耿文廣 李子淳

[1，齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）山東省科學(xué)院能源研究所 山東省生物質(zhì)氣化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 250353；2，齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）能源與動(dòng)力工程學(xué)院 250353；3，山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院 250101]

我國(guó)是畜禽飼養(yǎng)大國(guó)，近年來(lái)隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和畜禽養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，規(guī)模化、集約化養(yǎng)殖場(chǎng)逐年增加。近年來(lái)，畜牧業(yè)產(chǎn)值達(dá)3 萬(wàn)億元，約占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的30%，同時(shí)，畜禽糞污產(chǎn)量達(dá)40 億t，大量畜禽糞污的無(wú)序排放造成了極為嚴(yán)重的環(huán)境污染，影響了養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，種植業(yè)乃至人類的生存環(huán)境受到威脅[1-3]，畜禽糞污的高效處置是養(yǎng)殖業(yè)面臨的重要問(wèn)題。規(guī)?；B(yǎng)殖產(chǎn)生的畜禽糞便處理陸續(xù)形成成熟的工藝和設(shè)備[4,5]，但對(duì)小規(guī)模養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的畜禽糞便、飼料殘?jiān)?，現(xiàn)有設(shè)備處理成本較高、操作不便，致使農(nóng)村地區(qū)養(yǎng)殖糞便散亂堆置，嚴(yán)重影響周圍的居住環(huán)境。為此，本文提出一種針對(duì)小批量畜禽糞便處理的兩段式自動(dòng)化腐熟工藝，使糞便中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行快速生物分解、發(fā)酵，轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥料。經(jīng)過(guò)多批次試驗(yàn)，印證了該工藝和設(shè)備在處理畜禽糞便方面具有快捷、易操作、效率高等特點(diǎn)，有機(jī)肥品質(zhì)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1 裝置與工藝

1.1 發(fā)酵裝置設(shè)計(jì)

發(fā)酵裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，發(fā)酵罐外壁采用夾層設(shè)計(jì)，充滿水后維持強(qiáng)制循環(huán)滿足罐體內(nèi)的溫度需求，加熱保溫?zé)嵩床捎?2kw 自動(dòng)控制電加熱鍋爐，發(fā)酵罐內(nèi)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸帶動(dòng)翅片攪拌，翅片背部有通風(fēng)孔用于好氧發(fā)酵過(guò)程供風(fēng)，糞肥的溫度和夾層內(nèi)水溫實(shí)時(shí)測(cè)量并采集。

圖1 快速發(fā)酵裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 工藝流程描述

本文牛糞好氧發(fā)酵的工藝流程如圖2 所示，將新鮮的牛糞濾水后與生物質(zhì)摻混調(diào)整水分含量，移至快速發(fā)酵罐中加入發(fā)酵菌劑并攪拌均勻，啟動(dòng)電加熱爐和熱水循環(huán)泵，初期由加熱保溫系統(tǒng)維持發(fā)酵罐內(nèi)的溫度45℃，攪拌軸以3～5 轉(zhuǎn)/min 的速率帶動(dòng)糞便均勻攪動(dòng)，保持適量的氧氣供應(yīng)，通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)使物料在60℃以上高溫階段維持1～2d，在此階段內(nèi)有機(jī)物被分解，水分減少，部分病原菌和雜草種子被殺滅，經(jīng)過(guò)快速好氧發(fā)酵過(guò)程的畜禽糞便變?yōu)樽睾稚勰?，無(wú)臭氣散發(fā)，該過(guò)程保持約48h，后出料進(jìn)入堆肥發(fā)酵過(guò)程，堆肥發(fā)酵需5～7d，視環(huán)境溫度高低而異，堆肥發(fā)酵過(guò)程結(jié)束即得有機(jī)肥。

圖2 牛糞好氧發(fā)酵工藝流程

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原料

本試驗(yàn)以牛糞為主原料，以玉米秸稈、麥麩和鋸末為輔料，起調(diào)節(jié)含水率、分散、易于空氣流通的孔隙骨架（蓬松體）作用等。將含水率80%左右的新鮮糞便與生物質(zhì)按照一定比例混合使其達(dá)到合適的含水率和松散度，確保物料的透氣性達(dá)到好氧發(fā)酵所需的標(biāo)準(zhǔn)。

發(fā)酵原材料中牛糞取自聊城市博平鎮(zhèn)某奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)，麥麩在附近面粉加工廠購(gòu)置，鋸末取自附近木材加工廠，玉米芯取自附近農(nóng)戶。各種發(fā)酵原材料的配比及成分如表1 所示：

