蘇佳佳， 李鳳鳴， 李 偉， 高曉宏， 郭 煒， 羅金海

（中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院呼和浩特分院有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的規(guī)模也越來越大，且養(yǎng)殖業(yè)數(shù)量處于不斷增多的狀態(tài)，因此畜禽糞污的產(chǎn)生量也在陸續(xù)增加，各養(yǎng)殖業(yè)人員把畜禽糞污的處理逐漸當(dāng)成工作中的重點，在規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)的現(xiàn)實運行中，采用科學(xué)合理的糞污處理方式對養(yǎng)殖場的運營起至關(guān)重要的作用[1-3]。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部數(shù)據(jù)，到2020 年，我國的畜禽糞污資源化利用率達75%，規(guī)?；B(yǎng)殖場畜禽糞污處理裝備配套率達93%[4-6]。畜禽糞污資源化綜合利用方式歸納為3 大類：一是肥料化，農(nóng)作物生長所需；二是飼料化，動物生長所需；三是能源化，生產(chǎn)生活所需。其中肥料化是畜禽糞污綜合處理的主要方式，占糞污資源化綜合利用方式的60%，而堆肥技術(shù)在畜禽糞污資源利用肥料化處理技術(shù)中占絕大部分[7-10]。禽畜的排泄物中含有許多有用物質(zhì)，如礦物質(zhì)和有機質(zhì)，經(jīng)堆肥發(fā)酵技術(shù)處理后，通過高溫殺滅糞污中的有害物質(zhì)，將其中的有機質(zhì)分解成腐殖質(zhì)。然后與一定量的復(fù)合微肥結(jié)合，可以制成復(fù)合有機肥。將制成的有機肥料用于農(nóng)田作物中，可以促進農(nóng)作物的生長。

針對發(fā)展機械式畜禽糞污的處理方式，眾多學(xué)者紛紛研究了畜禽糞污的機械化處理技術(shù)裝備。樊梅榮[11]對畜禽糞污資源化綜合利用技術(shù)進行了研究，闡述了畜禽糞污資源化綜合利用技術(shù)的模式、工藝流程及管理要點。趙明杰等[12]對畜禽糞污堆肥發(fā)酵技術(shù)及裝備進行了研究，分析了不同堆肥技術(shù)裝備的工作原理及特點。孫家英等[13]對畜禽養(yǎng)殖糞污資源化利用技術(shù)模式進行了探析，對比了糞污資源化利用的不同模式及特點。耿文廣等[14]對小型快速發(fā)酵裝置設(shè)計與應(yīng)用效果進行研究，設(shè)計并開發(fā)了快速發(fā)酵處理裝備。王欣宇等[15]對規(guī)模化牛場糞污處理方法進行研究，結(jié)果表明全面實施畜禽的健康養(yǎng)殖已成為現(xiàn)代畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

畜禽養(yǎng)殖業(yè)的廢棄物資源化利用產(chǎn)業(yè)中首先要實現(xiàn)的是畜禽糞污機械化處理，本文就畜禽糞污堆肥技術(shù)與裝備的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行探討。

1 糞污堆肥技術(shù)工藝

糞污堆肥技術(shù)是利用微生物，在人為控制的作用下，降解畜禽糞污中的有機質(zhì)，使畜禽糞污無害化和腐殖化的發(fā)酵技術(shù)過程。畜禽糞污堆肥技術(shù)分為兩種形式：一種是厭氧堆肥技術(shù)；另一種是好氧堆肥技術(shù)。劃分依據(jù)是堆肥發(fā)酵技術(shù)過程中，是否需要氧氣的作用[16]。不需要通風(fēng)、不需要氧氣作用的堆肥技術(shù)是厭氧堆肥發(fā)酵技術(shù)，其完全腐熟需要幾個月才能完成，堆肥時間較長。而需要通氣通風(fēng)、需要氧氣作用的堆肥技術(shù)則是好氧堆肥發(fā)酵技術(shù)，其溫度比較高，通常在55～65 ℃，高時可達70 ℃，又稱高溫堆肥。堆肥技術(shù)工藝流程如圖1 所示。

