基于人粪便的好氧发酵处理设备设计及试验

邢东伦，申文龙，黄允魁，杨军太，孙长征，景全荣，董世平

(中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083)

0 引言

“厕所革命”作为我国改善农村人居环境的关键国策，正在全国农村地区大力推广。源分离概念厕所是指从源头——便器入手，将粪尿单独收集、输送、处置、利用，使之不再与其他污水混合，在广大农村地区特别是缺水地区比较适宜推广应用[1]。人粪便含有大量有机物和营养物质，但也含有大量的致病菌[2-3]。采用好氧堆肥发酵人粪便可以有效杀灭粪便中的有害病菌，同时可以将粪便转化为含有丰富氮、磷等营养物质的有机肥料，从而实现无害化、资源化的目的[4-5]。研究结果表明，传统好氧堆肥周期一般为25～45 d，即传统堆肥存在堆肥温度低、堆肥周期长、堆肥环境差及堆肥质量差的问题，这也是传统堆肥得不到全面推广和应用的主要原因[6-8]。现有技术的好氧发酵设备基本是针对畜禽粪便处理，在应用过程中也存在着一些问题，如物料搅拌不均匀、存在死角；曝气不均匀、不易控制；加热不均匀，加热效率低，耗能大等[9-11]。为解决以上问题，本文设计一套智能化好氧发酵处理设备，能对人粪便快速发酵，工作环境改善，形成一个低动力高效的混合环境，物料搅拌均匀、不留死角，物料温度均匀、耗能低，物料与氧气混合度增加，有效提升了发酵效率和效果。

1 总体系统设计

本设备系统主要包括预混系统、进出料系统、发酵系统、除臭系统及智能化控制系统，如图1所示。发酵工艺采用物料自身发酵升温辅助电加热系统，通过供氧系统进行好氧发酵，使人粪便快速杀菌、发酵。通过自动控制，工艺合理，有效利用能源，效率高。

1.预混料箱 2.除臭塔 3.发酵罐 4.出料输送机 5.智能控制系统图1 人粪便好氧发酵系统设计Fig.1 Design of aerobic fermentation system for human feces

1.1 预混料箱

预混料箱如图2所示，主要功能是调整粪便的水分、碳氮比，使其达到发酵的最佳条件。设有顶盖，防止臭味、减少可视化，进而改善作业环境；设有气缸来控制顶盖的开合；箱口设有钢筋网，可以使物料下落分散均匀及减少大块杂物进入；预混箱底部设有搅拌螺旋桨叶，通过电机带动，能使粪便和辅助物料预混搅拌，并传送到进料输送带上。

图2 预混料箱Fig.2 Raw material premixing box

1.2 发酵系统

发酵罐如图3所示，设计为U形的长筒体结构，可保证被混合物料在筒体内的小阻力运动及搅拌无死角。发酵罐横向中央设有搅拌轴，如图4所示，搅拌轴通过电机减速机带动，正反旋转螺桨安装于搅拌轴上，形成一个低动力高效的混合环境，物料从两侧向中央汇集，内层螺旋将物料从中央向两侧输送，可使物料在流动中形成更多的涡流。

图3 好氧发酵罐Fig.3 Aerobic fermentor

图4 搅拌轴及螺桨Fig.4 Mixing shaft and propeller

加热保温系统包括两根电加热棒，加热棒设在发酵罐(图5)体外的加热介质箱内，通过热油旋涡泵将加热介质注入到发酵罐体的加热层内。加热层内设有导向折流板，保证导热介质在层内均匀、通畅的流动，导热层充满导热介质，较传统的导热管加热方式，导热升温快，物料温度均匀，效率高。发酵罐外层设有岩棉填充的保温层，保护温度并减少能量损耗。供氧系统包括一台空压机，通过三通连接两根进气管，进气管设在导热层内，可以使得进入物料的空气温度提高，利于物料温度的均匀性；每根进气管设有3个供氧孔，使得物料与氧气混合度增加，提高好氧发酵效率和效果。