表1 發(fā)酵試驗(yàn)物料配比成分表

混料均勻后綜合含水率為59.06%，送檢測(cè)得混合料碳氮比32:1，pH 為6.8。

2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2019 年11 月20 日在聊城市博平鎮(zhèn)某奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)主原料為牛糞，含水率為82.63%，環(huán)境平均溫度3℃，設(shè)備入料后保溫連續(xù)攪拌運(yùn)行6h，后改為為間歇攪拌，攪拌運(yùn)行10min，停止50min。

2.3 加熱、攪拌與供氧

加熱裝置采用12kW 電熱水鍋爐，發(fā)酵罐夾層、管路系統(tǒng)和加熱水箱內(nèi)充滿水，啟動(dòng)循環(huán)水泵，設(shè)定目標(biāo)水溫開(kāi)啟電加熱鍋爐，初始時(shí)刻維持發(fā)酵罐內(nèi)45℃，同時(shí)攪拌裝置對(duì)發(fā)酵滾筒中的混合料進(jìn)行持續(xù)攪拌，攪拌速度為0.5r/min，攪拌齒的背側(cè)有送風(fēng)孔，采用通風(fēng)裝置對(duì)發(fā)酵罐進(jìn)行5m3/min 的通風(fēng)，提供發(fā)酵所需的氧氣，保持混合料在溫度為45～50℃的狀態(tài)下保持6h，混合料發(fā)酵自發(fā)熱升溫至65～70℃，保持在該狀態(tài)下運(yùn)行48h，完成一次快速發(fā)酵，殺死糞便中的有害病菌、蟲(chóng)卵和雜草的種子。

2.4 二次堆肥發(fā)酵

快速好氧發(fā)酵過(guò)程維持48h 后，打開(kāi)出料裝置旋轉(zhuǎn)出料，進(jìn)行二次堆肥發(fā)酵，堆放5～9d，間隔12h 翻料一次，在自然通風(fēng)狀態(tài)下，使基本熟化料繼續(xù)發(fā)酵至完全熟化，進(jìn)一步殺死糞便中的有害病菌、蟲(chóng)卵和雜草的種子，并使其含水率降低至20%～30%，完成畜禽糞便發(fā)酵處理。該過(guò)程已無(wú)明顯臭氣散逸，對(duì)環(huán)境影響極小。待完全腐熟后根據(jù)需要添加含鉀、磷的無(wú)機(jī)鹽，可形成高品質(zhì)有機(jī)復(fù)合肥。

圖3 一次發(fā)酵試驗(yàn)過(guò)程

圖4 二次堆肥發(fā)酵試驗(yàn)過(guò)

3 結(jié)果與分析

對(duì)兩階段發(fā)酵試驗(yàn)樣品分別送檢，一次快速發(fā)酵樣品檢測(cè)和二次堆肥發(fā)酵檢驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，可以看出，與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，第一階段快速發(fā)酵后產(chǎn)出的有機(jī)糞肥水分偏高，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值43.43%，總養(yǎng)分 （N+P2O5+K2O）不達(dá)標(biāo)，低于標(biāo)準(zhǔn)值29.80%。經(jīng)第二階段的堆肥發(fā)酵后有機(jī)肥送檢后測(cè)得的總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）、水分、有機(jī)質(zhì)等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到有機(jī)肥相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種小型畜禽糞便快速發(fā)酵處理裝置，將糞肥與生物質(zhì)料按一定配比混料后，在一定溫度、供氧量下快速發(fā)酵48h，可以將糞肥快速處理至無(wú)害無(wú)臭松散狀態(tài)，對(duì)環(huán)境無(wú)明顯影響，經(jīng)自然堆置5～9d 二次自然發(fā)酵后有機(jī)肥各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。本工藝與裝置適用于小規(guī)模養(yǎng)殖畜禽糞便快速處理，對(duì)日產(chǎn)畜禽糞便，真正做到“日產(chǎn)日清”，解決了畜禽糞便對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題。本文僅針對(duì)牛糞配比生物質(zhì)料進(jìn)行了初步發(fā)酵試驗(yàn)研究，尚無(wú)法覆蓋其他糞肥發(fā)酵過(guò)程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)，下一步將開(kāi)展多品類糞肥、各季節(jié)環(huán)境條件下的發(fā)酵試驗(yàn)研究。

表2 發(fā)酵試驗(yàn)樣品檢測(cè)結(jié)果