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回收农业废弃物生产热水

From Appropedia
FA 信息图标.svg向下角度图标.svg项目数据
类型堆肥厕所
堆肥加热器
作者欧莱·埃森
地点俄勒冈州宾夕法尼亚州
成本100
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本文介绍了两种使用废弃生物质(如厨房垃圾和农业垃圾)和人类排泄物加热水的堆肥系统。由于它们建造简单且成本低廉,使用广泛可用的材料,并且需要的技术专长很少,因此它们可能是发展中国家的理想选择。如果建造得当,它们只需要很少的维护,没有异味,也不会对公众健康造成危害。一个系统已经建成,并已在俄勒冈州为家庭生产热水 2 个月。提出了第二个更简单的设计。输入是:冷水、废弃生物质和人类排泄物。输出是:热水和堆肥。所需材料:铁丝网或编织围栏和管道。

堆肥

堆肥是一种将农业或园艺废物转化为肥料的历史悠久的过程。它是有机园艺的基石。这个过程很简单,几乎不需要专业知识。大多数园丁和农民都知道,通过在中心位置积累废弃生物质可以加速自然分解过程。生物质包括厨房垃圾(水果和蔬菜的不可食用部分,如果皮;变质的食物)、农业或林业废物(杂草、修剪物和收获的作物残余物,如玉米芯或在碾磨过程中去除的玉米皮)和粪肥。堆肥过程消耗这些废料,产生有价值的肥料并改善花园卫生。如果建造和维护得当,它无味且无害虫。此外,任何见过堆肥的人都知道,一个重要的副产品是热量。

氮和碳在堆肥过程中的作用

分解物质的生物系统需要食物(底物)中富含碳的物质和蛋白质(含氮)。碳为代谢过程提供能量,存在于植物的结构基质中(木材或植物茎中的纤维素)。氮是氨基酸的来源,用于构建将碳水化合物转化为能量所需的蛋白质酶。它主要存在于植物的其他部分,如叶子,以及动物物质或粪便中。富氮材料往往密度大、无孔,在厌氧条件下分解,几乎不释放热量,通常会产生恶臭并吸引昆虫。然而,当向富氮材料中添加足够的碳时,就会形成多孔基质,具有很大的表面积,微生物可以在其上繁殖。由此产生的分解过程变成有氧的,释放大量热量,并防止昆虫侵扰和难闻的气味。另一个好处是热破坏病原体,如病毒和寄生虫。在实践中,这意味着一个干净、美观的过程。

化学分解包括碳氢分子键的氧化。这会释放二氧化碳、水和以热量形式释放的能量。这与木材燃烧时发生的化学过程相同。然而,生物系统能够通过使用酶作为催化剂在较低温度下完成这一过程。

堆肥热水器

我想介绍一下我在俄勒冈州建造的堆肥系统,该系统利用堆肥原理为我的 2 个大人和 3 个小孩的家庭提供所有家用热水。此过程的主要投入是树木修剪企业的废弃生物质。它由从硬木或针叶树上剪下的树枝组成,这些树枝已用切碎机粗略地磨碎。这种材料富含碳(即主要含有木材)且氮含量低(即含有少量叶子),本身份解缓慢。我们向其中添加富含氮的厨房和花园垃圾、来自社区的其他花园和庭院垃圾(如树叶和草坪剪屑)以及我们厕所收集的粪便和尿液(人粪)。将这两种类型的材料结合在一起可大大加速分解和产热。

充足生物量的重要性

适当的堆肥需要足够的物质来创造适合细菌生长的环境。少量的植物会缓慢分解并产生少量热量,这些热量会迅速消散。这有利于真菌生长,这就是为什么真菌是自然界的主要分解者。然而,当将足够的物质聚集在一起时,如堆肥堆或堆肥床,就会产生足够的热量来抑制真菌生长并有利于耐热细菌。物质不仅可作为产热的基质,还可作为内部环境的绝缘体。外表面处于环境温度;基质的温度不断升高,直到内部达到最大值。在我们的堆肥床中,我们测量的内部温度为 130 华氏度。

无水厕所提供宝贵的氮气

在我们的家庭系统中,我们将人粪用作宝贵的氮源。我们用一个简单的无水马桶收集人粪,马桶由两个五加仑的水桶和一个传统的马桶座组成。一个桶用作容器,在法兰上安装了一个可拆卸的座圈。第二个桶装有木屑或锯末,每次使用后,都会薄薄地加到第一个桶里,以覆盖和密封气味。当第一个桶装满后,座圈被转移到第二个桶里,然后第二个桶是空的,成为新的容器。然后将富含氮的人粪添加到堆肥床中。为了保持美观和适当的卫生,用一层干净的木质或其他高碳材料覆盖堆肥床中的任何添加物总是很重要的。