圖1 堆肥技術(shù)工藝流程Fig. 1 Process flow of composting technology

畜禽糞污的肥料化技術(shù)處理與循環(huán)利用，能夠為畜禽糞污的堆肥利用提供新方法和新途徑，能夠解決畜禽糞污及畜禽廢棄物的還田利用機械化、減量化及無害化的難題。畜禽糞污循環(huán)利用工藝模式如圖2 所示。

圖2 畜禽糞污循環(huán)利用工藝模式Fig. 2 Livestock and poultry manure recycling process mode

2 糞污堆肥技術(shù)裝備

隨著機械化的不斷發(fā)展，告別了傳統(tǒng)的堆肥方式?，F(xiàn)有畜禽糞污堆肥方式多種多樣，隨之配套的機械裝備也形式多樣。本文涉及的糞污堆肥技術(shù)裝備主要指好氧堆肥技術(shù)裝備。畜禽糞污堆肥技術(shù)包括原料預(yù)處理技術(shù)、好氧發(fā)酵技術(shù)和造粒成型技術(shù)等。在原料處理技術(shù)的過程中，通常采用固液分離技術(shù)、輔助料粉碎技術(shù)及原料含水率控制等技術(shù)，來提升堆肥技術(shù)的整體效果，而造粒成型技術(shù)能夠?qū)⒎鬯榕淞匣旌系燃夹g(shù)工序緊密的結(jié)合，最終能夠生成適用于農(nóng)作物生產(chǎn)所需的有機肥料。

2.1 原料預(yù)處理裝備

原料通過預(yù)處理后，能夠滿足好氧發(fā)酵技術(shù)的實際需求。原料預(yù)處理主要裝備包括固液分離裝備、輔助料粉碎裝備及混合配比裝備等。一種能將固體糞便從畜禽糞污中機械分離出來的機械裝備稱固液機械分離裝備，其能夠快速機械分離畜禽干清糞及畜禽水泡糞中的固體糞便，固液分離裝備如圖3 所示。目前最常用的固液機械分離裝備主要包括篩分機械分離裝備、過濾機械分離裝備、離心機械分離裝備及螺旋機械分離裝備等類型。

圖3 固液分離裝備Fig. 3 Solid-liquid separation equipment

篩分分離機械裝備是一種不容易堵塞且結(jié)構(gòu)簡單的分離裝備，但其去除固體物質(zhì)的效率是較低的。過濾分離機械裝備是一種無噪聲、無振動和能耗較低的分離裝備，但其有較高的運行成本。離心分離機械裝備分離固體物質(zhì)快速、高效，但其能耗高，前期投資大。目前最廣泛的是一種全新的螺旋分離機械裝備。在固液分離前為使糞污中固態(tài)的含量減少，先將糞水?dāng)嚢璩浞?。根?jù)實際情況，在畜禽糞污原料預(yù)處理的時期結(jié)合多種工藝裝備，既能降低固體的含水率，也能提高固液分離效果。

2.2 好氧發(fā)酵裝備

在好氧發(fā)酵技術(shù)過程中，最常見的發(fā)酵技術(shù)包括條垛式發(fā)酵技術(shù)、槽式發(fā)酵技術(shù)和反應(yīng)器發(fā)酵技術(shù)。

2.2.1 條垛式堆肥裝備

條垛式堆肥技術(shù)也稱原始堆肥技術(shù)，是將混合好的畜禽糞污排列成條垛的形式，占地面積較大，屬于開放式的，需要機械裝備周期性地進行翻拋，所以發(fā)酵周期長，但工藝簡單且費用較低。條垛式堆肥技術(shù)的機械翻堆頻率為每周3～5 次，糞污堆肥發(fā)酵需要40～60 d。條垛式堆肥如圖4 所示。

