季彬 彭軼楠 葉澤 祁宏山 曾楊 王治業(yè)*

（1.甘肅省科學(xué)院生物研究所，甘肅蘭州 730030；2.甘肅省微生物資源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730030）

存欄10000 頭牛每年牛糞產(chǎn)生量約為15 萬t，污水產(chǎn)生量達(dá)30 萬t[1]。資料顯示，甘肅省有80%的畜禽糞便沒有進(jìn)行無害化、資源化處理，不但造成了巨大的資源浪費(fèi)，還導(dǎo)致了水體、大氣、土壤和農(nóng)產(chǎn)品污染等一系列環(huán)境問題[2]。因此，急需尋找新的處理畜禽污染物的理論、技術(shù)和方法。將畜禽糞便進(jìn)行生物發(fā)酵處理是一種有效的無公害化處理方式，發(fā)酵處理后生產(chǎn)的生物有機(jī)肥可以用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，達(dá)到保護(hù)環(huán)境目的的同時(shí)也兼顧了經(jīng)濟(jì)效益的改善[3]。

生物有機(jī)肥目前多采用自然條件或加入腐熟菌劑的堆肥發(fā)酵，在對(duì)畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈等堆肥時(shí)，加入腐熟用的生產(chǎn)菌株可以有效縮短發(fā)酵腐熟周期，提高生產(chǎn)效率；但通常這些生產(chǎn)菌株均需要在適宜的溫度、濕度等環(huán)境條件下才可以實(shí)施，對(duì)于高海拔、高緯度、西北干燥地區(qū)，常見生物有機(jī)肥發(fā)酵菌劑通常只能在15℃以上才能啟動(dòng)發(fā)酵，而且由于外界溫差較大，需要保持大型T 字形堆體，一般為底部3m 寬頂部2m 寬，高度2m，低于15℃生物有機(jī)肥企業(yè)不能正常生產(chǎn)[4]?，F(xiàn)有技術(shù)中，寒冷地區(qū)的生物有機(jī)肥發(fā)酵也有在帶有加熱夾套的發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵的，通過加熱夾套對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)的物料進(jìn)行加熱來滿足物料發(fā)酵所需的啟動(dòng)溫度，發(fā)酵啟動(dòng)后由于物料發(fā)酵自身產(chǎn)熱，進(jìn)而滿足發(fā)酵需求，但由于部分地區(qū)晝夜溫差較大，發(fā)酵罐內(nèi)物料白天發(fā)酵產(chǎn)熱過多，而夜間溫差過大，發(fā)酵罐溫度流失速度過快，導(dǎo)致大部分時(shí)間物料均無法保持最佳發(fā)酵溫度，需浪費(fèi)大量能源用于保持發(fā)酵罐內(nèi)的發(fā)酵溫度，發(fā)酵效率慢[5]，為此本文提出一種寒冷地區(qū)循環(huán)熱補(bǔ)償式密閉高溫有機(jī)肥發(fā)酵裝置及其使用方法，用于解決上述問題。

1 裝置結(jié)構(gòu)

寒冷地區(qū)生物發(fā)酵技術(shù)旨在提供一種寒冷地區(qū)循環(huán)熱補(bǔ)償式密閉高溫有機(jī)肥發(fā)酵裝置，它可以通過儲(chǔ)存物料發(fā)酵產(chǎn)生的多余熱量延長物料發(fā)酵高溫保持時(shí)間和補(bǔ)償物料啟動(dòng)發(fā)酵加熱，有效降低寒冷地區(qū)的物料發(fā)酵耗能。循環(huán)熱補(bǔ)償式密閉高溫有機(jī)肥發(fā)酵裝置包括發(fā)酵罐本體，發(fā)酵罐本體的外壁包裹有加熱夾套，且加熱夾套外側(cè)包裹有發(fā)酵罐保溫套，加熱夾套的上下水管通過管道連接有熱水供應(yīng)設(shè)備，發(fā)酵罐本體與加熱夾套之間設(shè)置有熱補(bǔ)償盤管，熱補(bǔ)償盤管的上下水管通過管道連接有能量儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)，能量儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)包括熱量儲(chǔ)存罐和換熱盤管，換熱盤管設(shè)置于熱量儲(chǔ)存罐內(nèi)，且熱量儲(chǔ)存罐內(nèi)腔填充有高熱密度導(dǎo)熱油，熱量儲(chǔ)存罐的外側(cè)包覆有熱量儲(chǔ)存保溫套，換熱盤管的出水端設(shè)置有溫度補(bǔ)償循環(huán)泵，且溫度補(bǔ)償循環(huán)泵輸出端與熱補(bǔ)償盤管進(jìn)水端連通。

