韋建吉，魏子凱，曾慶東，凌慶成，鄭文漢，黃珊珊

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開(kāi)發(fā)有限公司，廣東 廣州 510555）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家頒布實(shí)行《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)污染防治條例》和《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》等法規(guī)條例，養(yǎng)殖場(chǎng)等面臨的環(huán)保壓力越來(lái)越大，但國(guó)家和地方也頒布了對(duì)畜禽養(yǎng)殖綠色發(fā)展的支持政策，《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見(jiàn)》（國(guó)辦發(fā)〔2017〕48 號(hào)）指出：以前的環(huán)境影響評(píng)價(jià)主要從污染治理、而不是資源化利用角度開(kāi)展，其要求參考的是工業(yè)污染治理方式，致使很多養(yǎng)殖場(chǎng)依據(jù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告采用工業(yè)化的污水處理辦法，不僅效果差、費(fèi)用高，使原本是資源的糞水成了污染物[1]；《廣東省畜禽養(yǎng)殖糞污處理與資源化利用技術(shù)指南（試行）》（粵農(nóng)農(nóng)〔2018〕91 號(hào)）提出“畜禽糞污應(yīng)經(jīng)無(wú)害化處理后進(jìn)行資源化利用；國(guó)務(wù)院辦公廳《關(guān)于促進(jìn)畜牧業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的意見(jiàn)》（國(guó)辦發(fā)〔2020〕31 號(hào)）第五點(diǎn)提出持續(xù)推動(dòng)畜牧業(yè)綠色循環(huán)發(fā)展，大力推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用，并推行了系列畜禽糞污資源化利用整縣推進(jìn)項(xiàng)目和綠色種養(yǎng)循環(huán)農(nóng)業(yè)試點(diǎn)項(xiàng)目。在此背景下，針對(duì)如何解決養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)保壓力并完成效益轉(zhuǎn)換這一問(wèn)題，堆肥成為很多養(yǎng)殖企業(yè)的首選解決方案。因此，異位發(fā)酵床和覆膜式好氧堆肥是近來(lái)興起的糞污處理資源化方式[2-3]。

異位發(fā)酵床又稱舍外發(fā)酵床，一般由集污池，運(yùn)輸管道，發(fā)酵床，翻堆機(jī)4 部分組成[4-5]。首先由集污池將養(yǎng)殖場(chǎng)糞污收納緩沖后通過(guò)運(yùn)輸管道輸送到發(fā)酵床，發(fā)酵床一般由1.0～1.5m 高的谷殼和木糠組成，定期噴灑菌種并通過(guò)配套的翻堆機(jī)作業(yè)并實(shí)現(xiàn)曝氣、攪拌功能，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場(chǎng)糞污的消納與資源化處理。異位發(fā)酵床在糞污處理發(fā)酵過(guò)程中翻拌均勻但存在發(fā)酵溫度較低，臭氣外溢較多，發(fā)酵區(qū)全密封臭氣處置成本高等問(wèn)題。

覆膜式好氧堆肥系統(tǒng)主要包括堆肥膜、鼓風(fēng)系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)3 個(gè)部分[2]。堆肥膜是一種采用了“三合一”結(jié)構(gòu)的半透膜，膜的外表面采用疏水滌綸，中間是聚四氟乙烯材料，內(nèi)表面采用親水滌綸，整個(gè)結(jié)構(gòu)具有防止堆肥粉塵擴(kuò)散，減免臭氣外溢，減少堆肥氮損失等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)曝氣系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)促進(jìn)和控制整個(gè)堆肥進(jìn)程，但對(duì)發(fā)酵原料的間隙率和均勻度要求較高且容易出現(xiàn)堆體表層與內(nèi)部發(fā)酵不均勻等問(wèn)題。

