牛粪与玉米秸秆搅拌专用设备试验分析

张媛媛,公衍峰,张晓伟,刘伟光

(黑龙江省农业机械工程科学研究院 绥化分院，黑龙江 绥化152000)

0 引言

我国作为农业大国，如何有效处理作物收获后的秸秆和养殖业产生的禽畜粪便，是农业生产中亟待解决的问题。传统处理牛粪的方式有填埋、直接还田、厌氧发酵、自然堆肥和加工生产有机肥等方式，其中又以自然堆肥和加工生产有机肥使用较多。牛粪自然堆肥虽然较为方便，成本较低，但其发酵时间较长，发酵品质及效果受天气影响较大，同时开放的处理方式对周边环境存在一定的负面影响[1]。但由于新鲜牛粪含水率较高,内部孔隙度小,通气性差,使得新鲜牛粪堆肥过程中堆体温度上升较慢,堆肥效率低,并且易产生厌氧反应,从而降低了牛粪的利用效率。秸秆作为一种富含丰富有机质的干介质,不仅可以对新鲜牛粪进行水分调节,还能有效调节堆肥物料的C/N,并且经粉碎后的秸秆又可以作为结构调理剂,能够有效增加堆肥物料的粒度,提高堆体孔隙度,增大物料与空气(氧气)接触面积,以保证在堆肥过程中有足够的氧[2]。因此，利用牛粪与玉米秸秆生物质资源制成有机肥，既解决了农业废弃物对环境的污染问题，生产出的生物有机肥又能增加土壤有机质的含量，减少化肥的施用。牛粪与玉米秸秆生物质资源肥料化，是使用牛粪与玉米秸秆搅拌专用设备，将牛粪与玉米秸秆混合并加入发酵菌剂，利用微生物的新陈代谢，将木质素、纤维素等大分子物质分解转化为易于被农作物吸收利用的小分子有机物。在牛粪与玉米秸秆混合发酵制造有机肥的过程中，由于牛粪和玉米秸秆混合发酵时，两种原料的密度、黏度等性质的差异，机械搅拌是打破这种分层现象有效可行的方法，从而提高牛粪与玉米秸秆混合物的发酵反应性能。

利用牛粪与玉米秸秆发酵制成生物质有机肥的两种物料，即玉米秸秆和牛粪，在容重、含水率、流动性等特性均存在较大差异。经过粉碎处理的玉米秸秆，主要成分为纤维素、中纤维素及木质素，长度为1～3 cm的颗粒状；牛粪中含有大量的有机质、粗蛋白和未消化的粗纤维，含水量大，呈黏稠状。这两种物料因特性，在搅拌过程中，极易出现卡料或者黏结成块的现象，常见的自落式搅拌机或连续强制式搅拌机不能满足搅拌工作要求，因此需要专用的牛粪与玉米秸秆搅拌设备对牛粪与玉米秸秆进行搅拌混合，不同的喂料量和混合时间的长短，对牛粪与玉米秸秆搅拌专用设备的生产率、混合功耗、混合质量以及后续的发酵均有影响。本文设计单因素试验，对牛粪与玉米秸秆搅拌专用设备的生产参数进行试验分析，从中找出最经济合理的参数组合，为牛粪与玉米秸秆搅拌专用设备的生产使用和推广提供理论基础。

1 牛粪与玉米秸秆搅拌专用设备工作过程分析

牛粪与玉米秸秆搅拌专用设备主要由电机、减速器、联轴器、混合室、出料门、进料斗、螺旋搅龙、梅花刀片等组成，在搅拌的过程中物料运动情况主要分为对流运动、扩散运动和剪切运动三种。工作时，牛粪与玉米秸秆两种物料按照配比送入到搅拌设备。物料在搅龙螺旋叶片作用下作圆周翻滚运动，同时由进料斗向出料门方向做水平运动。随着搅龙的不断旋转，物料在螺旋叶片的推送作用下到达出料门附近，待物料堆积到一定高度时，装有相反方向螺旋叶片的顶部搅龙将物料由出料门向进料斗方向拨送，往复混合搅拌，物料在搅拌室内不断翻滚、对流，最终牛粪与玉米秸秆两种物料在外力的作用下发生相互渗透和碰撞，达到均匀状态。

另外，在梅花刀片的剪切作用和螺旋叶片边缘与混合室间的揉搓作用下，物料中玉米秸秆的粗纤维进一步破碎，有利于生物菌的腐解。

2 生产试验

2.1 试验设备和试验材料

2.1.1 测试仪器设备

1)SartoriusBS223S型电子天平(精确度±0.000 1 g)；2)变频调速控制器；3)DT-2234B型转速表；4)DT862-4型三相四线有功电能表；5)游标卡尺；6)秒表；7)标准筛；8)台秤(±50 g)。

2.1.2 试验材料

以绥化市北林区新华乡的玉米秸秆为试验材料，含水量为15%左右，对秸秆进行细碎处理，秸秆段长度为1～3 cm；牛粪取自绥化市北林区养殖场奶牛粪便，无砂石杂质，含水量为65%左右。综合分析混合物料的特性，参考相关文献，牛粪与玉米秸秆按照体积比4∶6的比例进行混合。试验样机为黑龙江省农业机械工程科学研究院绥化分院自主研制的牛粪与玉米秸秆搅拌专用设备，测试喂料量、搅拌时间对混合均匀度的影响，找出最合理的参数组合。

