基于人糞便的好氧發(fā)酵處理設(shè)備設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

邢東倫，申文龍，黃允魁，楊軍太，孫長(zhǎng)征，景全榮，董世平

(中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100083)

0 引言

“廁所革命”作為我國(guó)改善農(nóng)村人居環(huán)境的關(guān)鍵國(guó)策，正在全國(guó)農(nóng)村地區(qū)大力推廣。源分離概念廁所是指從源頭——便器入手，將糞尿單獨(dú)收集、輸送、處置、利用，使之不再與其他污水混合，在廣大農(nóng)村地區(qū)特別是缺水地區(qū)比較適宜推廣應(yīng)用[1]。人糞便含有大量有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但也含有大量的致病菌[2-3]。采用好氧堆肥發(fā)酵人糞便可以有效殺滅糞便中的有害病菌，同時(shí)可以將糞便轉(zhuǎn)化為含有豐富氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有機(jī)肥料，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)害化、資源化的目的[4-5]。研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)好氧堆肥周期一般為25～45 d，即傳統(tǒng)堆肥存在堆肥溫度低、堆肥周期長(zhǎng)、堆肥環(huán)境差及堆肥質(zhì)量差的問(wèn)題，這也是傳統(tǒng)堆肥得不到全面推廣和應(yīng)用的主要原因[6-8]。現(xiàn)有技術(shù)的好氧發(fā)酵設(shè)備基本是針對(duì)畜禽糞便處理，在應(yīng)用過(guò)程中也存在著一些問(wèn)題，如物料攪拌不均勻、存在死角；曝氣不均勻、不易控制；加熱不均勻，加熱效率低，耗能大等[9-11]。為解決以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一套智能化好氧發(fā)酵處理設(shè)備，能對(duì)人糞便快速發(fā)酵，工作環(huán)境改善，形成一個(gè)低動(dòng)力高效的混合環(huán)境，物料攪拌均勻、不留死角，物料溫度均勻、耗能低，物料與氧氣混合度增加，有效提升了發(fā)酵效率和效果。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)備系統(tǒng)主要包括預(yù)混系統(tǒng)、進(jìn)出料系統(tǒng)、發(fā)酵系統(tǒng)、除臭系統(tǒng)及智能化控制系統(tǒng)，如圖1所示。發(fā)酵工藝采用物料自身發(fā)酵升溫輔助電加熱系統(tǒng)，通過(guò)供氧系統(tǒng)進(jìn)行好氧發(fā)酵，使人糞便快速殺菌、發(fā)酵。通過(guò)自動(dòng)控制，工藝合理，有效利用能源，效率高。

1.預(yù)混料箱 2.除臭塔 3.發(fā)酵罐 4.出料輸送機(jī) 5.智能控制系統(tǒng)圖1 人糞便好氧發(fā)酵系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.1 Design of aerobic fermentation system for human feces

1.1 預(yù)混料箱

預(yù)混料箱如圖2所示，主要功能是調(diào)整糞便的水分、碳氮比，使其達(dá)到發(fā)酵的最佳條件。設(shè)有頂蓋，防止臭味、減少可視化，進(jìn)而改善作業(yè)環(huán)境；設(shè)有氣缸來(lái)控制頂蓋的開合；箱口設(shè)有鋼筋網(wǎng)，可以使物料下落分散均勻及減少大塊雜物進(jìn)入；預(yù)混箱底部設(shè)有攪拌螺旋槳葉，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)，能使糞便和輔助物料預(yù)混攪拌，并傳送到進(jìn)料輸送帶上。

圖2 預(yù)混料箱Fig.2 Raw material premixing box

1.2 發(fā)酵系統(tǒng)

發(fā)酵罐如圖3所示，設(shè)計(jì)為U形的長(zhǎng)筒體結(jié)構(gòu)，可保證被混合物料在筒體內(nèi)的小阻力運(yùn)動(dòng)及攪拌無(wú)死角。發(fā)酵罐橫向中央設(shè)有攪拌軸，如圖4所示，攪拌軸通過(guò)電機(jī)減速機(jī)帶動(dòng)，正反旋轉(zhuǎn)螺槳安裝于攪拌軸上，形成一個(gè)低動(dòng)力高效的混合環(huán)境，物料從兩側(cè)向中央?yún)R集，內(nèi)層螺旋將物料從中央向兩側(cè)輸送，可使物料在流動(dòng)中形成更多的渦流。

圖3 好氧發(fā)酵罐Fig.3 Aerobic fermentor

圖4 攪拌軸及螺槳Fig.4 Mixing shaft and propeller

加熱保溫系統(tǒng)包括兩根電加熱棒，加熱棒設(shè)在發(fā)酵罐(圖5)體外的加熱介質(zhì)箱內(nèi)，通過(guò)熱油旋渦泵將加熱介質(zhì)注入到發(fā)酵罐體的加熱層內(nèi)。加熱層內(nèi)設(shè)有導(dǎo)向折流板，保證導(dǎo)熱介質(zhì)在層內(nèi)均勻、通暢的流動(dòng)，導(dǎo)熱層充滿導(dǎo)熱介質(zhì)，較傳統(tǒng)的導(dǎo)熱管加熱方式，導(dǎo)熱升溫快，物料溫度均勻，效率高。發(fā)酵罐外層設(shè)有巖棉填充的保溫層，保護(hù)溫度并減少能量損耗。供氧系統(tǒng)包括一臺(tái)空壓機(jī)，通過(guò)三通連接兩根進(jìn)氣管，進(jìn)氣管設(shè)在導(dǎo)熱層內(nèi)，可以使得進(jìn)入物料的空氣溫度提高，利于物料溫度的均勻性；每根進(jìn)氣管設(shè)有3個(gè)供氧孔，使得物料與氧氣混合度增加，提高好氧發(fā)酵效率和效果。

