一種用于處理廚余蔬菜垃圾的智能型好氧堆肥桶

黃品文 任蓓斐 方可沁 樊一甫 宋雨

摘要：當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，本文構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，在預處理階段，更是在一定程度上實現(xiàn)了自動化獲取廚余蔬菜初始含水量數(shù)值，并根據(jù)測得的含水量以自動添加一定重量的秸稈和微生物制劑的方式實現(xiàn)廚余蔬菜含水量和C/N比的調節(jié)與后續(xù)發(fā)酵進程速率的加快。

關鍵字：智能型;好氧堆肥;廚余蔬菜

1 研究背景

當前，具有無害化和資源化雙重作用的高溫好氧堆肥技術是世界范圍內處理固體有機廢棄物的有效技術，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程中需要更高的溫度來殺死潛在的致病菌、本身又含有抑制堆肥進程的過高的含水率和過低的C/N比有著很大關系。當前，雖然一些前沿的技術已經較大程度地克服了這些問題，可以實現(xiàn)廚余蔬菜的高效率好氧堆肥，但仍然存在堆肥預處理過程復雜、對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)酵時攪拌欠充分、通氣不均勻、含水率難控制等問題。

基于上述現(xiàn)狀，本文構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，在預處理階段，更是在一定程度上實現(xiàn)了自動化獲取廚余蔬菜初始含水量數(shù)值，并根據(jù)測得的含水量以自動添加一定重量的秸稈和微生物制劑的方式實現(xiàn)廚余蔬菜含水量和C/N比的調節(jié)與后續(xù)發(fā)酵進程速率的加快。除此以外，我們還對存放秸稈和微生物制劑的料倉設置了物料不足提醒。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)，針對發(fā)酵室內的各種情況實時調整通氣條件。相應地，我們還有排風裝置和緊急泄氣閥，分別用于正常排放鼓入的空氣和當排風裝置失靈時的緊急排氣。考慮到好氧堆肥的過程中會產生各種臭氣和濾液，我們還在桶的外側增添了一個除臭裝置和一個滲濾液搜集系統(tǒng)。

2 設計結構及原理

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

2.1 原料預處理系統(tǒng)

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

2.1.1 廚余蔬菜攪碎及除水兼含水率檢測裝置

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，我們小組的同學便認為有必要增添電動機等其他設備先對廚余蔬菜進行攪碎處理。此外，在攪碎部件下設置一面底部有壓力傳感器，中心可靠一根旋轉桿實現(xiàn)180度旋轉的平臺。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，測得含水率。相比于當前主流的堆肥反應器，相關技術人員通常要單獨取出樣品，放烤箱里烘烤，這會大大增加人工作業(yè)量，我們小組研制的含水率檢測裝置就智能化多了。

2.1.2 秸稈與微生物制劑自動配比裝置

好氧堆肥的條件包括物料合適的含水率和C/N比等。其中，含水率應當達到50%到60%，合適的C/N比在20到40之間，然而，未經處理的廚余蔬菜含水率則可能高達90%，C/N比在10左右。因此，我們還需要對廚余蔬菜進行含水率和C/N比的調整。目前，較為普遍的做法是通過添加一定數(shù)量的秸稈來降低含水率和提高C/N值，再增添1/8秸稈重量的微生物制劑來加快后續(xù)的堆肥速率。然而，現(xiàn)有的關于廚余蔬菜的好氧堆肥器很少會先單獨測量它的含水率，而是直接將其默認為90%，然后再根據(jù)90%的含水率來配比秸稈和微生物制劑。顯然，這種不精確的估計會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和創(chuàng)新。我們按照比例關系，設定，每加入x千克的廚余蔬菜，測得的含水率為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。當然，具體的控制還要借助安放在用于儲存秸稈和微生物制劑倉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-螺桿攪拌通氣設備、鼓風機、排風機、三組氧氣傳感器和溫度傳感器和一個氨氣傳感器。由于好氧堆肥反應要求氧氣濃度始終大于5%，并通氣，且通氣的速率和頻率應當隨著溫度的上升而加大，我們小組設計30到40度的時候每4個小時攪拌+通氣30分鐘;40到50度的時候每3個小時攪拌+通氣40分鐘;超過50度時候每2個小時攪拌+通氣45分鐘。此外，如果檢測到氨氣的量劇增，就說明通風量過大并且已經造成了氮素的流失，此時應適當減少通氣量。鼓風機與螺帶-螺桿式的攪拌桶器設備相聯(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控制芯片對采集數(shù)據(jù)進行處理，并對電機進行相關控制。

本作品中共有四個傳感器，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)議與控制芯片進行數(shù)據(jù)傳輸。并對數(shù)據(jù)進行處理控制繼電器以及專用電機控制芯片進行進行，以達到裝置的需求。

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化程度高、最終堆肥效果好、對環(huán)境無污染、安全性能高并且成本低的五大優(yōu)點，非常適用于家庭、食堂的廚余蔬菜垃圾處理。廣義上，又因為城市公園內和道路兩旁種植的樹木其掉落的葉片以及在運輸過程中因部分組織腐爛而被丟棄的蔬菜化學成分及理化特征與廚余蔬菜垃圾的化學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廢棄蔬菜的堆肥化處理，應用前景十分美好。