熱量儲(chǔ)存罐通過管道連接有第一膨脹箱，所述換熱盤管通過管道連接有第二膨脹箱，所述熱量儲(chǔ)存罐的容積是發(fā)酵罐本體容積的3～5 倍。熱量儲(chǔ)存保溫套的外側(cè)陣列設(shè)置有多個(gè)太陽能真空管，且多個(gè)太陽能真空管的內(nèi)腔連通有熱泵機(jī)組，所述熱泵機(jī)組輸出端與熱量儲(chǔ)存罐的底部相抵。發(fā)酵罐本體的底部設(shè)置有輔助卸料機(jī)構(gòu)，且輔助卸料機(jī)構(gòu)包括有設(shè)置于發(fā)酵罐本體內(nèi)的螺旋鉸刀和設(shè)置于發(fā)酵罐本體外側(cè)的鉸刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。發(fā)酵罐本體上端設(shè)置有進(jìn)料口，且發(fā)酵罐本體的一側(cè)設(shè)置有斗式提升機(jī)，所述斗式提升機(jī)的輸出端對(duì)應(yīng)發(fā)酵罐本體的進(jìn)料口，所述發(fā)酵罐本體的底部設(shè)置有卸料口，且卸料口處設(shè)置有卸料閘。發(fā)酵罐本體的兩側(cè)壁中部均設(shè)置有送氣管，且一側(cè)所述送氣管通過管道連接羅茨風(fēng)機(jī)的輸出端。換熱盤管的輸入端繞接有熱量回收盤管，且另一側(cè)所述送氣管通過管道連接熱量回收盤管進(jìn)氣端。溫度補(bǔ)償循環(huán)泵和熱水供應(yīng)設(shè)備均電性連接有溫度補(bǔ)償控制器，且溫度補(bǔ)償控制器電性連接有物料溫度傳感器，所述物料溫度傳感器設(shè)置于發(fā)酵罐本體內(nèi)腔。

2 裝置操作步驟

寒冷地區(qū)循環(huán)熱補(bǔ)償式密閉高溫有機(jī)肥發(fā)酵裝置的使用方法包括斗式提升機(jī)、溫度補(bǔ)償控制器等設(shè)備設(shè)施的啟動(dòng)，具體操作步驟如下：啟動(dòng)斗式提升機(jī)，將混有微生物菌劑的生物有機(jī)肥發(fā)酵物料轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)酵罐內(nèi)；啟動(dòng)溫度補(bǔ)償控制器，溫度補(bǔ)償控制器通過發(fā)酵罐內(nèi)的物料溫度傳感器檢測(cè)溫度，若溫度低于15℃，則驅(qū)動(dòng)熱水供應(yīng)設(shè)備，并在加熱夾套內(nèi)循環(huán)熱水，對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)的物料進(jìn)行緩慢加熱，4～6h 溫度將達(dá)到15℃。物料達(dá)到發(fā)酵啟動(dòng)溫度后開始發(fā)酵，其中的微生物逐漸生長，開始產(chǎn)熱，物料溫度自身上升時(shí)，溫度補(bǔ)償控制器發(fā)出電信號(hào)關(guān)閉熱水供應(yīng)設(shè)備，停止加熱，并控制發(fā)酵罐盤管泵入能量儲(chǔ)存罐中的導(dǎo)熱油進(jìn)行循環(huán)，隨著物料逐步升溫，帶動(dòng)儲(chǔ)熱罐逐步升溫至65～75℃；待系統(tǒng)整體開始降溫時(shí)，補(bǔ)償系統(tǒng)停止循環(huán)，由物料自行發(fā)酵至終點(diǎn)并出料；再次啟動(dòng)斗式提升機(jī)完成進(jìn)料，進(jìn)料后溫度補(bǔ)償控制器直接啟動(dòng)能量儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)，通過能量儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)上次發(fā)酵的余熱初步加熱物料；當(dāng)物料加熱到達(dá)啟動(dòng)溫度時(shí)系統(tǒng)重復(fù)執(zhí)行，直至完成所有物料的發(fā)酵。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述熱量儲(chǔ)存罐內(nèi)設(shè)置有儲(chǔ)能溫度傳感器，且儲(chǔ)能溫度傳感器與溫度補(bǔ)償控制器電相連接。