本文結(jié)合上述2 個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)。

1 一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)總體介紹

一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)簡(jiǎn)單來(lái)講就是將發(fā)酵車間廠房做成密閉體系，而堆肥膜內(nèi)部做成另外的密閉體系，外部空間與堆肥膜內(nèi)產(chǎn)生1 個(gè)夾層，由車間廠房和堆肥膜構(gòu)成。堆肥膜內(nèi)是原先的異位發(fā)酵床，由翻堆機(jī)對(duì)堆體進(jìn)行翻堆、攪拌；調(diào)整了鼓風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)來(lái)源加上堆肥膜的存在減少了尾氣處理系統(tǒng)的處理風(fēng)量和處理濃度，降低了尾氣處理系統(tǒng)的處理壓力和運(yùn)營(yíng)成本。該處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，堆肥膜內(nèi)部實(shí)景如圖2 所示。

圖1 一體化發(fā)酵車間剖面示意圖

圖2 堆肥膜內(nèi)部實(shí)景圖

1.2 系統(tǒng)構(gòu)建

一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于創(chuàng)新地將近來(lái)興起的覆膜式好氧堆肥系統(tǒng)與異位發(fā)酵床結(jié)合并改進(jìn)，進(jìn)行工藝的精細(xì)化調(diào)整，其主要構(gòu)建了回流鼓風(fēng)—引風(fēng)—尾氣處理系統(tǒng)（氣流系統(tǒng)）、水汽收納系統(tǒng)、翻堆發(fā)酵系統(tǒng)等3 個(gè)模塊系統(tǒng)。

1.2.1 回流鼓風(fēng)—引風(fēng)—尾氣處理系統(tǒng)（氣流系統(tǒng)）

回流鼓風(fēng)—引風(fēng)—尾氣處理系統(tǒng)由鼓風(fēng)機(jī)、堆肥膜、引風(fēng)機(jī)、尾氣處理裝置等組成。堆肥中鼓風(fēng)有補(bǔ)充好氧發(fā)酵所需氧氣、帶走堆體水汽、控制堆體發(fā)酵溫度3 個(gè)作用。將鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口設(shè)置新風(fēng)管和回風(fēng)管，分為2 個(gè)氣流來(lái)源，新風(fēng)管是連接車間外部的新鮮空氣，回風(fēng)管是車間內(nèi)部的氣體回流到鼓風(fēng)機(jī)。補(bǔ)充好氧發(fā)酵所需氧氣由車間外部的新鮮空氣提供，控制這部分氣流的流量有助于降低整個(gè)系統(tǒng)排出的氣體處理流量；帶走堆體水汽和控制堆體發(fā)酵溫度的氣體流量主要由回流氣體提供。以上2個(gè)來(lái)源的氣流通過(guò)鼓風(fēng)管槽在發(fā)酵堆體底部進(jìn)行鼓風(fēng)，將氣體均勻輸送到堆體各個(gè)位置。堆肥膜在該處發(fā)揮降低夾層空間臭氣濃度的作用。引風(fēng)機(jī)則是將廠房與堆肥膜間夾層的堆肥氣體輸送到尾氣處理裝置，由尾氣處理裝置對(duì)經(jīng)堆肥膜過(guò)濾的氣體進(jìn)一步處理排放，該氣體處理量與鼓風(fēng)機(jī)鼓進(jìn)的外源新鮮空氣流量相同。

1.2.2 水汽收納系統(tǒng)

水汽收納系統(tǒng)主要收集3 部分來(lái)源的水汽：①發(fā)酵物料過(guò)濕帶來(lái)的水，由堆體進(jìn)料端前部的水渠及鼓風(fēng)管的管路實(shí)現(xiàn)收集，進(jìn)入污水儲(chǔ)存池；②發(fā)酵產(chǎn)生熱騰騰的水蒸氣在堆肥膜內(nèi)側(cè)滴落的部分水，由卡槽收集經(jīng)過(guò)U 型存水彎自動(dòng)外排到車間夾層，車間夾層底部水渠收集進(jìn)入污水儲(chǔ)存池；③水蒸氣透過(guò)堆肥膜在夾層冷凝回落的水，由車間夾層底部水渠收集進(jìn)入污水儲(chǔ)存池。通過(guò)這3 部分和尾氣處理系統(tǒng)出口端外排水汽，有效降低了發(fā)酵過(guò)程堆體的含水率。

