一種靜態發酵堆肥箱的研制

凌慶成，曾慶東，鄭文漢，魏子凱，劉耀明，陳立海

（1.農業農村部華南現代農業智能裝備重點實驗室，廣東 廣州 510630；2.廣東省現代農業裝備研究所，廣東 廣州 510630；3.廣東弘科農業機械研究開發有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

2021 年1 月1 日起施行的《廣東省城鄉生活垃圾管理條例》規定，有機易腐垃圾應當按照農業廢棄物的要求，采用生化處理等技術就地處理，直接還田、堆肥或生產沼氣；2019 年10 月19 日，住房和城鄉建設部《關于建立健全農村生活垃圾收集、轉運和處置體系的指導意見》要求配合推動農村易腐爛垃圾就地就近堆肥處理[1-2]；2023 年5 月8 日，廣東省發改委等部門發布的《廣東省全面推行清潔生產實施方案（2023-2025）》指出，推廣農業清潔生產模式，落實百縣千鎮萬村高質量發展各項要求，加快推進農業清潔生產，加強農業廢棄物資源化利用，持續推進禽畜糞污資源化利用，支持推廣清潔養殖和糞污全量收集處理利用技術模式，鼓勵在規模種植基地周邊建設農牧循環型規?；笄蒺B殖場，提倡糞肥就近還田利用，促進農牧結合循環發展。為探索推廣液體有機肥還田、全量收集還田等模式，提升種養結合水平，針對中小型養殖場以及村鎮的有機廢棄物，設計一種靜態發酵堆肥箱，不僅可以滿足中小型養殖場的禽畜糞污以及村鎮的有機廢棄物就近就地無害化處理的要求，且處理后的產品符合無害化衛生標準、方便運輸和施肥，還能降低處理設施裝備的投資和運營成本；既符合政策導向，還可以為有機廢棄物源頭減量、資源化利用及無害化處理提供裝備、技術支撐[3]。

1 總體結構及工作原理

靜態發酵堆肥箱主要用于中小型養殖場以及村鎮的有機廢棄物預發酵、減量化處理，減少運輸成本以及節省后端的二次發酵時間，靜態發酵堆肥箱結構如圖1 所示。整體結構由e-PTFE 分子膜進料門、固液耦合發酵系統、噴淋回流循環系統、微壓鼓風系統、吊裝勾環系統、控制系統等組成。固液耦合發酵系統整體為密閉空間，根據場景使用不同孔徑的沖孔板隔離分開為上下兩層，實現固液分離的目的。上層為固體發酵倉，占密閉空間的4/5，接納固體有機廢棄物發酵，底部添加粒徑大的墊料用于隔離細小發酵物料，防止掉落到液體貯存發酵倉，同時方便底部的微壓鼓風系統的氣體透過間隙進入固體發酵倉；下層為液體貯存倉，占密閉空間的1/5，連接噴淋回流循環系統，通過該系統，液體通過水泵噴淋到固液耦合發酵系統頂部，流經固體發酵倉的發酵物料、篩網，回到液體發酵倉。鼓風曝氣系統通過整體框架的不銹鋼中空方管，中空方管側面開孔進行鼓風曝氣進入固體發酵倉。

圖1 靜態發酵堆肥箱結構圖

該機工作原理為：中小型養殖場以及村鎮的有機廢棄物投至固液耦合發酵系統中，噴淋回流循環系統保證整套系統合適的水分以及定時噴淋提供發酵的微生物以及除臭菌液，微壓鼓風系統提供氧氣，為微生物營造良好的好氧發酵環境，能有效減少臭味并抑制細菌和其他病原體的滋長，確保生物安全性；有機廢棄物在微生物的作用下，將有機廢棄物分解消化，固體有機廢棄物轉變成固體有機肥，滲濾液有機廢棄物轉變成液體肥，達到初級無害化、減量化、資源化處理的目的。

