小型快速發酵裝置設計與應用效果研究

耿文廣 李子淳

[1，齊魯工業大學（山東省科學院）山東省科學院能源研究所 山東省生物質氣化技術重點實驗室 250353；2，齊魯工業大學（山東省科學院）能源與動力工程學院 250353；3，山東建筑大學熱能工程學院 250101]

我國是畜禽飼養大國，近年來隨著產業結構的調整和畜禽養殖業的不斷發展，規模化、集約化養殖場逐年增加。近年來，畜牧業產值達3 萬億元，約占農業總產值的30%，同時，畜禽糞污產量達40 億t，大量畜禽糞污的無序排放造成了極為嚴重的環境污染，影響了養殖業的可持續發展，種植業乃至人類的生存環境受到威脅[1-3]，畜禽糞污的高效處置是養殖業面臨的重要問題。規模化養殖產生的畜禽糞便處理陸續形成成熟的工藝和設備[4,5]，但對小規模養殖過程中產生的畜禽糞便、飼料殘渣等，現有設備處理成本較高、操作不便，致使農村地區養殖糞便散亂堆置，嚴重影響周圍的居住環境。為此，本文提出一種針對小批量畜禽糞便處理的兩段式自動化腐熟工藝，使糞便中的有機質進行快速生物分解、發酵，轉化成有機肥料。經過多批次試驗，印證了該工藝和設備在處理畜禽糞便方面具有快捷、易操作、效率高等特點，有機肥品質符合國家相關標準。

1 裝置與工藝

1.1 發酵裝置設計

發酵裝置結構如圖1 所示，發酵罐外壁采用夾層設計，充滿水后維持強制循環滿足罐體內的溫度需求，加熱保溫熱源采用12kw 自動控制電加熱鍋爐，發酵罐內由電機驅動主軸帶動翅片攪拌，翅片背部有通風孔用于好氧發酵過程供風，糞肥的溫度和夾層內水溫實時測量并采集。

圖1 快速發酵裝置結構圖

1.2 工藝流程描述

本文牛糞好氧發酵的工藝流程如圖2 所示，將新鮮的牛糞濾水后與生物質摻混調整水分含量，移至快速發酵罐中加入發酵菌劑并攪拌均勻，啟動電加熱爐和熱水循環泵，初期由加熱保溫系統維持發酵罐內的溫度45℃，攪拌軸以3～5 轉/min 的速率帶動糞便均勻攪動，保持適量的氧氣供應，通過自動監測和控制系統使物料在60℃以上高溫階段維持1～2d，在此階段內有機物被分解，水分減少，部分病原菌和雜草種子被殺滅，經過快速好氧發酵過程的畜禽糞便變為棕褐色粉末狀，無臭氣散發，該過程保持約48h，后出料進入堆肥發酵過程，堆肥發酵需5～7d，視環境溫度高低而異，堆肥發酵過程結束即得有機肥。

圖2 牛糞好氧發酵工藝流程

2 試驗

2.1 試驗原料

本試驗以牛糞為主原料，以玉米秸稈、麥麩和鋸末為輔料，起調節含水率、分散、易于空氣流通的孔隙骨架（蓬松體）作用等。將含水率80%左右的新鮮糞便與生物質按照一定比例混合使其達到合適的含水率和松散度，確保物料的透氣性達到好氧發酵所需的標準。

發酵原材料中牛糞取自聊城市博平鎮某奶牛養殖場，麥麩在附近面粉加工廠購置，鋸末取自附近木材加工廠，玉米芯取自附近農戶。各種發酵原材料的配比及成分如表1 所示：

表1 發酵試驗物料配比成分表

混料均勻后綜合含水率為59.06%，送檢測得混合料碳氮比32:1，pH 為6.8。

2.2 試驗條件

試驗于2019 年11 月20 日在聊城市博平鎮某奶牛養殖場進行，試驗主原料為牛糞，含水率為82.63%，環境平均溫度3℃，設備入料后保溫連續攪拌運行6h，后改為為間歇攪拌，攪拌運行10min，停止50min。

2.3 加熱、攪拌與供氧

加熱裝置采用12kW 電熱水鍋爐，發酵罐夾層、管路系統和加熱水箱內充滿水，啟動循環水泵，設定目標水溫開啟電加熱鍋爐，初始時刻維持發酵罐內45℃，同時攪拌裝置對發酵滾筒中的混合料進行持續攪拌，攪拌速度為0.5r/min，攪拌齒的背側有送風孔，采用通風裝置對發酵罐進行5m3/min 的通風，提供發酵所需的氧氣，保持混合料在溫度為45～50℃的狀態下保持6h，混合料發酵自發熱升溫至65～70℃，保持在該狀態下運行48h，完成一次快速發酵，殺死糞便中的有害病菌、蟲卵和雜草的種子。

2.4 二次堆肥發酵

快速好氧發酵過程維持48h 后，打開出料裝置旋轉出料，進行二次堆肥發酵，堆放5～9d，間隔12h 翻料一次，在自然通風狀態下，使基本熟化料繼續發酵至完全熟化，進一步殺死糞便中的有害病菌、蟲卵和雜草的種子，并使其含水率降低至20%～30%，完成畜禽糞便發酵處理。該過程已無明顯臭氣散逸，對環境影響極小。待完全腐熟后根據需要添加含鉀、磷的無機鹽，可形成高品質有機復合肥。

圖3 一次發酵試驗過程

圖4 二次堆肥發酵試驗過

3 結果與分析

對兩階段發酵試驗樣品分別送檢，一次快速發酵樣品檢測和二次堆肥發酵檢驗結果如表2 所示，可以看出，與標準值相比較，第一階段快速發酵后產出的有機糞肥水分偏高，超過標準值43.43%，總養分 （N+P2O5+K2O）不達標，低于標準值29.80%。經第二階段的堆肥發酵后有機肥送檢后測得的總養分（N+P2O5+K2O）、水分、有機質等各項指標均達到有機肥相關標準。

4 結語

設計了一種小型畜禽糞便快速發酵處理裝置，將糞肥與生物質料按一定配比混料后，在一定溫度、供氧量下快速發酵48h，可以將糞肥快速處理至無害無臭松散狀態，對環境無明顯影響，經自然堆置5～9d 二次自然發酵后有機肥各項指標達到國家標準。本工藝與裝置適用于小規模養殖畜禽糞便快速處理，對日產畜禽糞便，真正做到“日產日清”，解決了畜禽糞便對環境的污染問題。本文僅針對牛糞配比生物質料進行了初步發酵試驗研究，尚無法覆蓋其他糞肥發酵過程中的關鍵工藝參數，下一步將開展多品類糞肥、各季節環境條件下的發酵試驗研究。

表2 發酵試驗樣品檢測結果