家用转鼓式人粪便堆肥箱的设计与试验研究

2020-10-27孙金风杨智勇胡永凉

湖北工业大学学报 2020年5期

孙金风, 李炎，杨智勇，胡龙，胡永凉

(1 湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉 430068； 2 上海泽宁环保科技有限公司，上海 201304)

人粪便中除含有大量氮、磷等营养元素外，还含有大量的致病菌等污染物，严重危害人体健康[1]。目前，我国城镇主要使用水冲厕所，农村主要使用的是旱厕[2]，均没有对人粪便进行特别的处理，不但浪费了水资源，而且浪费了粪便中大量的营养元素。将粪便进行堆肥处理，不仅能够消灭人粪便内有害致病菌，而且能够将人粪便转化为有机肥料，实现对人粪便无害化、资源化的处理[3]。目前，市面上缺乏家用人粪便堆肥箱。本文设计的一种家用堆肥箱，布局合理，操作方便，具有自动进料、自动堆肥、固液分离等功能。

1 家用堆肥箱总体设计

1.1 堆肥方法的选择

堆肥是利用含有肥料成分的动植物遗体或排泄物，加上泥土和矿物质堆积，在高温、多湿的条件下，经过发酵腐熟、微生物分解而形成的一种有机肥料[4]。家用堆肥箱采用好氧堆肥工艺进行堆肥，好氧堆肥反应过程中会产生高温，能够有效灭杀待堆肥物中的致病菌，使堆肥产物变得更加的安全和稳定[5]。

1.2 堆肥箱的设计要求

家用堆肥箱在进行设计时既要满足其堆肥的基本功能，在外观上也要符合人的审美要求。因此，堆肥箱应该具有以下几点：1)结构紧凑,满足一般家庭放置条件；2)自动进料，自动堆肥，使用方便；3)具有固液分离功能；4)密闭性好；5)满足好氧堆肥的要求；6)造价合理，运输方便，满足一般家庭的消费需求。

1.3 堆肥箱总体规划方案

堆肥箱主要由箱体、进料系统、堆肥搅拌系统、加热系统、通风系统以及控制系统组成。

图1为堆肥箱总体结构图。进料系统安装在堆肥箱箱体左侧。堆肥转鼓横陈于箱体内部，堆肥转鼓底部设有两个接料盘，左侧接料盘收纳从漏水孔中漏出的固体物质，右侧接料盘收纳已堆好的肥料。加热系统由风热装置和辅热装置组成。辅热装置安装在堆肥箱体底部，风热装置固定安装在堆肥箱体左侧进料端下部。通气系统由进气口、排气口和风扇组件组成，进气口位于堆肥箱箱体右端，排气口位于堆肥箱箱体左侧顶部，风扇设在排气口内侧，排气口外侧接有排气管道。

堆肥箱具体工作流程：堆肥箱进污管与真空马桶相连，当真空泵启动信号传入控制系统，真空泵将粪便污水导入堆肥转鼓内，控制系统控制电机驱动进料丝杆运转，将堆肥辅料输送到堆肥转鼓内部。控制系统接有时间继电器，每个小时控制堆肥转鼓旋转一次，使转鼓内部堆肥物料得到均匀搅拌，混合，便于堆肥。在堆肥过程中，控制系统控制排气口排气小风扇运转，促进堆肥转鼓内部空气循环，为堆肥过程提供所需氧气。出肥时，整个过程只需打开出料口盖，转动堆肥转鼓即可完成出肥，出的肥料由接料盘接收。

1-进料系统；2-排气口；3-堆肥转鼓；4-漏水孔；5-出料口； 6-进气口；7-排水口； 8-接料盘； 9-加热系统； 10-进污管图1 堆肥箱总体结构

2 家用堆肥箱主要系统设计

2.1 箱体设计

堆肥箱的箱体材料为聚丙烯加30%的玻璃纤维，长度1137 mm，宽度708 mm,高度745 mm，能够满足一般家庭的放置条件。箱体内部设有空腔，箱体分为上腔盖和下腔体。图2为堆肥箱箱体三维图。在上腔盖上设有观察口，方便观察堆肥箱内部运转情况。在下箱体上，设有两个取料口，取料的时候只需要打开取料口盖，取出接料盘即可。考虑到堆肥箱良好的密闭性要求，观察口、取料口以及上腔盖和下腔盖的闭合处，都安装有密封条，保证堆肥箱良好的密封条件。

