一种静态发酵堆肥箱的研制

凌庆成，曾庆东，郑文汉，魏子凯，刘耀明，陈立海

（1.农业农村部华南现代农业智能装备重点实验室，广东 广州 510630；2.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630；3.广东弘科农业机械研究开发有限公司，广东 广州 510630）

0 引言

2021 年1 月1 日起施行的《广东省城乡生活垃圾管理条例》规定，有机易腐垃圾应当按照农业废弃物的要求，采用生化处理等技术就地处理，直接还田、堆肥或生产沼气；2019 年10 月19 日，住房和城乡建设部《关于建立健全农村生活垃圾收集、转运和处置体系的指导意见》要求配合推动农村易腐烂垃圾就地就近堆肥处理[1-2]；2023 年5 月8 日，广东省发改委等部门发布的《广东省全面推行清洁生产实施方案（2023-2025）》指出，推广农业清洁生产模式，落实百县千镇万村高质量发展各项要求，加快推进农业清洁生产，加强农业废弃物资源化利用，持续推进禽畜粪污资源化利用，支持推广清洁养殖和粪污全量收集处理利用技术模式，鼓励在规模种植基地周边建设农牧循环型规模化畜禽养殖场，提倡粪肥就近还田利用，促进农牧结合循环发展。为探索推广液体有机肥还田、全量收集还田等模式，提升种养结合水平，针对中小型养殖场以及村镇的有机废弃物，设计一种静态发酵堆肥箱，不仅可以满足中小型养殖场的禽畜粪污以及村镇的有机废弃物就近就地无害化处理的要求，且处理后的产品符合无害化卫生标准、方便运输和施肥，还能降低处理设施装备的投资和运营成本；既符合政策导向，还可以为有机废弃物源头减量、资源化利用及无害化处理提供装备、技术支撑[3]。

1 总体结构及工作原理

静态发酵堆肥箱主要用于中小型养殖场以及村镇的有机废弃物预发酵、减量化处理，减少运输成本以及节省后端的二次发酵时间，静态发酵堆肥箱结构如图1 所示。整体结构由e-PTFE 分子膜进料门、固液耦合发酵系统、喷淋回流循环系统、微压鼓风系统、吊装勾环系统、控制系统等组成。固液耦合发酵系统整体为密闭空间，根据场景使用不同孔径的冲孔板隔离分开为上下两层，实现固液分离的目的。上层为固体发酵仓，占密闭空间的4/5，接纳固体有机废弃物发酵，底部添加粒径大的垫料用于隔离细小发酵物料，防止掉落到液体贮存发酵仓，同时方便底部的微压鼓风系统的气体透过间隙进入固体发酵仓；下层为液体贮存仓，占密闭空间的1/5，连接喷淋回流循环系统，通过该系统，液体通过水泵喷淋到固液耦合发酵系统顶部，流经固体发酵仓的发酵物料、筛网，回到液体发酵仓。鼓风曝气系统通过整体框架的不锈钢中空方管，中空方管侧面开孔进行鼓风曝气进入固体发酵仓。

图1 静态发酵堆肥箱结构图

该机工作原理为：中小型养殖场以及村镇的有机废弃物投至固液耦合发酵系统中，喷淋回流循环系统保证整套系统合适的水分以及定时喷淋提供发酵的微生物以及除臭菌液，微压鼓风系统提供氧气，为微生物营造良好的好氧发酵环境，能有效减少臭味并抑制细菌和其他病原体的滋长，确保生物安全性；有机废弃物在微生物的作用下，将有机废弃物分解消化，固体有机废弃物转变成固体有机肥，渗滤液有机废弃物转变成液体肥，达到初级无害化、减量化、资源化处理的目的。

