畜禽粪污堆肥技术装备发展现状与趋势

苏佳佳， 李凤鸣， 李 伟， 高晓宏， 郭 炜， 罗金海

（中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院有限公司，内蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

随着我国经济的迅速发展，畜禽养殖产业的规模也越来越大，且养殖业数量处于不断增多的状态，因此畜禽粪污的产生量也在陆续增加，各养殖业人员把畜禽粪污的处理逐渐当成工作中的重点，在规模化养殖业的现实运行中，采用科学合理的粪污处理方式对养殖场的运营起至关重要的作用[1-3]。根据农业农村部数据，到2020 年，我国的畜禽粪污资源化利用率达75%，规模化养殖场畜禽粪污处理装备配套率达93%[4-6]。畜禽粪污资源化综合利用方式归纳为3 大类：一是肥料化，农作物生长所需；二是饲料化，动物生长所需；三是能源化，生产生活所需。其中肥料化是畜禽粪污综合处理的主要方式，占粪污资源化综合利用方式的60%，而堆肥技术在畜禽粪污资源利用肥料化处理技术中占绝大部分[7-10]。禽畜的排泄物中含有许多有用物质，如矿物质和有机质，经堆肥发酵技术处理后，通过高温杀灭粪污中的有害物质，将其中的有机质分解成腐殖质。然后与一定量的复合微肥结合，可以制成复合有机肥。将制成的有机肥料用于农田作物中，可以促进农作物的生长。

针对发展机械式畜禽粪污的处理方式，众多学者纷纷研究了畜禽粪污的机械化处理技术装备。樊梅荣[11]对畜禽粪污资源化综合利用技术进行了研究，阐述了畜禽粪污资源化综合利用技术的模式、工艺流程及管理要点。赵明杰等[12]对畜禽粪污堆肥发酵技术及装备进行了研究，分析了不同堆肥技术装备的工作原理及特点。孙家英等[13]对畜禽养殖粪污资源化利用技术模式进行了探析，对比了粪污资源化利用的不同模式及特点。耿文广等[14]对小型快速发酵装置设计与应用效果进行研究，设计并开发了快速发酵处理装备。王欣宇等[15]对规模化牛场粪污处理方法进行研究，结果表明全面实施畜禽的健康养殖已成为现代畜禽养殖业发展的必然趋势。

畜禽养殖业的废弃物资源化利用产业中首先要实现的是畜禽粪污机械化处理，本文就畜禽粪污堆肥技术与装备的现状和发展趋势进行探讨。

1 粪污堆肥技术工艺

粪污堆肥技术是利用微生物，在人为控制的作用下，降解畜禽粪污中的有机质，使畜禽粪污无害化和腐殖化的发酵技术过程。畜禽粪污堆肥技术分为两种形式：一种是厌氧堆肥技术；另一种是好氧堆肥技术。划分依据是堆肥发酵技术过程中，是否需要氧气的作用[16]。不需要通风、不需要氧气作用的堆肥技术是厌氧堆肥发酵技术，其完全腐熟需要几个月才能完成，堆肥时间较长。而需要通气通风、需要氧气作用的堆肥技术则是好氧堆肥发酵技术，其温度比较高，通常在55～65 ℃，高时可达70 ℃，又称高温堆肥。堆肥技术工艺流程如图1 所示。

图1 堆肥技术工艺流程Fig. 1 Process flow of composting technology

畜禽粪污的肥料化技术处理与循环利用，能够为畜禽粪污的堆肥利用提供新方法和新途径，能够解决畜禽粪污及畜禽废弃物的还田利用机械化、减量化及无害化的难题。畜禽粪污循环利用工艺模式如图2 所示。

