鸡粪堆肥系统设计原则

2022-07-07赵明杰郭宪峰张雪立曹哲统

农业工程 2022年4期

梁浩，赵明杰，闫飞，李辉，郭宪峰，张雪立，曹哲统

（1. 中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083； 2. 中机华丰（北京）科技有限公司，北京 100083）

0 引言

随着畜禽养殖向规模化和集约化的发展，特别是蛋鸡和肉鸡养殖行业的单场养殖规模越来越大，个别已经达到300 万存栏规模或更大，每天产生300 t 以上的鸡粪，鸡粪及时有效处理对养殖场的可持续健康发展显得越来越重要。鸡粪好氧堆肥是鸡粪实现资源化利用和商品化销售的一个重要途径，堆肥系统的设计及设备配置关乎产品品质。目前，针对堆肥的理论研究，如碳氮比、微生物菌剂、曝气、通风、臭气去除、自动控制等越来越深入，也积累了一些数据，但大多局限于研究系统的某一个点或者某一方面，和实际工程项目实施还有差异[1]。如何系统地研究鸡粪堆肥，特别是适用于工厂化的规模堆肥，综合考虑各个要素设计一套堆肥系统，生产出满足商品有机肥料标准的产品，是亟待解决和完善的一个难题[2]。

1 鸡粪堆肥系统

工厂化的鸡粪堆肥系统应包括混合布料系统、太阳能智能好氧系统、曝气系统、太阳能集热系统、生物洗涤过滤除臭系统、出料系统、腐熟稳定系统和控制系统等，如图1 所示[3]。堆肥系统在全密闭的封闭车间进行，车间内建设堆肥发酵槽，发酵槽长度、宽度和深度根据处理规模来建造。每个发酵槽上设有1 台翻抛机，利用翻抛机向前移动和翻抛物料，实现翻抛、物料移动、走水功能。在发酵槽底部，安装有曝气系统，对物料在发酵过程中提供充足的氧气。经过一定时间的发酵之后，发酵好的粉状堆肥成品的含水率35%～40%，通过出料系统运送到腐熟稳定系统进行存放和进一步稳定。堆肥系统发酵车间外侧配有生物洗涤过滤除臭系统，发酵车间内含有气味的湿气经轴流风机收集后进入管道，送入洗涤过滤装置进行处理后有组织排放。另外，堆肥系统的车间尽量选用防腐透光材质，配置太阳能集热系统，充分利用太阳能，给堆肥微生物创造适宜的环境，实现生物能、机械能、太阳能“三能并用”。

图1 智能好氧堆肥系统Fig. 1 Intelligent aerobic composting system

2 发酵周期设计

发酵周期是影响鸡粪堆肥产品品质的关键参数[4]。大规模工厂化堆肥通常采用连续性发酵工艺，调整好碳氮比的鸡粪混合物进入发酵槽后，槽内物料每天翻抛平移1 次，每次平移的距离和发酵周期决定了发酵车间的长度。据EPA 制定的相关标准，堆肥温度在55 ℃条件下保持3 d 以上，或50 ℃以上保持5～7 d 是杀灭堆料中所含病微生物、保持堆肥卫生指标合格和腐熟的重要条件[5]。但通过7 d 左右的发酵周期仅仅满足这些指标还是不够的，发酵周期过短会导致产品腐熟度、水分等指标不合适，需要二次发酵；发酵周期过长会导致发酵车间长度较长，增加运行成本和车间建设成本。在设计发酵周期时，也要考虑选用复合发酵菌剂来获得好的产品的同时缩短发酵周期。刘克峰等[6]分别应用不同微生物菌剂对猪粪堆肥进行了研究，认为添加快速发酵菌剂，能加速堆肥腐熟，缩短发酵时间，有利于堆肥的保氮除臭。许爱霞等[7]研究了发酵菌剂对鸡粪堆肥发酵的影响，结果表明，接种微生物菌剂可以明显提高堆肥初期的发酵温度，加快堆肥物料的水分挥发，促进堆肥快速腐熟，发酵20 d 后，堆肥物料发酵指数均达到88%以上。笔者结合大量实际工程案例经验，认为要综合考虑投资和产品标准，特别要重视水分指标，发酵周期不应过短，应在3～4 周为宜。

