劉孟夫，郭英祺，韋建吉，麥永強(qiáng)，曾慶東

（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630）

0 引言

廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所根據(jù)達(dá)諾式（DANO）滾筒原理，自主研發(fā)了無(wú)動(dòng)力式廚余堆肥罐[1]。如圖1所示，該堆肥罐通過(guò)人工轉(zhuǎn)動(dòng)把手，由滾輪帶動(dòng)罐體滾動(dòng)，通過(guò)內(nèi)部抄板和固定的臥式攪拌軸共同作用，實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)物料攪拌混合，以排氣、排水孔方式進(jìn)行簡(jiǎn)單通風(fēng)和排出堆肥水，并采用雙層罐體夾保溫層結(jié)構(gòu)，為堆肥提供合適的發(fā)酵環(huán)境。

圖1 無(wú)動(dòng)力式廚余堆肥罐

該無(wú)動(dòng)力式堆肥罐處理能力為1~2 kg/d，發(fā)酵過(guò)程中，罐內(nèi)最低溫度為35℃，最高溫度為65℃，穩(wěn)定后溫度為38~50℃，物料濕度為43%~54%，能夠達(dá)到好氧發(fā)酵及滅菌初步要求。

但是，由于該無(wú)動(dòng)力式堆肥罐為純機(jī)械設(shè)備，物料攪拌過(guò)程需要大量手動(dòng)操作，若停止操作1~2 d，物料溫度就會(huì)迅速下降至30℃左右，且由于減少攪拌操作，發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)水分無(wú)法主動(dòng)排出，物料堆體內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)塊厭氧，形成死罐，較難啟動(dòng)再次發(fā)酵，還伴隨臭氣產(chǎn)生。另外，作為面對(duì)家庭的設(shè)備，堆肥罐在操作時(shí)罐體整體轉(zhuǎn)動(dòng)，把手位置與周邊物體容易發(fā)生碰撞，故無(wú)動(dòng)力式廚余堆肥罐在家庭的實(shí)用性有所欠缺。

為解決上述問(wèn)題，對(duì)設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并添加了基于傳感器的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 氣箱式廚余機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1.1 攪拌軸

雖然無(wú)動(dòng)力廚余堆肥罐對(duì)人工操作的依賴性較高，但其臥式攪拌軸攪拌效果較好，應(yīng)予以保留；為了消除罐體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與環(huán)境產(chǎn)生干涉的風(fēng)險(xiǎn)，將攪拌方式由堆肥罐的罐體帶動(dòng)物料繞固定軸及槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，改為攪拌軸在固定罐體內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌物料，如圖2所示。該攪拌軸通過(guò)減速電機(jī)及鏈輪驅(qū)動(dòng)，保證了物料與攪拌軸間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得物料在發(fā)酵過(guò)程中能夠攪拌均勻。

圖2 廚余堆肥機(jī)的攪拌機(jī)構(gòu)

1.2 保溫及加熱

堆肥機(jī)較堆肥罐增加了曝氣系統(tǒng)，在確保有氧發(fā)酵的同時(shí)，還加速了發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)的空氣流動(dòng)，帶走了堆體的熱量，不利于堆體的發(fā)酵，因此堆肥機(jī)在發(fā)酵倉(cāng)底部安裝了加熱保溫模塊?？紤]到能耗，堆肥機(jī)采用溫度傳感器檢測(cè)發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)物料溫度（主要控制依據(jù)）及外部環(huán)境溫度（輔助控制），當(dāng)溫度低于設(shè)定閥值時(shí)，加熱負(fù)載才啟動(dòng)，而當(dāng)物料被加熱到預(yù)期閥值時(shí)，加熱模塊停止工作。由于堆肥是一個(gè)周期較長(zhǎng)的過(guò)程，因此加熱模塊不需要在短時(shí)間內(nèi)迅速加熱，其功率選擇盡可能小，只需保證最大加熱溫度即可（加熱速率與散熱速率平衡），因此，廚余機(jī)加熱采用的是低功率的硅膠電熱片，如圖3所示。