1.发酵罐体 2.进料口 3.加热层 4.导向折流板 5.曝气孔 6.保温层 7.罐体支架 8.减速机 9.电机 10.旋涡泵11.进油管 12.曝气管 13 搅拌轴 14.出料口 15.旋转螺桨 16.回油管 17.加热介质箱 18.加热棒图5 发酵罐纵剖面和横剖面Fig.5 Longitudinal section and cross section of aerobic fermentor

1.3 除臭系统

除臭系统采用水喷淋吸附臭味的方式，除去发酵过程中的臭味，净化环境。设有风机，通过管道与发酵罐出风口连接，抽取臭气进入喷淋塔中，喷淋塔设有淋水喷头，喷淋塔底部设有水箱，通过水泵将水箱内的水送入到喷淋塔进行喷淋处理，处理后的水下沉喷淋塔底部回流到水箱内进行循环使用。喷淋塔内还设有水气分离器，使净化的气体通过喷淋塔气体出口排出。除臭塔如图6所示。

图6 除臭塔Fig.6 Deodorization tower

1.4 智能控制系统

本智能控制系统执行元件设有电磁阀、气动阀、气缸、电机等，加上传感元件、电路板、PLC等，实现操作的智能化。具体功能主要包括预混料箱盖的开关、预混设备的关停、进出料启停控制，发酵过程中的曝气、控温、搅拌等各参数的设定、自动控制，其界面如图7所示。整个发酵过程自动控制，可以达到一键操作。

图7 智能控制系统界面Fig.7 Intelligence control system

2 人粪便好氧发酵试验

结合微生物发酵特性，添加复合微生物菌剂，通过好氧发酵设备处理，使物料温度快速升高到嗜热菌活跃的温度，一般在45 ℃左右，这时高温菌活动开始反应激烈，发酵迅速进行，使人粪便快速杀菌、发酵，提高制肥效率及减少环境污染。

试验原料：含水70%的粪便；含水10%的细粉锯末；选用复合微生物菌，含低温、中温、高温菌株，富含能够强烈分解粪便的细菌、丝状菌、酵母菌、高温除臭菌等多种菌株及相关酶类，有效活菌数(cfu)/(×108/g)≥500.0。

预混合：让粪便与锯末以质量比9∶1混合均匀，调整混合物料水分在60%左右。让复合微生物菌与玉米面以1∶10混合均匀。最后混合物料与微生物菌剂进行搅拌混合均匀即可。微生物菌种的添加量为混合物料的0.02%。

预加热及发酵：通过外加热方式先让混合物料加热到45 ℃左右，这时微生物菌的活性被激活，特别是嗜热菌，可以通过自身的能量进行发酵物料，3 h后物料达到65 ℃，保持恒温下定期搅拌供氧，持续发酵48 h，然后出料。

堆肥熟化：高温发酵后的物料部分已经分解，基本无臭味，再经静止堆放7～15 d后，随着物料温度降低，低温菌会进一步分解剩余的大分子有机物，达到稳定化、腐熟化，可作为有机肥料，直接用于还田。

发酵腐熟后物料状态如图8所示，物料无臭味，呈黑褐色粉状。测得水分含量为29%，大肠菌群量<0.3 MPN/g，有机质含量为46.1%。

图8 发酵后的物料Fig.8 Fermented material

3 结论

基于人粪便设计了一套智能化好氧发酵处理设备，具有结构新颖、操作便捷和智能控制等优点：发酵系统设计的先进性，新型的搅拌设计使物料混合更均匀；设计有导向折流的加热介质层，物料升温快；设计多点进气方式，使供氧更充分有效。同时进行了人粪便好氧发酵试验，试验结果表明，该设备杀菌效果好，发酵速度快，发酵腐熟度高，在广大农村地区具有一定的应用前景和社会价值。