图2 堆肥箱体

2.2 进料系统设计

堆肥辅料是指为了保证堆肥过程顺利进行，提高堆肥产品质量，而在待堆肥物中添加的辅助物料[6-7]。家用堆肥箱进料系统采用螺旋进料方式，进料系统主要由料斗、电机、螺旋丝杆组成。进料系统长216 mm，宽147 mm,高173 mm，料斗体积约为0.0047 m3，进料能力为0.0175 t/h。图3为进料系统三维图。进料系统的原理是利用螺旋丝杆的旋转，让堆肥辅料与螺旋面产生相对运动，由于堆肥辅料受到料槽或输送管道间摩擦力的作用不与螺旋叶片一起转动，导致堆肥辅料沿螺旋丝杆作轴向运动，从而实现堆肥辅料的输送。

图3 进料系统

2.3 搅拌系统设计

堆肥搅拌系统主要由减速电机、传动齿轮、堆肥转鼓组成。图4为堆肥搅拌系统示意图。为了使堆肥箱结构更加的紧凑，堆肥搅拌系统采用齿轮传动，从动轮为转鼓自身齿轮。传动齿轮参数为：模数m1=8,齿数z1=10，从动轮参数为：模数m2=8，齿数z2=70，传动比为7，减速电机转速9.3 r/min，电机转矩6 N·m。

1-传动齿轮;2-减速电机；3-电机安装板;4-进料口；5-转鼓齿轮；6-出料口; 7-漏水孔图4 堆肥搅拌系统

家用堆肥箱整个堆肥过程在转鼓内部进行。转鼓采用聚乙烯材料(简称PE)滚塑制成，PE材料的性质既满足堆肥的条件，也能一定程度上减小转鼓的自重，降低电机功耗。转鼓总长1077 mm，转鼓筒体长度801 mm，转鼓中间内径590 mm，转鼓筒体体积约0.195 m3，转鼓满载情况下堆肥物料体积应少于转鼓体积的1/2，约60 kg。

由图4显示，筒体齿轮位于转鼓左侧，安装时与传动齿轮啮合。转鼓靠近左侧进料端的筒壁上设有一圈附有过滤筛网及滤纸的漏水孔，起固液分离的作用。转鼓筒体形状为非标准圆柱体，远离进料端的直径小于进料端的直径，便于转鼓内的液体汇聚到漏水孔区域。转鼓右端筒壁上设有一个出料口，堆肥时呈密封状态，出料时打开出料口盖即可。

2.4 加热系统设计

家用堆肥箱加热系统包含两部分：辅热装置和风热装置。图5是加热系统示意图，(a)为辅热装置，辅热装置由加热托盘、保温棉、加热板、散热铝板和密封圈等组成。(b)为风热装置，风热装置由风扇和加热圈组成。

加热系统的使用条件:1)当环境温度较低时，打开辅热装置，增加堆肥箱内温度，促进堆肥。2)当堆肥箱固液分离后的污水量较大时，打开风热装置，促进污水蒸发，能在一定程度上解决污水排放问题。

1-散热铝板；2-密封圈；3-加热板；4-保温棉；5-加热托盘；6-风扇;7-加热圈图5 加热系统

2.5 通风系统设计

好氧堆肥过程中随着微生物的生长繁殖，需要大量的氧气，通过自然通风难以达到好氧堆肥的工艺要求[8-10]。因此，家用堆肥箱设计了强制通风系统。

通风系统的设计中的关键在于通风量的计算。好氧堆肥过程中，通风量主要作用于两方面：1)堆肥过程中微生物分解有机物消耗的部分；2)去除堆体中多余水分所消耗的部分。计算时按照堆肥转鼓所能容纳的最大物料量计算，即堆肥物料填充堆肥转鼓体积的1/2，物料重量约为60 kg。微生物分解有机物所需通风量

(1)