圖4 條垛式堆肥Fig. 4 Strip stack composting

條垛堆肥技術(shù)的場地大小取決于畜禽糞污的處理量，且應(yīng)做防雨措施。條垛的尺寸規(guī)格通常是條垛寬2～4 m，條垛高1.0～1.5 m，條垛的長度尺寸不受局限。當(dāng)條垛堆肥太大，翻堆時會散放大量的臭氣；當(dāng)條垛堆肥太小時，快速散熱的堆肥，使其保溫性較差。對于規(guī)模大、糞污量多的堆肥，則需要多行進行條垛堆肥，才能滿足要求。畜禽糞污條垛堆肥需要定期進行翻堆，通常分為人工翻堆和機械裝備翻堆兩種形式，但機械翻堆效率較高。條垛堆肥中微生物耗氧量的多少決定了條垛堆肥技術(shù)的翻堆次數(shù)，另外還受其他因素的影響，如糞污堆肥的腐熟程度，使用翻堆機械裝備的種類，條垛占地空間大小，以及經(jīng)濟條件等。條垛堆肥技術(shù)在糞污堆肥起始階段的翻堆頻率要比后期高，一般2～3 d 進行一次糞污翻堆，當(dāng)條垛堆肥達到70℃的高溫時，翻堆的次數(shù)則要增加。條垛堆肥翻堆機形式多樣，如圖5、圖6 和圖7 所示。

圖5 自走式條垛堆肥翻堆機Fig. 5 Self-propelled sliver compost turner

圖6 自走式整體連片堆肥翻堆機Fig. 6 Self-propelled integral continuous compost turner

圖7 牽引式條垛堆肥翻堆機Fig. 7 Trailed sliver compost turner

2.2.2 槽式堆肥裝備

槽式堆肥技術(shù)是在槽內(nèi)進行糞污堆肥的技術(shù)，這種槽一般又長又窄。在槽壁上方軌道上安裝對糞污堆肥起翻攪作用的翻拋機，其定期對槽內(nèi)堆肥進行翻拋，來增加堆肥的通透性。在槽的底部安裝對糞污堆肥提供通風(fēng)曝氣的管路通道，滿足槽內(nèi)堆肥氧氣的需求。因此，槽式堆肥技術(shù)裝備是在槽底管道提供氧氣的條件下，通過槽上翻拋機定期翻拋的作用來實現(xiàn)槽內(nèi)堆肥發(fā)酵的技術(shù)裝備。智能槽式糞污處理裝備如圖8 所示。

圖8 智能槽式糞污處理裝備Fig. 8 Intelligent trough manure treatment equipment

畜禽糞污處理量的多少和糞污堆肥使用的物料翻拋機的樣式?jīng)Q定了糞污堆肥槽的大小。糞污堆肥翻拋機的作用是對堆肥進行翻拋攪拌，使槽內(nèi)上下堆肥均勻混合，同時拋碎和疏松堆肥，來增加氧氣的供應(yīng)量，從而保證畜禽糞污堆肥槽內(nèi)堆肥發(fā)酵均勻，這樣發(fā)酵出的堆肥均勻性好。糞污堆肥發(fā)酵槽內(nèi)的氧氣來源于槽底鋪設(shè)的通風(fēng)管路技術(shù)系統(tǒng)，能保證槽內(nèi)堆肥的氧氣需求量。畜禽糞污一般在進入堆肥槽后1～2 d 可達到45 ℃。槽內(nèi)堆肥發(fā)酵周期通常為30～40 d。槽式堆肥寬幅鏈板翻拋機如圖9 所示。一種是從糞污堆肥發(fā)酵槽的進料端口進料，然后通過糞污翻拋機的作用將糞污堆肥翻拋到出料端口，同樣再在進料端口進料，再通過翻拋機的作用將物料翻到出料端口，當(dāng)堆肥發(fā)酵周期結(jié)束時，物料從出料端排出，這樣一批一批的進料、翻拋、移動，稱為批次進料和出料的方式，翻拋起供氧、粉碎及攪拌的作用。另一種是槽內(nèi)一開始就堆滿物料，當(dāng)堆肥發(fā)酵的周期結(jié)束時，一次全部排出物料的形式，這種稱為整體進料和出料的方式。