图2 畜禽粪污循环利用工艺模式Fig. 2 Livestock and poultry manure recycling process mode

2 粪污堆肥技术装备

随着机械化的不断发展，告别了传统的堆肥方式。现有畜禽粪污堆肥方式多种多样，随之配套的机械装备也形式多样。本文涉及的粪污堆肥技术装备主要指好氧堆肥技术装备。畜禽粪污堆肥技术包括原料预处理技术、好氧发酵技术和造粒成型技术等。在原料处理技术的过程中，通常采用固液分离技术、辅助料粉碎技术及原料含水率控制等技术，来提升堆肥技术的整体效果，而造粒成型技术能够将粉碎配料混合等技术工序紧密的结合，最终能够生成适用于农作物生产所需的有机肥料。

2.1 原料预处理装备

原料通过预处理后，能够满足好氧发酵技术的实际需求。原料预处理主要装备包括固液分离装备、辅助料粉碎装备及混合配比装备等。一种能将固体粪便从畜禽粪污中机械分离出来的机械装备称固液机械分离装备，其能够快速机械分离畜禽干清粪及畜禽水泡粪中的固体粪便，固液分离装备如图3 所示。目前最常用的固液机械分离装备主要包括筛分机械分离装备、过滤机械分离装备、离心机械分离装备及螺旋机械分离装备等类型。

图3 固液分离装备Fig. 3 Solid-liquid separation equipment

筛分分离机械装备是一种不容易堵塞且结构简单的分离装备，但其去除固体物质的效率是较低的。过滤分离机械装备是一种无噪声、无振动和能耗较低的分离装备，但其有较高的运行成本。离心分离机械装备分离固体物质快速、高效，但其能耗高，前期投资大。目前最广泛的是一种全新的螺旋分离机械装备。在固液分离前为使粪污中固态的含量减少，先将粪水搅拌充分。根据实际情况，在畜禽粪污原料预处理的时期结合多种工艺装备，既能降低固体的含水率，也能提高固液分离效果。

2.2 好氧发酵装备

在好氧发酵技术过程中，最常见的发酵技术包括条垛式发酵技术、槽式发酵技术和反应器发酵技术。

2.2.1 条垛式堆肥装备

条垛式堆肥技术也称原始堆肥技术，是将混合好的畜禽粪污排列成条垛的形式，占地面积较大，属于开放式的，需要机械装备周期性地进行翻拋，所以发酵周期长，但工艺简单且费用较低。条垛式堆肥技术的机械翻堆频率为每周3～5 次，粪污堆肥发酵需要40～60 d。条垛式堆肥如图4 所示。

图4 条垛式堆肥Fig. 4 Strip stack composting

条垛堆肥技术的场地大小取决于畜禽粪污的处理量，且应做防雨措施。条垛的尺寸规格通常是条垛宽2～4 m，条垛高1.0～1.5 m，条垛的长度尺寸不受局限。当条垛堆肥太大，翻堆时会散放大量的臭气；当条垛堆肥太小时，快速散热的堆肥，使其保温性较差。对于规模大、粪污量多的堆肥，则需要多行进行条垛堆肥，才能满足要求。畜禽粪污条垛堆肥需要定期进行翻堆，通常分为人工翻堆和机械装备翻堆两种形式，但机械翻堆效率较高。条垛堆肥中微生物耗氧量的多少决定了条垛堆肥技术的翻堆次数，另外还受其他因素的影响，如粪污堆肥的腐熟程度，使用翻堆机械装备的种类，条垛占地空间大小，以及经济条件等。条垛堆肥技术在粪污堆肥起始阶段的翻堆频率要比后期高，一般2～3 d 进行一次粪污翻堆，当条垛堆肥达到70℃的高温时，翻堆的次数则要增加。条垛堆肥翻堆机形式多样，如图5、图6 和图7 所示。

图5 自走式条垛堆肥翻堆机Fig. 5 Self-propelled sliver compost turner

图6 自走式整体连片堆肥翻堆机Fig. 6 Self-propelled integral continuous compost turner

图7 牵引式条垛堆肥翻堆机Fig. 7 Trailed sliver compost turner

2.2.2 槽式堆肥装备

槽式堆肥技术是在槽内进行粪污堆肥的技术，这种槽一般又长又窄。在槽壁上方轨道上安装对粪污堆肥起翻搅作用的翻拋机，其定期对槽内堆肥进行翻抛，来增加堆肥的通透性。在槽的底部安装对粪污堆肥提供通风曝气的管路通道，满足槽内堆肥氧气的需求。因此，槽式堆肥技术装备是在槽底管道提供氧气的条件下，通过槽上翻抛机定期翻抛的作用来实现槽内堆肥发酵的技术装备。智能槽式粪污处理装备如图8 所示。

