基于厌氧发酵技术的新型厨余垃圾资源化处理器设计

侯瑜 李凯 周佳豪 郭若彤

（西安工业大学，陕西西安 710016）

1 引言

传统厨余垃圾多以粗放的形式进行压缩、无害化处理，不仅没能利用厨余垃圾的有效热值，同时也向环境持续排放了大量无用或有害物质，占用了大片土地，造成了地下水污染、恶息气体持续排放等环境问题［1］。厨余垃圾的主流处理技术有直接粉碎、集中填埋、厌氧发酵、蚯蚓堆肥、微生物菌体、饲料化、焚烧处理、制肥等，但是存在适应性相对较差或局限性较大等问题［2］。市面上厨余垃圾处理器有连接型和独立型2 种，连接型处理器把厨余垃圾粉碎后排入下水道；部分独立型处理器将厨余垃圾转化为有机肥，但因为处理器是零售的，分布分散，企业无法回收，居民无法使用，最后只能将厨余垃圾扔掉。另外，目前厨余垃圾处理器都需要居民自己购买，使用过程中需要耗水、耗电，增加了居民支出，为此需研发新型的厨余垃圾处理器。

2 系统参数

在进行厨余垃圾厌氧发酵处理器设计时，采用的系统参数见表1。

表1 厨余垃圾系统参数

3 厨余垃圾处理器研制

3.1 设计工艺流程

本设计拟采用以厌氧消化原理设计的新型处理器，家庭厨余垃圾日产量约1.25 kg，倒入处理器后首先进行油水分离，进入破碎装置，切碎至粒径≤60 mm 后与菌剂（接种微生物增强厨余垃圾分解）投入处理器中进行厌氧消化，在堆肥的同时辅以搅拌、加热。搅拌为卧式间歇搅拌。加热通过发酵仓底部的加热贴片实现，且发酵仓内有温度传感器读取发酵仓内温度，控制发酵仓内温度为55 ℃（55 ℃可以杀死蛔虫卵，蛔虫卵与其他肠道病原体耐热性大致相当）。堆肥产品养分含量丰富［3］，含有机质为28%～40%，N 为1.2%～2.0%，P2O5为0.5%～0.8%，K2O为1.5%～2.5%，C/N 为10，有效地实现资源化，并且可以为大众所接受。具体工艺流程如图1所示［4-5］。

图1 家庭厨余垃圾处理工艺流程

3.2 处理器整体设计

新型厨余垃圾处理器见图2，包括外壳，在外壳上端设置带有顶盖的进料口，外壳下端设置出料口，外壳内部为发酵仓，发酵仓内投放菌剂，在发酵仓内部的一侧设置可拆卸储水仓，可拆卸储水仓的上端设置有倾斜式滤网，下端设置出水口。在发酵仓底部设置搅拌破碎装置和加热贴片，发酵仓的上部侧壁设置除臭装置，在外壳外端面设置有控制台面。搅拌破碎装置包括变频电机，变频电机的输出端连接搅拌轴，搅拌轴上间隔设置搅拌叶片和破碎叶片，可在搅拌的同时进行破碎。除臭装置包括设置在外壳上的除臭风口，除臭风口连接除臭管，除臭管与外界连接，除臭管连接风机；除臭管内装有活性炭填料，用来去除臭气。堆肥产生的臭气从除臭装置的除臭风口除臭后排出，堆肥成品从出料口排出。发酵仓的内部为“U”形结构，有利于均匀搅拌，提高反应速率。

图2 新型厨余垃圾处理器

3.3 处理器关键零部件设计

3.3.1 外壳尺寸设计

家庭版厨余垃圾处理器使用场景为厨房、阳台、客厅，可以发挥普通垃圾桶的用途，其尺寸不宜过大，设计尺寸长×宽×高为50 cm×40 cm×50 cm，处理器总体积为10 万cm3。

3.3.2 外壳壁厚设计

根据内部压力计算处理器外壳厚度，压力公式如下：

式中，p 为抗压强度，查得数据为49 kg/dm2；P 为压力，kg；A 为剖面面积，dm2。

外壳所受压力来自内部各构件，包括发酵仓、储水仓、搅拌轴、电机、除臭管、紫外灯管以及所投放的厨余垃圾、菌剂质量。

内部构件总质量（M总）为6.039 kg。

式中，A 为剖面面积，dm2；L 为剖面长度，dm。

剖面面积为0.335 5 dm2，剖面长度为20 dm，则根据公式可计算得出外壳厚度为1.6 mm，取2.0 mm作为壁厚。

3.3.3 发酵仓设计

堆肥发酵仓是好氧堆肥的发生场所，也是本设计的核心部件之一，目前市场上的堆肥发酵仓主要为桶式发酵仓，相对于卧式发酵仓其搅拌效率较低，不利于堆肥物料的堆翻，所以本设计拟使用卧式发酵仓，以方便进出料。