圖9 槽式堆肥寬幅鏈板翻拋機Fig. 9 Trough type composting wide chain plate turning and throwing machine

2.2.3 反應(yīng)器堆肥裝備

反應(yīng)器堆肥技術(shù)是密閉的、一體的好氧堆肥發(fā)酵技術(shù)，具有進料、出料、曝氣、攪拌及除臭的功能。反應(yīng)器的形式多種多樣，有塔式反應(yīng)器、筒倉式反應(yīng)器、隧道窯式反應(yīng)器及攪動箱式反應(yīng)器等。目前，自動化糞污堆肥技術(shù)裝備通用的主要包括生物發(fā)酵塔技術(shù)裝備、發(fā)酵倉技術(shù)裝備及高溫好氧發(fā)酵罐技術(shù)裝備等。生物發(fā)酵塔是由多個發(fā)酵倉組合，能實現(xiàn)自動調(diào)劑、穩(wěn)定傳送、連續(xù)排出，全自動化控制生產(chǎn)物料，并自動供氧、調(diào)溫、除濕，利用好氧生物菌產(chǎn)生的生物能對養(yǎng)殖場的糞尿等有機廢棄物實現(xiàn)零污染、零排放的無害化處理。塔式堆肥裝備如圖10 所示。發(fā)酵倉堆肥是將堆料混合物放置于簡單箱式結(jié)構(gòu)中進行發(fā)酵的堆肥方法。倉式堆肥通常使用強制通風(fēng)，其通風(fēng)系統(tǒng)組成與靜態(tài)通氣堆肥相同。堆肥在封閉的容器內(nèi)進行，沒有臭氣污染；能很好控制堆肥發(fā)酵過程，堆肥發(fā)酵倉可自由運輸，有利于分散糞便的集中處理。發(fā)酵倉堆肥密閉反應(yīng)器是從筒倉頂部加入物料，然后通過高壓渦輪風(fēng)機的供氧作用，從筒倉底部排出物料的堆肥技術(shù)裝備。通常筒倉高度為4～6 m，堆肥發(fā)酵周期一般為7～12 d。筒倉式堆肥裝備如圖11 所示。

圖10 塔式堆肥裝備Fig. 10 Tower composting equipment

圖11 筒倉式堆肥裝備Fig. 11 Silo composting equipment

高溫好氧發(fā)酵罐是一種新型的發(fā)酵裝備，采用的是一種高壓高氧高熱發(fā)酵技術(shù)，它可以對動物糞便進行高溫加熱，達到動物糞便發(fā)酵所需的高溫條件，同時，克服了普通糞便發(fā)酵技術(shù)的生物菌和氧氣不足使動物糞便發(fā)酵不徹底。通過高溫高氧發(fā)酵使生物菌得到活化，從而使動物糞便徹底發(fā)酵成生物菌型有機肥的目的。處理過程耗能少，運行成本低；充分利用空間，占地小；自動化程度高，采用PLC 與上位機結(jié)合，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；處理過程全封閉，不產(chǎn)生二次污染。

中小型畜禽養(yǎng)殖場的糞污處理一般會用到密閉式反應(yīng)器堆肥技術(shù)裝備，這種裝備適用于畜禽糞污的就地堆肥處理。其具有占地面積較小，發(fā)酵周期較短，且節(jié)能保溫效果比較好的優(yōu)點，而且密閉性好，臭氣控制容易，自動化程度較高。

2.3 造粒成型裝備

農(nóng)作物有機肥料的最后一道生產(chǎn)工序是造粒成型，造粒成型之后的顆粒肥料能夠提升自身的商品化，增強顆粒肥料的緩釋效果，使其在儲存和運輸中不易分解。目前在市場上，擠壓造粒技術(shù)裝備和團聚造粒技術(shù)裝備是兩種最常見的造粒成型技術(shù)裝備。

擠壓造粒成型技術(shù)是運用滾擠壓的一種方法，首先將進入機器料斗的物料通過機械式擠壓成型之后，再脫模造球，然后傳輸?shù)綑C器破碎篩，再將新物料和返回物料重新混合之后再造粒。擠壓造粒成型技術(shù)裝備具有兩個優(yōu)勢：高效和平滑。擠壓造粒機如圖12 所示。