2 关键部件设计

在静态发酵堆肥箱设计中，固液耦合发酵系统中的支撑底板作为发酵物料的重要支撑承重部件，吊装勾环系统是实现二次转运发酵的关键部件。本文按照实际参数进行模型建立，通过solidworks软件模拟支撑底板以及吊装勾环系统受力时的状态，分析两者受力时的等效应力、位移形变数据是否在合理范围内，保证两者结构的稳定性以及安全性。e-PTFE 分子膜进料门的设计是充分利用e-PTFE 分子膜大分子气体出不去，小分子气体选择性外排的特性，保留有机养分增加发酵物料产品肥效的同时降低了除臭成本；微压鼓风系统的设计关键在于分析鼓风风量与出风风量的差值，使静态发酵堆肥箱内部形成微压鼓风空间，且满足供氧需求；喷淋回流循环系统的设计在于调节发酵空间的含水率，保持正常发酵水分满足微生物的发酵需求。

2.1 固液耦合发酵系统受力分析

固液耦合发酵系统是静态发酵堆肥箱核心部分，为堆肥物料提供良好的发酵空间，内部空间的容积直接影响有机废弃物的处理量；固液耦合发酵系统的支撑底板用来盛放堆肥发酵物料，是重要支撑承重部件[4]。本模型采用了solidworks 软件对固液耦合发酵系统的支撑底板按表1 所列主要参数进行了实体模型建立，分析在满负载承重作用下支撑底板的受力响应特性，验证等效应力、变形位移是否在合理范围内，以确保支撑底板的承重能力满足实际工作需要，支撑底板受力分析试验主要参数如表1 所示[5-6]。

表1 支撑底板受力分析试验主要参数

如图2 所示，将支撑底板作为有限元网格划分对象进行网格划分，具体网格设置参数如下：划分网格的单元大小设置为50 mm，公差为2.5 mm。网格划分完成后，支撑底板的模型节点总数为21 555 个，单元总数为10 529 个。

图2 支撑底板的网格划分模型

使用solidworks 软件对物料支撑底板承重状况进行模拟，导入图2 所示的模型，选择的分析类型为静应力分析，将所有零部件的材料定义为普通碳钢，对支撑底板进行施加约束及施加载荷。模拟静态发酵堆肥箱装满物料时，底部以及支撑件受到发酵物料的重力作用，装载5 t 的物料，设计的安全系数为1.25，因此底板受到总力为62 500 N，支撑底板所受到的应力云图和变形位移图如图3 和图4 所示。普通碳钢的屈服应力为221 MPa，支撑底板模拟受力分析最大的应力为107 MPa，小于普通碳钢的屈服应力；产生的最大变形位移为0.234 mm，根据机械设计手册，变形应力、变形位移均在弹性变化范围内。模拟受力分析表明，静态发酵堆肥箱在满负载的情况下，固液耦合发酵系统的支撑底板满足承重强度要求。

图3 支撑底板应力有限元分析结果

图4 支撑底板变形位移有限元分析结果

2.2 吊装勾环系统受力分析

吊装勾环系统是静态发酵堆肥箱实现二次转运的必要结构，设计的关键在于吊装勾环系统在满负载情况下，其在吊拉过程中等效应力和变形位移是否满足在允许范围内，确保吊拉静态发酵堆肥箱的安全性以及人员安全。

使用solidworks 软件，按2.1 同样步骤，对静态发酵堆肥箱吊装勾环系统进行受力分析模拟，导入表2 所示的数据，选择的分析类型为静应力分析，将所有零部件的材料定义为Q235 碳钢，对吊装勾环系统进行施加约束及施加载荷。

表2 吊装勾环系统受力分析试验主要参数

在实际使用过程中，吊装勾环系统受到勾臂的拉力以及静态堆肥的重力作用，假设静态发酵堆肥箱装满物料时，装载5 t 的物料，设计的安全系数为1.25，根据勾臂吊拉状态，如图5 所示，受到斜向上45°的牵引拉力作用。根据模拟分析，受到的等效应力为105 MPa，变形位移0.204 mm，均在允许范围内，如图6 所示，表明在模拟条件下，设计的吊装勾环系统在满载荷条件下符合设计要求，可确保吊装时设备与人员的安全。

