家庭用自动厨余堆肥机设计

2018-06-25刘孟夫郭英祺韦建吉麦永强曾庆东

现代农业装备 2018年2期

刘孟夫，郭英祺，韦建吉，麦永强，曾庆东

（广东省现代农业装备研究所，广州 510630）

0 引言

广东省现代农业装备研究所根据达诺式（DANO）滚筒原理，自主研发了无动力式厨余堆肥罐[1]。如图1所示，该堆肥罐通过人工转动把手，由滚轮带动罐体滚动，通过内部抄板和固定的卧式搅拌轴共同作用，实现罐内物料搅拌混合，以排气、排水孔方式进行简单通风和排出堆肥水，并采用双层罐体夹保温层结构，为堆肥提供合适的发酵环境。

图1 无动力式厨余堆肥罐

该无动力式堆肥罐处理能力为1~2 kg/d，发酵过程中，罐内最低温度为35℃，最高温度为65℃，稳定后温度为38~50℃，物料湿度为43%~54%，能够达到好氧发酵及灭菌初步要求。

但是，由于该无动力式堆肥罐为纯机械设备，物料搅拌过程需要大量手动操作，若停止操作1~2 d，物料温度就会迅速下降至30℃左右，且由于减少搅拌操作，发酵仓内水分无法主动排出，物料堆体内部产生结块厌氧，形成死罐，较难启动再次发酵，还伴随臭气产生。另外，作为面对家庭的设备，堆肥罐在操作时罐体整体转动，把手位置与周边物体容易发生碰撞，故无动力式厨余堆肥罐在家庭的实用性有所欠缺。

为解决上述问题，对设备的执行机构进行改进设计，并添加了基于传感器的自动控制系统。

1 气箱式厨余机的执行机构

1.1 搅拌轴

虽然无动力厨余堆肥罐对人工操作的依赖性较高，但其卧式搅拌轴搅拌效果较好，应予以保留；为了消除罐体转动时与环境产生干涉的风险，将搅拌方式由堆肥罐的罐体带动物料绕固定轴及桨叶转动，改为搅拌轴在固定罐体内转动搅拌物料，如图2所示。该搅拌轴通过减速电机及链轮驱动，保证了物料与搅拌轴间的相对运动，使得物料在发酵过程中能够搅拌均匀。

图2 厨余堆肥机的搅拌机构

1.2 保温及加热

堆肥机较堆肥罐增加了曝气系统，在确保有氧发酵的同时，还加速了发酵仓内的空气流动，带走了堆体的热量，不利于堆体的发酵，因此堆肥机在发酵仓底部安装了加热保温模块。考虑到能耗，堆肥机采用温度传感器检测发酵仓内物料温度（主要控制依据）及外部环境温度（辅助控制），当温度低于设定阀值时，加热负载才启动，而当物料被加热到预期阀值时，加热模块停止工作。由于堆肥是一个周期较长的过程，因此加热模块不需要在短时间内迅速加热，其功率选择尽可能小，只需保证最大加热温度即可（加热速率与散热速率平衡），因此，厨余机加热采用的是低功率的硅胶电热片，如图3所示。

图3 气箱式厨余堆肥机硅胶电热片

为保证硅胶电热片产生的热量大部分被物料吸收，而不是向外界环境散热，发酵仓外壁整体用保温棉包裹。

1.3 曝气

原堆肥罐采用排气孔结构进行简单的被动通风，因此在罐体内部气压不足（如发酵堆体温度较低），或外部气压过高时（如下雨天），堆肥产生的湿润气体无法排出，外部空气也无法进入罐体内部为发酵补充氧气。同时，湿润气体在罐体内运动，冷却后形成冷凝水回流到堆体中，使堆体水分升高，达不到出料标准。因此，堆肥机在发酵仓底部增设了气箱机构，采用风机从发酵仓顶部主动抽风，通过湿度传感器读取物料湿度与环境湿度，对风机启停进行辅助控制，这一设计使得堆肥机在给堆体增氧的同时，还排出发酵仓内多余水分。同样，为减少热量流失，气箱结构整体用保温棉包裹，如图4所示。这一设计已获国家实用新型专利授权（专利号：ZL 201720845120.0）。