1.2.3 翻堆發(fā)酵系統(tǒng)

翻堆發(fā)酵系統(tǒng)主要由發(fā)酵槽、滾輪式翻堆機(jī)等構(gòu)成。滾輪式翻堆機(jī)適用于堆肥生產(chǎn)的好氧發(fā)酵工藝，它采用高速旋轉(zhuǎn)的切削翻拋滾輪對(duì)發(fā)酵堆垛進(jìn)行無(wú)死角的切削、拋擲作業(yè)并實(shí)現(xiàn)物料與空氣的充分接觸以及物料與物料之間的均勻攪拌。

滾輪式翻堆機(jī)的翻堆頭采用兩邊懸掛式滾輪結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)死角翻堆；動(dòng)力直聯(lián)翻堆滾輪結(jié)構(gòu)緊湊且效率高；翻堆頭升降裝置可任意位置調(diào)節(jié)，翻堆時(shí)可根據(jù)堆肥的阻力情況來(lái)確定是逐段翻挖還是一次翻挖，使設(shè)備有更強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性。小車、大車行走裝置安裝變頻調(diào)節(jié)功能，設(shè)備能根據(jù)翻堆工藝要求及物料情況靈活調(diào)整。

滾輪翻堆頭在翻堆過(guò)程中按“之”字形路線行走，整槽翻完后再升起到另一端，開(kāi)始下一循環(huán)，空程時(shí)間少，效率高。在物料的翻堆過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了物料的移動(dòng)、搬運(yùn)，減少了人工操作環(huán)節(jié)。其實(shí)物如圖3 所示。

圖3 滾輪式翻堆機(jī)

2 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)功能分析

一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)結(jié)合了覆膜式堆肥系統(tǒng)和異位發(fā)酵床的優(yōu)勢(shì)，與現(xiàn)有常規(guī)堆肥方式比較，主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

2.1 臭氣處理徹底、處置成本較低

一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)臭氣處理方式采取堆肥膜+回流鼓風(fēng)+常規(guī)除臭。常規(guī)除臭中噴淋+生物除臭+活性炭/UV 光解等生物法與物化法相結(jié)合的組合技術(shù)路線被認(rèn)為較為穩(wěn)定，也能實(shí)現(xiàn)徹底處理臭氣。傳統(tǒng)的生物法除臭要求停留時(shí)間達(dá)到一定程度才能實(shí)現(xiàn)有效除臭，這造成處理量越大，投資成本、占地和能耗越大[6-8]，環(huán)保要求嚴(yán)格的還要增力活性炭/UV 光解等作為生物除臭系統(tǒng)的補(bǔ)充，導(dǎo)致能耗高。

一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)的堆肥膜能降低臭氣排放濃度[9-12]，降低了后續(xù)處理物化系統(tǒng)中耗材損耗的成本。風(fēng)機(jī)設(shè)置回流一方面部分發(fā)酵氣體通過(guò)車間內(nèi)天然的堆肥堆體進(jìn)行生物過(guò)濾[13]，堆肥等適宜的生物填料可以對(duì)氨氣、硫化氫等臭氣進(jìn)行吸附和生物降解[14]；另一方面鼓風(fēng)機(jī)設(shè)置回流不降低堆體曝氣總風(fēng)量，既能達(dá)到堆肥過(guò)程中水分散發(fā)，控制溫度的作用，也能降低系統(tǒng)所需新風(fēng)進(jìn)而降低后續(xù)處理的電耗成本[15]?？傮w而言，一體化發(fā)酵車間的工藝設(shè)置降低了堆肥過(guò)程中臭氣的處理成本。