3 裝置具體使用方法

圖1a 為寒冷地區(qū)循環(huán)熱補(bǔ)償式密閉高溫有機(jī)肥發(fā)酵裝置，發(fā)酵罐的底部設(shè)置有輔助卸料機(jī)構(gòu)，包括螺旋鉸刀和設(shè)鉸刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過驅(qū)動(dòng)螺旋鉸刀在發(fā)酵罐內(nèi)腔底部高速旋轉(zhuǎn)，螺旋鉸刀旋轉(zhuǎn)切割上部物料，物料在自重作用下塌落，聚集在發(fā)酵罐底部的倒圓錐部位通過出料口排出，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)出料，發(fā)酵罐上端設(shè)置有進(jìn)料口，且發(fā)酵罐的一側(cè)設(shè)置有斗式提升機(jī)，斗式提升機(jī)的輸出端對(duì)應(yīng)發(fā)酵罐本體的進(jìn)料口，通過斗式提升機(jī)提升物料并導(dǎo)入發(fā)酵罐內(nèi)，便于發(fā)酵罐的上料，發(fā)酵罐的兩側(cè)壁中部均設(shè)置有送氣管，且一側(cè)送氣管通過管道連接羅茨風(fēng)機(jī)的輸出端，羅茨風(fēng)機(jī)通過一側(cè)送氣管泵入氧氣，輔助物料發(fā)酵，發(fā)酵罐底部設(shè)置有卸料口，且卸料口處設(shè)置有卸料閘，發(fā)酵罐的外壁包裹有加熱夾套，且加熱夾套的外側(cè)包裹有發(fā)酵罐保溫套，加熱夾套的上下水管通過管道連接有熱水供應(yīng)設(shè)備，發(fā)酵罐與加熱夾套之間設(shè)置有熱補(bǔ)償盤管，熱補(bǔ)償盤管的上下水管通過管道連接有能量儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)。

圖1 寒冷地區(qū)循環(huán)熱補(bǔ)償式密閉高溫有機(jī)肥發(fā)酵裝置及能量儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)

如圖1b 所示，能量儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)包括熱量儲(chǔ)存罐和換熱盤管，換熱盤管設(shè)置于熱量儲(chǔ)存罐內(nèi)，且熱量儲(chǔ)存罐內(nèi)腔填充有高熱密度導(dǎo)熱油，外側(cè)包覆有熱量儲(chǔ)存保溫套，換熱盤管的出水端設(shè)置有溫度補(bǔ)償循環(huán)泵。溫度補(bǔ)償循環(huán)泵輸出端與熱補(bǔ)償盤管進(jìn)水端連通，熱量儲(chǔ)存罐通過管道連接有第一膨脹箱，換熱盤管通過管道連接有第二膨脹箱，第一膨脹箱和第二膨脹箱能為空氣提供膨脹空間，避免熱量儲(chǔ)存罐和換熱盤管內(nèi)壓力過大，提高了熱量儲(chǔ)存罐和換熱盤管的使用壽命。熱量儲(chǔ)存保溫套的外側(cè)陣列設(shè)置有多個(gè)太陽能真空管，太陽能真空管的內(nèi)腔連通有熱泵機(jī)組，熱泵機(jī)組輸出端與熱量儲(chǔ)存罐的底部相抵，太陽能真空管內(nèi)填充導(dǎo)熱油，通過太陽能真空管接收光照將導(dǎo)熱油加熱，加熱后的導(dǎo)熱油與熱泵機(jī)組內(nèi)的蒸發(fā)端接觸，通過熱泵機(jī)組將熱量轉(zhuǎn)移到熱量儲(chǔ)存罐底部，對(duì)熱量儲(chǔ)存罐內(nèi)的導(dǎo)熱油進(jìn)行加熱，能夠通過太陽能進(jìn)行儲(chǔ)能，充分利用新型能源輔助物料加熱，更加節(jié)能環(huán)保。換熱盤管的輸入端繞接有熱量回收盤管，且另一側(cè)送氣管通過管道連接熱量回收盤管進(jìn)氣端，通過熱量回收盤管能回收送氣管排出的熱量，減少熱量損耗，進(jìn)一步提高熱量利用效率[6]。溫度補(bǔ)償循環(huán)泵和熱水供應(yīng)設(shè)備均電性連接有溫度補(bǔ)償控制器，且溫度補(bǔ)償控制器電性連接有物料溫度傳感器，物料溫度傳感器設(shè)置于發(fā)酵罐內(nèi)腔，溫度補(bǔ)償控制器通過物料溫度傳感器的回饋，控制各設(shè)備的啟動(dòng)，從而保證物料發(fā)酵的正常進(jìn)行。