圖12 擠壓造粒機Fig. 12 Extrusion granulator

團聚造粒成型技術(shù)裝備有兩種機型，一種是圓盤式造粒機，另一種是轉(zhuǎn)輥式造粒機。圓盤造粒機應(yīng)用范圍廣，已相當(dāng)成熟。物料從霧化噴嘴進入采用圓弧結(jié)構(gòu)制造的造粒盤，在圓盤的快速旋轉(zhuǎn)下，濕潤的物料迅速凝結(jié)成型，最終形成顆粒狀。圓盤造粒機如圖13 所示。

圖13 圓盤造粒機Fig. 13 Disc granulator

轉(zhuǎn)輥式造粒機是將經(jīng)過同體旋轉(zhuǎn)運動的已成型物料，在特定的濕度和溫度要求的控制下，凝結(jié)聚集形成球狀物料，最終形成制作球狀物料技術(shù)工序，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是比較特殊的。造粒結(jié)束后的顆粒狀物料需要一道工序，即干燥與冷卻，所以需要在造粒成型技術(shù)裝備中配置適用的干燥和冷卻模塊，這樣的處理方式不僅可以對造粒工藝流程進行優(yōu)化，也可以節(jié)省技術(shù)裝備成本。轉(zhuǎn)輥造粒機如圖14 所示。

圖14 轉(zhuǎn)輥造粒機Fig. 14 Rotary roller granulator

3 發(fā)展趨勢

畜禽糞污堆肥技術(shù)裝備的發(fā)展能夠解決畜禽養(yǎng)殖行業(yè)糞污處理難及廢棄糞污污染的問題，能夠加快畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，是畜禽養(yǎng)殖行業(yè)糞污污染防治經(jīng)濟有效的方式。畜禽糞污的資源化還田利用，能夠促進畜禽養(yǎng)殖業(yè)的污染防治從注重達標(biāo)排放向注重全量利用的轉(zhuǎn)變加快，有力地促進了畜牧行業(yè)生產(chǎn)制造與生態(tài)環(huán)境保護建設(shè)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

隨著畜禽糞污處理技術(shù)的日益需求，畜禽糞污堆肥技術(shù)裝備將形式多樣，適合不同場所需求。通過文中畜禽糞污堆肥技術(shù)裝備現(xiàn)狀的介紹，可以得出畜禽糞污堆肥機械化水平將改造升級：機械裝備大型化，適用于中大型規(guī)模養(yǎng)殖場的糞污處理；自動化程度高，能夠遠(yuǎn)程控制和故障監(jiān)測；機械裝備的生產(chǎn)率進一步提高，可靠性更高；糞污處理無二次污染，促進生態(tài)循環(huán)。因此，畜禽糞污堆肥技術(shù)裝備將向大型化、智能化和信息化的趨勢發(fā)展。

4 結(jié)束語

論述了畜禽糞污堆肥技術(shù)工藝及堆肥技術(shù)裝備，分析了畜禽糞污堆肥技術(shù)裝備的發(fā)展趨勢，得出在推進畜禽糞污堆肥技術(shù)裝備發(fā)展的同時，要遵循自然生態(tài)的發(fā)展理念，結(jié)合種養(yǎng)機制，按照種養(yǎng)平衡適度開發(fā)協(xié)調(diào)發(fā)展，確保畜禽糞污堆肥技術(shù)裝備的合理開發(fā)利用，為畜禽糞污堆肥技術(shù)裝備的創(chuàng)新設(shè)計制造及推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。運用機械裝備使畜禽糞污廢物轉(zhuǎn)化，變廢為寶，做到畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢棄物資源化合理利用，創(chuàng)建健康綠色且環(huán)保高效的畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，能夠受益于種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)雙重產(chǎn)業(yè)，可以促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，且有利于生態(tài)穩(wěn)定循環(huán)發(fā)展。