堆肥膜与异位发酵床结合的一体化发酵处理系统

2022-01-10韦建吉魏子凯曾庆东凌庆成郑文汉黄珊珊

现代农业装备 2021年6期

韦建吉，魏子凯，曾庆东，凌庆成，郑文汉，黄珊珊

（1.广东省现代农业装备研究所，广东广州 510630；2.广东弘科农业机械研究开发有限公司，广东广州 510555）

0 引言

近年来，随着国家颁布实行《畜禽规模养殖场污染防治条例》和《水污染防治行动计划》等法规条例，养殖场等面临的环保压力越来越大，但国家和地方也颁布了对畜禽养殖绿色发展的支持政策，《国务院办公厅关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》（国办发〔2017〕48 号）指出：以前的环境影响评价主要从污染治理、而不是资源化利用角度开展，其要求参考的是工业污染治理方式，致使很多养殖场依据环境影响评价报告采用工业化的污水处理办法，不仅效果差、费用高，使原本是资源的粪水成了污染物[1]；《广东省畜禽养殖粪污处理与资源化利用技术指南（试行）》（粤农农〔2018〕91 号）提出“畜禽粪污应经无害化处理后进行资源化利用；国务院办公厅《关于促进畜牧业高质量发展的意见》（国办发〔2020〕31 号）第五点提出持续推动畜牧业绿色循环发展，大力推进畜禽养殖废弃物资源化利用，并推行了系列畜禽粪污资源化利用整县推进项目和绿色种养循环农业试点项目。在此背景下，针对如何解决养殖场环保压力并完成效益转换这一问题，堆肥成为很多养殖企业的首选解决方案。因此，异位发酵床和覆膜式好氧堆肥是近来兴起的粪污处理资源化方式[2-3]。

异位发酵床又称舍外发酵床，一般由集污池，运输管道，发酵床，翻堆机4 部分组成[4-5]。首先由集污池将养殖场粪污收纳缓冲后通过运输管道输送到发酵床，发酵床一般由1.0～1.5m 高的谷壳和木糠组成，定期喷洒菌种并通过配套的翻堆机作业并实现曝气、搅拌功能，实现养殖场粪污的消纳与资源化处理。异位发酵床在粪污处理发酵过程中翻拌均匀但存在发酵温度较低，臭气外溢较多，发酵区全密封臭气处置成本高等问题。

覆膜式好氧堆肥系统主要包括堆肥膜、鼓风系统、智能控制系统3 个部分[2]。堆肥膜是一种采用了“三合一”结构的半透膜，膜的外表面采用疏水涤纶，中间是聚四氟乙烯材料，内表面采用亲水涤纶，整个结构具有防止堆肥粉尘扩散，减免臭气外溢，减少堆肥氮损失等优点。通过曝气系统和智能控制系统协调促进和控制整个堆肥进程，但对发酵原料的间隙率和均匀度要求较高且容易出现堆体表层与内部发酵不均匀等问题。

本文结合上述2 个系统的优点，设计了一体化发酵处理系统。

1 一体化发酵处理系统简介

1.1 系统总体介绍

一体化发酵处理系统简单来讲就是将发酵车间厂房做成密闭体系，而堆肥膜内部做成另外的密闭体系，外部空间与堆肥膜内产生1 个夹层，由车间厂房和堆肥膜构成。堆肥膜内是原先的异位发酵床，由翻堆机对堆体进行翻堆、搅拌；调整了鼓风系统的进风来源加上堆肥膜的存在减少了尾气处理系统的处理风量和处理浓度，降低了尾气处理系统的处理压力和运营成本。该处理系统结构如图1 所示，堆肥膜内部实景如图2 所示。

图1 一体化发酵车间剖面示意图

图2 堆肥膜内部实景图

1.2 系统构建

一体化发酵处理系统的关键技术在于创新地将近来兴起的覆膜式好氧堆肥系统与异位发酵床结合并改进，进行工艺的精细化调整，其主要构建了回流鼓风—引风—尾气处理系统（气流系统）、水汽收纳系统、翻堆发酵系统等3 个模块系统。

1.2.1 回流鼓风—引风—尾气处理系统（气流系统）

回流鼓风—引风—尾气处理系统由鼓风机、堆肥膜、引风机、尾气处理装置等组成。堆肥中鼓风有补充好氧发酵所需氧气、带走堆体水汽、控制堆体发酵温度3 个作用。将鼓风机进风口设置新风管和回风管，分为2 个气流来源，新风管是连接车间外部的新鲜空气，回风管是车间内部的气体回流到鼓风机。补充好氧发酵所需氧气由车间外部的新鲜空气提供，控制这部分气流的流量有助于降低整个系统排出的气体处理流量；带走堆体水汽和控制堆体发酵温度的气体流量主要由回流气体提供。以上2个来源的气流通过鼓风管槽在发酵堆体底部进行鼓风，将气体均匀输送到堆体各个位置。堆肥膜在该处发挥降低夹层空间臭气浓度的作用。引风机则是将厂房与堆肥膜间夹层的堆肥气体输送到尾气处理装置，由尾气处理装置对经堆肥膜过滤的气体进一步处理排放，该气体处理量与鼓风机鼓进的外源新鲜空气流量相同。