4 裝置工作原理

物料初次發(fā)酵通過熱水供應(yīng)設(shè)備在加熱夾套內(nèi)循環(huán)加熱，達(dá)到啟動(dòng)溫度后物料開始發(fā)酵，所產(chǎn)生的熱量通過能量儲(chǔ)存設(shè)備存儲(chǔ)，降低物料與環(huán)境溫度的差距，進(jìn)而降低了熱量流失速度，可顯著延長物料65～75℃的溫度停留時(shí)間，并且能量儲(chǔ)存設(shè)備內(nèi)存儲(chǔ)的熱量能在后續(xù)物料發(fā)酵起始階段輔助物料加熱，減少后續(xù)物料加熱所消耗的熱量，在解決寒冷地區(qū)生物有機(jī)肥起溫問題的同時(shí)延長高溫保持時(shí)間，有效殺滅病原菌、草籽、蛔蟲卵等，大大提高了物料發(fā)酵時(shí)間和發(fā)酵效果。

5 裝置優(yōu)勢(shì)

寒冷地區(qū)循環(huán)熱補(bǔ)償式密閉高溫有機(jī)肥發(fā)酵裝置有能量儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)的循環(huán)熱補(bǔ)償，可顯著延長物料溫度停留時(shí)間，在解決寒冷地區(qū)生物有機(jī)肥起溫問題的同時(shí)延長高溫保持時(shí)間，有效殺滅病原菌、草籽、蛔蟲卵等，改善物料發(fā)酵時(shí)間和發(fā)酵效果，減少了寒冷地區(qū)為了保持發(fā)酵啟動(dòng)溫度所消耗的能源，更加環(huán)保。寒冷地區(qū)循環(huán)熱補(bǔ)償式密閉高溫有機(jī)肥發(fā)酵裝置通過設(shè)置的太陽能真空管和熱泵機(jī)組能儲(chǔ)能太陽能，充分利用新型能源輔助物料加熱，更加節(jié)能。寒冷地區(qū)循環(huán)熱補(bǔ)償式密閉高溫有機(jī)肥發(fā)酵裝置通過熱量回收盤管裝置能回收送氣管排出的發(fā)酵氣體中的熱量，減少熱量損耗，進(jìn)一步提高熱量利用效率。

6 小結(jié)

寒冷地區(qū)循環(huán)熱補(bǔ)償式密閉高溫有機(jī)肥發(fā)酵裝置的應(yīng)用對(duì)處理畜禽養(yǎng)殖中糞便污染問題及環(huán)境保護(hù)有重要作用。畜禽糞便不進(jìn)行無害化、資源化利用不但造成了巨大的資源浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致一系列環(huán)境污染問題。寒冷地區(qū)循環(huán)熱補(bǔ)償式密閉高溫有機(jī)肥發(fā)酵裝置可以生產(chǎn)有機(jī)肥料，達(dá)到還田種植的良性循環(huán)，對(duì)養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)有積極影響。