图8 智能槽式粪污处理装备Fig. 8 Intelligent trough manure treatment equipment

畜禽粪污处理量的多少和粪污堆肥使用的物料翻抛机的样式决定了粪污堆肥槽的大小。粪污堆肥翻拋机的作用是对堆肥进行翻抛搅拌，使槽内上下堆肥均匀混合，同时拋碎和疏松堆肥，来增加氧气的供应量，从而保证畜禽粪污堆肥槽内堆肥发酵均匀，这样发酵出的堆肥均匀性好。粪污堆肥发酵槽内的氧气来源于槽底铺设的通风管路技术系统，能保证槽内堆肥的氧气需求量。畜禽粪污一般在进入堆肥槽后1～2 d 可达到45 ℃。槽内堆肥发酵周期通常为30～40 d。槽式堆肥宽幅链板翻抛机如图9 所示。一种是从粪污堆肥发酵槽的进料端口进料，然后通过粪污翻抛机的作用将粪污堆肥翻抛到出料端口，同样再在进料端口进料，再通过翻抛机的作用将物料翻到出料端口，当堆肥发酵周期结束时，物料从出料端排出，这样一批一批的进料、翻抛、移动，称为批次进料和出料的方式，翻抛起供氧、粉碎及搅拌的作用。另一种是槽内一开始就堆满物料，当堆肥发酵的周期结束时，一次全部排出物料的形式，这种称为整体进料和出料的方式。

图9 槽式堆肥宽幅链板翻抛机Fig. 9 Trough type composting wide chain plate turning and throwing machine

2.2.3 反应器堆肥装备

反应器堆肥技术是密闭的、一体的好氧堆肥发酵技术，具有进料、出料、曝气、搅拌及除臭的功能。反应器的形式多种多样，有塔式反应器、筒仓式反应器、隧道窑式反应器及搅动箱式反应器等。目前，自动化粪污堆肥技术装备通用的主要包括生物发酵塔技术装备、发酵仓技术装备及高温好氧发酵罐技术装备等。生物发酵塔是由多个发酵仓组合，能实现自动调剂、稳定传送、连续排出，全自动化控制生产物料，并自动供氧、调温、除湿，利用好氧生物菌产生的生物能对养殖场的粪尿等有机废弃物实现零污染、零排放的无害化处理。塔式堆肥装备如图10 所示。发酵仓堆肥是将堆料混合物放置于简单箱式结构中进行发酵的堆肥方法。仓式堆肥通常使用强制通风，其通风系统组成与静态通气堆肥相同。堆肥在封闭的容器内进行，没有臭气污染；能很好控制堆肥发酵过程，堆肥发酵仓可自由运输，有利于分散粪便的集中处理。发酵仓堆肥密闭反应器是从筒仓顶部加入物料，然后通过高压涡轮风机的供氧作用，从筒仓底部排出物料的堆肥技术装备。通常筒仓高度为4～6 m，堆肥发酵周期一般为7～12 d。筒仓式堆肥装备如图11 所示。

图10 塔式堆肥装备Fig. 10 Tower composting equipment

图11 筒仓式堆肥装备Fig. 11 Silo composting equipment

高温好氧发酵罐是一种新型的发酵装备，采用的是一种高压高氧高热发酵技术，它可以对动物粪便进行高温加热，达到动物粪便发酵所需的高温条件，同时，克服了普通粪便发酵技术的生物菌和氧气不足使动物粪便发酵不彻底。通过高温高氧发酵使生物菌得到活化，从而使动物粪便彻底发酵成生物菌型有机肥的目的。处理过程耗能少，运行成本低；充分利用空间，占地小；自动化程度高，采用PLC 与上位机结合，实现远程控制；处理过程全封闭，不产生二次污染。

