家用轉鼓式人糞便堆肥箱的設計與試驗研究

孫金風, 李 炎，楊智勇，胡 龍，胡永涼

(1 湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢 430068； 2 上海澤寧環?？萍加邢薰?，上海 201304)

人糞便中除含有大量氮、磷等營養元素外，還含有大量的致病菌等污染物，嚴重危害人體健康[1]。目前，我國城鎮主要使用水沖廁所，農村主要使用的是旱廁[2]，均沒有對人糞便進行特別的處理，不但浪費了水資源，而且浪費了糞便中大量的營養元素。將糞便進行堆肥處理，不僅能夠消滅人糞便內有害致病菌，而且能夠將人糞便轉化為有機肥料，實現對人糞便無害化、資源化的處理[3]。目前，市面上缺乏家用人糞便堆肥箱。本文設計的一種家用堆肥箱，布局合理，操作方便，具有自動進料、自動堆肥、固液分離等功能。

1 家用堆肥箱總體設計

1.1 堆肥方法的選擇

堆肥是利用含有肥料成分的動植物遺體或排泄物，加上泥土和礦物質堆積，在高溫、多濕的條件下，經過發酵腐熟、微生物分解而形成的一種有機肥料[4]。家用堆肥箱采用好氧堆肥工藝進行堆肥，好氧堆肥反應過程中會產生高溫，能夠有效滅殺待堆肥物中的致病菌，使堆肥產物變得更加的安全和穩定[5]。

1.2 堆肥箱的設計要求

家用堆肥箱在進行設計時既要滿足其堆肥的基本功能，在外觀上也要符合人的審美要求。因此，堆肥箱應該具有以下幾點：1)結構緊湊,滿足一般家庭放置條件；2)自動進料，自動堆肥，使用方便；3)具有固液分離功能；4)密閉性好；5)滿足好氧堆肥的要求；6)造價合理，運輸方便，滿足一般家庭的消費需求。

1.3 堆肥箱總體規劃方案

堆肥箱主要由箱體、進料系統、堆肥攪拌系統、加熱系統、通風系統以及控制系統組成。

圖1為堆肥箱總體結構圖。進料系統安裝在堆肥箱箱體左側。堆肥轉鼓橫陳于箱體內部，堆肥轉鼓底部設有兩個接料盤，左側接料盤收納從漏水孔中漏出的固體物質，右側接料盤收納已堆好的肥料。加熱系統由風熱裝置和輔熱裝置組成。輔熱裝置安裝在堆肥箱體底部，風熱裝置固定安裝在堆肥箱體左側進料端下部。通氣系統由進氣口、排氣口和風扇組件組成，進氣口位于堆肥箱箱體右端，排氣口位于堆肥箱箱體左側頂部，風扇設在排氣口內側，排氣口外側接有排氣管道。

堆肥箱具體工作流程：堆肥箱進污管與真空馬桶相連，當真空泵啟動信號傳入控制系統，真空泵將糞便污水導入堆肥轉鼓內，控制系統控制電機驅動進料絲桿運轉，將堆肥輔料輸送到堆肥轉鼓內部?？刂葡到y接有時間繼電器，每個小時控制堆肥轉鼓旋轉一次，使轉鼓內部堆肥物料得到均勻攪拌，混合，便于堆肥。在堆肥過程中，控制系統控制排氣口排氣小風扇運轉，促進堆肥轉鼓內部空氣循環，為堆肥過程提供所需氧氣。出肥時，整個過程只需打開出料口蓋，轉動堆肥轉鼓即可完成出肥，出的肥料由接料盤接收。

1-進料系統；2-排氣口；3-堆肥轉鼓；4-漏水孔；5-出料口； 6-進氣口；7-排水口； 8-接料盤； 9-加熱系統； 10-進污管圖1 堆肥箱總體結構

2 家用堆肥箱主要系統設計

2.1 箱體設計

堆肥箱的箱體材料為聚丙烯加30%的玻璃纖維，長度1137 mm，寬度708 mm,高度745 mm，能夠滿足一般家庭的放置條件。箱體內部設有空腔，箱體分為上腔蓋和下腔體。圖2為堆肥箱箱體三維圖。在上腔蓋上設有觀察口，方便觀察堆肥箱內部運轉情況。在下箱體上，設有兩個取料口，取料的時候只需要打開取料口蓋，取出接料盤即可?？紤]到堆肥箱良好的密閉性要求，觀察口、取料口以及上腔蓋和下腔蓋的閉合處，都安裝有密封條，保證堆肥箱良好的密封條件。

