新型多格室糞便堆肥反應器設計與試驗

摘要：針對常規糞便堆肥反應器進料自動化程度不高、堆肥效率低和產物質量差的問題，設計并構建出一種“連續進料—反應—出料”運行模式的新型多格室糞便堆肥反應器。對反應器的通風單元、加熱單元進行優化設計，并以廁所糞便為處理對象，進行反應器運行性能試驗。試驗結果表明，經反應器堆肥處理后，糞便臭味減弱、顏色由棕黃色變為棕褐色，堆料高溫期（≥50℃）維持在6d以上，反應器不同運行階段堆肥產品的種子發芽指數分別為104％、81％和128％，表明堆肥成品已實現完全腐熟和無害化。堆肥產品總養分、有機質和種子發芽指數均達到相關要求。

關鍵詞：多格室堆肥反應器；廁所糞便；好氧堆肥；反應器；資源化

中圖分類號：S141： X705

文獻標識碼：A

Design and testing of a new multi-compartment manure composting reactor

Abstract：

Aiming at the problems of low feeding automation， low composting efficiency and poor product quality of conventional manure compost reactors， a new multi-compartment manure compost reactor with a “continuous feed-reaction-discharge” operation mode was designed and constructed. The design of the reactor was optimized in terms of ventilation unit and heating unit， and the operational performance of the reactor was tested with the toilet feces as the treatment object. The test results showed that after the reactor composting treatment， the manure odor was reduced， the color changed from brownish yellow to brownish brown， the high temperature period of the compost （≥50℃） was maintained above 6d， and the seed germination index" of the compost products in different operation stages were 104%， 81% and 128% respectively， indicating that the finished compost products had been completely putrefied and rendered harmless. The indicators of total nutrients， organic matter and seed germination index in the compost products met the requirements.

Keywords：

multi-compartment composting reactor; toilet manure; aerobic composting; reactor; resourcefulness

0 引言

農村廁所革命是推動人居環境整治、實施鄉村振興戰略的重要組成部分，而廁所糞便處理是農村廁所革命的重要內容［12］。好氧堆肥作為一種常用的糞便處理技術，能夠將糞便中的有機物轉化為富含氮、磷等營養元素的有機肥，同時殺滅病原微生物和寄生蟲卵，實現糞便的無害化、穩定化和資源化［36］。

好氧堆肥技術包括靜態、條垛式、槽式和反應器式堆肥技術。因具有機械化程度高、堆肥周期短、密閉性能好等優點，反應器式堆肥技術目前已成為糞便處理中應用最廣泛的堆肥技術之一［78］。然而，常規的反應器式堆肥系統多采用間歇運行方式，較難實現連續運行，且存在堆肥效率低、自動化程度不高等問題［910］。同時，由于反應器式堆肥技術常采用單一反應器，一次性物料投加往往會造成堆肥過程不徹底。采用上、下分區的立式堆肥反應器，則存在反應器上、下層溫度分布不均勻、整體堆料腐熟程度不足的問題［11］。

針對以上問題，本研究構建出一種可連續進、出料的新型多格室糞便堆肥反應器。在此基礎上，進行反應器優化設計和運行性能試驗。研究結果可為廁所糞便堆肥設備的設計和運行提供科學依據。

1 多格室糞便堆肥反應器設計

1.1 多格室糞便堆肥反應器結構

多格室糞便堆肥反應器由進料、多格室生化、攪拌、通風、加熱及PLC控制單元組成。

多格室生化單元結構如圖1所示。該單元由3個橫截面為U型的格室A、B、C依次串聯組成。其中，格室A前端設置自動進料機，格室C下方設置出料口。3個格室四周均設置直徑為1mm的瀝出液排液孔，排液孔通過排液管與貯存槽連接，貯存槽內的瀝出液達到一定液位后，可通過管道進入尿液處理系統內進行處理。各格室底部均設置若干個直徑為10mm的曝氣孔，并通過氣體管路與風機連接。