式中：M0为堆肥物料总质量，kg；Wm为堆肥物料含水率，取60%；Vm为挥发性固体的含量，取90%；Kv为可以降解的有机质，12%；Z0为空气中氧气的质量分数，为21%；ρa为标准大气压下空气密度，为1.29 kg/m3。

由式(1)计算可得微生物分解有机物所需通风量为9.6 m3，采用定时定量的通风30 d，计算得微生物降解所需实际通风量为0.22 L/min。

经过好氧堆肥过程，成品有机肥料的含水率应该低于30%[11],本次计算按含水率30%计算，已知堆肥开始时，堆肥物料重量为60 kg，去除堆体多余水分所需通风量

(2)

Mw=M0Sp+M0(1-Wm)VmKvSp-MpWn

(3)

V去除水分=Mw/αρ

(4)

式中:Mp为堆肥后物料质量，kg；Wn为堆肥后物料含水率，%；Mw为堆肥中去除水的质量，kg；Sp为堆肥过程中产水率，为60%；α为排气去除水分率，取0.104；ρ为55℃下氧气密度，为0.828 kg/m3。

由式(2)计算得出堆肥后物料质量为35.68 kg，由式(3)计算得出堆肥过程中去除水的质量为26.9 kg。结合式(2)，(3)，(4)可计算出去除堆体中多余水分所需通风量约为312 m3，采用定时定量的通风30 d，计算得出去除堆体中多余水分所需实际通风量为7.2 L/min。经过计算得出微生物降解所需通风量为0.22 L/min，因此，通风系统理论通风总量为7.42 L/min。

2.6 控制系统的设计

堆肥箱的进料和堆肥过程由控制系统自动进行。图6是堆肥箱控制电路图。控制系统主要由开关电源，电路板，转鼓电机，风扇和运行维护开关等组成。在控制电路中，开关电源的作用是将输入电压220 V转化为系统所需要的电压。该电路中输出电压为24 V。控制系统主要实现的功能：1)当用户使用厕所时，真空泵信号传递给控制电路，控制电路控制进料电机和转鼓电机运转，实现进料和堆肥的自动功能。2)控制电路控制通风系统风扇运转，为堆肥过程提供氧气。3)控制电路中设置有运行维护开关，打开维护开关，堆肥转鼓转动完成出肥。

图6 堆肥箱控制电路

3 堆肥转鼓静力学分析

在家用堆肥箱设计中，堆肥转鼓是一个关键部件，转鼓中既进行物料的混合和堆肥反应，也承载了物料的重量，容易发生形变等破坏，因此转鼓一定要保证足够的刚度和强度。为了便于计算，对转鼓模型进行简化，使用Ansys Workbench软件对转鼓进行静力学分析，分析堆肥转鼓在静力学下的应力分布和变形情况，便于对堆肥转鼓的优化设计提供指导意见。

1)定义材料属性由堆肥转鼓的设计可知，转鼓材料选用聚乙烯(PE)，材料属性见表1[12]。

表1 堆肥转鼓材料(PE)属性

2)施加约束及载荷利用软件对模型进行约束，为满足实际需要，对结构两端进行Cylindrical Supprt约束。根据分析，转鼓运行所受到的载荷包括齿轮载荷和重力载荷，重力载荷包括转鼓自重和堆肥物料自重。本文模拟堆肥转鼓在受自重载荷，传动齿轮扭矩为6 N·m，堆肥物料载荷60 kg下的应力和变形情况。

3)结果分析根据以上计算条件，可得计算结果，由图7可以看出，最大变形量为0.960 mm，产生在传动齿轮顶部，转鼓变形量都小于此最大变形量。转鼓所受的最大应力为5.797 MPa，产生在转鼓齿轮与传动齿轮啮合处。由表1可知，材料的屈服强度为30 MPa，大于转鼓所受的最大应力，因此，转鼓在载荷60 kg的情况下不会发生屈服破坏，符合设计要求。

图7 转鼓静力学分析云图

4 堆肥箱性能试验

4.1 试验设计

为了检测家用堆肥箱设计是否满足堆肥要求，使用堆肥箱进行堆肥性能试验，该试验探讨了堆肥过程中相关理化指标的变化情况，包括堆体温度、pH值、氧气浓度和种子发芽指数(GI)。