图5 吊装勾环系统变形位移有限元分析结果

图6 吊装勾环系统应力有限元分析结果

2.3 e-PTFE分子膜进料门设计

e-PTFE 分子膜进料门是由不锈钢支撑架以及e-PTFE 分子膜组成，与固液耦合发酵系统围闭形成1 个密闭舱体，可以隔绝发酵物料与外界环境的接触。分子膜由e-PTFE 膜配合基材组合而成，e-PTFE 夹持在两层具有防紫外线和耐腐蚀的聚氨酯基材膜中间，根据e-PTFE 分子膜的特性，均布有0.2 μm 孔径的微孔，帮助发酵系统保持温度，使堆放物中的氧气分子均匀分布，同时也是灰尘、气溶胶和微生物的有效物理屏障，阻止其向外扩散[7]。在发酵的过程中，e-PTFE 分子膜具有优良的防水、选择性透气和保温隔菌功能，有机废弃物发酵过程中产生的水蒸气和二氧化碳可透过e-PTFE 分子膜顺利排放出去，从而降低发酵物料的含水率；同时，发酵中产生的臭味大分子气体、热量、细菌和粉尘被很好地隔绝在堆体内部，而氨气、硫化氢、挥发性有机化合物（VOC）等[8]则会溶解于附着在e-PTFE 分子膜表面的冷凝水膜中，并随水滴回落到发酵堆体上，继续被微生物分解，这样就能够将发酵过程中的臭气浓度降至最低，无需外加除臭系统便解决了环保臭味的问题，还提高了产出物的肥效。

2.4 微压鼓风系统

好氧堆肥过程中需要足量的氧气维持微生物繁殖生长，以加速微生物氧化分解发酵有机物，由于静态发酵堆肥箱为密闭空间，因此选用强制微压鼓风系统[9]。微压鼓风系统由曝气风机和通风管道组成，管道亦作为内部支撑框架的方管；设计筛网底部框架两侧等间距均匀开孔，使其鼓风均匀曝气到发酵舱体各个角落，满足其发酵堆肥的氧气浓度要求[10-11]。微压鼓风系统的设计关键在于曝风量与出气量的计算，按堆体内部氧气浓度宜不小于5%，曝气风量宜为0.05～0.20 m³/min[12-13]，静态发酵堆肥箱整体密闭发酵空间为5 m³，经计算得出曝气风量范围值15～60 m³/h，堆肥分子膜的面积为10 m²。按堆肥分子膜的透气量为2.0 L/（m²/s），经计算，每小时e-PTFE 分子膜进料门的透气量为：72 m³/h，考虑到管道风损以及物料阻力，选用了风量80 m³/h 的曝气风机，形成微压空间，同时曝气风量大于透气量，满足好氧发酵微生物的曝气供氧要求。

2.5 喷淋回流循环系统设计

在本静态发酵堆肥箱的设计中大部分液体不再需要通过发酵热汽化排放，而是通过喷淋回流循环系统来循环底部渗滤液，通过隔膜泵将渗滤液回喷到固液耦合发酵系统的固体发酵仓，利用发酵渗滤液含有丰富微生物群落接种来促进固体发酵，加快固体发酵速度。同时渗滤液流经固体发酵堆体、液体下渗过程中，可以收集固体发酵部分的易溶、易挥发成分，成为渗滤液发酵养分，提升渗滤液发酵成液肥的品质质量的同时，减少固体发酵系统产生的臭气，降低除臭系统的处理难度和处理成本。本设计选用2.5 L/min 喷雾量的隔膜泵，喷淋管上等间距布置5 个喷头，通过时控开关控制喷淋时间为3 s，每小时喷淋一次，通过计算得出，喷淋量为125 mL/h，每个喷头25 mL 的喷淋量，既不会引起发酵物料的过湿，又可保持适合微生物生长繁殖的水分环境，达到快速处理发酵物料的目的[14]。

3 验证堆肥试验

为检测静态发酵堆肥箱设计是否满足堆肥要求，使用静态发酵堆肥箱进行堆肥试验。本试验采用的原料为鸡粪和木屑，进行连续堆肥性能测试。按NY/T 3442—2019 畜禽粪便堆肥技术规范中5.2 条例进行物料预处理，让禽畜粪便和辅料混合均匀，混合后的物料含水率为45%～65%。本试验以容积为5 m³静态发酵堆肥箱为例，假设中小养殖场鸡粪含水率为70%，为了获得更好的堆肥效果，与含35%水分的木屑混合，混合物料目标含水率为60%，根据自然堆积计算公式[15]：