進料單元由絞龍、料斗和步進電機組成；攪拌單元包含電機、減速器、聯軸器、變頻器和攪拌器；而通風單元由空氣壓縮機、調壓閥、3組電磁閥和流量計組成。多格室生化單元的頂部和底部均設置保溫層；加熱單元設置在多格室生化單元與保溫層之間，主要由電伴熱帶和溫度傳感器組成。其中，電伴熱帶安裝在多格室生化單元底部，而溫度傳感器分別設置在各格室頂部和底部。PLC控制單元由PLC控制器、進料器、主電機、溫度變送器和氧氣傳感器組成。

1.2 多格室糞便堆肥反應器設計

1.2.1 多格室生化反應單元設計

多格室糞便堆肥反應器的設計處理規模為3kg/d，堆肥周期為20d。其中，多格室生化單元為反應器的核心部分。反應器由長1000mm、寬400mm、高300mm的立方體和直徑400mm的半圓柱體組成，其頂部預留40L氣體空間，反應器總容積為142.8L。

多格室生化單元的格室A、B、C分別對應堆肥過程的升溫、高溫和降溫期。其中，格室A主要利用嗜溫微生物對堆肥原料中可溶性有機物生化反應產生的熱量，使得格室A內堆料的溫度不斷上升；在格室B中，堆料溫度升至45℃以上，該格室內占優勢的嗜熱微生物將堆肥原料中纖維素、木質素等難降解有機物以及格室A未降解的部分可溶性物質進行分解；在格室C中，占優勢的嗜溫微生物對在A、B兩格室未能降解的難降解有機物進一步分解，物料逐漸腐殖化并趨于穩定。在三個格室中分別通過不同類型優勢微生物的協同降解反應，糞便得以高效腐殖化，同時堆肥周期明顯降低，堆肥效率得以提高。

多格室生化單元中格室A、B、C體積比為1∶2∶3，在螺旋攪拌作用下，堆肥物料依次經過格室A、B、C，物料傳輸速度依次遞增，實現在各格室內的均勻混合。

攪拌單元設置由螺旋槳葉片和棒狀葉片組成的攪拌器，其中螺旋槳葉片的作用主要是將前一格室的物料輸送至后一格室，棒狀葉片的作用主要是保證各格室內物料的均勻混合。攪拌單元組成示意圖如圖2所示。螺旋槳葉片長度為150mm，寬度為40mm，棒狀葉片長度為190mm，在其末端有5mm長度的小齒。格室A、B、C中分別設置1、2、3組攪拌器，其中格室A設置的攪拌器為三葉片結構，格室B、C設置的相鄰攪拌器組的葉片呈90°設置。攪拌單元攪拌器的電機功率為2.2kW，轉速為3～5r/min。

多格室糞便堆肥反應器的格室A、B、C分別通過上、下交錯的隔板隔開。物料通過隔板之間的撥料葉片從前一格室單向傳輸至后一格室，堆肥后的成品通過格室C底部的出料口排出。

1.2.2 通風單元

通風單元的主要作用是為堆料提供氧氣。該單元采用間歇通風方式，通過反應器底部的曝氣孔與三個格室相連接。

通風量是通風單元關鍵參數之一，計算方法如下。

1） 有機物降解所需風量。根據反應器設計處理規模，每日向反應器中投加堆肥原料3.0 kg，其中可降解有機物質量為堆料總質量的15%，每降解1.0 kg有機物所需的O2為1.0～1.5 kg。反應器堆體中O2含量需保持在8%以上（空氣中O2濃度以21%計）［12］。計算公式如式（1）所示。

