水分和油污，发酵过程中还可能产生酸性物质，所以内筒采用SUS304不锈钢材料制作而成。304不锈钢可以耐800 ℃左右的高温，且具有良好的加工性能好，广泛使用于工业和医疗等领域。该内筒直径400 mm，长460 mm，筒壁开有260 mm×260 mm的方孔用于盛装和排出废物。在内筒的内部均布焊接8块厚1 mm、长5 mm的不锈钢片，以保证筒体在旋转过程中不锈钢片可以对堆肥箱内的混合物进行有效切削，从而实现对混合区的物料均匀混合。在筒体的底部布置渗滤液溢出孔，以安装渗滤液调控阀门。堆肥箱内筒结构如图2所示。
　　2.2 保温筒的设计
　　研究发现，在自由发酵过程中保持适当的温度可以提高颗粒态有机物水解速率。针对农村餐厨废弃物的性状，研究采用珍珠棉进行筒壁贴体包裹。珍珠棉（EPE）是一種近些年发展起来的新型环保的包装材料，具有隔水防潮、抗震、隔音、保温等优点，被广泛用作保温包装材料[6]。保温筒直径400 mm，长460 mm ，在端盖出均布有16个直径5 mm的圆孔，方便空气在可控条件下进入筒内，以实现好氧发酵的顺利进行。 　　2.3 机架与轴的设计
　　机架是支撑整个堆肥箱的关键部件，同时由于堆肥箱在堆肥过程中，需要外部力量驱动以旋转堆肥箱，所以要求整个机架具有足够的刚性，保证设备受力时仍保持平稳状态。机架采用30 mm×30 mm×2.5 mm的304不锈钢方管弯制而成。由于机架满载负荷为120 kg，为确保机架拥有足够的刚性，分别机架的底部和背后焊接3根加强筋以确保整机的稳定性。堆肥箱机架结构如图3所示。
　　在机架的两端安装轴承座，堆肥箱的主轴采用45钢制作而成，主轴长1 230 mm，直径30 mm，主轴贯穿2个内筒和間隔套与轴承连接在一起。45钢是一种优质碳素结构钢，与普通A3钢相比具有更高的强度，抗变形能力。内筒与主轴连接处打上密封胶，以避免渗滤液随着内筒的转动而失控流出筒体，从而导致环境污染。
　　2.4 端盖的设计 为保证整个堆肥箱能充分进行有氧发酵，分别在内筒、外筒、保温筒的端盖上均布设16个直径5 mm的圆形通风孔，并保证3个部件上所有的端盖孔能够很好地对应重合，串成通孔后实现筒内外气体交换以补充氧气。内端盖与内筒体通过焊接进行连接，保温筒夹在外端盖与内端盖之间，并填充紧密。外端盖与筒体采用密封胶连接。堆肥箱端盖结构如图4所示。
　　3 试验结果与分析
　　设计完成后，通过试制样机并对样机进行堆肥试验。此次试验选用猪粪与食堂餐厨垃圾的混合物料进行试验，并将此次设计的旋转式自搅拌堆肥箱与普通静置式堆肥箱盛装物料进行对照试验。连续5 d向2种堆肥箱投入等批量的有机废弃物混合原料，10 d后观察堆肥箱内物料的性状变化情况。堆肥箱实物图如图5所示，试验结果如表1所示。
　　从表1可以看出，采用旋转式自搅拌堆肥箱可以有效切碎废弃物中的大规格物质，并能有效减少混合物的含水量，有机物料大部分完成切碎和降解，混合物在氧气的作用下进行有氧发酵，因此无明显刺激性气味。
　　堆肥箱的堆肥效果是评价堆肥箱堆肥性能好坏的重要指标。将餐厨垃圾、畜禽粪便进行无害化、资源化处理后为植物提供源源不断的有机肥[7]，这也是绿色农业一直提倡和引导的处理方式。为评价旋转式堆肥箱堆肥后的腐熟度，开展种子发芽试验。目前种子发芽试验被认为是评价堆腐产品无害腐熟最具说服力的方法。种子发芽指数综合反映了堆肥的植物毒性，被认为是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度评价指标[8-9]。
　　该试验用堆肥浸出液进行种子发芽试验。同时，为保证试验的科学性，选取蒸馏水进行参照试验。通过试验测出种子发芽率指数，如表2所示。
　　从表2可以看出，使用堆肥箱堆肥的种子发芽指数高于传统堆肥，说明其腐熟度更高，堆肥效果更好。
　　4 结论与讨论
　　该试验结果表明，通过设置双筒结构的农村户用型旋转式自搅拌、自保温、自通风补氧堆肥箱，实现了对不同种类和性状的有机废弃物进行分散处理，不仅提高了处理的效率，而且实现了单个堆肥载体内发酵进程的相互独立、批次处理，内筒设置的不锈钢片可以对大规格状的混合物进行有效切碎和搅拌，辅之保温筒的接入，从而确保堆肥发酵的熟化程度和均匀性，端盖设置的通风孔确保了废弃物发酵过程中的氧气供给，减少厌氧发酵的发生，从而明显减少恶臭的产生，渗滤液孔及其阀门和引流管还能够有效分离和导流发酵过程中产生的渗滤液，避免渗滤液无序流动而导致的环境污染。
　　现场的堆肥试验表明，适当的氧气供应是有利于堆肥的腐熟，基于此在后续同类产品的研发过程中应该设计更加优异的通风装置，以提高堆肥腐熟程度。同时，还应考虑向堆肥中添加菌剂来缩短堆肥腐熟进程，并有效杀灭病原体。
　　该新型堆肥箱提供了农村有机废弃物的资源化转化利用的新方案，实现了有机肥自制自用，从而减少化肥施用，特别是对改善乡村人居环境起到了积极的推动作用，同时也为后续产品研发提供技术借鉴。
　　参考文献
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