2.2 试验方法

2.2.1 试验因素及测定方法

物料混合的均匀一致性即混合均匀度，是衡量牛粪与玉米秸秆搅拌专用设备性能好坏的一项重要指标。混合均匀度根据试验样机的设计，以喂料量和混合时间为试验因素，混合均匀度为评价指标，选用示踪物法对评价指标进行测定。

2.2.2 试验方案

1)采用单因素正交试验。在一个试验因素取定值的前提下，测定另一试验因素对评价指标的影响，将试验结果进行统计，绘制曲线，进一步分析试验因素对评价指标的影响，最终找出合理的生产参数组合。

2)标示物的制备与添加。标示物选定经清选的籽粒饱满且无缺损的绿豆。按混合室装载量的 1/80 加入标示物，用容重器测定标示物的容重。

3)采取样本。在卸料过程中全程采样，随机采取 10 份样本，装入样品袋，进行测定。

2.3 试验数据

2.3.1 喂料量对混合均匀度的影响

喂料量是牛粪与玉米秸秆搅拌专用设备能否达到理想混合均匀度的前提条件。合理的喂料量才能保证搅拌设备的正常工作，并使混合后的物料满足发酵要求。

设定搅拌时间为10 min，根据生产实践，初步选定喂入量为搅拌室容量的40%～80%之间。初始喂入量40%，每次增加10%，测定混合均匀度，并记录到表1中。

表1 不同喂入量时混合均匀度测定表

2.3.2 混合时间对混合均匀度的影响

混合时间是评定混合均匀度的重要参数，也是牛粪与玉米秸秆搅拌专用设备使用和改进的重要依据之一。混合时间过短，物料在搅拌室内没有得到充分混合就被卸出，影响混合均匀度；混合时间过长，由于物料的形状、大小以及比重的差异，长时间的过度混合会出现物料再分离，同样影响混合均匀度，且过长的混合时间也会造成能源的浪费。因此混合时间作为一项重要的参数，通过试验来测定它对混合均匀度的影响。

根据表1数据，可以初步看出，喂料量为60%时，混合均匀度效果最佳，在这个喂料量下，混合时间从5 min开始，每次增加1 min，测定混合均匀度，并记录到表2中。

表2 不同混合时间混合均匀度测定表

2.4 试验结果分析

2.4.1 喂料量对混合均匀度的影响

喂料量是指一次投入到搅拌室物料的总量，过多或过少，都会影响混合质量：投入物料过多，影响物料在搅拌仓内的运动，物料混合不均匀，混合质量下降，同时，过多的物料会增加电机的负荷，严重过载会导致电机烧毁；喂料过少，不能充分发挥搅拌机的效率，产能过低。因此合理的喂料量是决定混合质量的重要参数。根据生产试验，初步选定喂入量为搅拌室容量的40%～80%之间。

由图1可知，随着喂料量的增加，混合均匀度逐渐增加，当喂入量为搅拌室容量的60%，混合均匀度最好，随着喂入量的继续增加，混合均匀度开始逐渐下降。

图1 喂料量对混合均匀度的影响

2.4.2 搅拌时间对混合均匀度的影响

通过生产实践总结，物料的混合均匀度随着搅拌时间的增加而增大，当到达搅拌混合的平衡状态以后，物料的混合均匀度随时间的增加在某一值上下浮动，物料不再因搅拌时间的增加而变得更均匀，此时，延长搅拌时间无疑是增加功耗和生产成本，因此，物料在达到动态平衡后，就应该启动卸料作业，初步选定搅拌时间在 5～10 min。

由图2可知，喂料量为搅拌室容量的60%，随着混合时间的增加混合均匀度逐渐增加，当混合时间达到8 min，再增加混合时间，混合均匀度增加不明显，此时再继续搅拌，增加了能量消耗，浪费能源。

图2 搅拌时间对混合均匀度的影响

3 结论

以喂入量、混合时间为试验因素，通过单因素试验，对牛粪与玉米秸秆搅专用设备的混合均匀度进行了试验研究和理论分析，获得了如下结论：

1)通过单因素试验，分别获得了喂入量、混合时间对混合均匀度的影响规律。

2)在生产试验的基础上，对牛粪与玉米秸秆搅拌专用设备的工作参数进行了优选，并对优化结果进行了重复试验验证。优化的结果为喂料量为60%，混合时间为8 min。

3)通过试验研究和分析，获得牛粪与玉米秸秆搅拌专用设备主要工作参数的最佳值以及各参数之间的最佳匹配关系，为实际生产和后续的设备改进提供基础。

4)分析目前国内发展形势, 牛粪与玉米秸秆有机肥规模化、产业化发展的时机已经成熟，腐熟后的有机肥可以根据需要进一步加工成颗粒状有机肥和粉状有机肥产品, 或者加入化肥制成复混肥产品, 实现商品化生产，变废为宝。牛粪与玉米秸秆搅拌专用设备的推广及使用，能有效加快牛粪与玉米秸秆有机肥的机械化进程，降低有机肥生产成本，应用前景十分广阔。