圖2 堆肥箱體

2.2 進料系統設計

堆肥輔料是指為了保證堆肥過程順利進行，提高堆肥產品質量，而在待堆肥物中添加的輔助物料[6-7]。家用堆肥箱進料系統采用螺旋進料方式，進料系統主要由料斗、電機、螺旋絲桿組成。進料系統長216 mm，寬147 mm,高173 mm，料斗體積約為0.0047 m3，進料能力為0.0175 t/h。圖3為進料系統三維圖。進料系統的原理是利用螺旋絲桿的旋轉，讓堆肥輔料與螺旋面產生相對運動，由于堆肥輔料受到料槽或輸送管道間摩擦力的作用不與螺旋葉片一起轉動，導致堆肥輔料沿螺旋絲桿作軸向運動，從而實現堆肥輔料的輸送。

圖3 進料系統

2.3 攪拌系統設計

堆肥攪拌系統主要由減速電機、傳動齒輪、堆肥轉鼓組成。圖4為堆肥攪拌系統示意圖。為了使堆肥箱結構更加的緊湊，堆肥攪拌系統采用齒輪傳動，從動輪為轉鼓自身齒輪。傳動齒輪參數為：模數m1=8,齒數z1=10，從動輪參數為：模數m2=8，齒數z2=70，傳動比為7，減速電機轉速9.3 r/min，電機轉矩6 N·m。

1-傳動齒輪;2-減速電機；3-電機安裝板;4-進料口；5-轉鼓齒輪；6-出料口; 7-漏水孔圖4 堆肥攪拌系統

家用堆肥箱整個堆肥過程在轉鼓內部進行。轉鼓采用聚乙烯材料(簡稱PE)滾塑制成，PE材料的性質既滿足堆肥的條件，也能一定程度上減小轉鼓的自重，降低電機功耗。轉鼓總長1077 mm，轉鼓筒體長度801 mm，轉鼓中間內徑590 mm，轉鼓筒體體積約0.195 m3，轉鼓滿載情況下堆肥物料體積應少于轉鼓體積的1/2，約60 kg。

由圖4顯示，筒體齒輪位于轉鼓左側，安裝時與傳動齒輪嚙合。轉鼓靠近左側進料端的筒壁上設有一圈附有過濾篩網及濾紙的漏水孔，起固液分離的作用。轉鼓筒體形狀為非標準圓柱體，遠離進料端的直徑小于進料端的直徑，便于轉鼓內的液體匯聚到漏水孔區域。轉鼓右端筒壁上設有一個出料口，堆肥時呈密封狀態，出料時打開出料口蓋即可。

2.4 加熱系統設計

家用堆肥箱加熱系統包含兩部分：輔熱裝置和風熱裝置。圖5是加熱系統示意圖，(a)為輔熱裝置，輔熱裝置由加熱托盤、保溫棉、加熱板、散熱鋁板和密封圈等組成。(b)為風熱裝置，風熱裝置由風扇和加熱圈組成。

加熱系統的使用條件:1)當環境溫度較低時，打開輔熱裝置，增加堆肥箱內溫度，促進堆肥。2)當堆肥箱固液分離后的污水量較大時，打開風熱裝置，促進污水蒸發，能在一定程度上解決污水排放問題。

1-散熱鋁板；2-密封圈；3-加熱板；4-保溫棉；5-加熱托盤；6-風扇;7-加熱圈圖5 加熱系統

2.5 通風系統設計

好氧堆肥過程中隨著微生物的生長繁殖，需要大量的氧氣，通過自然通風難以達到好氧堆肥的工藝要求[8-10]。因此，家用堆肥箱設計了強制通風系統。

通風系統的設計中的關鍵在于通風量的計算。好氧堆肥過程中，通風量主要作用于兩方面：1)堆肥過程中微生物分解有機物消耗的部分；2)去除堆體中多余水分所消耗的部分。計算時按照堆肥轉鼓所能容納的最大物料量計算，即堆肥物料填充堆肥轉鼓體積的1/2，物料重量約為60 kg。微生物分解有機物所需通風量

(1)

式中：M0為堆肥物料總質量，kg；Wm為堆肥物料含水率，取60%；Vm為揮發性固體的含量，取90%；Kv為可以降解的有機質，12%；Z0為空氣中氧氣的質量分數，為21%；ρa為標準大氣壓下空氣密度，為1.29 kg/m3。

由式(1)計算可得微生物分解有機物所需通風量為9.6 m3，采用定時定量的通風30 d，計算得微生物降解所需實際通風量為0.22 L/min。

經過好氧堆肥過程，成品有機肥料的含水率應該低于30%[11],本次計算按含水率30%計算，已知堆肥開始時，堆肥物料重量為60 kg，去除堆體多余水分所需通風量

(2)