2 關鍵部件設計

在靜態發酵堆肥箱設計中，固液耦合發酵系統中的支撐底板作為發酵物料的重要支撐承重部件，吊裝勾環系統是實現二次轉運發酵的關鍵部件。本文按照實際參數進行模型建立，通過solidworks軟件模擬支撐底板以及吊裝勾環系統受力時的狀態，分析兩者受力時的等效應力、位移形變數據是否在合理范圍內，保證兩者結構的穩定性以及安全性。e-PTFE 分子膜進料門的設計是充分利用e-PTFE 分子膜大分子氣體出不去，小分子氣體選擇性外排的特性，保留有機養分增加發酵物料產品肥效的同時降低了除臭成本；微壓鼓風系統的設計關鍵在于分析鼓風風量與出風風量的差值，使靜態發酵堆肥箱內部形成微壓鼓風空間，且滿足供氧需求；噴淋回流循環系統的設計在于調節發酵空間的含水率，保持正常發酵水分滿足微生物的發酵需求。

2.1 固液耦合發酵系統受力分析

固液耦合發酵系統是靜態發酵堆肥箱核心部分，為堆肥物料提供良好的發酵空間，內部空間的容積直接影響有機廢棄物的處理量；固液耦合發酵系統的支撐底板用來盛放堆肥發酵物料，是重要支撐承重部件[4]。本模型采用了solidworks 軟件對固液耦合發酵系統的支撐底板按表1 所列主要參數進行了實體模型建立，分析在滿負載承重作用下支撐底板的受力響應特性，驗證等效應力、變形位移是否在合理范圍內，以確保支撐底板的承重能力滿足實際工作需要，支撐底板受力分析試驗主要參數如表1 所示[5-6]。

表1 支撐底板受力分析試驗主要參數

如圖2 所示，將支撐底板作為有限元網格劃分對象進行網格劃分，具體網格設置參數如下：劃分網格的單元大小設置為50 mm，公差為2.5 mm。網格劃分完成后，支撐底板的模型節點總數為21 555 個，單元總數為10 529 個。

圖2 支撐底板的網格劃分模型

使用solidworks 軟件對物料支撐底板承重狀況進行模擬，導入圖2 所示的模型，選擇的分析類型為靜應力分析，將所有零部件的材料定義為普通碳鋼，對支撐底板進行施加約束及施加載荷。模擬靜態發酵堆肥箱裝滿物料時，底部以及支撐件受到發酵物料的重力作用，裝載5 t 的物料，設計的安全系數為1.25，因此底板受到總力為62 500 N，支撐底板所受到的應力云圖和變形位移圖如圖3 和圖4 所示。普通碳鋼的屈服應力為221 MPa，支撐底板模擬受力分析最大的應力為107 MPa，小于普通碳鋼的屈服應力；產生的最大變形位移為0.234 mm，根據機械設計手冊，變形應力、變形位移均在彈性變化范圍內。模擬受力分析表明，靜態發酵堆肥箱在滿負載的情況下，固液耦合發酵系統的支撐底板滿足承重強度要求。

圖3 支撐底板應力有限元分析結果

圖4 支撐底板變形位移有限元分析結果

2.2 吊裝勾環系統受力分析

吊裝勾環系統是靜態發酵堆肥箱實現二次轉運的必要結構，設計的關鍵在于吊裝勾環系統在滿負載情況下，其在吊拉過程中等效應力和變形位移是否滿足在允許范圍內，確保吊拉靜態發酵堆肥箱的安全性以及人員安全。

使用solidworks 軟件，按2.1 同樣步驟，對靜態發酵堆肥箱吊裝勾環系統進行受力分析模擬，導入表2 所示的數據，選擇的分析類型為靜應力分析，將所有零部件的材料定義為Q235 碳鋼，對吊裝勾環系統進行施加約束及施加載荷。

表2 吊裝勾環系統受力分析試驗主要參數

在實際使用過程中，吊裝勾環系統受到勾臂的拉力以及靜態堆肥的重力作用，假設靜態發酵堆肥箱裝滿物料時，裝載5 t 的物料，設計的安全系數為1.25，根據勾臂吊拉狀態，如圖5 所示，受到斜向上45°的牽引拉力作用。根據模擬分析，受到的等效應力為105 MPa，變形位移0.204 mm，均在允許范圍內，如圖6 所示，表明在模擬條件下，設計的吊裝勾環系統在滿載荷條件下符合設計要求，可確保吊裝時設備與人員的安全。