图4 厨余堆肥机的曝气箱

1.4 除臭系统

即使设备提供了物料发酵的合适条件，但由于投料类型完全由使用者决定，当投入了一些难以发酵的物料时，堆体不可避免地会产生一些臭气，故本设计在曝气系统抽气端与排气端间增加了UV灯管杀毒及活性炭吸附臭气过滤环节，对臭气进行简单处理，如图5所示。

1.5 整机结构

基于上述设计思路，最终整机结构如图6所示。为使设备方便移动和固定，设备底部加装了带锁紧机构的万向轮。

图5 厨余堆肥机的除臭系统及风路示意

2 气箱式厨余机的电控逻辑

2.1 控制逻辑

针对家庭式这一使用特点，厨余堆肥机的设计不是面向专业使用者，而是面向没有或仅有少量堆肥知识的普通居民。因此，堆肥的操作应当力求简单，且容错率高，故必须在堆肥机中增加基于传感器的电控系统，使发酵过程能够在既定程序的控制下进行。

图6 厨余堆肥机整机

现阶段厨余机采用单片机，通过预置逻辑实现对发酵过程中搅拌、加热及曝气负载的控制，如图7所示。

2.2 操作界面及模式转换

图7 厨余机自动运作常规逻辑

堆肥是一个复杂的微生物活动过程，因此很难采用单一的设备运作模式处理不同的堆肥状况。更重要的是，堆肥过程中，有些参数我们无法使用传感器去感知，如物料是否有臭味产生、是否有局部板结现象，这些现象只能依靠使用者进行主观判断，并基于其判断对厨余堆肥机进行一些简单的操作。对于非专业使用者来说，简单的操作具有两层含义：一是操作动作简单，二是与控制面板间的交互简单。

因此，厨余机的操作版面只设置“开关”、“除臭”和“除湿”三个按键供用户操作。而屏显方面，显示的是“物料温度”、“环境温度”、“环境湿度”，而“物料湿度”由于采用探头间电流值进行测量，搅拌过程中探头间物料情况时刻在变化，且具体数值对于非专业用户意义不大，故通过“过干”或“过湿”指示灯显示，仅为用户提供操作参考，如图8所示。

在常规模式下，厨余机通过预置逻辑保证发酵正常运行；当用户投入过湿物料导致发酵仓内出现水珠或物料板结时，可按下“除湿”键；当用户感觉厨余机产生臭味时，可按下“除臭”键；三个按键间的操作转换及厨余机整体运行逻辑如图9所示。

图8 厨余机操作界面

2.3 其他辅助功能

由于厨余机所有自动控制均是基于传感器进行的，因此为确保厨余机始终正常工作，针对环境温度、环境湿度、物料温度及物料湿度传感器的短路与开路状态，会在显示屏中显示E1~E8的故障代码，并同时关闭部分相应负载，以确保安全。

图9 厨余机模式转换逻辑图

除预设的逻辑算法外，厨余机还有面向研究人员的自设定时间模式，通过操作面板的组合按键，可进入设定模式，按实验需求设定各负载启停时间，便于研究适宜不同种类厨余堆肥的环境条件。

3 实施效果

为验证改进效果，对厨余堆肥机和手动式堆肥罐进行相似实验验证[1]：分别在两个发酵仓内加入约15 L的蘑菇渣，启动厨余堆肥机，让堆肥机在常规模式下运行，从第二天开始，每天投料前记录物料温度及湿度，然后将1 kg新厨余垃圾加入发酵仓中，连续测量25 d。测得物料发酵温度曲线和物料水分含量如图9—10所示。