式中：

Vm——有機物降解每日所需風量，m3/d；

M0——每日投加堆肥原料的質量，3.0 kg/d；

Kv——可降解有機物的含量，取15%；

α——降解單位質量有機物所需O2量，取1.5kg/kg；

ρ0——空氣密度，取1.29kg/m3。

計算可得有機物降解所需要風量Vm為1.78m3/d。

2） 水分蒸發所需風量。混合堆肥原料含水率為60%～65%，堆肥產品的含水率低于30%。在不考慮堆料微生物反應產生H2O和瀝出液外排的情況下，反應器每日蒸發水量為1.05kg。設定反應器內溫度為55℃、環境溫度為25℃，經過堆肥反應后，單位體積空氣攜帶的飽和水蒸汽中H2O的含量為103g/m3。由此計算得出，水分蒸發所需的風量Vw為10.2m3/d。

比較Vw和Vm值，本設計的通風量取10.2m3/d，反應器采用每30min通風5min的方式，因此通風量為42.46L/min 。一般認為，好氧堆肥過程適宜的含水率為50%～60%［13］。根據格室A、B、C的分區反應機理，其中格室A、B的主要作用是維持反應的適宜溫度和濕度以促進堆料快速腐熟，而格室C的主要功能是保證堆料水分的去除，因此，在設計中格室A、B、C分別選擇不同的通風量。

1.2.3 加熱單元

多格室生化單元的底部和頂板分別設置100mm厚的巖棉卷材組成的保溫層，加熱單元設置在多格室生化單元與保溫層之間。當多格室生化單元頂板溫度低于45℃時，自動開啟電伴熱帶加熱，當溫度超過55℃時，即刻停止加熱。

加熱功率根據熱平衡分析進行計算，即當反應器溫度達到平衡時，輸入熱量等于輸出熱量。其中，輸入熱量包括生化反應熱Qm、電加熱Qd，輸出熱量包括保溫層熱傳導散熱Qr、水蒸氣的汽化潛熱Qw、熱對流散熱Qa、和原料加熱Qf。設定反應器內溫度為55℃、環境溫度為0℃，對輸入和輸出熱量進行計算，計算結果如表1所示。

依據熱力學平衡公式：Qr+Qw+Qa+Qf=Qm+Qd，計算得出，反應器需要通過電加熱Qd輸入的熱量為8.37MJ/d，需要的加熱功率為97W。在此電加熱功率條件下，可以保持反應器55℃的恒溫條件。

2 多格室糞便堆肥反應器性能試驗

2.1 試驗材料

以北京市通州區某村鎮的農村旱廁糞便為處理對象，研究多格室糞便堆肥反應器的運行性能。以稻殼為調理劑，糞便和稻殼的組成如表2所示。

2.2 試驗方案

堆肥反應器性能試驗為連續性，反應器運行時間共計60d。其中1～5d為啟動階段，僅對各格室內的物料進行少量通風和攪拌，不進行進、出料；從第6d開始，反應器開始分3個階段運行。每日投加堆肥物料的質量為3kg，各階段的運行時間和堆料配比如表3所示。

堆肥腐熟度評價指標主要分為3大類：生物學指標、物理學指標和化學指標。本試驗以物理學指標（堆料顏色、溫度）和生物學指標（種子發芽指數）為指標，對堆肥產物進行腐熟度評價，檢測堆肥產品的總養分、有機質和種子發芽指數GI指標。

2.3 指標測定方法

反應器內堆肥物料溫度的測定采用在線監測方法，即通過反應器頂部和底部設置的溫度傳感器監測，利用PLC控制系統實時記錄堆肥物料溫度。

種子發芽指數通過取樣后實驗室分析測定，測定方法參照NY 525—2021《有機肥料》標準［14］。

總養分（TN、P2O5、K2O）的測定根據中華人民共和國農業行業標準NY 525—2021《有機肥料》中規定的方法［14］。

3 結果與分析

3.1 堆料的顏色和性狀變化

堆料顏色和性狀可以作為堆料腐熟度的標志之一。腐熟堆料顏色一般呈深褐色、性狀呈疏松狀、干燥，無惡臭氣味。圖3為反應器運行各個階段，不同格室內堆料的顏色及變化。

圖3結果顯示，從格室A、B到格室C，堆料顏色由棕黃色變為棕褐色，可見顏色逐漸加深，且物料濕度也逐漸降低，這表明隨著堆肥反應的進行，堆料的腐熟度逐漸提高。在格室C中，堆肥物料的顏色為棕褐色，堆料的表觀粒徑較小、整體較為疏松、穩定性較好，表明在格室C中，堆肥物料已相對較為腐熟。