2.2 堆肥過(guò)程保氮、堆肥產(chǎn)品高效

傳統(tǒng)的堆肥保氮主要有2 種方式：①改變堆肥的配方，添加鐵鹽、鈣鹽、鎂鹽等[16-18]作為調(diào)理劑，某些調(diào)理劑能改變堆體pH，使得氨在堆體中溶解性變強(qiáng)，從而保氮；某些調(diào)理劑能與堆肥原料中的銨態(tài)氮產(chǎn)生反應(yīng)，使得氮能保留在堆肥中；②覆膜式好氧堆肥系統(tǒng)中堆肥膜起作用，水蒸氣在堆肥膜內(nèi)側(cè)的親水層結(jié)構(gòu)形成冷凝液，冷凝液回流使得銨態(tài)氮與堆體有更充分的接觸反應(yīng)時(shí)間，不至于受熱快速逸散。

一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)的保氮功能是由其氣流系統(tǒng)和水汽收納系統(tǒng)提供，氣流系統(tǒng)的回流鼓風(fēng)使部分氨氣在經(jīng)過(guò)堆肥堆體時(shí)被進(jìn)一步吸收和轉(zhuǎn)換；水汽收納系統(tǒng)中，保氮原理和覆膜式好氧堆肥系統(tǒng)一致，是膜內(nèi)側(cè)部分氨氣與水蒸氣結(jié)合的冷凝液與堆體進(jìn)一步反應(yīng)轉(zhuǎn)化起的作用。研究表明，覆膜與不覆膜相比，冷凝液中部分銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化成了硝態(tài)氮，提高了堆肥產(chǎn)品的肥效[9]。一體化發(fā)酵車間的保氮性能相比傳統(tǒng)的改變堆肥配方保氮，減少了添加調(diào)理劑帶來(lái)的成本；其增加的回流方式也不會(huì)造成運(yùn)營(yíng)成本的增加，再加上堆肥膜的作用，能在堆肥過(guò)程保氮，帶來(lái)高效堆肥產(chǎn)品。

2.3 機(jī)械化程度高，物料發(fā)酵徹底

楊麗楠等[11]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，堆肥膜這種膜材料具有類似半透膜的特性，可以阻擋臭氣，改善發(fā)酵環(huán)境，但由于缺少翻堆過(guò)程，存在類似靜態(tài)堆肥的發(fā)酵不均勻現(xiàn)象，覆膜式堆肥的堆體表層和內(nèi)部發(fā)酵也不均勻。

與覆膜式好氧堆肥系統(tǒng)相比，一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)中滾輪式翻堆機(jī)的“之”行走翻堆方式加上高速旋轉(zhuǎn)的切削翻拋滾輪對(duì)發(fā)酵堆垛進(jìn)行無(wú)死角的切削、拋擲作業(yè)并實(shí)現(xiàn)物料與空氣的充分接觸，物料與物料之間的均勻攪拌，可實(shí)現(xiàn)物料的均勻發(fā)酵。一體化發(fā)酵車間的滾輪式翻堆機(jī)也滿足有機(jī)肥廠的建設(shè)規(guī)劃工藝設(shè)備選用[19]，其具有的攪拌和打碎功能，可避免對(duì)原料進(jìn)行處理造成的堆放和轉(zhuǎn)運(yùn)，機(jī)械化程度高。

3 結(jié)論與展望

堆肥膜與異位發(fā)酵床結(jié)合的一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)對(duì)異位發(fā)酵床和覆膜式好氧堆肥系統(tǒng)的工藝體系進(jìn)行了結(jié)合與改進(jìn)，解決了異位發(fā)酵床的臭氣處理成本高和覆膜式好氧堆肥系統(tǒng)發(fā)酵不均勻的問(wèn)題。

一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)與現(xiàn)有堆肥技術(shù)工藝相比具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①臭氣處理徹底、處置成本較低；②堆肥過(guò)程保氮、堆肥產(chǎn)品高效；③機(jī)械化程度高，物料發(fā)酵徹底。將一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)集成為一個(gè)生產(chǎn)車間模塊，可把堆肥工藝如“污水處理廠”般專業(yè)化運(yùn)營(yíng)，市場(chǎng)推廣前景廣闊。