圖3 氣箱式廚余堆肥機(jī)硅膠電熱片

為保證硅膠電熱片產(chǎn)生的熱量大部分被物料吸收，而不是向外界環(huán)境散熱，發(fā)酵倉(cāng)外壁整體用保溫棉包裹。

1.3 曝氣

原堆肥罐采用排氣孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的被動(dòng)通風(fēng)，因此在罐體內(nèi)部氣壓不足（如發(fā)酵堆體溫度較低），或外部氣壓過(guò)高時(shí)（如下雨天），堆肥產(chǎn)生的濕潤(rùn)氣體無(wú)法排出，外部空氣也無(wú)法進(jìn)入罐體內(nèi)部為發(fā)酵補(bǔ)充氧氣。同時(shí)，濕潤(rùn)氣體在罐體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，冷卻后形成冷凝水回流到堆體中，使堆體水分升高，達(dá)不到出料標(biāo)準(zhǔn)。因此，堆肥機(jī)在發(fā)酵倉(cāng)底部增設(shè)了氣箱機(jī)構(gòu)，采用風(fēng)機(jī)從發(fā)酵倉(cāng)頂部主動(dòng)抽風(fēng)，通過(guò)濕度傳感器讀取物料濕度與環(huán)境濕度，對(duì)風(fēng)機(jī)啟停進(jìn)行輔助控制，這一設(shè)計(jì)使得堆肥機(jī)在給堆體增氧的同時(shí)，還排出發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)多余水分。同樣，為減少熱量流失，氣箱結(jié)構(gòu)整體用保溫棉包裹，如圖4所示。這一設(shè)計(jì)已獲國(guó)家實(shí)用新型專利授權(quán)（專利號(hào)：ZL 201720845120.0）。

圖4 廚余堆肥機(jī)的曝氣箱

1.4 除臭系統(tǒng)

即使設(shè)備提供了物料發(fā)酵的合適條件，但由于投料類(lèi)型完全由使用者決定，當(dāng)投入了一些難以發(fā)酵的物料時(shí)，堆體不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些臭氣，故本設(shè)計(jì)在曝氣系統(tǒng)抽氣端與排氣端間增加了UV燈管殺毒及活性炭吸附臭氣過(guò)濾環(huán)節(jié)，對(duì)臭氣進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，如圖5所示。

1.5 整機(jī)結(jié)構(gòu)

基于上述設(shè)計(jì)思路，最終整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示。為使設(shè)備方便移動(dòng)和固定，設(shè)備底部加裝了帶鎖緊機(jī)構(gòu)的萬(wàn)向輪。

圖5 廚余堆肥機(jī)的除臭系統(tǒng)及風(fēng)路示意

2 氣箱式廚余機(jī)的電控邏輯

2.1 控制邏輯

針對(duì)家庭式這一使用特點(diǎn)，廚余堆肥機(jī)的設(shè)計(jì)不是面向?qū)I(yè)使用者，而是面向沒(méi)有或僅有少量堆肥知識(shí)的普通居民。因此，堆肥的操作應(yīng)當(dāng)力求簡(jiǎn)單，且容錯(cuò)率高，故必須在堆肥機(jī)中增加基于傳感器的電控系統(tǒng)，使發(fā)酵過(guò)程能夠在既定程序的控制下進(jìn)行。

圖6 廚余堆肥機(jī)整機(jī)

現(xiàn)階段廚余機(jī)采用單片機(jī)，通過(guò)預(yù)置邏輯實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵過(guò)程中攪拌、加熱及曝氣負(fù)載的控制，如圖7所示。

2.2 操作界面及模式轉(zhuǎn)換

圖7 廚余機(jī)自動(dòng)運(yùn)作常規(guī)邏輯

堆肥是一個(gè)復(fù)雜的微生物活動(dòng)過(guò)程，因此很難采用單一的設(shè)備運(yùn)作模式處理不同的堆肥狀況。更重要的是，堆肥過(guò)程中，有些參數(shù)我們無(wú)法使用傳感器去感知，如物料是否有臭味產(chǎn)生、是否有局部板結(jié)現(xiàn)象，這些現(xiàn)象只能依靠使用者進(jìn)行主觀判斷，并基于其判斷對(duì)廚余堆肥機(jī)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的操作。對(duì)于非專業(yè)使用者來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的操作具有兩層含義：一是操作動(dòng)作簡(jiǎn)單，二是與控制面板間的交互簡(jiǎn)單。

因此，廚余機(jī)的操作版面只設(shè)置“開(kāi)關(guān)”、“除臭”和“除濕”三個(gè)按鍵供用戶操作。而屏顯方面，顯示的是“物料溫度”、“環(huán)境溫度”、“環(huán)境濕度”，而“物料濕度”由于采用探頭間電流值進(jìn)行測(cè)量，攪拌過(guò)程中探頭間物料情況時(shí)刻在變化，且具體數(shù)值對(duì)于非專業(yè)用戶意義不大，故通過(guò)“過(guò)干”或“過(guò)濕”指示燈顯示，僅為用戶提供操作參考，如圖8所示。

在常規(guī)模式下，廚余機(jī)通過(guò)預(yù)置邏輯保證發(fā)酵正常運(yùn)行；當(dāng)用戶投入過(guò)濕物料導(dǎo)致發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)出現(xiàn)水珠或物料板結(jié)時(shí)，可按下“除濕”鍵；當(dāng)用戶感覺(jué)廚余機(jī)產(chǎn)生臭味時(shí)，可按下“除臭”鍵；三個(gè)按鍵間的操作轉(zhuǎn)換及廚余機(jī)整體運(yùn)行邏輯如圖9所示。