3.2 堆料溫度的變化

溫度不僅影響堆肥微生物的代謝活性，對堆料水分蒸發和干燥起重要作用，從而影響物料的堆肥效果［15］。圖4顯示了在60d堆肥試驗過程中，反應器內不同格室的溫度變化情況。

從圖4可以看出，在試驗期內，格室A、格室B和格室C內的平均溫度分別為39.0℃、49.8℃和27.8℃，分別對應堆肥過程的升溫期、高溫期和降溫期。堆料在格室C中的溫度相對穩定在28℃～30℃，說明在此格室中，堆料已基本穩定。

一般來說，當堆肥溫度在高于50℃的條件下持續5～7d后，才能實現堆料的無害化［16］。本試驗中，在第Ⅰ階段，格室B的堆肥溫度一直高于50℃，在第Ⅱ階段，格室B的堆肥溫度高于50℃的天數達6d，而在第 Ⅲ 階段，格室B的堆肥溫度也一直維持在45℃～50℃。因此，在反應器運行的大部分時間內，格室B中的堆肥溫度均保持在相對較高值，從而能夠較好地促進堆料的腐熟。

3.3 堆肥成品腐熟度檢測

堆肥產品作為重要的肥料或土壤改良劑，其植物生長試驗是評價產品腐熟度的重要依據之一。種子發芽指數GI能夠直觀反映堆肥成品的腐熟度，一般情況下，當GI≥50%時，認為堆肥產品基本腐熟，當GIgt;80%時，說明堆肥產品已完全腐熟［1718］。

對該反應器不同堆肥階段末期的堆肥產品各項指標進行檢測，結果如表4所示。

從表4可以看出，試驗階段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的堆肥產品中總養分（TN、P2O5、K2O）、有機質和GI指標均達到NY 525—2021《有機肥料》中有機肥料的指標要求。其中，反應器三個運行階段堆肥產品的GI值分別為104％、81％和128％，均高于80%，說明反應器三個運行階段的堆肥產品均已實現完全腐熟［14］。新型多格室糞便堆肥反應器能夠較好實現廁所糞便的無害化和資源化。

3.4 經濟性評價

堆肥周期、建設費用和運行費用是影響堆肥技術應用的關鍵指標。研究了試驗運行期間新型多格室糞便堆肥反應器的堆肥周期、建設費用和運行費用，結果如表5所示。

從表5可以看出，新型多格室糞便堆肥反應器與現有研究者設計的反應器在堆肥周期上相比，家用轉鼓式人糞便堆肥箱和梨形筒式好氧堆肥反應器在處理糞便的堆肥周期均為30d，則本堆肥反應器縮減了堆肥周期，降低了處理能耗［1819］。在物料成本方面，糞便堆肥反應器普遍采用鋸末為調理劑，而本試驗堆肥反應器則選擇稻殼，稻殼不易降解，能在反應器中長期保持初始狀態，是比較理想的調理劑，而且在農村地區稻殼相對鋸末會更廉價易得［20］。此外，新型多格室糞便堆肥反應器在每日電費僅為5.59元的條件下，實現糞便無害化處理，同時每日還可產生0.92kg的有機肥產品，達到糞便污染物資源化處理和利用的目的。

