梁 浩， 趙明杰， 閆 飛， 李 輝， 郭憲峰， 張雪立， 曹哲統(tǒng)

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100083； 2. 中機(jī)華豐（北京）科技有限公司，北京 100083）

0 引言

隨著畜禽養(yǎng)殖向規(guī)?；图s化的發(fā)展，特別是蛋雞和肉雞養(yǎng)殖行業(yè)的單場(chǎng)養(yǎng)殖規(guī)模越來越大，個(gè)別已經(jīng)達(dá)到300 萬(wàn)存欄規(guī)?；蚋?，每天產(chǎn)生300 t 以上的雞糞，雞糞及時(shí)有效處理對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的可持續(xù)健康發(fā)展顯得越來越重要。雞糞好氧堆肥是雞糞實(shí)現(xiàn)資源化利用和商品化銷售的一個(gè)重要途徑，堆肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及設(shè)備配置關(guān)乎產(chǎn)品品質(zhì)。目前，針對(duì)堆肥的理論研究，如碳氮比、微生物菌劑、曝氣、通風(fēng)、臭氣去除、自動(dòng)控制等越來越深入，也積累了一些數(shù)據(jù)，但大多局限于研究系統(tǒng)的某一個(gè)點(diǎn)或者某一方面，和實(shí)際工程項(xiàng)目實(shí)施還有差異[1]。如何系統(tǒng)地研究雞糞堆肥，特別是適用于工廠化的規(guī)模堆肥，綜合考慮各個(gè)要素設(shè)計(jì)一套堆肥系統(tǒng)，生產(chǎn)出滿足商品有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，是亟待解決和完善的一個(gè)難題[2]。

1 雞糞堆肥系統(tǒng)

工廠化的雞糞堆肥系統(tǒng)應(yīng)包括混合布料系統(tǒng)、太陽(yáng)能智能好氧系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、生物洗滌過濾除臭系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、腐熟穩(wěn)定系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，如圖1 所示[3]。堆肥系統(tǒng)在全密閉的封閉車間進(jìn)行，車間內(nèi)建設(shè)堆肥發(fā)酵槽，發(fā)酵槽長(zhǎng)度、寬度和深度根據(jù)處理規(guī)模來建造。每個(gè)發(fā)酵槽上設(shè)有1 臺(tái)翻拋機(jī)，利用翻拋機(jī)向前移動(dòng)和翻拋物料，實(shí)現(xiàn)翻拋、物料移動(dòng)、走水功能。在發(fā)酵槽底部，安裝有曝氣系統(tǒng)，對(duì)物料在發(fā)酵過程中提供充足的氧氣。經(jīng)過一定時(shí)間的發(fā)酵之后，發(fā)酵好的粉狀堆肥成品的含水率35%～40%，通過出料系統(tǒng)運(yùn)送到腐熟穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)行存放和進(jìn)一步穩(wěn)定。堆肥系統(tǒng)發(fā)酵車間外側(cè)配有生物洗滌過濾除臭系統(tǒng)，發(fā)酵車間內(nèi)含有氣味的濕氣經(jīng)軸流風(fēng)機(jī)收集后進(jìn)入管道，送入洗滌過濾裝置進(jìn)行處理后有組織排放。另外，堆肥系統(tǒng)的車間盡量選用防腐透光材質(zhì)，配置太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，充分利用太陽(yáng)能，給堆肥微生物創(chuàng)造適宜的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)生物能、機(jī)械能、太陽(yáng)能“三能并用”。

圖1 智能好氧堆肥系統(tǒng)Fig. 1 Intelligent aerobic composting system

2 發(fā)酵周期設(shè)計(jì)

