枝條粉碎發(fā)酵堆肥機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

沈曉賀，劉 佳，馬文強(qiáng)，楊莉玲

（新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆烏魯木齊830091）

1 引言

當(dāng)前新疆林果總面積達(dá)到123.33萬(wàn)hm2[1]，全區(qū)林果有效株數(shù)近13億株。平均每畝果園每年修剪量達(dá)250～500 kg，每株果樹平均修剪果枝量按20 kg算，僅新疆林果業(yè)每年產(chǎn)生的廢棄果枝達(dá)2 600萬(wàn)噸。目前修剪下的果枝大量被直接焚燒，還田利用率不足2%，不僅造成資源浪費(fèi)同時(shí)又污染環(huán)境。另一方面，由于土壤有機(jī)質(zhì)含量低，化肥應(yīng)用造成的土壤板結(jié)等問(wèn)題，導(dǎo)致新疆部分林果產(chǎn)地果品產(chǎn)量低、品質(zhì)差的問(wèn)題日趨突顯。通過(guò)廢棄枝條粉碎堆肥還田，是提升林果資源利用率，增加果園有機(jī)質(zhì)，降低化肥使用量，提高果園產(chǎn)量、果品品質(zhì)的有效途徑，對(duì)提升農(nóng)民收入具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

枝條粉碎堆肥還田是在人工條件的控制下利用微生物的發(fā)酵作用使粉碎后的枝條中可降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的過(guò)程[2]。將枝條粉碎腐熟后的有機(jī)肥施入農(nóng)田，可以增強(qiáng)土壤保熵、保溫、保肥的能力，還能改善由于長(zhǎng)期單一施用化肥造成的土壤板結(jié)、腐殖質(zhì)含量低、保水保肥能力衰退等問(wèn)題，并減少化肥施用量。通過(guò)果樹枝條粉碎堆肥生成有機(jī)肥和園藝基質(zhì)的研究已有較多的報(bào)道，研究表明蘋果[3]、梨[4]、葡萄[5]、枸杞[6]、獼猴桃[7]、桑[8]、藍(lán)[9]莓等果樹枝條都可以通過(guò)發(fā)酵進(jìn)行堆肥。但當(dāng)前研究大多采用在戶外開(kāi)放環(huán)境下進(jìn)行堆肥的方式，發(fā)酵耗時(shí)較多，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，在6-8月進(jìn)行生產(chǎn)一般需要60～90天才能腐熟。而采用機(jī)械化堆肥設(shè)備通過(guò)有效的發(fā)酵環(huán)境條件控制，可以大幅縮短堆肥時(shí)間，提升生產(chǎn)效率。郭兆峰[10]等研發(fā)一種高效的棉秸稈基質(zhì)化利用設(shè)備，通過(guò)自動(dòng)化控制發(fā)酵溫度、壓力等條件，加入功能菌劑對(duì)棉秸稈進(jìn)行低溫后熟發(fā)酵，批處理時(shí)間達(dá)到7 h。而針對(duì)粉碎枝條進(jìn)行堆肥的設(shè)備研究報(bào)道較少。

因此本研究針對(duì)新疆果樹修剪量大，廢棄果枝利用率低，污染環(huán)境的問(wèn)題，研制了一種枝條粉碎堆肥設(shè)備，提出了設(shè)備的發(fā)酵堆肥工藝，設(shè)計(jì)了設(shè)備智能化控制系統(tǒng)，并通過(guò)堆肥試驗(yàn)對(duì)設(shè)備堆肥效果進(jìn)行了驗(yàn)證，以期為果樹枝條粉碎堆肥設(shè)備的研究和生產(chǎn)提供參考價(jià)值。

2 設(shè)備基本結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 設(shè)備基本結(jié)構(gòu)

粉碎發(fā)酵堆肥機(jī)如圖1，設(shè)備主要由電鍋爐、發(fā)酵罐、水箱、鍋爐進(jìn)水管、回水管、發(fā)酵罐攪拌器、出料擋板、出料口、配電箱、溫度傳感器和機(jī)架組成。

2.2 工作原理

采用電鍋爐以水為介質(zhì)對(duì)發(fā)酵罐進(jìn)行加熱，粉碎后的枝條顆粒混合動(dòng)物糞便和發(fā)酵菌劑，在發(fā)酵罐內(nèi)攪拌均勻后開(kāi)始發(fā)酵，發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵好的物料出料后即可作為有機(jī)肥施入果園或農(nóng)田。

3 關(guān)鍵工藝及部件的設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)酵堆肥工藝的設(shè)計(jì)