中小型畜禽养殖场的粪污处理一般会用到密闭式反应器堆肥技术装备，这种装备适用于畜禽粪污的就地堆肥处理。其具有占地面积较小，发酵周期较短，且节能保温效果比较好的优点，而且密闭性好，臭气控制容易，自动化程度较高。

2.3 造粒成型装备

农作物有机肥料的最后一道生产工序是造粒成型，造粒成型之后的颗粒肥料能够提升自身的商品化，增强颗粒肥料的缓释效果，使其在储存和运输中不易分解。目前在市场上，挤压造粒技术装备和团聚造粒技术装备是两种最常见的造粒成型技术装备。

挤压造粒成型技术是运用滚挤压的一种方法，首先将进入机器料斗的物料通过机械式挤压成型之后，再脱模造球，然后传输到机器破碎筛，再将新物料和返回物料重新混合之后再造粒。挤压造粒成型技术装备具有两个优势：高效和平滑。挤压造粒机如图12 所示。

图12 挤压造粒机Fig. 12 Extrusion granulator

团聚造粒成型技术装备有两种机型，一种是圆盘式造粒机，另一种是转辊式造粒机。圆盘造粒机应用范围广，已相当成熟。物料从雾化喷嘴进入采用圆弧结构制造的造粒盘，在圆盘的快速旋转下，湿润的物料迅速凝结成型，最终形成颗粒状。圆盘造粒机如图13 所示。

图13 圆盘造粒机Fig. 13 Disc granulator

转辊式造粒机是将经过同体旋转运动的已成型物料，在特定的湿度和温度要求的控制下，凝结聚集形成球状物料，最终形成制作球状物料技术工序，其内部结构是比较特殊的。造粒结束后的颗粒状物料需要一道工序，即干燥与冷却，所以需要在造粒成型技术装备中配置适用的干燥和冷却模块，这样的处理方式不仅可以对造粒工艺流程进行优化，也可以节省技术装备成本。转辊造粒机如图14 所示。

图14 转辊造粒机Fig. 14 Rotary roller granulator

3 发展趋势

畜禽粪污堆肥技术装备的发展能够解决畜禽养殖行业粪污处理难及废弃粪污污染的问题，能够加快畜禽养殖业的发展，是畜禽养殖行业粪污污染防治经济有效的方式。畜禽粪污的资源化还田利用，能够促进畜禽养殖业的污染防治从注重达标排放向注重全量利用的转变加快，有力地促进了畜牧行业生产制造与生态环境保护建设的协调发展。

随着畜禽粪污处理技术的日益需求，畜禽粪污堆肥技术装备将形式多样，适合不同场所需求。通过文中畜禽粪污堆肥技术装备现状的介绍，可以得出畜禽粪污堆肥机械化水平将改造升级：机械装备大型化，适用于中大型规模养殖场的粪污处理；自动化程度高，能够远程控制和故障监测；机械装备的生产率进一步提高，可靠性更高；粪污处理无二次污染，促进生态循环。因此，畜禽粪污堆肥技术装备将向大型化、智能化和信息化的趋势发展。

4 结束语

论述了畜禽粪污堆肥技术工艺及堆肥技术装备，分析了畜禽粪污堆肥技术装备的发展趋势，得出在推进畜禽粪污堆肥技术装备发展的同时，要遵循自然生态的发展理念，结合种养机制，按照种养平衡适度开发协调发展，确保畜禽粪污堆肥技术装备的合理开发利用，为畜禽粪污堆肥技术装备的创新设计制造及推广应用提供理论依据。运用机械装备使畜禽粪污废物转化，变废为宝，做到畜禽养殖业废弃物资源化合理利用，创建健康绿色且环保高效的畜禽养殖产业，能够受益于种植业和养殖业双重产业，可以促进农业的可持续发展，且有利于生态稳定循环发展。