綜上，從處理性能、技術和經濟方面考慮，新型堆肥多格室糞便堆肥反應器具有較好的推廣和應用優勢。

4 結論

1） 設計并構建出包括進料、多格室生化、攪拌、通風、加熱及PLC控制單元的新型多格室糞便堆肥反應器。多格室生化反應單元采用三格室結構，對廁所糞便進行分區處理，并實現“進料—反應—出料”的連續運行。根據設計處理規模，對各單元的參數進行了確定。

2） 進行了反應器運行性能的試驗研究。結果表明，經反應器堆肥處理后，堆料臭味減弱，顏色由棕黃色加深為棕褐色，腐熟程度高，且堆料溫度≥50℃的天數在6d以上，符合堆肥無害化要求。不同運行階段堆肥產品的種子發芽指數分別為104％、81％和128％，說明堆肥產品已完全腐熟。堆肥產品中總養分、有機質和種子發芽指數均達到NY 525—2021《有機肥料》指標要求。新型多格室糞便堆肥反應器在堆肥周期和運行費用上與現有的堆肥反應器相比具有一定的優勢。新型堆肥多格室糞便堆肥反應器在處理廁所糞便方面，具有較好的推廣和應用優勢。

參 考 文 獻

［1］ 許陽宇， 周律， 賈奇博. 廁所系統排泄物處理與資源化廁所技術發展近況［J］. 中國給水排水， 2018， 34（6）： 22-29.

Xu Yangyu， Zhou Lü， Jia Qibo. State-of-the-art of resource recovery toilet technology： A review ［J］. China Water amp; Wastewater， 2018， 34（6）： 22-29.

［2］ 侯善策， 沈玉君， 王惠惠， 等. 農村戶用廁污堆肥反應器設計與試驗［J］. 農業工程學報， 2020， 36（14）： 237-242.

Hou Shance， Shen Yujun， Wang Huihui， et al. Design and experiment of composting reactor for rural household toilet sewage ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2020， 36（14）： 237-242.

［3］ Devkota J， Schlachter H， Anand C， et al. Development and application of EEAST： A life cycle based model for use of harvested rainwater and composting toilets in buildings ［J］. Journal of Environmental Management， 2013， 130： 397-404.

［4］ 張宇航， 沈玉君， 王惠惠， 等. 農村廁所糞污無害化處理技術研究進展［J］. 農業資源與環境學報， 2022， 39（2）： 230-238.

Zhang Yuhang， Shen Yujun， Wang Huihui， et al. A study on the harmless treatment technology of night soil in rural toilets ［J］. Journal of Agricultural Resources and Environment， 2022， 39（2）： 230-238.

［5］ 陳同斌， 黃啟飛， 高定， 等. 城市污泥堆肥溫度動態變化過程及層次效應［J］. 生態學報， 2002（5）： 736-741.

Chen Tongbin， Huang Qifei， Gao Ding. et al. Temperature dynamic during the sewage sludge composting process ［J］. Acta Ecologica Sinica， 2002（5）： 736-741.

［6］ 白帆， 王曉昌. 糞便好氧堆肥過程中溫度對有機物的降解和氮的保持特性影響［J］. 中國土壤與肥料， 2011（3）： 68-71.

Bai Fan， Wang Xiaochang. Effect on biodegradation and nitrogen holding property from temperature during aerobic composting for sanitary disposal of human feces ［J］. Soil and Fertilizer Sciences in China， 2011（3）： 68-71.

［7］ 宋楊， 黃鵬程， 袁興茂， 等. 基于Fluent流場模擬的立式好氧堆肥反應器設計及試驗驗證［J］. 河北農業大學學報， 2022， 45（2）： 114-119， 130.

Song Yang， Huang Pengcheng， Yuan Xingmao， et al. Design and experimental verification of vertical aerobic composting reactor based on Fluent flow field simulation ［J］. Journal of Hebei Agricultural University， 2022， 45（2）： 114-119， 130.

［8］ 張安琪， 黃光群， 張紹英， 等. 好氧堆肥反應器試驗系統設計與性能試驗［J］. 農業機械學報， 2014， 45（7）： 156-161.

