一種滾筒式好氧發酵罐的設計與試驗

關鍵詞有機廢棄物；畜禽糞污；發酵；堆肥中圖分類號TQ920.5 文獻標識碼A文章編號 0517-6611（2025）16-0188-04doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.16.041

AbstractAimingat heproblemof reatingalargeamountoforganicwastesuchalivestockandpoultrymanure，kitchenwaste，andcrop strawinhinaandtelitatiosoftradiioalompostingfeetation，aootaldurobicerentatioankasdevelodefe mentation tank can achieve 100% complete decomposition of materials within 5 to 7 days，and the fermentation process has no dead corners， noodor，ndnosecodaryplltionekyparameterssuchstemperature，venilationvouendumdityarefullymontodaduto matedItiseasytooperateandthorkplaceisotestrictedythenvironentThdevelopmentanduseofteferentatiotakcau organicwastetomateraltatisenfiltgiculuraldevelopntItanalsoevealessdsourcefultreaetfaic waste at the source.

Key words Organic waste;Livestock and poultry manure;Fermentation; Compost

據統計，我國每年畜禽糞污、餐廚垃圾、農作物秸稈等多種農業有機廢棄物排放量超過40億 t^[1] 。針對目前國內大量的有機廢棄物的處理主要采用焚燒發電和垃圾填埋2種方式。其中大部分的畜禽糞污和農作物秸稈等采用好氧堆肥制成農業種植用有機肥，這一方式已成為我國畜禽糞污資源化利用的主要途徑之一[2]。但傳統開放式堆肥處理方式，不僅需要大型設備，占用較大的場地，且整個過程易釋放惡臭氣體[3]和污水，給環境帶來二次污染[4-5]。其次，傳統堆肥過程中，物料的通氣量、溫度和濕度在表層與內部無法達到均勻統一，從而使發酵反應無法持續處于最佳條件，物料翻攪費時費力且發酵周期長達 30～40d^[6] 。因此，針對傳統開放式堆肥存在的一系列問題，需要設計一種基于綠色、高效、智能且自動化的發酵裝置，進而突破傳統堆肥的局限，對不同類型的有機廢棄物堆肥條件實現精準控制，達到廢棄資源再利用的目的。

1堆肥裝置整體設計思路

近年來，滾筒式反應器在堆肥上應用廣泛[7]，體現了其占地面積小、發酵周期短且二次污染率低等優勢，已成為好氧堆肥發酵的研發方向之一。滾筒式好氧發酵裝置的研發需要對溫度、濕度和通氣量等參數實時監測，滿足堆肥需求的同時，又要減少投資成本、節約人力成本，實現自動機械化一體式設計，充分滿足工業連續式堆肥需求[8]，完成從露天堆放、污染嚴重的傳統堆肥方式到傳感器檢測、自動化控制生產過程的轉變[9]

筆者考察了以色列、日本和我國臺灣等地的先進滾筒式堆肥裝置現狀后，與中國科學院微生物研究所共同研發了一種滾筒式好氧發酵罐并取得了國家發明專利。裝置內設溫度、濕度和通氣量等傳感器，可全程監控并實時調節堆肥發酵條件，具有占地面積小、能耗低、自動化程度高、易于操作的優點，不僅能夠節省大量人力物力，而且發酵周期短（能使畜禽糞污在5～7d內快速腐熟分解）發酵速率快，同時能徹底地將原料中的病菌、蟲卵等殺滅，做到 100% 全腐熟，且無臭味及其他刺激性味道，無二次污染，能從源頭上實現有機廢棄物的無害化處理和資源化利用。

1.1堆肥裝置整體結構設計畜禽糞污處理的工藝流程和滾筒式好氧發酵設備的主體結構見圖1、2。由圖1、2可知，罐體一端與進料絞龍相連，罐體攪拌系統正轉進料，罐體兩端還分別設置有漏水網板，其內部間隔設置有擋料圓盤和方向擋板，橫向上均勻設置有加熱管道（圖3）。進料后發酵開始，每隔6h開啟罐體攪拌系統1次，每次 30min ，并同時開啟鼓風系統，向罐體內部通入新鮮空氣；發酵結束后，罐體攪拌系統反轉，開啟出料絞龍從出料口出料。

1.2裝置內部結構設計圖3和圖4分別為設備內部結構和設備俯視結構。混合好的有機固廢原料通過一根 Φ220 長1200mm 的絞龍加入罐體內，發酵過程中，當溫度上升到50^qC 以后，罐體內會產生大量蒸汽，此時罐體兩端的環形網狀不銹鋼材料的漏水網板（厚 4～5mm ，寬 150～160mm ，高100～110mm ），可阻擋固體物料的排出，同時發酵過程中蒸發的部分水分得以逸出，從而避免了蒸汽在罐體內壁凝結成水又重新滴到物料上，形成無效發酵循環。未發酵完全的物

圖1工藝流程

圖2設備整體結構Fig.2Overall structure of equipment

注：1.進料絞龍;2.漏水網板。

Note：1.Feedingscrewconveyor;2.Leakingmesh plate.

