基于厭氧發酵技術的新型廚余垃圾資源化處理器設計

侯瑜 李凱 周佳豪 郭若彤

（西安工業大學，陜西西安 710016）

1 引言

傳統廚余垃圾多以粗放的形式進行壓縮、無害化處理，不僅沒能利用廚余垃圾的有效熱值，同時也向環境持續排放了大量無用或有害物質，占用了大片土地，造成了地下水污染、惡息氣體持續排放等環境問題［1］。廚余垃圾的主流處理技術有直接粉碎、集中填埋、厭氧發酵、蚯蚓堆肥、微生物菌體、飼料化、焚燒處理、制肥等，但是存在適應性相對較差或局限性較大等問題［2］。市面上廚余垃圾處理器有連接型和獨立型2 種，連接型處理器把廚余垃圾粉碎后排入下水道；部分獨立型處理器將廚余垃圾轉化為有機肥，但因為處理器是零售的，分布分散，企業無法回收，居民無法使用，最后只能將廚余垃圾扔掉。另外，目前廚余垃圾處理器都需要居民自己購買，使用過程中需要耗水、耗電，增加了居民支出，為此需研發新型的廚余垃圾處理器。

2 系統參數

在進行廚余垃圾厭氧發酵處理器設計時，采用的系統參數見表1。

表1 廚余垃圾系統參數

3 廚余垃圾處理器研制

3.1 設計工藝流程

本設計擬采用以厭氧消化原理設計的新型處理器，家庭廚余垃圾日產量約1.25 kg，倒入處理器后首先進行油水分離，進入破碎裝置，切碎至粒徑≤60 mm 后與菌劑（接種微生物增強廚余垃圾分解）投入處理器中進行厭氧消化，在堆肥的同時輔以攪拌、加熱。攪拌為臥式間歇攪拌。加熱通過發酵倉底部的加熱貼片實現，且發酵倉內有溫度傳感器讀取發酵倉內溫度，控制發酵倉內溫度為55 ℃（55 ℃可以殺死蛔蟲卵，蛔蟲卵與其他腸道病原體耐熱性大致相當）。堆肥產品養分含量豐富［3］，含有機質為28%～40%，N 為1.2%～2.0%，P2O5為0.5%～0.8%，K2O為1.5%～2.5%，C/N 為10，有效地實現資源化，并且可以為大眾所接受。具體工藝流程如圖1所示［4-5］。

圖1 家庭廚余垃圾處理工藝流程

3.2 處理器整體設計

新型廚余垃圾處理器見圖2，包括外殼，在外殼上端設置帶有頂蓋的進料口，外殼下端設置出料口，外殼內部為發酵倉，發酵倉內投放菌劑，在發酵倉內部的一側設置可拆卸儲水倉，可拆卸儲水倉的上端設置有傾斜式濾網，下端設置出水口。在發酵倉底部設置攪拌破碎裝置和加熱貼片，發酵倉的上部側壁設置除臭裝置，在外殼外端面設置有控制臺面。攪拌破碎裝置包括變頻電機，變頻電機的輸出端連接攪拌軸，攪拌軸上間隔設置攪拌葉片和破碎葉片，可在攪拌的同時進行破碎。除臭裝置包括設置在外殼上的除臭風口，除臭風口連接除臭管，除臭管與外界連接，除臭管連接風機；除臭管內裝有活性炭填料，用來去除臭氣。堆肥產生的臭氣從除臭裝置的除臭風口除臭后排出，堆肥成品從出料口排出。發酵倉的內部為“U”形結構，有利于均勻攪拌，提高反應速率。

圖2 新型廚余垃圾處理器

3.3 處理器關鍵零部件設計

3.3.1 外殼尺寸設計

家庭版廚余垃圾處理器使用場景為廚房、陽臺、客廳，可以發揮普通垃圾桶的用途，其尺寸不宜過大，設計尺寸長×寬×高為50 cm×40 cm×50 cm，處理器總體積為10 萬cm3。

3.3.2 外殼壁厚設計

根據內部壓力計算處理器外殼厚度，壓力公式如下：

式中，p 為抗壓強度，查得數據為49 kg/dm2；P 為壓力，kg；A 為剖面面積，dm2。

外殼所受壓力來自內部各構件，包括發酵倉、儲水倉、攪拌軸、電機、除臭管、紫外燈管以及所投放的廚余垃圾、菌劑質量。

內部構件總質量（M總）為6.039 kg。

式中，A 為剖面面積，dm2；L 為剖面長度，dm。

剖面面積為0.335 5 dm2，剖面長度為20 dm，則根據公式可計算得出外殼厚度為1.6 mm，取2.0 mm作為壁厚。

3.3.3 發酵倉設計

堆肥發酵倉是好氧堆肥的發生場所，也是本設計的核心部件之一，目前市場上的堆肥發酵倉主要為桶式發酵倉，相對于臥式發酵倉其攪拌效率較低，不利于堆肥物料的堆翻，所以本設計擬使用臥式發酵倉，以方便進出料。

