一种用于处理厨余蔬菜垃圾的智能型好氧堆肥桶

黄品文 任蓓斐 方可沁 樊一甫 宋雨

摘要：当前智能化程度较高的厨余蔬菜类好氧堆肥桶较少，利用物理知识，本文构建了一种专用为厨余蔬菜的智能型好氧堆肥桶。它不仅可以做到厨余蔬菜的自主堆肥，在预处理阶段，更是在一定程度上实现了自动化获取厨余蔬菜初始含水量数值，并根据测得的含水量以自动添加一定重量的秸秆和微生物制剂的方式实现厨余蔬菜含水量和C/N比的调节与后续发酵进程速率的加快。

关键字：智能型;好氧堆肥;厨余蔬菜

1 研究背景

当前，具有无害化和资源化双重作用的高温好氧堆肥技术是世界范围内处理固体有机废弃物的有效技术，但其众多的研究仍旧集中在畜禽粪便、污泥和城市垃圾等方面，在厨余蔬菜上则少之又少，这与厨余蔬菜堆肥过程中需要更高的温度来杀死潜在的致病菌、本身又含有抑制堆肥進程的过高的含水率和过低的C/N比有着很大关系。当前，虽然一些前沿的技术已经较大程度地克服了这些问题，可以实现厨余蔬菜的高效率好氧堆肥，但仍然存在堆肥预处理过程复杂、对于不同含水率下的厨余蔬菜物料配比方式单一以及正式发酵时搅拌欠充分、通气不均匀、含水率难控制等问题。

基于上述现状，本文构建了一种专用为厨余蔬菜的智能型好氧堆肥桶。它不仅可以做到厨余蔬菜的自主堆肥，在预处理阶段，更是在一定程度上实现了自动化获取厨余蔬菜初始含水量数值，并根据测得的含水量以自动添加一定重量的秸秆和微生物制剂的方式实现厨余蔬菜含水量和C/N比的调节与后续发酵进程速率的加快。除此以外，我们还对存放秸秆和微生物制剂的料仓设置了物料不足提醒。在正式发酵阶段，我们更是创新性地制作了一种螺带-螺杆式搅拌通气系统，可实现搅拌更充分，通气更均匀，并将其与氧气传感器和氨气传感器相联，针对发酵室内的各种情况实时调整通气条件。相应地，我们还有排风装置和紧急泄气阀，分别用于正常排放鼓入的空气和当排风装置失灵时的紧急排气。考虑到好氧堆肥的过程中会产生各种臭气和滤液，我们还在桶的外侧增添了一个除臭装置和一个渗滤液搜集系统。

2 设计结构及原理

本堆肥桶主要由原料预处理系统、正式发酵系统、处理系统和控制系统构成。

2.1 原料预处理系统

原料预处理系统包括厨余蔬菜搅碎装置和秸秆与微生物制剂自动配比装置。

2.1.1 厨余蔬菜搅碎及除水兼含水率检测装置

一般地，适合厨余蔬菜好氧堆肥的粒径大小为5-10mm，但是通常未经处理的厨余蔬菜粒径都在20-40mm，这显然超出了最适范围，我们小组的同学便认为有必要增添电动机等其他设备先对厨余蔬菜进行搅碎处理。此外，在搅碎部件下设置一面底部有压力传感器，中心可靠一根旋转杆实现180度旋转的平台。在其之下，是利用离心作用制成的蔬菜-水分离装置，并均在呈放干蔬菜和水的底部装上压力传感器，测得含水率。相比于当前主流的堆肥反应器，相关技术人员通常要单独取出样品，放烤箱里烘烤，这会大大增加人工作业量，我们小组研制的含水率检测装置就智能化多了。

2.1.2 秸秆与微生物制剂自动配比装置

好氧堆肥的条件包括物料合适的含水率和C/N比等。其中，含水率应当达到50%到60%，合适的C/N比在20到40之间，然而，未经处理的厨余蔬菜含水率则可能高达90%，C/N比在10左右。因此，我们还需要对厨余蔬菜进行含水率和C/N比的调整。目前，较为普遍的做法是通过添加一定数量的秸秆来降低含水率和提高C/N值，再增添1/8秸秆重量的微生物制剂来加快后续的堆肥速率。然而，现有的关于厨余蔬菜的好氧堆肥器很少会先单独测量它的含水率，而是直接将其默认为90%，然后再根据90%的含水率来配比秸秆和微生物制剂。显然，这种不精确的估计会在一定程度上削弱堆肥的效果。在这里，我们小组的成员做了改进和创新。我们按照比例关系，设定，每加入x千克的厨余蔬菜，测得的含水率为y，则分别加1，616（xy-0.55x）kg的秸秆和0.202（xy-0.55x）kg的微生物制剂，就可将含水率降到55%，并且C/N比处在最佳堆肥区间内。当然，具体的控制还要借助安放在用于储存秸秆和微生物制剂仓底端的压力传感器和其他电气控制模块。

2.2 正式发酵系统

正式发酵系统包括螺带-螺杆搅拌通气设备、鼓风机、排风机、三组氧气传感器和温度传感器和一个氨气传感器。由于好氧堆肥反应要求氧气浓度始终大于5%，并通气，且通气的速率和频率应当随着温度的上升而加大，我们小组设计30到40度的时候每4个小时搅拌+通气30分钟;40到50度的时候每3个小时搅拌+通气40分钟;超过50度时候每2个小时搅拌+通气45分钟。此外，如果检测到氨气的量剧增，就说明通风量过大并且已经造成了氮素的流失，此时应适当减少通气量。鼓风机与螺带-螺杆式的搅拌桶器设备相联。

2.3 处理系统

包括利用活性炭吸附性的除臭装置和滤出液收集系统。

2.4 控制系统

作品控制系统采用Arduino控制芯片对采集数据进行处理，并对电机进行相关控制。

本作品中共有四个传感器，分别是温度湿度传感器，压力传感器以及氧气浓度传感器，采用RS454协议与控制芯片进行数据传输。并对数据进行处理控制继电器以及专用电机控制芯片进行进行，以达到装置的需求。

狭义上，由于这种新型的可用于处理厨余蔬菜垃圾的堆肥桶具有自动化程度高、最终堆肥效果好、对环境无污染、安全性能高并且成本低的五大优点，非常适用于家庭、食堂的厨余蔬菜垃圾处理。广义上，又因为城市公园内和道路两旁种植的树木其掉落的叶片以及在运输过程中因部分组织腐烂而被丢弃的蔬菜化学成分及理化特征与厨余蔬菜垃圾的化学成分及理化特征相近，该种堆肥桶也可用于城市公园景观及道路凋落叶片还有菜市场废弃蔬菜的堆肥化处理，应用前景十分美好。