料會被擋料圓盤（直徑 1600～1700mm ，厚度 16～18mm 阻擋達到減緩物料移動的目的，同時配合罐體圓周設置的方向擋板（長 1160～1180mm 寬 180～190mm 、軸向斜角15^°～17^° ）增加機械攪拌力，使罐內物料達到均勻分散狀態，避免物料堆積形成發酵死角。當環境溫度低于 20% 時，罐體內加熱管道（直徑 83mm 厚 8mm ）將啟動加熱，提供 35^°C 的起始溫度，使得罐體內溫度處于適宜發酵的溫度。進入快速分解階段后，每天定時通人空氣，實時檢測，發酵過程中溫度最高到 65^°C ，且高溫階段維持4～5d，發酵完成后，溫度會自然下降，溫度降到 40% 左右時，檢測物料水分為 30% ～40% ，觀察物料顏色呈棕褐色，無臭味、有少量氨氮氣味，質地松軟蓬松，發酵結束。

2試驗設計與方法

2.1試驗設計為了驗證滾筒式好氧發酵裝置結構和運行性能的合理性及其工作效率的真實性，同期分別設置對照組、菌劑組、發酵罐組堆肥試驗。試驗設3個處理，每個堆肥3個重復，具體設計如下：對照組：牛糞 2000kg ，蘑菇渣850kg ，不添加有機物料腐熟劑；對照組堆置方法：按需稱取注：1.進料絞龍;2.漏水網板;3.擋料圓盤;4.方向擋板;5.出料口；6.加熱管道。

圖3設備內部結構

Note：1.Feeding screw conveyor;2.Leaking meshplate;3.Baffle disc; 4.Directional baffle;5.Discharge hole ;6.Heating pipe.

圖4設備俯視結構

Fig.4Equipment overhead structure

注：2.漏水網板;3.擋料圓盤。

Note：2.Leakingmeshplate;3.Baffledisc.

不同堆肥物料后，用小型鏟車充分混勻物料，調節含水量至60% ；每個重復堆成長約 2.5m 高 1.0m. 寬 1.0m 的長條垛。菌劑組：牛糞 2000kg ，蘑菇渣 850kg ，添加 0.1% 有機物料腐熟劑；菌劑組堆置方法：將所用腐熟劑用少量細麩皮拌勻后再均勻混合到所需堆肥物料中，調節含水率至 60% ；每個重復堆成長約 2.5m 高 1.0m 寬 1.0m 的長條垛。發酵罐組：牛糞 2000kg ，蘑菇渣 850kg ，添加 0.1% 有機物料腐熟劑；發酵罐組進料方法：將所用腐熟劑用少量細麩皮拌勻后再均勻混合到所需堆肥物料中，調節含水率至 60% ，開啟罐體攪拌正轉，將物料通過進料絞龍進人到滾筒式好氧發酵罐中，開啟罐體加熱系統，當罐內溫度達到 35^°C 后關閉加熱、保溫，發酵開始，每隔 6h 罐體攪拌系統運行 30min ，同時開啟鼓風系統向罐體內部通入新鮮空氣，發酵升溫后至自然降溫到40% 左右時堆肥結束。

2.2取樣及指標測定在堆肥發酵過程中根據不同需求按實際情況多點取樣，四分法收集樣品，收集到的樣品一部分根據不同的檢測指標做不同處理，留樣待測；另一部分新鮮樣品用于種子發芽指數的測定。

2.2.1溫度。傳統堆肥方式的溫度測定采用溫度計插入發酵堆中間 30cm 深， 15min 后讀數，每天上午10：00測定堆肥溫度；發酵罐組記錄發酵罐溫度顯示器數值；同時測定當天的大氣溫度。

2.2.2pH、含水率。按NY525—2021有機肥料技術標準測定。

2.2.3總有機碳和全氮含量。總有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測定，全氮含量采用凱氏定氮法[]測定。

2.2.4種子發芽指數[1]。按去離子水和樣品 制備浸提液，把 5mL 堆肥浸提液加入鋪有2層濾紙的、直徑為 9cm 的培養皿內，每個培養皿均勻撒入30粒飽滿的小白菜種子，25^°C 恒溫黑暗培養 ^48h ，測定發芽率和根長，以去離子水作為對照，每個處理組重復3次，計算種子的發芽指數（GI）。

濾液的種子發芽率 .× 種子根長發芽指數 （GI）= ×100% 蒸餾水的種子發芽率 .× 種子根長

3結果與分析

3.1不同堆肥過程中的溫度變化由圖5可知，無論哪種堆肥方式，堆肥過程中的堆肥溫度均呈現先升高后降低的趨勢。發酵罐處理組在第1天溫度就達 50^qC （ gt;45‰ ），進入高溫期，最高溫度達到了 69^°C ，且堆肥溫度在 50～70^°C 持續5d；菌劑處理組在第3天溫度達到 51^qC ，進入高溫期，溫度持續升高到 62⁶C ，且堆肥溫度在 50～70^circC 持續了11d;對照組堆肥前期溫度一直處于上升期，在第13天溫度升到 53^°C ，且堆肥全程溫度 ?50°C 只有 4d 。菌劑處理組在第14天后溫度開始降低，進入堆肥后期，第31天堆肥結束；對照組在第22天溫度降至 49^°C ，之后溫度逐漸降低，進入堆肥后期，第31天堆肥結束；發酵罐處理組在第5天溫度降至 55^°C ，進入堆肥后期，綜合其他指標第7天堆肥結束，下罐后堆垛陳化。