Mw=M0Sp+M0(1-Wm)VmKvSp-MpWn

(3)

V去除水分=Mw/αρ

(4)

式中:Mp為堆肥后物料質量，kg；Wn為堆肥后物料含水率，%；Mw為堆肥中去除水的質量，kg；Sp為堆肥過程中產水率，為60%；α為排氣去除水分率，取0.104；ρ為55℃下氧氣密度，為0.828 kg/m3。

由式(2)計算得出堆肥后物料質量為35.68 kg，由式(3)計算得出堆肥過程中去除水的質量為26.9 kg。結合式(2)，(3)，(4)可計算出去除堆體中多余水分所需通風量約為312 m3，采用定時定量的通風30 d，計算得出去除堆體中多余水分所需實際通風量為7.2 L/min。經過計算得出微生物降解所需通風量為0.22 L/min，因此，通風系統理論通風總量為7.42 L/min。

2.6 控制系統的設計

堆肥箱的進料和堆肥過程由控制系統自動進行。圖6是堆肥箱控制電路圖?？刂葡到y主要由開關電源，電路板，轉鼓電機，風扇和運行維護開關等組成。在控制電路中，開關電源的作用是將輸入電壓220 V轉化為系統所需要的電壓。該電路中輸出電壓為24 V?？刂葡到y主要實現的功能：1)當用戶使用廁所時，真空泵信號傳遞給控制電路，控制電路控制進料電機和轉鼓電機運轉，實現進料和堆肥的自動功能。2)控制電路控制通風系統風扇運轉，為堆肥過程提供氧氣。3)控制電路中設置有運行維護開關，打開維護開關，堆肥轉鼓轉動完成出肥。

圖6 堆肥箱控制電路

3 堆肥轉鼓靜力學分析

在家用堆肥箱設計中，堆肥轉鼓是一個關鍵部件，轉鼓中既進行物料的混合和堆肥反應，也承載了物料的重量，容易發生形變等破壞，因此轉鼓一定要保證足夠的剛度和強度。為了便于計算，對轉鼓模型進行簡化，使用Ansys Workbench軟件對轉鼓進行靜力學分析，分析堆肥轉鼓在靜力學下的應力分布和變形情況，便于對堆肥轉鼓的優化設計提供指導意見。

1)定義材料屬性 由堆肥轉鼓的設計可知，轉鼓材料選用聚乙烯(PE)，材料屬性見表1[12]。

表1 堆肥轉鼓材料(PE)屬性

2)施加約束及載荷 利用軟件對模型進行約束，為滿足實際需要 ，對結構兩端進行Cylindrical Supprt約束。根據分析，轉鼓運行所受到的載荷包括齒輪載荷和重力載荷，重力載荷包括轉鼓自重和堆肥物料自重。本文模擬堆肥轉鼓在受自重載荷，傳動齒輪扭矩為6 N·m，堆肥物料載荷60 kg下的應力和變形情況。

3)結果分析 根據以上計算條件，可得計算結果，由圖7可以看出，最大變形量為0.960 mm，產生在傳動齒輪頂部，轉鼓變形量都小于此最大變形量。轉鼓所受的最大應力為5.797 MPa，產生在轉鼓齒輪與傳動齒輪嚙合處。由表1可知，材料的屈服強度為30 MPa，大于轉鼓所受的最大應力，因此，轉鼓在載荷60 kg的情況下不會發生屈服破壞，符合設計要求。

圖7 轉鼓靜力學分析云圖

4 堆肥箱性能試驗

4.1 試驗設計

為了檢測家用堆肥箱設計是否滿足堆肥要求，使用堆肥箱進行堆肥性能試驗，該試驗探討了堆肥過程中相關理化指標的變化情況，包括堆體溫度、pH值、氧氣濃度和種子發芽指數(GI)。

本次性能試驗所采用的原料由人糞便和鋸末組成。馬桶，真空泵和堆肥箱組成完整的堆肥體系。堆肥性能試驗為連續性試驗，即每天添加新鮮糞便到堆肥箱中，糞便按每次400 g計算，控制系統控制進料系統加入堆肥輔料的時間，糞便與堆肥輔料按體積比1∶1加入堆肥箱進行混合。糞便與鋸末相關參數如表2所示[13]。

