黃品文 任蓓斐 方可沁 樊一甫 宋雨

摘要：當(dāng)前智能化程度較高的廚余蔬菜類好氧堆肥桶較少，利用物理知識(shí)，本文構(gòu)建了一種專用為廚余蔬菜的智能型好氧堆肥桶。它不僅可以做到廚余蔬菜的自主堆肥，在預(yù)處理階段，更是在一定程度上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化獲取廚余蔬菜初始含水量數(shù)值，并根據(jù)測(cè)得的含水量以自動(dòng)添加一定重量的秸稈和微生物制劑的方式實(shí)現(xiàn)廚余蔬菜含水量和C/N比的調(diào)節(jié)與后續(xù)發(fā)酵進(jìn)程速率的加快。

關(guān)鍵字：智能型;好氧堆肥;廚余蔬菜

1 研究背景

當(dāng)前，具有無(wú)害化和資源化雙重作用的高溫好氧堆肥技術(shù)是世界范圍內(nèi)處理固體有機(jī)廢棄物的有效技術(shù)，但其眾多的研究仍舊集中在畜禽糞便、污泥和城市垃圾等方面，在廚余蔬菜上則少之又少，這與廚余蔬菜堆肥過(guò)程中需要更高的溫度來(lái)殺死潛在的致病菌、本身又含有抑制堆肥進(jìn)程的過(guò)高的含水率和過(guò)低的C/N比有著很大關(guān)系。當(dāng)前，雖然一些前沿的技術(shù)已經(jīng)較大程度地克服了這些問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)廚余蔬菜的高效率好氧堆肥，但仍然存在堆肥預(yù)處理過(guò)程復(fù)雜、對(duì)于不同含水率下的廚余蔬菜物料配比方式單一以及正式發(fā)酵時(shí)攪拌欠充分、通氣不均勻、含水率難控制等問(wèn)題。

基于上述現(xiàn)狀，本文構(gòu)建了一種專用為廚余蔬菜的智能型好氧堆肥桶。它不僅可以做到廚余蔬菜的自主堆肥，在預(yù)處理階段，更是在一定程度上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化獲取廚余蔬菜初始含水量數(shù)值，并根據(jù)測(cè)得的含水量以自動(dòng)添加一定重量的秸稈和微生物制劑的方式實(shí)現(xiàn)廚余蔬菜含水量和C/N比的調(diào)節(jié)與后續(xù)發(fā)酵進(jìn)程速率的加快。除此以外，我們還對(duì)存放秸稈和微生物制劑的料倉(cāng)設(shè)置了物料不足提醒。在正式發(fā)酵階段，我們更是創(chuàng)新性地制作了一種螺帶-螺桿式攪拌通氣系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)攪拌更充分，通氣更均勻，并將其與氧氣傳感器和氨氣傳感器相聯(lián)，針對(duì)發(fā)酵室內(nèi)的各種情況實(shí)時(shí)調(diào)整通氣條件。相應(yīng)地，我們還有排風(fēng)裝置和緊急泄氣閥，分別用于正常排放鼓入的空氣和當(dāng)排風(fēng)裝置失靈時(shí)的緊急排氣?？紤]到好氧堆肥的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種臭氣和濾液，我們還在桶的外側(cè)增添了一個(gè)除臭裝置和一個(gè)滲濾液搜集系統(tǒng)。

2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及原理

本堆肥桶主要由原料預(yù)處理系統(tǒng)、正式發(fā)酵系統(tǒng)、處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。

2.1 原料預(yù)處理系統(tǒng)

原料預(yù)處理系統(tǒng)包括廚余蔬菜攪碎裝置和秸稈與微生物制劑自動(dòng)配比裝置。

2.1.1 廚余蔬菜攪碎及除水兼含水率檢測(cè)裝置

一般地，適合廚余蔬菜好氧堆肥的粒徑大小為5-10mm，但是通常未經(jīng)處理的廚余蔬菜粒徑都在20-40mm，這顯然超出了最適范圍，我們小組的同學(xué)便認(rèn)為有必要增添電動(dòng)機(jī)等其他設(shè)備先對(duì)廚余蔬菜進(jìn)行攪碎處理。此外，在攪碎部件下設(shè)置一面底部有壓力傳感器，中心可靠一根旋轉(zhuǎn)桿實(shí)現(xiàn)180度旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)。在其之下，是利用離心作用制成的蔬菜-水分離裝置，并均在呈放干蔬菜和水的底部裝上壓力傳感器，測(cè)得含水率。相比于當(dāng)前主流的堆肥反應(yīng)器，相關(guān)技術(shù)人員通常要單獨(dú)取出樣品，放烤箱里烘烤，這會(huì)大大增加人工作業(yè)量，我們小組研制的含水率檢測(cè)裝置就智能化多了。