堆肥發酵倉設計為“U”形筒體，主要有以下優點：

（1）方便進出料。“U”形筒體上半部分為敞開設計，方便進料，下半部分為收縮漏斗式設計，只要在底部設置出料口，就可以很好地實現堆肥成品的集中出料。

（2）有利于攪拌路徑與筒體貼合。攪拌槳葉的運動路徑為圓形，可與“U”型筒體下半部分半圓形較好貼合，提高攪拌效率。

本設計的發酵倉如圖3 所示。

圖3 發酵倉

3.3.4 除臭系統設計

厭氧發酵過程在產生CO2與CH4的同時，還會產生少量的H2S，NH3等有異味的氣體，在家庭中使用的廚余垃圾處理器對于臭氣的處理要求相當嚴格，本設計擬采用光氧離子除臭法除臭［6］。

采用納米TiO2作為光催化劑，納米TiO2與垃圾厭氧發酵時產生的廢氣表面吸附的水分和氧氣反應，生成氧化性很活潑的羥基自由基和超氧離子自由基，在光氧離子的轟擊下再次使惡臭物質分子解離和激發，能夠把各種有機廢氣如醛類、苯類、氨類、氮氧化物、硫化物以及其他VOC 類有機物及無機物，經離子解離、激發后，在光催化氧化的作用下還原成CO2，H2O 以及其他無毒無害物質。同時，納米TiO2光催化還可以對管道內滋生的細菌病毒有效地去除，由于在光催化氧化反應過程中無任何添加劑，所以不會產生二次污染，運行成本方面只是用到電能，無需經常更換配件，節能環保。

3.3.5 過濾系統設計

廚余垃圾含水率對于厭氧發酵過程有重要影響，水作為良好的溶劑，對于水解過程有促進作用，但是如果含水率過大，一方面，微生物生化過程釋放的酸性物質會使其生存環境發生變化，另一方面水的比熱容較大，不利于堆肥溫度的保持。因此設計處理器帶有傾斜式濾網以及可拆卸式儲水倉，廚余垃圾倒入進料口，首先經過濾網，會將呈流動狀態的水分過濾后進入儲水倉，廚余垃圾在重力作用下進入發酵倉進行攪拌、破碎，與菌劑充分混合進行厭氧發酵。濾網使得部分水分得以保留，促進水解，又不至于水分過多影響厭氧發酵過程。具體尺寸見圖4。

圖4 新型廚余垃圾處理器的濾網與儲水倉

儲水倉主要功能為暫時儲存水分過大的廚余垃圾過濾下的水分，其材質選用PC 鋼化塑料板，密度1.18 g/cm3，厚度2 mm，其總面積為5 600 cm2，體積為3.4 dm3，總質量為0.802 4 kg。

3.3.6 攪拌及破碎系統設計

廚余垃圾的粒徑對于厭氧發酵的影響主要體現在微生物與物料的接觸，物料的比表面積要盡可能小，可以使厭氧發酵過程進行得更快，提升厭氧發酵效率。

根據攪拌器推動物料的力及槳葉與堆體之間剪切力共同產生的扭矩，對主軸尺寸進行設計。

3.3.7 加熱系統設計

研究發現，厭氧發酵在35～43 ℃以及50～65 ℃之間各有一個峰值，從節能以及安全角度考慮，本設計取35～43 ℃的溫度范圍，采用ZW100D15－U524紫外燈管恒溫加熱系統，可以實現加熱至35～42 ℃。加熱控制器與自控系統連接，通過編程邏輯控制器控制溫度，若溫度低于35 ℃則自動加熱，若溫度高于42 ℃則自動停止加熱。程序如圖5 所示。

圖5 紫外燈恒溫加熱系統

4 結語

本設計采用目前中國家庭廚余垃圾平均參數，基于厭氧發酵方法，設計了一款新型基于厭氧發酵處理廚余垃圾的垃圾處理器。該處理器在40 ℃，每2 h 攪拌2 min 的運行條件下，通過厭氧菌劑和除油菌劑混合使用，可使85%以上的廚余垃圾厭氧消化，生成的有機肥產量為30～150 g/kg 廚余垃圾，達到了廚余垃圾資源化的目的。