圖5 吊裝勾環系統變形位移有限元分析結果

圖6 吊裝勾環系統應力有限元分析結果

2.3 e-PTFE分子膜進料門設計

e-PTFE 分子膜進料門是由不銹鋼支撐架以及e-PTFE 分子膜組成，與固液耦合發酵系統圍閉形成1 個密閉艙體，可以隔絕發酵物料與外界環境的接觸。分子膜由e-PTFE 膜配合基材組合而成，e-PTFE 夾持在兩層具有防紫外線和耐腐蝕的聚氨酯基材膜中間，根據e-PTFE 分子膜的特性，均布有0.2 μm 孔徑的微孔，幫助發酵系統保持溫度，使堆放物中的氧氣分子均勻分布，同時也是灰塵、氣溶膠和微生物的有效物理屏障，阻止其向外擴散[7]。在發酵的過程中，e-PTFE 分子膜具有優良的防水、選擇性透氣和保溫隔菌功能，有機廢棄物發酵過程中產生的水蒸氣和二氧化碳可透過e-PTFE 分子膜順利排放出去，從而降低發酵物料的含水率；同時，發酵中產生的臭味大分子氣體、熱量、細菌和粉塵被很好地隔絕在堆體內部，而氨氣、硫化氫、揮發性有機化合物（VOC）等[8]則會溶解于附著在e-PTFE 分子膜表面的冷凝水膜中，并隨水滴回落到發酵堆體上，繼續被微生物分解，這樣就能夠將發酵過程中的臭氣濃度降至最低，無需外加除臭系統便解決了環保臭味的問題，還提高了產出物的肥效。

2.4 微壓鼓風系統

好氧堆肥過程中需要足量的氧氣維持微生物繁殖生長，以加速微生物氧化分解發酵有機物，由于靜態發酵堆肥箱為密閉空間，因此選用強制微壓鼓風系統[9]。微壓鼓風系統由曝氣風機和通風管道組成，管道亦作為內部支撐框架的方管；設計篩網底部框架兩側等間距均勻開孔，使其鼓風均勻曝氣到發酵艙體各個角落，滿足其發酵堆肥的氧氣濃度要求[10-11]。微壓鼓風系統的設計關鍵在于曝風量與出氣量的計算，按堆體內部氧氣濃度宜不小于5%，曝氣風量宜為0.05～0.20 m3/min[12-13]，靜態發酵堆肥箱整體密閉發酵空間為5 m3，經計算得出曝氣風量范圍值15～60 m3/h，堆肥分子膜的面積為10 m2。按堆肥分子膜的透氣量為2.0 L/（m2/s），經計算，每小時e-PTFE 分子膜進料門的透氣量為：72 m3/h，考慮到管道風損以及物料阻力，選用了風量80 m3/h 的曝氣風機，形成微壓空間，同時曝氣風量大于透氣量，滿足好氧發酵微生物的曝氣供氧要求。

2.5 噴淋回流循環系統設計

在本靜態發酵堆肥箱的設計中大部分液體不再需要通過發酵熱汽化排放，而是通過噴淋回流循環系統來循環底部滲濾液，通過隔膜泵將滲濾液回噴到固液耦合發酵系統的固體發酵倉，利用發酵滲濾液含有豐富微生物群落接種來促進固體發酵，加快固體發酵速度。同時滲濾液流經固體發酵堆體、液體下滲過程中，可以收集固體發酵部分的易溶、易揮發成分，成為滲濾液發酵養分，提升滲濾液發酵成液肥的品質質量的同時，減少固體發酵系統產生的臭氣，降低除臭系統的處理難度和處理成本。本設計選用2.5 L/min 噴霧量的隔膜泵，噴淋管上等間距布置5 個噴頭，通過時控開關控制噴淋時間為3 s，每小時噴淋一次，通過計算得出，噴淋量為125 mL/h，每個噴頭25 mL 的噴淋量，既不會引起發酵物料的過濕，又可保持適合微生物生長繁殖的水分環境，達到快速處理發酵物料的目的[14]。

3 驗證堆肥試驗

為檢測靜態發酵堆肥箱設計是否滿足堆肥要求，使用靜態發酵堆肥箱進行堆肥試驗。本試驗采用的原料為雞糞和木屑，進行連續堆肥性能測試。按NY/T 3442—2019 畜禽糞便堆肥技術規范中5.2 條例進行物料預處理，讓禽畜糞便和輔料混合均勻，混合后的物料含水率為45%～65%。本試驗以容積為5 m3靜態發酵堆肥箱為例，假設中小養殖場雞糞含水率為70%，為了獲得更好的堆肥效果，與含35%水分的木屑混合，混合物料目標含水率為60%，根據自然堆積計算公式[15]：