發(fā)酵周期是影響雞糞堆肥產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)[4]。大規(guī)模工廠化堆肥通常采用連續(xù)性發(fā)酵工藝，調(diào)整好碳氮比的雞糞混合物進(jìn)入發(fā)酵槽后，槽內(nèi)物料每天翻拋平移1 次，每次平移的距離和發(fā)酵周期決定了發(fā)酵車間的長(zhǎng)度。據(jù)EPA 制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，堆肥溫度在55 ℃條件下保持3 d 以上，或50 ℃以上保持5～7 d 是殺滅堆料中所含病微生物、保持堆肥衛(wèi)生指標(biāo)合格和腐熟的重要條件[5]。但通過7 d 左右的發(fā)酵周期僅僅滿足這些指標(biāo)還是不夠的，發(fā)酵周期過短會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品腐熟度、水分等指標(biāo)不合適，需要二次發(fā)酵；發(fā)酵周期過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵車間長(zhǎng)度較長(zhǎng)，增加運(yùn)行成本和車間建設(shè)成本。在設(shè)計(jì)發(fā)酵周期時(shí)，也要考慮選用復(fù)合發(fā)酵菌劑來獲得好的產(chǎn)品的同時(shí)縮短發(fā)酵周期。劉克峰等[6]分別應(yīng)用不同微生物菌劑對(duì)豬糞堆肥進(jìn)行了研究，認(rèn)為添加快速發(fā)酵菌劑，能加速堆肥腐熟，縮短發(fā)酵時(shí)間，有利于堆肥的保氮除臭。許愛霞等[7]研究了發(fā)酵菌劑對(duì)雞糞堆肥發(fā)酵的影響，結(jié)果表明，接種微生物菌劑可以明顯提高堆肥初期的發(fā)酵溫度，加快堆肥物料的水分揮發(fā)，促進(jìn)堆肥快速腐熟，發(fā)酵20 d 后，堆肥物料發(fā)酵指數(shù)均達(dá)到88%以上。筆者結(jié)合大量實(shí)際工程案例經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為要綜合考慮投資和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，特別要重視水分指標(biāo)，發(fā)酵周期不應(yīng)過短，應(yīng)在3～4 周為宜。

3 發(fā)酵車間設(shè)計(jì)

堆肥系統(tǒng)發(fā)酵車間是堆肥好氧發(fā)酵的場(chǎng)所，濕度大、腐蝕性強(qiáng)，發(fā)酵車間設(shè)計(jì)原則是既能滿足生產(chǎn)需要，又要能充分利用太陽(yáng)能，選材還要盡量耐酸堿腐蝕。同時(shí)，發(fā)酵車間惡臭濕氣產(chǎn)生量大，設(shè)計(jì)盡量緊湊，減少不必要的寬度和高度空間，避免氣味無序逸散。在這些設(shè)計(jì)要求和原則下，一種太陽(yáng)能好氧發(fā)酵車間應(yīng)運(yùn)而生，如圖2 所示。太陽(yáng)能發(fā)酵車間采用特殊的多尖頂鋼構(gòu)設(shè)計(jì)，確保發(fā)酵室內(nèi)氣體、水蒸氣無阻礙流動(dòng)，有效減少臭氣逸散空間；特殊的設(shè)計(jì)角度，發(fā)酵室內(nèi)水蒸氣遇到采光板不易凝結(jié)，凝結(jié)后不易滴落，保障物料中已經(jīng)散失的水分不會(huì)回潮；特殊的設(shè)計(jì)角度，發(fā)酵室采光板的外部具備自清功能，在長(zhǎng)期的使用中，保障充足的透光率，充分利用太陽(yáng)能配備環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)，特別是設(shè)置在發(fā)酵室屋頂外部的太陽(yáng)能穿孔集熱裝置迅速提升剛?cè)氚l(fā)酵槽的物料溫度，使整個(gè)發(fā)酵室內(nèi)溫度處于最佳發(fā)酵溫度。另外，特殊防腐處理的鋼構(gòu)加上特殊的吊掛設(shè)計(jì)，整個(gè)太陽(yáng)能發(fā)酵室使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)成本低。太陽(yáng)能發(fā)酵室設(shè)計(jì)了適配專用覆蓋系統(tǒng)，頂部采用高透光耐酸堿腐蝕板材，四周立面可采用玻璃等材質(zhì)提高通透性。發(fā)酵車間室內(nèi)頂部可設(shè)置冷凝水收集系統(tǒng)，冷凝水匯入收集槽內(nèi)，經(jīng)管路收集后及時(shí)排出室內(nèi)，避免進(jìn)入槽內(nèi)堆體。

圖2 太陽(yáng)能好氧發(fā)酵車間Fig. 2 Solar aerobic fermentation workshop

4 翻拋設(shè)備設(shè)計(jì)