表2 人糞便與鋸末相關參數

4.2 相關理化指標測定方法

1)堆體溫度 使用溫度探測器檢測堆體溫度，每天記錄2次數據，間隔時間6 h，每次平行記錄多組數據，取平均值，持續時間30 d。

2)堆體pH值 每天從堆體中取10 g樣品，用蒸餾水配成固液比1∶5的懸浮液，利用搖床振蕩30 min后，放置10 min，取最上面的一部分液體，用pH檢測計檢測，持續時間30 d。

3)氧氣濃度 將氣體檢測儀的探頭伸入堆肥箱的排氣口15 cm處，讀取穩定后的數據，每天記錄2次數據，每次間隔6 h，每次平行記錄多組數據，取平均值，持續時間30 d。

4)堆肥腐熟度檢測 堆肥腐熟度的檢測可以通過計算種子發芽率實現。

具體操作步驟如下：

1)堆肥成品與蒸餾水按照1∶10的體積比配置，振蕩40 min，在5000 r/min的轉速下離心，過濾后提取上清液。收集濾出液，搖蕩均勻后形成堆肥浸提液。

2)在培養皿中放入2張相同直徑的濾紙，滅菌后放入12粒大小一致、活性一致的小白菜種子，注入10 mL的堆肥浸提液，以注入無菌去離子水的試驗為對照，在常溫下培養一周，統計根長和發芽率，發芽指數

4.3 試驗結果分析

1)堆肥溫度變化 圖8所示為家用堆肥箱性能試驗過程中的溫度變化圖。由圖可知，堆肥前期，堆體溫度迅速升高，在第6天達到最高溫度67℃ ，之后一直到第20天，溫度一直在60℃以上的范圍內波動，在第26天，溫度下降到50℃以下。糞便高溫好氧的無害化要求為堆體溫度在50℃以上持續5～7 d[14]，而在性能試驗中，堆體溫度在50℃以上明顯大于5～7 d，滿足高溫好氧堆肥的無害化要求。

圖8 堆肥溫度變化圖

2)堆體pH值變化 圖9所示為家用堆肥箱性能試驗過程中pH值的變化圖。由圖可知，堆體初始pH為7.9，堆肥前期，堆體pH值迅速下降，在第6天pH最低下降到4.3，之后pH值一直在4.3～5.9范圍內波動，在第20天 pH值開始回升，直到試驗結束，pH值恢復到7.9左右。根據相關研究[15]，pH值7.9 滿足作為有機肥料的條件。

圖9 堆肥pH值變化

3)氧氣濃度變化 圖10所示是家用堆肥箱性能試驗中氧氣濃度變化圖。由圖可知，堆肥前期，氧氣濃度迅速下降，在第6天氧氣濃度下降到最低約14%，之后一直到試驗結束，氧氣濃度都在14%～15%之間波動，研究表明[16]，好氧堆肥反應中氧氣濃度保持在5%～15%之間較為合適。同時也驗證了家用堆肥箱通風系統的設計滿足好氧堆肥過程中所需氧氣的要求。

圖10 堆肥氧氣濃度變化

4)堆肥成品腐熟度檢測 種子發芽試驗能夠很直觀反映堆肥成品腐熟情況[16]。種子發芽指數(GI)是判斷堆肥成品腐熟度的有效指標。植物在未腐熟的堆肥成品中生長會受到毒性抑制，這些毒性主要來源于乙酸等低分子量有機酸和大量的氨、多酚等物質。研究發現[17]，當GI>50%,可以認為堆肥成品腐熟度適合植物生長，當GI>80%時，則說明堆肥成品已完全腐熟。表3為本次種子發芽試驗結果，結果顯示，GI為89.77%>50%，說明家用堆肥箱堆肥成品已完全腐熟。

表3 種子發芽試驗結果

圖11 產品展示圖

5 結論

1)本研究設計了家用轉鼓式堆肥箱，并對堆肥箱各部分進行了設計。該堆肥箱包括箱體，進料系統、堆肥攪拌系統、加熱系統、通風系統及控制系統。該堆肥箱自動化程度高，能夠實現人糞便無害化、資源化處理，有效改善糞便污染。

2)對堆肥轉鼓進行靜力學分析，結果顯示，堆肥轉鼓在滿載荷狀態下所受做大應力為5.797 MPa，符合設計要求。

3)通過堆肥箱性能試驗，堆體溫度滿足在50℃以上5～7 d的要求，符合堆肥無害化要求，堆肥成品pH值7.9，滿足作為有機肥料的條件，氧氣濃度的變化驗證了家用堆肥箱通風系統設計的合理性。

4)通過種子發芽試驗，種子發芽指數GI為89.77%，說明家用堆肥箱堆肥成品無毒性，已完全腐熟，適合植物生長。