本次性能试验所采用的原料由人粪便和锯末组成。马桶，真空泵和堆肥箱组成完整的堆肥体系。堆肥性能试验为连续性试验，即每天添加新鲜粪便到堆肥箱中，粪便按每次400 g计算，控制系统控制进料系统加入堆肥辅料的时间，粪便与堆肥辅料按体积比1∶1加入堆肥箱进行混合。粪便与锯末相关参数如表2所示[13]。

表2 人粪便与锯末相关参数

4.2 相关理化指标测定方法

1)堆体温度使用温度探测器检测堆体温度，每天记录2次数据，间隔时间6 h，每次平行记录多组数据，取平均值，持续时间30 d。

2)堆体pH值每天从堆体中取10 g样品，用蒸馏水配成固液比1∶5的悬浮液，利用摇床振荡30 min后，放置10 min，取最上面的一部分液体，用pH检测计检测，持续时间30 d。

3)氧气浓度将气体检测仪的探头伸入堆肥箱的排气口15 cm处，读取稳定后的数据，每天记录2次数据，每次间隔6 h，每次平行记录多组数据，取平均值，持续时间30 d。

4)堆肥腐熟度检测堆肥腐熟度的检测可以通过计算种子发芽率实现。

具体操作步骤如下：

1)堆肥成品与蒸馏水按照1∶10的体积比配置，振荡40 min，在5000 r/min的转速下离心，过滤后提取上清液。收集滤出液，摇荡均匀后形成堆肥浸提液。

2)在培养皿中放入2张相同直径的滤纸，灭菌后放入12粒大小一致、活性一致的小白菜种子，注入10 mL的堆肥浸提液，以注入无菌去离子水的试验为对照，在常温下培养一周，统计根长和发芽率，发芽指数

4.3 试验结果分析

1)堆肥温度变化图8所示为家用堆肥箱性能试验过程中的温度变化图。由图可知，堆肥前期，堆体温度迅速升高，在第6天达到最高温度67℃ ，之后一直到第20天，温度一直在60℃以上的范围内波动，在第26天，温度下降到50℃以下。粪便高温好氧的无害化要求为堆体温度在50℃以上持续5～7 d[14]，而在性能试验中，堆体温度在50℃以上明显大于5～7 d，满足高温好氧堆肥的无害化要求。

图8 堆肥温度变化图

2)堆体pH值变化图9所示为家用堆肥箱性能试验过程中pH值的变化图。由图可知，堆体初始pH为7.9，堆肥前期，堆体pH值迅速下降，在第6天pH最低下降到4.3，之后pH值一直在4.3～5.9范围内波动，在第20天 pH值开始回升，直到试验结束，pH值恢复到7.9左右。根据相关研究[15]，pH值7.9 满足作为有机肥料的条件。

图9 堆肥pH值变化

3)氧气浓度变化图10所示是家用堆肥箱性能试验中氧气浓度变化图。由图可知，堆肥前期，氧气浓度迅速下降，在第6天氧气浓度下降到最低约14%，之后一直到试验结束，氧气浓度都在14%～15%之间波动，研究表明[16]，好氧堆肥反应中氧气浓度保持在5%～15%之间较为合适。同时也验证了家用堆肥箱通风系统的设计满足好氧堆肥过程中所需氧气的要求。

图10 堆肥氧气浓度变化

4)堆肥成品腐熟度检测种子发芽试验能够很直观反映堆肥成品腐熟情况[16]。种子发芽指数(GI)是判断堆肥成品腐熟度的有效指标。植物在未腐熟的堆肥成品中生长会受到毒性抑制，这些毒性主要来源于乙酸等低分子量有机酸和大量的氨、多酚等物质。研究发现[17]，当GI>50%,可以认为堆肥成品腐熟度适合植物生长，当GI>80%时，则说明堆肥成品已完全腐熟。表3为本次种子发芽试验结果，结果显示，GI为89.77%>50%，说明家用堆肥箱堆肥成品已完全腐熟。