發(fā)酵堆肥的原料為粉碎后的林果枝條和動(dòng)物糞便的混合物料。為了使發(fā)酵充分，林果枝條粉碎后的顆粒大小應(yīng)在3 cm以下。林果枝條粉碎物與動(dòng)物糞便按3:7的比例混合。進(jìn)行發(fā)酵堆肥時(shí)，首先在水箱內(nèi)加入水，使水由進(jìn)水管進(jìn)入電鍋爐，并且使水箱內(nèi)的水位達(dá)到水箱容量的1/2左右。然后啟動(dòng)電鍋爐，電鍋爐使水通過(guò)進(jìn)水管和回水管循環(huán)加熱，并對(duì)發(fā)酵罐進(jìn)行預(yù)熱。當(dāng)料溫傳感器顯示發(fā)酵罐內(nèi)的溫度達(dá)到60~70℃時(shí)，啟動(dòng)發(fā)酵罐內(nèi)的攪拌器，再將混合好的發(fā)酵物料加入發(fā)酵罐，按物料和水的比例20：1加入清水，使發(fā)酵物料攪拌均勻。當(dāng)物料溫度上升到45℃時(shí)，在發(fā)酵物料內(nèi)加入150 g復(fù)合發(fā)酵菌劑（白腐菌、木霉菌、熒保素等），攪拌均勻后停止攪拌，蓋上發(fā)酵罐蓋子。然后啟動(dòng)電鍋爐保溫功能，使發(fā)酵罐溫度保持在38℃進(jìn)行發(fā)酵堆肥，發(fā)酵溫度10~12小時(shí)，物料溫度由45℃下降到38℃左右時(shí)，發(fā)酵過(guò)程結(jié)束，發(fā)酵好的物料從出料口出料。設(shè)備的工藝流程如圖2。

3.2 粉碎發(fā)酵堆肥機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

粉碎發(fā)酵堆肥機(jī)控制系統(tǒng)以PLC控制器為核心，設(shè)置啟動(dòng)預(yù)熱和啟動(dòng)攪拌、手動(dòng)繼續(xù)下一步操作三組開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)以及水箱溫度和物料溫度兩組模擬量輸入信號(hào)，輸出信號(hào)為啟動(dòng)電鍋爐加熱和啟動(dòng)攪拌兩組開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)以及控制電鍋爐加熱的固態(tài)繼電器輸出信號(hào)。控制系統(tǒng)工作流程按照?qǐng)D2的工藝流程進(jìn)行全自動(dòng)化控制，在需要加入發(fā)酵堆肥原料、加入發(fā)酵菌劑及出料的環(huán)節(jié)，通過(guò)蜂鳴器提醒操作人員進(jìn)行下一步操作。水箱溫度設(shè)置預(yù)熱、發(fā)酵物料加熱、保溫三個(gè)溫度控制階段，采用PID控制方式，通過(guò)電鍋爐水溫的反饋控制信號(hào)調(diào)節(jié)電鍋爐加熱的固態(tài)繼電器輸出功率，以確保溫度控制的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，并通過(guò)兩組溫度表實(shí)時(shí)顯示電鍋爐水溫和物料的溫度。

4 設(shè)備堆肥試驗(yàn)及結(jié)果

在新疆烏魯木齊市采用該設(shè)備進(jìn)行了發(fā)酵堆肥試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為2020年4月，采用速生楊枝條碎屑和雞糞為發(fā)酵原料，按3：7的比例進(jìn)行發(fā)酵堆肥。發(fā)酵過(guò)程中電鍋爐的水溫和發(fā)酵罐內(nèi)的溫度變化如圖3。可以看出電鍋爐的水溫在預(yù)熱階段控制較為精確快速，在保溫階段溫度穩(wěn)定，符合設(shè)備工藝設(shè)計(jì)的要求。發(fā)酵罐內(nèi)物料溫度隨電鍋爐水溫的變化而變化，加入發(fā)酵物料和發(fā)酵菌劑后，在發(fā)酵階段物料溫度由于發(fā)酵產(chǎn)生的熱量溫度維持在44~46℃，發(fā)酵后期后物料溫度逐漸下降的38℃左右，堆肥發(fā)酵完成。

表1 設(shè)備堆肥發(fā)酵前后物料養(yǎng)分變化(%)

對(duì)發(fā)酵前后的物料養(yǎng)分含量進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比。碳元素和氮元素的變化是檢驗(yàn)堆肥腐熟的一個(gè)重要指標(biāo)。在發(fā)酵堆肥過(guò)程中，碳源被消耗，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為二氧化碳和腐殖質(zhì)，因此發(fā)酵后物料中有機(jī)質(zhì)含量明顯下降，堆肥結(jié)束時(shí)堆肥中的全氮、全磷、全鉀含量均有所增加。

5 結(jié)論

本文介紹了一種枝條粉碎發(fā)酵堆肥機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)酵堆肥溫度和工藝流程的全自動(dòng)化控制。通過(guò)設(shè)備堆肥實(shí)驗(yàn)和發(fā)酵前后的物料養(yǎng)分含量的檢測(cè)對(duì)比，研制的設(shè)備對(duì)粉碎枝條和雞糞的混合物料發(fā)酵堆肥時(shí)間小于12小時(shí)，發(fā)酵后的物料有機(jī)質(zhì)含量明顯下降，堆肥結(jié)束時(shí)堆肥中的全氮、全磷、全鉀含量均有所增加，表明研制的設(shè)備可以明顯縮短粉碎枝條的發(fā)酵堆肥周期，可為果樹枝條粉碎堆肥設(shè)備的研究和生產(chǎn)提供參考依據(jù)和技術(shù)支持。