2.1.2 秸稈與微生物制劑自動(dòng)配比裝置

好氧堆肥的條件包括物料合適的含水率和C/N比等。其中，含水率應(yīng)當(dāng)達(dá)到50%到60%，合適的C/N比在20到40之間，然而，未經(jīng)處理的廚余蔬菜含水率則可能高達(dá)90%，C/N比在10左右。因此，我們還需要對(duì)廚余蔬菜進(jìn)行含水率和C/N比的調(diào)整。目前，較為普遍的做法是通過(guò)添加一定數(shù)量的秸稈來(lái)降低含水率和提高C/N值，再增添1/8秸稈重量的微生物制劑來(lái)加快后續(xù)的堆肥速率。然而，現(xiàn)有的關(guān)于廚余蔬菜的好氧堆肥器很少會(huì)先單獨(dú)測(cè)量它的含水率，而是直接將其默認(rèn)為90%，然后再根據(jù)90%的含水率來(lái)配比秸稈和微生物制劑。顯然，這種不精確的估計(jì)會(huì)在一定程度上削弱堆肥的效果。在這里，我們小組的成員做了改進(jìn)和創(chuàng)新。我們按照比例關(guān)系，設(shè)定，每加入x千克的廚余蔬菜，測(cè)得的含水率為y，則分別加1，616（xy-0.55x）kg的秸稈和0.202（xy-0.55x）kg的微生物制劑，就可將含水率降到55%，并且C/N比處在最佳堆肥區(qū)間內(nèi)。當(dāng)然，具體的控制還要借助安放在用于儲(chǔ)存秸稈和微生物制劑倉(cāng)底端的壓力傳感器和其他電氣控制模塊。

2.2 正式發(fā)酵系統(tǒng)

正式發(fā)酵系統(tǒng)包括螺帶-螺桿攪拌通氣設(shè)備、鼓風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、三組氧氣傳感器和溫度傳感器和一個(gè)氨氣傳感器。由于好氧堆肥反應(yīng)要求氧氣濃度始終大于5%，并通氣，且通氣的速率和頻率應(yīng)當(dāng)隨著溫度的上升而加大，我們小組設(shè)計(jì)30到40度的時(shí)候每4個(gè)小時(shí)攪拌+通氣30分鐘;40到50度的時(shí)候每3個(gè)小時(shí)攪拌+通氣40分鐘;超過(guò)50度時(shí)候每2個(gè)小時(shí)攪拌+通氣45分鐘。此外，如果檢測(cè)到氨氣的量劇增，就說(shuō)明通風(fēng)量過(guò)大并且已經(jīng)造成了氮素的流失，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)減少通氣量。鼓風(fēng)機(jī)與螺帶-螺桿式的攪拌桶器設(shè)備相聯(lián)。

2.3 處理系統(tǒng)

包括利用活性炭吸附性的除臭裝置和濾出液收集系統(tǒng)。

2.4 控制系統(tǒng)

作品控制系統(tǒng)采用Arduino控制芯片對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)電機(jī)進(jìn)行相關(guān)控制。

本作品中共有四個(gè)傳感器，分別是溫度濕度傳感器，壓力傳感器以及氧氣濃度傳感器，采用RS454協(xié)議與控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理控制繼電器以及專用電機(jī)控制芯片進(jìn)行進(jìn)行，以達(dá)到裝置的需求。

狹義上，由于這種新型的可用于處理廚余蔬菜垃圾的堆肥桶具有自動(dòng)化程度高、最終堆肥效果好、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、安全性能高并且成本低的五大優(yōu)點(diǎn)，非常適用于家庭、食堂的廚余蔬菜垃圾處理。廣義上，又因?yàn)槌鞘泄珗@內(nèi)和道路兩旁種植的樹(shù)木其掉落的葉片以及在運(yùn)輸過(guò)程中因部分組織腐爛而被丟棄的蔬菜化學(xué)成分及理化特征與廚余蔬菜垃圾的化學(xué)成分及理化特征相近，該種堆肥桶也可用于城市公園景觀及道路凋落葉片還有菜市場(chǎng)廢棄蔬菜的堆肥化處理，應(yīng)用前景十分美好。