1.2.2 水汽收纳系统

水汽收纳系统主要收集3 部分来源的水汽：①发酵物料过湿带来的水，由堆体进料端前部的水渠及鼓风管的管路实现收集，进入污水储存池；②发酵产生热腾腾的水蒸气在堆肥膜内侧滴落的部分水，由卡槽收集经过U 型存水弯自动外排到车间夹层，车间夹层底部水渠收集进入污水储存池；③水蒸气透过堆肥膜在夹层冷凝回落的水，由车间夹层底部水渠收集进入污水储存池。通过这3 部分和尾气处理系统出口端外排水汽，有效降低了发酵过程堆体的含水率。

1.2.3 翻堆发酵系统

翻堆发酵系统主要由发酵槽、滚轮式翻堆机等构成。滚轮式翻堆机适用于堆肥生产的好氧发酵工艺，它采用高速旋转的切削翻抛滚轮对发酵堆垛进行无死角的切削、抛掷作业并实现物料与空气的充分接触以及物料与物料之间的均匀搅拌。

滚轮式翻堆机的翻堆头采用两边悬挂式滚轮结构，可实现无死角翻堆；动力直联翻堆滚轮结构紧凑且效率高；翻堆头升降装置可任意位置调节，翻堆时可根据堆肥的阻力情况来确定是逐段翻挖还是一次翻挖，使设备有更强的适应性和灵活性。小车、大车行走装置安装变频调节功能，设备能根据翻堆工艺要求及物料情况灵活调整。

滚轮翻堆头在翻堆过程中按“之”字形路线行走，整槽翻完后再升起到另一端，开始下一循环，空程时间少，效率高。在物料的翻堆过程中实现了物料的移动、搬运，减少了人工操作环节。其实物如图3 所示。

图3 滚轮式翻堆机

2 系统优势功能分析

一体化发酵处理系统结合了覆膜式堆肥系统和异位发酵床的优势，与现有常规堆肥方式比较，主要有以下几个特点。

2.1 臭气处理彻底、处置成本较低

一体化发酵处理系统臭气处理方式采取堆肥膜+回流鼓风+常规除臭。常规除臭中喷淋+生物除臭+活性炭/UV 光解等生物法与物化法相结合的组合技术路线被认为较为稳定，也能实现彻底处理臭气。传统的生物法除臭要求停留时间达到一定程度才能实现有效除臭，这造成处理量越大，投资成本、占地和能耗越大[6-8]，环保要求严格的还要增力活性炭/UV 光解等作为生物除臭系统的补充，导致能耗高。

一体化发酵处理系统的堆肥膜能降低臭气排放浓度[9-12]，降低了后续处理物化系统中耗材损耗的成本。风机设置回流一方面部分发酵气体通过车间内天然的堆肥堆体进行生物过滤[13]，堆肥等适宜的生物填料可以对氨气、硫化氢等臭气进行吸附和生物降解[14]；另一方面鼓风机设置回流不降低堆体曝气总风量，既能达到堆肥过程中水分散发，控制温度的作用，也能降低系统所需新风进而降低后续处理的电耗成本[15]。总体而言，一体化发酵车间的工艺设置降低了堆肥过程中臭气的处理成本。

2.2 堆肥过程保氮、堆肥产品高效

传统的堆肥保氮主要有2 种方式：①改变堆肥的配方，添加铁盐、钙盐、镁盐等[16-18]作为调理剂，某些调理剂能改变堆体pH，使得氨在堆体中溶解性变强，从而保氮；某些调理剂能与堆肥原料中的铵态氮产生反应，使得氮能保留在堆肥中；②覆膜式好氧堆肥系统中堆肥膜起作用，水蒸气在堆肥膜内侧的亲水层结构形成冷凝液，冷凝液回流使得铵态氮与堆体有更充分的接触反应时间，不至于受热快速逸散。

一体化发酵处理系统的保氮功能是由其气流系统和水汽收纳系统提供，气流系统的回流鼓风使部分氨气在经过堆肥堆体时被进一步吸收和转换；水汽收纳系统中，保氮原理和覆膜式好氧堆肥系统一致，是膜内侧部分氨气与水蒸气结合的冷凝液与堆体进一步反应转化起的作用。研究表明，覆膜与不覆膜相比，冷凝液中部分铵态氮转化成了硝态氮，提高了堆肥产品的肥效[9]。一体化发酵车间的保氮性能相比传统的改变堆肥配方保氮，减少了添加调理剂带来的成本；其增加的回流方式也不会造成运营成本的增加，再加上堆肥膜的作用，能在堆肥过程保氮，带来高效堆肥产品。

2.3 机械化程度高，物料发酵彻底

杨丽楠等[11]在试验中发现，堆肥膜这种膜材料具有类似半透膜的特性，可以阻挡臭气，改善发酵环境，但由于缺少翻堆过程，存在类似静态堆肥的发酵不均匀现象，覆膜式堆肥的堆体表层和内部发酵也不均匀。

与覆膜式好氧堆肥系统相比，一体化发酵处理系统中滚轮式翻堆机的“之”行走翻堆方式加上高速旋转的切削翻抛滚轮对发酵堆垛进行无死角的切削、抛掷作业并实现物料与空气的充分接触，物料与物料之间的均匀搅拌，可实现物料的均匀发酵。一体化发酵车间的滚轮式翻堆机也满足有机肥厂的建设规划工艺设备选用[19]，其具有的搅拌和打碎功能，可避免对原料进行处理造成的堆放和转运，机械化程度高。