一種農村戶用型旋轉自攪拌堆肥箱的研制

龍翰威 劉飛 王冰 鄭吉澍 李萍 任桂英

摘要?隨著人居環境整治的不斷深入，廣大農村地區環境面貌得到了明顯改善，但日常生活垃圾處理仍普遍采用簡單堆放的處理方式。基于此，研制了一種農村戶用型旋轉式自攪拌、自保溫、自通風補氧的堆肥箱，以滿足廣大農村地區單個家庭堆肥需要。該堆肥箱可以提高堆肥效率，改善人居環境，并為后續產品的研發提供技術指導與借鑒。

關鍵詞?戶用型，堆肥箱，旋轉，自攪拌

中圖分類號?S22文獻標識碼?A

文章編號?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

隨著城市化進程的不斷加快，生活垃圾也日益增多，據資料顯示生活垃圾中生物質垃圾比例為50%～60%，具有含水率高、有機質含量高和易腐爛降解等特性[1] ，這些垃圾將給原本脆弱的農村生態系統帶來嚴重的災難。常見的垃圾處理技術有焚燒、衛生填埋、好氧堆肥及厭氧發酵[2]。農村餐廚垃圾以及庭院落葉、動物排泄物均屬于生物質垃圾，目前大多采用露天堆放發酵的方式進行堆肥處理，這種傳統的發酵方式在日曬雨淋和自然風力作用下將導致其生物肥料中的有效成分大量流失，與此同時，發酵過程中產生的惡臭對居住環境也會帶來非常嚴重的影響。市面上常見的堆肥裝置大多采用靜置式密閉塑料桶結構，這種結構未對廢棄物進行均勻攪拌、未保證應有發酵溫度，從而導致廢棄物發酵程度不均，同時由于密閉處理將導致廢棄物進行厭氧發酵而非好氧反應，從而產生有機酸和氮氧化物等惡臭氣體。電機帶動攪拌雖然以實現了攪拌功能[3]，但箱體材料成本也會因此大幅增加，同時還需要為該堆肥箱牽線供電，并不適合在農村大面積推廣使用。堆肥箱的堆肥過程是一個高溫好氧過程，微生物不斷生長繁殖[4]，采用加熱裝置和小型風機可以實現高溫和空氣流通，但對整機結構也提出了新的要求[5]。筆者研制的一款堆肥箱能夠輕松實現攪拌兼顧保溫與通風，能夠產出合格的有機肥，是踐行我國“一控、兩減、三基本”目標，治理農村污染的有效解決方案，可以發揮治污染減化肥的積極推動作用。

1?總體結構設計及工作原理

1.1?總體結構

堆肥箱由內筒、保溫棉、外筒、保溫棉端蓋、內、外筒端蓋、軸、軸承座（帶軸承）、機架止動銷等組成，其結構簡圖如圖1所示。其中，內筒的里層焊接有8塊長80 mm、寬50 mm、厚2 mm的不銹鋼片，鋼片在內筒里螺旋排列。內筒的端蓋與保溫筒端蓋、外筒端蓋處均分別設有16個直徑5 mm的通風孔。單個內筒的體積為56 L，兩筒并排串聯在軸上，都可獨立繞軸自由轉動，每個外筒上設置有3個把手，兩筒之間設有長度30 mm的間隔套。

1.2?工作原理?堆肥箱工作時鎖緊萬向輪，使整個堆肥箱處于水平穩定狀態。通過手動轉動把手，在筒體轉動過程中，內筒里的混合物在8塊不銹鋼薄鋼片的作用下相互切削、攪拌，由此大塊的混合物被切削、撞擊，最終被切碎、切斷從而實現生物質物料細碎化和均勻混合。為保證筒體內的混合物能被充分發酵，每間隔1～2 d對外筒進行一輪充分的物料翻轉。由于軸上設置有2個筒體，可一筒完成填裝后，再對另一筒進行填裝，2個筒體分批次交替使用，以保障筒內的物料實現充分發酵。堆肥箱總質量≤260 kg，機架底部安裝有萬向輪，便于轉運，適宜移動使用。

2?主要零部件的設計

2.1?內筒的設計

由于盛裝的混合物含有水分和油污，發酵過程中還可能產生酸性物質，所以內筒采用SUS304不銹鋼材料制作而成。304不銹鋼可以耐800 ℃左右的高溫，且具有良好的加工性能好，廣泛使用于工業和醫療等領域。該內筒直徑400 mm，長460 mm，筒壁開有260 mm×260 mm的方孔用于盛裝和排出廢物。在內筒的內部均布焊接8塊厚1 mm、長5 mm的不銹鋼片，以保證筒體在旋轉過程中不銹鋼片可以對堆肥箱內的混合物進行有效切削，從而實現對混合區的物料均勻混合。在筒體的底部布置滲濾液溢出孔，以安裝滲濾液調控閥門。堆肥箱內筒結構如圖2所示。