计算得出，1 kg 鸡粪需要至少0.4 kg 的木屑，即鸡粪与木屑的比例为5：2，混合搭配混合发酵物料的含水率不超过60%，按此鸡粪与木屑比例混合，装4 m³的混合发酵物料作为试验，图7 为静态发酵堆肥箱温度曲线图。

图7 静态堆肥箱温度曲线

由图7 可知，鸡粪与木屑混合发酵物在发酵过程中，初始温度为40 ℃，经过2～4 d 的发酵时间，发酵堆体的温度迅速升高，但从试验数据来看发酵堆体的表层初始温度偏低，是由于喷淋回流循环系统的作用，渗滤液带走了部分热量到堆体的中深层，同时与e-PTFE 分子膜进料门的外部空间进行了少量热量交换，导致发酵物料堆体表层温度低于中深层。

本试验中，从第6～16 d，发酵温度保持55 ℃以上的范围波动，最高温度达到80 ℃，发酵堆体温度满足NY/T3442—2019 畜禽粪便堆肥技术规范中5.3 条例中的一次发酵情况中，通过发酵堆体曝气，使发酵堆体温度达到55 ℃以上，反应器堆肥维持时间不少于5 d 的堆肥技术要求[16]。图8 为静态发酵堆肥箱性能试验过程中的含水率曲线图。

图8 静态堆肥箱水分曲线

由图8 可知，发酵物料初始含水率为60%，堆肥试验前期，含水率迅速升高，因为喷淋回流循环系统初始添加微生物发酵菌液以及除臭菌液，用于加快堆体发酵；第8 d 后，由于e-PTFE 分子膜的作用，以及减少喷淋量，水分逐步降低，发酵堆体的表层、中层含水率降低到60% 以下，满足其发酵含水率的要求；发酵物料堆体深层的含水率依然偏大，主要原因是发酵物料堆体表层、中层的水分流回深层。

4 结论与展望

为解决中小型养殖场以及村镇的有机废弃物，实现有机废弃物就近收集、储存、初级无害化、减量化、资源化处理的目的，本文研制了一款静态发酵堆肥箱，主要结论如下。

1）通过对固液耦合发酵系统的支撑底板、吊装勾环系统进行受力分析，结果显示，静态发酵堆肥箱支撑底板与吊装勾环系统在满载荷状态下增加安全系数的条件下，所受最大等效应力为107 MPa，变形位移0.234 mm；吊装勾环系统所受到的最大等效应力为105 MPa，最大变形位移0.204 mm，根据机械设计手册，支撑底板与吊装勾环系统的变形应力、变形位移在弹性变化范围内，符合设计承重要求以及强度要求。

2）通过静态发酵堆肥箱鸡粪与木屑混合发酵堆肥试验，根据NY/T 3442—2019 畜禽粪便堆肥技术规范5.3 条例，一次发酵过程中，使堆体温度达到55 ℃以上，反应器堆肥维持时间不少于5 d。本堆肥试验发酵堆体温度达到55 ℃以上保持了10 d，符合堆肥技术规范要求。

3）e -PTFE 分子膜进料门的透气量经计算为72 m³/ h，与微压鼓风系统风机选型的曝气量为80 m³/h，曝气量略大于透气量，形成微压鼓风空间的同时满足了好氧发酵微生物的供氧需求。

本文设计的静态发酵堆肥箱在使用过程中存在发酵物料的水分偏大，影响微生物好氧发酵的现象，下一步将研究静态发酵堆肥发酵过程中含水率对微生物菌种的影响，并对喷淋回流循环系统进行优化设计；通过建立密闭环境，检测静态堆肥箱外部环境好氧发酵产生的气体变化，验证e-PTFE 分子膜进料门阻隔气体的有效性，同时对静态发酵堆肥箱出来的渗滤液液体肥以及固体肥进行检测和种植试验，验证其发酵物料产品的效果。