基于太阳能的旋转式庭院废弃物堆肥装置的设计及试验研究
李钰 邓月华 方利国
摘 ?????要： 针对庭院废弃物量大等问题，设计了基于太阳能的旋转式庭院废弃物堆肥装置。主要从堆肥条件调节等方面优化设计。利用装置进行好氧堆肥实验，分析过程的影响因素等。研究发现，经过37 d的堆肥化处理，堆肥产品腐熟，符合无害化处理要求，对植物生长基本无毒性。
关 ?键 ?词：堆肥反应器设计;太阳能利用;好氧堆肥;资源化利用
中图分类号：X705 ??????文献标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2019）03-0546-04
Abstract： ?A rotary-type garden waste composting device based on solar energy was designed for the disposal of yard waste. The composting device was mainly optimized from the aspects of composting condition adjustment. An aerobic compost experiment was conducted to comprehensively analyze influence conditions. According to the result， after 37 days of aerobic composting， the compost product matured with no toxicity to plant growth， which met the requirement of harmless treatment.
Key words： Compost reactor design; Solar energy utilization; Aerobic composting; Resource utilization
随着生活水平的提高，庭院种植日趋流行，花草在美化环境的同时会产生枯枝落叶等废弃物。庭院废弃物中有机质含量高，堆肥作为处理垃圾并维持物质循环的技术方法，逐渐受到认可和应用[1]。
目前研究废弃物处理问题主要为工业设备，结构复杂，成本高，不适合庭院使用，庭院堆肥装置普及程度较低。本文设计了一款家用庭院废弃物堆肥装置，并进行好氧堆肥实验。
好氧堆肥过程是指好氧微生物降解有机物，同时高温杀灭病原菌，实现无害化处理[2]。好氧堆肥过程可分为中温阶段、高温阶段以及降温阶段。
1 ?堆肥反应器设计及堆肥过程研究
1.1 ?实验材料
堆肥原料为华南理工大学校园内枯枝落叶等。所用柠檬酸购自牡丹江市丰达化工进出口有限责任公司，供试种子购自张家港市常丰种子有限公司。
1.2 ?实验装置设计
1.2.1 ?堆肥装置设计
基于太阳能的旋转式庭院废弃物堆肥装置（如图1）由支承系统、雨水收集系统、堆肥系统和太阳能发电系统4个部分组成。
1.2.2 ?堆肥装置的尺寸及容积确定
徐智[3]等研究得出在不采用外加热装置仅依赖保温材料的情况下，堆肥反应装置的有效推荐容积应该在30 L以上。Petiot[4]等发现反应装置表面积与体积比值越小，保温效果越好。本文采用的堆肥箱是基于实验室和庭院落叶堆肥，故不设置外加热装置，通过双层壳及中间保温层隔热，单个堆肥室的有效高度为0.2 m。
1.2.3 ?堆肥装置的结构及特点
（1） 堆肥箱外层结构及保温装置
堆肥箱主体采用正六棱柱外形，堆肥箱所需要的实际容积约为166 L。双层壳体采用结构强度大、保温效果好等的钢材，壳层间填充4 cm的隔热材料。
（2） 左右堆肥室的独立堆肥和混合