2.2?保溫筒的設計

研究發現，在自由發酵過程中保持適當的溫度可以提高顆粒態有機物水解速率。針對農村餐廚廢棄物的性狀，研究采用珍珠棉進行筒壁貼體包裹。珍珠棉（EPE）是一種近些年發展起來的新型環保的包裝材料，具有隔水防潮、抗震、隔音、保溫等優點，被廣泛用作保溫包裝材料[6]。保溫筒直徑400 mm，長460 mm ，在端蓋出均布有16個直徑5 mm的圓孔，方便空氣在可控條件下進入筒內，以實現好氧發酵的順利進行。

2.3?機架與軸的設計

機架是支撐整個堆肥箱的關鍵部件，同時由于堆肥箱在堆肥過程中，需要外部力量驅動以旋轉堆肥箱，所以要求整個機架具有足夠的剛性，保證設備受力時仍保持平穩狀態。機架采用30 mm×30 mm×2.5 mm的304不銹鋼方管彎制而成。由于機架滿載負荷為120 kg，為確保機架擁有足夠的剛性，分別機架的底部和背后焊接3根加強筋以確保整機的穩定性。堆肥箱機架結構如圖3所示。

在機架的兩端安裝軸承座，堆肥箱的主軸采用45鋼制作而成，主軸長1 230 mm，直徑30 mm，主軸貫穿2個內筒和間隔套與軸承連接在一起。45鋼是一種優質碳素結構鋼，與普通A3鋼相比具有更高的強度，抗變形能力。內筒與主軸連接處打上密封膠，以避免滲濾液隨著內筒的轉動而失控流出筒體，從而導致環境污染。

2.4?端蓋的設計?為保證整個堆肥箱能充分進行有氧發酵，分別在內筒、外筒、保溫筒的端蓋上均布設16個直徑5 mm的圓形通風孔，并保證3個部件上所有的端蓋孔能夠很好地對應重合，串成通孔后實現筒內外氣體交換以補充氧氣。內端蓋與內筒體通過焊接進行連接，保溫筒夾在外端蓋與內端蓋之間，并填充緊密。外端蓋與筒體采用密封膠連接。堆肥箱端蓋結構如圖4所示。

3?試驗結果與分析

設計完成后，通過試制樣機并對樣機進行堆肥試驗。此次試驗選用豬糞與食堂餐廚垃圾的混合物料進行試驗，并將此次設計的旋轉式自攪拌堆肥箱與普通靜置式堆肥箱盛裝物料進行對照試驗。連續5 d向2種堆肥箱投入等批量的有機廢棄物混合原料，10 d后觀察堆肥箱內物料的性狀變化情況。堆肥箱實物圖如圖5所示，試驗結果如表1所示。

從表1可以看出，采用旋轉式自攪拌堆肥箱可以有效切碎廢棄物中的大規格物質，并能有效減少混合物的含水量，有機物料大部分完成切碎和降解，混合物在氧氣的作用下進行有氧發酵，因此無明顯刺激性氣味。

堆肥箱的堆肥效果是評價堆肥箱堆肥性能好壞的重要指標。將餐廚垃圾、畜禽糞便進行無害化、資源化處理后為植物提供源源不斷的有機肥[7]，這也是綠色農業一直提倡和引導的處理方式。為評價旋轉式堆肥箱堆肥后的腐熟度，開展種子發芽試驗。目前種子發芽試驗被認為是評價堆腐產品無害腐熟最具說服力的方法。種子發芽指數綜合反映了堆肥的植物毒性，被認為是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度評價指標[8-9]。

該試驗用堆肥浸出液進行種子發芽試驗。同時，為保證試驗的科學性，選取蒸餾水進行參照試驗。通過試驗測出種子發芽率指數，如表2所示。

從表2可以看出，使用堆肥箱堆肥的種子發芽指數高于傳統堆肥，說明其腐熟度更高，堆肥效果更好。

4?結論與討論

該試驗結果表明，通過設置雙筒結構的農村戶用型旋轉式自攪拌、自保溫、自通風補氧堆肥箱，實現了對不同種類和性狀的有機廢棄物進行分散處理，不僅提高了處理的效率，而且實現了單個堆肥載體內發酵進程的相互獨立、批次處理，內筒設置的不銹鋼片可以對大規格狀的混合物進行有效切碎和攪拌，輔之保溫筒的接入，從而確保堆肥發酵的熟化程度和均勻性，端蓋設置的通風孔確保了廢棄物發酵過程中的氧氣供給，減少厭氧發酵的發生，從而明顯減少惡臭的產生，滲濾液孔及其閥門和引流管還能夠有效分離和導流發酵過程中產生的滲濾液，避免滲濾液無序流動而導致的環境污染。

現場的堆肥試驗表明，適當的氧氣供應是有利于堆肥的腐熟，基于此在后續同類產品的研發過程中應該設計更加優異的通風裝置，以提高堆肥腐熟程度。同時，還應考慮向堆肥中添加菌劑來縮短堆肥腐熟進程，并有效殺滅病原體。

該新型堆肥箱提供了農村有機廢棄物的資源化轉化利用的新方案，實現了有機肥自制自用，從而減少化肥施用，特別是對改善鄉村人居環境起到了積極的推動作用，同時也為后續產品研發提供技術借鑒。

參考文獻

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