堆肥发酵仓设计为“U”形筒体，主要有以下优点：

（1）方便进出料。“U”形筒体上半部分为敞开设计，方便进料，下半部分为收缩漏斗式设计，只要在底部设置出料口，就可以很好地实现堆肥成品的集中出料。

（2）有利于搅拌路径与筒体贴合。搅拌桨叶的运动路径为圆形，可与“U”型筒体下半部分半圆形较好贴合，提高搅拌效率。

本设计的发酵仓如图3 所示。

图3 发酵仓

3.3.4 除臭系统设计

厌氧发酵过程在产生CO2与CH4的同时，还会产生少量的H2S，NH3等有异味的气体，在家庭中使用的厨余垃圾处理器对于臭气的处理要求相当严格，本设计拟采用光氧离子除臭法除臭［6］。

采用纳米TiO2作为光催化剂，纳米TiO2与垃圾厌氧发酵时产生的废气表面吸附的水分和氧气反应，生成氧化性很活泼的羟基自由基和超氧离子自由基，在光氧离子的轰击下再次使恶臭物质分子解离和激发，能够把各种有机废气如醛类、苯类、氨类、氮氧化物、硫化物以及其他VOC 类有机物及无机物，经离子解离、激发后，在光催化氧化的作用下还原成CO2，H2O 以及其他无毒无害物质。同时，纳米TiO2光催化还可以对管道内滋生的细菌病毒有效地去除，由于在光催化氧化反应过程中无任何添加剂，所以不会产生二次污染，运行成本方面只是用到电能，无需经常更换配件，节能环保。

3.3.5 过滤系统设计

厨余垃圾含水率对于厌氧发酵过程有重要影响，水作为良好的溶剂，对于水解过程有促进作用，但是如果含水率过大，一方面，微生物生化过程释放的酸性物质会使其生存环境发生变化，另一方面水的比热容较大，不利于堆肥温度的保持。因此设计处理器带有倾斜式滤网以及可拆卸式储水仓，厨余垃圾倒入进料口，首先经过滤网，会将呈流动状态的水分过滤后进入储水仓，厨余垃圾在重力作用下进入发酵仓进行搅拌、破碎，与菌剂充分混合进行厌氧发酵。滤网使得部分水分得以保留，促进水解，又不至于水分过多影响厌氧发酵过程。具体尺寸见图4。

图4 新型厨余垃圾处理器的滤网与储水仓

储水仓主要功能为暂时储存水分过大的厨余垃圾过滤下的水分，其材质选用PC 钢化塑料板，密度1.18 g/cm3，厚度2 mm，其总面积为5 600 cm2，体积为3.4 dm3，总质量为0.802 4 kg。

3.3.6 搅拌及破碎系统设计

厨余垃圾的粒径对于厌氧发酵的影响主要体现在微生物与物料的接触，物料的比表面积要尽可能小，可以使厌氧发酵过程进行得更快，提升厌氧发酵效率。

根据搅拌器推动物料的力及桨叶与堆体之间剪切力共同产生的扭矩，对主轴尺寸进行设计。

3.3.7 加热系统设计

研究发现，厌氧发酵在35～43 ℃以及50～65 ℃之间各有一个峰值，从节能以及安全角度考虑，本设计取35～43 ℃的温度范围，采用ZW100D15－U524紫外灯管恒温加热系统，可以实现加热至35～42 ℃。加热控制器与自控系统连接，通过编程逻辑控制器控制温度，若温度低于35 ℃则自动加热，若温度高于42 ℃则自动停止加热。程序如图5 所示。

图5 紫外灯恒温加热系统

4 结语

本设计采用目前中国家庭厨余垃圾平均参数，基于厌氧发酵方法，设计了一款新型基于厌氧发酵处理厨余垃圾的垃圾处理器。该处理器在40 ℃，每2 h 搅拌2 min 的运行条件下，通过厌氧菌剂和除油菌剂混合使用，可使85%以上的厨余垃圾厌氧消化，生成的有机肥产量为30～150 g/kg 厨余垃圾，达到了厨余垃圾资源化的目的。