堆肥箱左、右两分室中间设置可部分拆卸隔板，能完成不同堆肥物料的独立进行和混合，实现不同种物料发酵互不干扰以及不同发酵阶段的物料混合，从而调节碳氮比，适用于多种堆肥工作环境。
（3） 物料搅拌
堆肥装置为旋转式堆肥箱，通过箱体的旋转即可实现堆肥物料的搅拌混合，使物料混合均匀。
（4）堆肥过程参数的测定
左右分室的固定搅拌轴各独立设置一组传感器，可分别实时测定两个堆肥室温度、湿度和氧气浓度等堆肥过程状态参数。
（5）装置供水及供电
雨水收集系统通过可拆卸槽式雨水收集器收集并储存雨水，简单净化后为堆肥装置供水。此外，堆肥箱设置太阳能板与蓄电池。
1.3 ?庭院废弃物堆肥化处理流程
（1）预处理
主发酵前，对枯枝落叶进行收集、分类、堆放。将落叶等粉碎为直径0.5～5 cm的颗粒。堆肥箱内加入粉碎后的原料、约10 L垫料和4 L的水，使C/N维持在25：1～30：1，水分含量在45%～65%，按堆肥物料的1/10添加柠檬酸调节其pH为7.0左右。
（2）發酵堆置
主发酵阶段：在发酵初期，微生物大量繁殖，释放热量，导致环境温度升高至45 ℃左右。在发酵中期，在微生物活动剧烈，不断氧化分解有机质作用下，堆体温度继续升高，可达60～70 ℃。当环境中温度达70 ℃时，大多数微生物会休眠或死亡。
后发酵阶段：在主发酵后期，由于高温的作用导致微生物的休眠或死亡，温度开始逐步下降。当温度降至适宜时，部分微生物结束休眠，继续进行分解活动。但因微生物数目的降低以及物料中有机质含量的下降，温度变化并不十分明显。后期，有机质的分解基本结束，温度基本稳定。
（3）堆肥后加工
为满足市场实际需求，发酵后期的产品一般需经过后加工处理。经堆肥化处理，堆肥产品已腐熟。将制得的肥料经除臭、烘干、磨碎至粒度0.5～2.5 cm、过筛，测定全氮、C/N、pH值、EC（电导率）值。
1.4 ?指标测定及方法
1.4.1 ?温度、氧气浓度
由固定搅拌轴内的传感器测定，每天记录两次数据，每次平行记录多组数据，求其平均值。
1.4.2 ?C/N和全氮含量
产物经过自然风干、粉碎研磨、过筛处理后用Primacs SNC-100固体/液体样品分析仪测定总有机碳（TOC）和总元素碳（TEC），后计算C/N值。
1.4.3 ?pH值和EC值
称产品10 g，按样水质量比1∶10混合，置于摇床震荡30 min（振频120 r·min-l，振幅30 mm），静置30 min后，取上清液。用pH酸碱计测定pH值，电导率仪测定EC值。
1.4.4 ?毒害分析
发芽实验测定种子发芽指数（Germination Index，GI），堆肥产品处理后振荡2 h后离心，5 mL浸提液滤液在无菌培养皿（24± 1）℃恒温箱中避光培养48 h，计算GI。发芽指数采用Zucconi[5]计算方法，计算公式为：
2 ?堆肥反应器设计及堆肥过程研究
2.1 ?堆肥前后温度
由图2可知，堆体温度变化趋势为先上升再下降，最终稳定到室温。堆肥化处理的升温阶段为堆肥前1～5 d，高温阶段为第6～25 d，后进入降温阶段，最终温度降到室温。堆肥初期，微生物活跃，降解原料的有机物产生热量，导致温度迅速上升，而后温度最高达67.8 ℃。第6 d开始进入高温阶段，温度在最佳温度（55～65 ℃）上下浮动，微生物保持较高活性，高效分解落叶[6]。随着原料的不断消耗，微生物减少，25 d后开始进入降温阶段，接近室温，可判断堆肥处理已达堆肥腐熟度指标[7，8]。
2.2 ?堆肥前后氧气浓度
氧气浓度直接影响微生物活动、温度以及堆肥质量等[9]。由图3可知，氧气浓度呈先下降后上升趋势，在堆肥前5 d（升温阶段），微生物活动强度和化学反应速率低，耗氧速率低，不到1%。第6～14 d为高温阶段前半段，微生物开始大量增殖，有机物剧烈分解，使氧气浓度从20.7%下降到14.4%。第15 d后，即高温阶段后半段到堆肥降温阶段腐熟期，有机物逐渐减少，微生物生理活动受到抑制，氧气浓度从最小值渐渐上升，堆肥趋于腐熟[10]。