圖8 廚余機(jī)操作界面

2.3 其他輔助功能

由于廚余機(jī)所有自動(dòng)控制均是基于傳感器進(jìn)行的，因此為確保廚余機(jī)始終正常工作，針對(duì)環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、物料溫度及物料濕度傳感器的短路與開(kāi)路狀態(tài)，會(huì)在顯示屏中顯示E1~E8的故障代碼，并同時(shí)關(guān)閉部分相應(yīng)負(fù)載，以確保安全。

圖9 廚余機(jī)模式轉(zhuǎn)換邏輯圖

除預(yù)設(shè)的邏輯算法外，廚余機(jī)還有面向研究人員的自設(shè)定時(shí)間模式，通過(guò)操作面板的組合按鍵，可進(jìn)入設(shè)定模式，按實(shí)驗(yàn)需求設(shè)定各負(fù)載啟停時(shí)間，便于研究適宜不同種類(lèi)廚余堆肥的環(huán)境條件。

3 實(shí)施效果

為驗(yàn)證改進(jìn)效果，對(duì)廚余堆肥機(jī)和手動(dòng)式堆肥罐進(jìn)行相似實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[1]：分別在兩個(gè)發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)加入約15 L的蘑菇渣，啟動(dòng)廚余堆肥機(jī)，讓堆肥機(jī)在常規(guī)模式下運(yùn)行，從第二天開(kāi)始，每天投料前記錄物料溫度及濕度，然后將1 kg新廚余垃圾加入發(fā)酵倉(cāng)中，連續(xù)測(cè)量25 d。測(cè)得物料發(fā)酵溫度曲線和物料水分含量如圖9—10所示。

圖9 堆肥機(jī)與堆肥罐物料發(fā)酵溫度曲線對(duì)比

可見(jiàn)，廚余堆肥機(jī)與手動(dòng)堆肥罐一樣，遵循一般廚余物料的發(fā)酵規(guī)律，在第4~7 d期間進(jìn)入發(fā)酵高溫階段，達(dá)到60℃以上，隨后溫度稍有下降，維持在45℃上下。相比手動(dòng)堆肥罐，由于主動(dòng)加熱系統(tǒng)的運(yùn)作，廚余堆肥機(jī)的物料溫度能夠一直保持在40℃以上，避免了堆肥罐物料失溫帶來(lái)的死罐等問(wèn)題。

圖10 堆肥機(jī)與堆肥罐物料水分含量曲線對(duì)比

因?yàn)橹鲃?dòng)抽風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)作，廚余堆肥機(jī)發(fā)酵過(guò)程中物料含水量曲線整體位于堆肥罐曲線的下方，濕度能夠基本維持在發(fā)酵最適合的含水量（40%~50%）之間，且在發(fā)酵后期，整體水分呈下降趨勢(shì)，接近出料標(biāo)準(zhǔn)40%的要求。

目前，廚余堆肥機(jī)已在廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所小區(qū)及中山市圣獅村進(jìn)行了小范圍推廣，圖11為圣獅村村民使用廚余機(jī)2周后首次出料狀態(tài)，物料呈褐色粉狀，無(wú)異味，經(jīng)測(cè)定含水量約為40%，物料中含有少量瓜子殼、瓜皮纖維等較難在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)發(fā)酵分解的物質(zhì)，屬正?，F(xiàn)象。

圖11 中山圣獅村堆肥機(jī)出料狀態(tài)

4 結(jié)論及展望

綜上所述，自動(dòng)廚余堆肥機(jī)基本解決了原手動(dòng)堆肥罐存在的問(wèn)題，操作簡(jiǎn)單，使居民能夠輕松處理家庭廚余，通過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥料。從發(fā)酵效果看，通過(guò)預(yù)設(shè)程序自動(dòng)發(fā)酵，排除了人為操作的不穩(wěn)定性，成品狀態(tài)優(yōu)于原設(shè)計(jì)。

目前，自動(dòng)廚余堆肥機(jī)即將結(jié)合中山市農(nóng)業(yè)科技推廣中心的“陽(yáng)臺(tái)菜園”計(jì)劃，在圣獅村進(jìn)行更大范圍的推廣，將廚余堆肥機(jī)產(chǎn)出的有機(jī)肥，直接施用在居民家的菜園中，力求實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心理念——廚余不出門(mén)，就地資源化。

[1]郭英祺，曾慶東，劉孟夫，等. 基于農(nóng)村家庭廚余垃圾處理技術(shù)的研究設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2016 （6）：41—44.