Zhang Anqi， Huang Guangqun， Zhang Shaoying， et al. Design and test on an experimental aerobic composting reactor system ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2014， 45（7）： 156-161.

［9］ Mancebo U， Hettiaratchi J P. Rapid assessment of methanotrophic capacity of compost-based materials considering the effects of air-filled porosity， water content and dissolved organic carbon ［J］. Bioresource Technology， 2015， 177： 125-133.

［10］ 劉澤龍， 王選， 曹玉博， 等. 立式筒倉反應器堆肥技術工藝優化研究［J］. 中國生態農業學報， 2020， 28（12）： 1979-1989.

Liu Zelong， Wang Xuan， Cao Yubo， et al. Optimization of composting technology for vertical silo reactor ［J］. Chinese Journal of Eco-Agriculture， 2020， 28（12）： 1979-1989.

［11］ 王濤， 姚愛萍， 徐錦大， 等. 小型多層塔式堆肥反應器的設計與試驗［J］. 中國農機化學報， 2017， 38（8）： 68-73.

Wang Tao， Yao Aiping， Xu Jinda， et al. Design and test of small multilayer tower composting reactor ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2017， 38（8）： 68-73.

［12］ 曾劍飛. 間歇供氧對畜禽糞便好氧堆肥氧氣供需和主要氣體產排的影響及機制研究［D］. 北京： 中國農業大學， 2018.

Zeng Jianfei. Effect and mechanism of intermittent aeration on oxygen supply/consumption and main gaseous emissions during livestock manure composting ［D］. Beijing： China Agricultural University， 2018.

［13］ Wu S H， Shen Z Q， Yang C P， et al. Effects of C/N ratio and bulking agent on speciation of Zn and Cu and enzymatic activity during pig manure composting ［J］. International Biodeterioration amp; Biodegradation， 2017， 119： 429-436.

［14］ NY 525—2021， 有機肥料［S］.

［15］ Wang G Y， Kong Y L， Yang Y， et al. Composting temperature directly affects the removal of antibiotic resistance genes and mobile genetic elements in livestock manure ［J］. Environmental Pollution， 2022， 303： 119174.

［16］ GB 7959—2012， 糞便無害化衛生要求［S］.

［17］ 楊文卿， 黃旭方， 卓倩， 等. 一種新型可控堆肥反應器系統的快速厭氧堆肥研究［J］. 環境工程學報， 2012， 6（9）： 3329-3333.

Yang Wenqing， Huang Xufang， Zhuo Qian， et al. High-efficient anaerobic composting process via a novel controllable composting reactor ［J］. Chinese Journal of Environmental Engineering， 2012， 6（9）： 3329-3333.

［18］ 孫金風， 李炎， 楊智勇， 等. 家用轉鼓式人糞便堆肥箱的設計與試驗研究［J］. 湖北工業大學學報， 2020， 35（5）： 8-12， 49.

Sun Jinfeng， Li Yan， Yang Zhiyong， et al. Design and experimental research on household drum-type composting box of human feces ［J］. Journal of Hubei University of Technology， 2020， 35（5）： 8-12， 49.

［19］ 陳威， 王玉新. 應用新型好氧堆肥反應器連續投加處理人糞便的研究［J］. 環境科技， 2014， 27（4）： 35-39.

Chen Wei， Wang Yuxin. A study on the continuously feeding for treating human feces using a new type aerobic composting reactor ［J］. Environmental Science and Technology， 2014， 27（4）： 35-39.

［20］ 李慧， 付昆明， 周厚田， 等. 農村廁所改造現狀及存在問題探討［J］. 中國給水排水， 2017， 33（22）： 13-18.

Li Hui， Fu Kunming， Zhou Houtian， et al. Current situation and problems of rural dry toilet renovation in China ［J］. China Water and Wastewater， 2017， 33（22）： 13-18.