計算得出，1 kg 雞糞需要至少0.4 kg 的木屑，即雞糞與木屑的比例為5：2，混合搭配混合發酵物料的含水率不超過60%，按此雞糞與木屑比例混合，裝4 m3的混合發酵物料作為試驗，圖7 為靜態發酵堆肥箱溫度曲線圖。

圖7 靜態堆肥箱溫度曲線

由圖7 可知，雞糞與木屑混合發酵物在發酵過程中，初始溫度為40 ℃，經過2～4 d 的發酵時間，發酵堆體的溫度迅速升高，但從試驗數據來看發酵堆體的表層初始溫度偏低，是由于噴淋回流循環系統的作用，滲濾液帶走了部分熱量到堆體的中深層，同時與e-PTFE 分子膜進料門的外部空間進行了少量熱量交換，導致發酵物料堆體表層溫度低于中深層。

本試驗中，從第6～16 d，發酵溫度保持55 ℃以上的范圍波動，最高溫度達到80 ℃，發酵堆體溫度滿足NY/T3442—2019 畜禽糞便堆肥技術規范中5.3 條例中的一次發酵情況中，通過發酵堆體曝氣，使發酵堆體溫度達到55 ℃以上，反應器堆肥維持時間不少于5 d 的堆肥技術要求[16]。圖8 為靜態發酵堆肥箱性能試驗過程中的含水率曲線圖。

圖8 靜態堆肥箱水分曲線

由圖8 可知，發酵物料初始含水率為60%，堆肥試驗前期，含水率迅速升高，因為噴淋回流循環系統初始添加微生物發酵菌液以及除臭菌液，用于加快堆體發酵；第8 d 后，由于e-PTFE 分子膜的作用，以及減少噴淋量，水分逐步降低，發酵堆體的表層、中層含水率降低到60% 以下，滿足其發酵含水率的要求；發酵物料堆體深層的含水率依然偏大，主要原因是發酵物料堆體表層、中層的水分流回深層。

4 結論與展望

為解決中小型養殖場以及村鎮的有機廢棄物，實現有機廢棄物就近收集、儲存、初級無害化、減量化、資源化處理的目的，本文研制了一款靜態發酵堆肥箱，主要結論如下。

1）通過對固液耦合發酵系統的支撐底板、吊裝勾環系統進行受力分析，結果顯示，靜態發酵堆肥箱支撐底板與吊裝勾環系統在滿載荷狀態下增加安全系數的條件下，所受最大等效應力為107 MPa，變形位移0.234 mm；吊裝勾環系統所受到的最大等效應力為105 MPa，最大變形位移0.204 mm，根據機械設計手冊，支撐底板與吊裝勾環系統的變形應力、變形位移在彈性變化范圍內，符合設計承重要求以及強度要求。

2）通過靜態發酵堆肥箱雞糞與木屑混合發酵堆肥試驗，根據NY/T 3442—2019 畜禽糞便堆肥技術規范5.3 條例，一次發酵過程中，使堆體溫度達到55 ℃以上，反應器堆肥維持時間不少于5 d。本堆肥試驗發酵堆體溫度達到55 ℃以上保持了10 d，符合堆肥技術規范要求。

3）e -PTFE 分子膜進料門的透氣量經計算為72 m3/ h，與微壓鼓風系統風機選型的曝氣量為80 m3/h，曝氣量略大于透氣量，形成微壓鼓風空間的同時滿足了好氧發酵微生物的供氧需求。

本文設計的靜態發酵堆肥箱在使用過程中存在發酵物料的水分偏大，影響微生物好氧發酵的現象，下一步將研究靜態發酵堆肥發酵過程中含水率對微生物菌種的影響，并對噴淋回流循環系統進行優化設計；通過建立密閉環境，檢測靜態堆肥箱外部環境好氧發酵產生的氣體變化，驗證e-PTFE 分子膜進料門阻隔氣體的有效性，同時對靜態發酵堆肥箱出來的滲濾液液體肥以及固體肥進行檢測和種植試驗，驗證其發酵物料產品的效果。