堆肥系統(tǒng)翻拋設(shè)備為沿發(fā)酵槽往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)槽內(nèi)堆體進(jìn)行翻拋移動(dòng)的一種關(guān)鍵設(shè)備。翻拋設(shè)備可以把槽內(nèi)堆體整體后移一定距離，重新建堆增加堆體孔隙度，同時(shí)和空氣進(jìn)行接觸，實(shí)現(xiàn)水分散失和供氧[8]。歐美國(guó)家在農(nóng)業(yè)固體廢棄物堆肥生產(chǎn)方面研究較早，堆肥的生產(chǎn)工藝技術(shù)和翻拋設(shè)備已較為成熟，已研制出多種翻拋機(jī)，以德國(guó)和美國(guó)為代表的條垛式翻拋設(shè)備在20世紀(jì)中期已經(jīng)出現(xiàn)[9]。國(guó)內(nèi)翻拋設(shè)備起步較晚，但是種類較多，主要有自走式的輪式和履帶式翻拋機(jī)、槽式的轉(zhuǎn)子式和鏈板式翻拋機(jī)，如圖3 所示。翻拋設(shè)備國(guó)內(nèi)外應(yīng)用場(chǎng)景差異較大，國(guó)外是種養(yǎng)結(jié)合，基本是露天堆肥作業(yè)，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，最終直接拋撒還田；國(guó)內(nèi)主要是工廠化堆肥生產(chǎn)，生產(chǎn)環(huán)節(jié)相對(duì)精細(xì)，環(huán)保要求較高，最終作為商品有機(jī)肥進(jìn)行銷售。大規(guī)模工廠化堆肥正向著專業(yè)化、自動(dòng)化、高效化、清潔化方向發(fā)展。槽式翻拋設(shè)備更適合于自動(dòng)化規(guī)模堆肥，未來具有更廣闊的發(fā)展空間。槽式翻拋設(shè)備目前主流產(chǎn)品是鏈板輸送式和輪盤轉(zhuǎn)子式，主要特點(diǎn)如表1 所示，用戶根據(jù)原料及處理規(guī)模進(jìn)行選擇。

圖3 翻拋設(shè)備發(fā)展歷史Fig. 3 Development history of composting equipment

表1 槽式翻拋設(shè)備特點(diǎn)Tab. 1 Characteristics of composting equipment

5 曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曝氣系統(tǒng)是利用風(fēng)機(jī)和管路系統(tǒng)，對(duì)發(fā)酵槽內(nèi)堆體進(jìn)行周期性強(qiáng)制供氧的系統(tǒng)。在堆肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，穩(wěn)定的空氣不僅能夠?yàn)槎洋w中有機(jī)物好氧降解提供足夠的氧氣，同時(shí)也為微生物充分發(fā)揮活性提供適宜的溫度。發(fā)酵槽內(nèi)堆體沿長(zhǎng)度方向分為升溫階段、高溫階段、降溫階段，在不同階段，堆體的透氣性差異較大，同時(shí)，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，堆體由于分解作用高度逐漸降低，因此對(duì)于曝氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是沿槽漸變的。王濤[10]對(duì)污泥堆肥工程曝氣系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及選型比較，對(duì)風(fēng)機(jī)形式、分量、風(fēng)壓等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，推薦采用分散供氣作為系統(tǒng)形式，也推薦了氣源設(shè)備。但是曝氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要根據(jù)堆體在槽中的不同位置進(jìn)行分區(qū)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，隨著堆料高度的變化，不同區(qū)域?qū)π柩趿康囊蟛町愝^大，而且堆體高度和水分降低后，對(duì)曝氣風(fēng)機(jī)所需壓力減小，風(fēng)機(jī)動(dòng)力應(yīng)隨之減小。

曝氣系統(tǒng)管路布置方式一般可分為地面開溝槽槽內(nèi)布置（圖4）、地面不開溝槽地上布置（圖5）、地面不開溝槽地下澆筑（圖6）等。由于管路承壓及風(fēng)機(jī)壓力有限，前兩種方式安裝后的管路系統(tǒng)應(yīng)避免車輛碾壓，造成物料壓實(shí)及對(duì)管路造成損壞；地下澆筑方式安裝曝氣管路需在澆筑地面前鋪設(shè)好管路，并安裝鵝頸式防堵噴嘴進(jìn)行供氣，這種方式后期車輛可進(jìn)入維護(hù)，相對(duì)方便。

圖4 地面開溝槽槽內(nèi)布置方式Fig. 4 Layout of trench on the ground

圖5 地面不開溝槽地上布置方式Fig. 5 Layout without trench on the ground

圖6 地面不開溝槽地下澆筑方式Fig. 6 Underground pouring without trench on the ground

6 結(jié)束語(yǔ)

堆肥系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)整體，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合統(tǒng)籌考慮，各個(gè)子系統(tǒng)相互作用，是一個(gè)有機(jī)整體，不能只重視某一方面而忽視其他。堆肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是要針對(duì)加工原輔料，結(jié)合當(dāng)?shù)厝宋暮蜌夂驐l件，生態(tài)和社會(huì)要求，堅(jiān)持原料針對(duì)性設(shè)計(jì)，工藝設(shè)備具有先進(jìn)性和可靠性，綜合考慮后進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。