1.發(fā)酵罐體 2.進(jìn)料口 3.加熱層 4.導(dǎo)向折流板 5.曝氣孔 6.保溫層 7.罐體支架 8.減速機(jī) 9.電機(jī) 10.旋渦泵11.進(jìn)油管 12.曝氣管 13 攪拌軸 14.出料口 15.旋轉(zhuǎn)螺槳 16.回油管 17.加熱介質(zhì)箱 18.加熱棒圖5 發(fā)酵罐縱剖面和橫剖面Fig.5 Longitudinal section and cross section of aerobic fermentor

1.3 除臭系統(tǒng)

除臭系統(tǒng)采用水噴淋吸附臭味的方式，除去發(fā)酵過(guò)程中的臭味，凈化環(huán)境。設(shè)有風(fēng)機(jī)，通過(guò)管道與發(fā)酵罐出風(fēng)口連接，抽取臭氣進(jìn)入噴淋塔中，噴淋塔設(shè)有淋水噴頭，噴淋塔底部設(shè)有水箱，通過(guò)水泵將水箱內(nèi)的水送入到噴淋塔進(jìn)行噴淋處理，處理后的水下沉噴淋塔底部回流到水箱內(nèi)進(jìn)行循環(huán)使用。噴淋塔內(nèi)還設(shè)有水氣分離器，使凈化的氣體通過(guò)噴淋塔氣體出口排出。除臭塔如圖6所示。

圖6 除臭塔Fig.6 Deodorization tower

1.4 智能控制系統(tǒng)

本智能控制系統(tǒng)執(zhí)行元件設(shè)有電磁閥、氣動(dòng)閥、氣缸、電機(jī)等，加上傳感元件、電路板、PLC等，實(shí)現(xiàn)操作的智能化。具體功能主要包括預(yù)混料箱蓋的開關(guān)、預(yù)混設(shè)備的關(guān)停、進(jìn)出料啟停控制，發(fā)酵過(guò)程中的曝氣、控溫、攪拌等各參數(shù)的設(shè)定、自動(dòng)控制，其界面如圖7所示。整個(gè)發(fā)酵過(guò)程自動(dòng)控制，可以達(dá)到一鍵操作。

圖7 智能控制系統(tǒng)界面Fig.7 Intelligence control system

2 人糞便好氧發(fā)酵試驗(yàn)

結(jié)合微生物發(fā)酵特性，添加復(fù)合微生物菌劑，通過(guò)好氧發(fā)酵設(shè)備處理，使物料溫度快速升高到嗜熱菌活躍的溫度，一般在45 ℃左右，這時(shí)高溫菌活動(dòng)開始反應(yīng)激烈，發(fā)酵迅速進(jìn)行，使人糞便快速殺菌、發(fā)酵，提高制肥效率及減少環(huán)境污染。

試驗(yàn)原料：含水70%的糞便；含水10%的細(xì)粉鋸末；選用復(fù)合微生物菌，含低溫、中溫、高溫菌株，富含能夠強(qiáng)烈分解糞便的細(xì)菌、絲狀菌、酵母菌、高溫除臭菌等多種菌株及相關(guān)酶類，有效活菌數(shù)(cfu)/(×108/g)≥500.0。

預(yù)混合：讓糞便與鋸末以質(zhì)量比9∶1混合均勻，調(diào)整混合物料水分在60%左右。讓復(fù)合微生物菌與玉米面以1∶10混合均勻。最后混合物料與微生物菌劑進(jìn)行攪拌混合均勻即可。微生物菌種的添加量為混合物料的0.02%。

預(yù)加熱及發(fā)酵：通過(guò)外加熱方式先讓混合物料加熱到45 ℃左右，這時(shí)微生物菌的活性被激活，特別是嗜熱菌，可以通過(guò)自身的能量進(jìn)行發(fā)酵物料，3 h后物料達(dá)到65 ℃，保持恒溫下定期攪拌供氧，持續(xù)發(fā)酵48 h，然后出料。

堆肥熟化：高溫發(fā)酵后的物料部分已經(jīng)分解，基本無(wú)臭味，再經(jīng)靜止堆放7～15 d后，隨著物料溫度降低，低溫菌會(huì)進(jìn)一步分解剩余的大分子有機(jī)物，達(dá)到穩(wěn)定化、腐熟化，可作為有機(jī)肥料，直接用于還田。

發(fā)酵腐熟后物料狀態(tài)如圖8所示，物料無(wú)臭味，呈黑褐色粉狀。測(cè)得水分含量為29%，大腸菌群量<0.3 MPN/g，有機(jī)質(zhì)含量為46.1%。

圖8 發(fā)酵后的物料Fig.8 Fermented material

3 結(jié)論

基于人糞便設(shè)計(jì)了一套智能化好氧發(fā)酵處理設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)新穎、操作便捷和智能控制等優(yōu)點(diǎn)：發(fā)酵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性，新型的攪拌設(shè)計(jì)使物料混合更均勻；設(shè)計(jì)有導(dǎo)向折流的加熱介質(zhì)層，物料升溫快；設(shè)計(jì)多點(diǎn)進(jìn)氣方式，使供氧更充分有效。同時(shí)進(jìn)行了人糞便好氧發(fā)酵試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)備殺菌效果好，發(fā)酵速度快，發(fā)酵腐熟度高，在廣大農(nóng)村地區(qū)具有一定的應(yīng)用前景和社會(huì)價(jià)值。