2.3 ?堆肥前后pH值、EC值及全氮的含量、C/N一般微生物最适宜生存的pH是中性或弱碱性（6.5～ 8.5），pH值在8.0左右能缩短堆肥达到高温期的时间。实验中，新鲜落叶的pH为8.0，按堆肥物料的1/10添加柠檬酸使pH为7.0。堆肥结束后pH值为8.0，符合无害化处理要求，堆体已经腐熟[8]。
EC（电导率）值反映基质的浸提液中含有的可溶性盐的浓度。在堆肥过程中，堆体产生大量的铵离子和矿质盐分已被微生物利用，使堆肥后的EC值与堆肥前相比大大下降。堆肥结束后的EC值为0.87 mS/cm，远小于4.0 mS/cm，即堆肥产品已腐熟。
固态C/N比是最常用的堆肥腐熟度评价方法之一。堆肥初始C/N值在20～40可进行好氧堆肥。C/N减少到20以下或终点C/N与初始C/N比值小于0.6时，堆肥已经腐熟[4]。经过37 d的堆肥化处理，C/N值由初始的30.3下降到17.8，C/N的终值/初值为0.59，可认为堆肥已腐熟。
氮素的变化对臭气的释放、养分的流失以及堆肥的腐熟有重要的影响[11]。微生物分解有机物质生成的气体和水分挥发，元素的相对含量发生浓缩效应，使氮素的含量增加[12]。实验中，全氮的含量从1.160%增加到1.500%，增加了29.3%，这说明堆肥化过程大大提高了堆肥产品的全氮质量分数（表1）。
2.4 ?种子发芽实验
种子发芽试验[13]被认为是检验正在堆肥的有机质腐熟度的最精确和最有效的方法之一，由于未成熟堆肥中，小分子量组分会引起植物毒性，而大分子量的组分反而会对植物生长有刺激作用。许多植物种子在堆肥原料和未腐熟堆肥浸出液中发芽和生长受到抑制，而随着堆肥的进行，小分子量组分逐渐被转化或消失，抑制作用不断减少[14]。种子发芽指数（GI）能反映生物毒性物质的含量：数值越大，毒性物质含量越低，堆肥腐熟度越高。理论上，GI<100%，就判断是有植物毒性的（表2）。
在实际试验中，当GI>50%时，表明这种堆肥已达到可接受的腐熟度，基本无毒，若GI>80%则表明堆肥已达到完全腐熟[15]。实验中，小白菜、甜心菜和油绿生菜的GI均大于80%，油绿生菜甚至达到了122.80%，这说明经过37 d的堆肥化处理，堆肥产品都已达到腐熟程度。
3 ?结 论
本文对庭院废弃物的好氧发酵反应装置进行两方面的研究：一是设计基于太阳能的旋转式庭院廢弃物堆肥装置，二是利用该装置进行好氧堆肥实验。
该基于太阳能的旋转式庭院废弃物堆肥装置该设计包括支承系统、雨水收集系统、堆肥系统以及太阳能发电系统的设计，同时在理论上对装置的堆肥箱体积进行计算。堆肥装置可改善土壤环境，实现废物利用，减少环境污染。
基于设计装置的好氧堆肥实验得出以下结论：
（1）在反应过程中，堆体温度呈先上升再下降趋势，最终稳定至室温。堆肥化处理的升温阶段为堆肥前5 d;高温阶段为第6～25 d，此时最佳温度为55～65 ℃;第26 d进入降温阶段，最终降至室温。
（2）在堆肥过程中，氧气浓度呈先下降后上升趋势。堆肥结束后，堆体的pH为8.0，符合无害化处理要求。EC值为0.87 mS/cm，远小于4.0 mS/cm，且C/N的终值/初值为0.59，均表明堆体已经腐熟。全氮的含量从1.160%增加到1.500%，增加了29.3%，大大提高堆肥产品的全氮百分含量。
（3）在种子实验中，小白菜、甜心菜和油绿生菜的GI均大于80%，油绿生菜达122.80%，表明由设计装置得到的堆肥产物对植物生长基本无毒性。
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