圖5不同堆肥處理溫度變化

Fig.5Temperature change of different composting treatments

3.2不同堆肥過程中的 pH 變化由圖6可知，無論哪種堆肥方式， pH 都是呈現先升高后降低趨勢，且3種堆肥方式的pH 最高值都處在8.5～8.8，堆肥結束后 ΔpH 基本都在7.0左右。

3.3不同堆肥過程中的含水率變化由圖7可知，3種堆肥方式的含水率均呈下降趨勢，起始含水率都是 60% ，發酵罐處理組在第7天發酵結束時含水率降到了 45% ，另外2組堆肥的含水率變化趨勢較為接近，含水率幾乎都在第20天前

圖6不同堆肥處理pH變化

Fig.6ThepHchangesofdifferentcompostingtreatments后降到 45% 以下。

圖7不同堆肥處理含水率變化

Fig.7 Change of moisture content of different composting treatments

3.4不同堆肥過程中的總有機碳、全氮含量及碳氮比的變化堆肥前期，微生物首先分解易分解的有機物，釋放大量二氧化碳，大大減少了有機碳含量[12]，因此，筆者只對菌劑組和發酵罐組的總有機碳、全氮含量和碳氮比進行了對比分析，結果見表1。

表1堆肥過程中總有機碳、全氮含量及碳氮比變化

Table1 Changes of total organic carbon，total nitrogen content and ratio of carbon to nitrogen during composting

注： 和 7^* 分別為發酵罐組上料時和下料時數據。 Note： 0^* and 7^* are data of feeding and unloading of fermenter group respectively.

由表1可以看出，菌劑組總有機碳含量在第5～20天下降較快，15d內下降了 160g/kg 左右，從第20天后下降趨勢居于平穩，堆肥結束時總有機碳含量降到了 131.69g/kg ；發酵罐組總有機碳從開始的 351.27g/kg 降到 162.19g/kg 。菌劑組全氮含量由開始時的 13.29g/kg ，在 20d 內降到了最低8.45g/kg ，之后又出現上升趨勢，堆肥結束時全氮含量上升到 9.87g/kg ，但整個堆肥過程中，全氮含量總體減少了25.73% ;發酵罐組的全氮含量由 13.29g/kg 降至 10.51g/kg 全氮含量總體減少了 20.92% 。

3.5不同堆肥過程中的種子發芽指數的變化由圖8可知，在堆肥的初始階段，3種不同堆肥方式的發芽指數均很低，隨著發酵的進行，發芽指數升高。其中，發酵罐組發芽指數（GI）在第4天達到 82%（gtrsim80% ），堆肥物料基本沒有毒性且已經完全腐熟，完全可以滿足堆肥腐熟要求[13]，堆肥結束時發芽指數達到 100% ；菌劑組在第11天發芽指數（GI）達到73%（≥70%） ，比對照組提前4d達到堆肥腐熟要求，第15天堆肥結束時發芽指數 （GI）≥80% ，物料也已經基本沒有毒性且完全腐熟，符合標準[14]

圖8不同堆肥處理種子發芽指數變化

Fig.8Changes of seed germination index under different composting treatments

4結論與討論

該滾筒式好氧發酵罐可以按實際需要靈活設計出不同規格大小的罐體，該研究涉及到的罐體數據皆是以 35.0m³ 罐體容積為例。對于這種 35.0m³ 發酵罐而言，其容積填充率約為 71.4% ，長約 12.0m ，寬約 1.8m ，其不僅占地面積小，而且還可以連續流加式工作，既縮短了發酵時間，又減少了能耗。該發酵罐能夠使物料腐熟得十分徹底，且不存在任何死角，而傳統堆肥發酵會因局部的瞬時高溫，造成腐熟不徹底，出現“燒堆”現象，即團塊中心未腐熟，顏色較淺及陳化復臭的現象。從多種檢測指標結果還可以看出，該滾筒式好氧發酵罐在堆肥周期內運轉正常，物料腐熟升溫高且快，堆肥溫度維持在 50^qC 以上連續5d，符合《國家糞便無害化衛生標準》（GB7959—2012）中 55^°C 條件下維持3d殺滅糞便中有害蟲卵的要求，堆肥發酵結束時物料含水率 ?45% ，種子發芽指數（GI）達 100% ，堆肥后的物料符合有機肥料標準。雖然該設備可以有效地縮短堆肥發酵時間，由傳統的30～40d 縮短為5～7d，大大提高了堆肥效率，但是該設備還不足以滿足國內每年大量的有機廢棄物處理的需要。因此，在處理大量有機廢棄物時還需要兼具發酵設備快速高效和傳統發酵池處理量大的優點，聯合協作，實現有機廢棄物資源的充分再利用。

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