使用热交换器提取热量

如果有足够的质量,可以通过一个简单的热交换器吸收热量。我们已经安装了这样一个热交换器,它的形式是一卷柔性塑料管,嵌入堆肥床内部。分解产生的热量穿透管道,从而加热在里面循环的水。冷水从管道的一端进入。当另一端的水龙头打开时,热水就会流出,直到流入的冷水取代加热的水并冷却管道。然后需要等待热质量的热量再次穿透管道并加热新鲜的冷水。一次“供应”可以排出的热水量取决于管道的直径和长度。在我们的系统中,我们使用了一根直径为 1.5 英寸、长度为 100 英尺的管道。这提供了一个大约 9 加仑的热水储存器,足够进行几次快速淋浴或一次洗衣。

利用热量来加热温室

在设计我的堆肥系统时,我想利用热量来提供家用热水,并在俄勒冈州寒冷的冬天为温室供暖。因此,我决定使用大量生物质,这些生物质可从当地公司免费获得。我使用三英尺厚的初级基质(地面树木修剪物)作为温室的地板,其尺寸约为 16 英尺 x 28 英尺。这块物质被包裹在由三层稻草捆构成的墙壁内,这些稻草捆像砖块一样堆叠在一起,在俄勒冈州,稻草捆也可以作为免费的农业废料产品获得。我使用稻草捆是因为它们作为温室侧面和屋顶的基础也很好。我计划在今年秋天建造屋顶,使用横跨两侧的平行拱门,上面覆盖透明塑料布以封闭内部空间,保护它免受外面寒冷的影响。堆肥床地板不断向其上方的空间释放热量。稻草捆侧面和塑料屋顶应该有助于将热量保留在温室中。热交换器嵌入在构成地板的深层堆肥中。因此,分解过程产生的热量既为水(泵入温室)提供热量,也为温室本身的空间提供热量。

结果

初步测量(两个月前)显示,从热交换器流出的最初 10 加仑水温度超过 130 华氏度。此后,当水量达到 20 加仑时,水温逐渐冷却到 100 华氏度左右。进入热交换器的水温约为 45 华氏度,表明堆肥床将水加热到 80 华氏度以上!自建造以来,我们一直将其产生的水用于所有家庭需求。自大约两个月前安装我们的系统以来,我们已经能够断开电热水器,并且仍然有 24 小时热水。堆肥过程的空间加热能力尚未经过测试。没有难闻的气味。

更简单的设计

我想提出以下更简单的设计,仅从废弃生物质中产生热水。一个“基本”系统将由一个结构组成,该结构包含一个圆柱形的堆肥床,侧面由编织的铁丝网构成。不需要柱子或其他结构材料,因为生物质向围栏推开的压力将使围栏保持垂直。嵌入其中的是一圈塑料或其他管道,用作热交换器。理想情况下,这将是加压水,然后可以输送到使用的地方。生物质由当地可用的任何高碳材料组成。圆柱体的大小取决于管道线圈的直径。我建议圆柱体的侧面在盘管外一到两英尺。这将确保有足够的绝缘材料来保持管道的高温。我使用的 1.5 英寸管道是直径约 6 英尺的线圈。因此,直径约 10 英尺、高 4 英尺或以上的圆柱体可容纳这种尺寸的管道。当添加氮源(如叶状物质或粪肥)时,生物质分解开始。

成本

该项目的主要成本包括热交换器。上述塑料管在俄勒冈州的成本为 45 美元。连接到现有管道系统(阀门、供水管)的额外部件预计成本约为 10-20 美元。唯一的其他成本是围栏或其他支撑物,用于将生物质保持在圆柱形中。在俄勒冈州,35 英尺长、5 英尺高的编织铁丝网的成本约为 30 美元。因此,该项目的总预算不到 100 美元。

未来

我估计我们实际上只提取了所产生的热量的一小部分(每天几十加仑的热水)。一位和平队志愿者建议我们建造一个按摩浴缸,以便更好地利用热量。事实上,通过在堆肥床中间挖一个凹陷,并在其上铺上厚塑料或橡胶板来容纳水,可以轻松建造一个简单的游泳池。然后,当水冷却到所需水平以下时,通过将该池中的水循环回热交换器,可以建造一个堆肥驱动的热水浴缸。我相信热水浴缸中的水通常为 105 度。因此,堆肥达到的温度应该足够了。只有实验才能告诉我们!我邀请任何试图以新颖的方式利用堆肥力量的人与我联系,并提供进度报告。可能性是多种多样的!

参考


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