3 发酵车间设计

堆肥系统发酵车间是堆肥好氧发酵的场所，湿度大、腐蚀性强，发酵车间设计原则是既能满足生产需要，又要能充分利用太阳能，选材还要尽量耐酸碱腐蚀。同时，发酵车间恶臭湿气产生量大，设计尽量紧凑，减少不必要的宽度和高度空间，避免气味无序逸散。在这些设计要求和原则下，一种太阳能好氧发酵车间应运而生，如图2 所示。太阳能发酵车间采用特殊的多尖顶钢构设计，确保发酵室内气体、水蒸气无阻碍流动，有效减少臭气逸散空间；特殊的设计角度，发酵室内水蒸气遇到采光板不易凝结，凝结后不易滴落，保障物料中已经散失的水分不会回潮；特殊的设计角度，发酵室采光板的外部具备自清功能，在长期的使用中，保障充足的透光率，充分利用太阳能配备环境调节系统，特别是设置在发酵室屋顶外部的太阳能穿孔集热装置迅速提升刚入发酵槽的物料温度，使整个发酵室内温度处于最佳发酵温度。另外，特殊防腐处理的钢构加上特殊的吊挂设计，整个太阳能发酵室使用寿命长，运营成本低。太阳能发酵室设计了适配专用覆盖系统，顶部采用高透光耐酸碱腐蚀板材，四周立面可采用玻璃等材质提高通透性。发酵车间室内顶部可设置冷凝水收集系统，冷凝水汇入收集槽内，经管路收集后及时排出室内，避免进入槽内堆体。

图2 太阳能好氧发酵车间Fig. 2 Solar aerobic fermentation workshop

4 翻抛设备设计

堆肥系统翻抛设备为沿发酵槽往复运动，对槽内堆体进行翻抛移动的一种关键设备。翻抛设备可以把槽内堆体整体后移一定距离，重新建堆增加堆体孔隙度，同时和空气进行接触，实现水分散失和供氧[8]。欧美国家在农业固体废弃物堆肥生产方面研究较早，堆肥的生产工艺技术和翻抛设备已较为成熟，已研制出多种翻抛机，以德国和美国为代表的条垛式翻抛设备在20世纪中期已经出现[9]。国内翻抛设备起步较晚，但是种类较多，主要有自走式的轮式和履带式翻抛机、槽式的转子式和链板式翻抛机，如图3 所示。翻抛设备国内外应用场景差异较大，国外是种养结合，基本是露天堆肥作业，生产周期较长，最终直接抛撒还田；国内主要是工厂化堆肥生产，生产环节相对精细，环保要求较高，最终作为商品有机肥进行销售。大规模工厂化堆肥正向着专业化、自动化、高效化、清洁化方向发展。槽式翻抛设备更适合于自动化规模堆肥，未来具有更广阔的发展空间。槽式翻抛设备目前主流产品是链板输送式和轮盘转子式，主要特点如表1 所示，用户根据原料及处理规模进行选择。

图3 翻抛设备发展历史Fig. 3 Development history of composting equipment

表1 槽式翻抛设备特点Tab. 1 Characteristics of composting equipment

5 曝气系统设计

曝气系统是利用风机和管路系统，对发酵槽内堆体进行周期性强制供氧的系统。在堆肥系统设计过程中，曝气系统设计非常关键，稳定的空气不仅能够为堆体中有机物好氧降解提供足够的氧气，同时也为微生物充分发挥活性提供适宜的温度。发酵槽内堆体沿长度方向分为升温阶段、高温阶段、降温阶段，在不同阶段，堆体的透气性差异较大，同时，随着发酵的进行，堆体由于分解作用高度逐渐降低，因此对于曝气系统的设计是沿槽渐变的。王涛[10]对污泥堆肥工程曝气系统进行了设计及选型比较，对风机形式、分量、风压等关键参数进行了对比，推荐采用分散供气作为系统形式，也推荐了气源设备。但是曝气系统的设计要根据堆体在槽中的不同位置进行分区精准设计，随着堆料高度的变化，不同区域对需氧量的要求差异较大，而且堆体高度和水分降低后，对曝气风机所需压力减小，风机动力应随之减小。

曝气系统管路布置方式一般可分为地面开沟槽槽内布置（图4）、地面不开沟槽地上布置（图5）、地面不开沟槽地下浇筑（图6）等。由于管路承压及风机压力有限，前两种方式安装后的管路系统应避免车辆碾压，造成物料压实及对管路造成损坏；地下浇筑方式安装曝气管路需在浇筑地面前铺设好管路，并安装鹅颈式防堵喷嘴进行供气，这种方式后期车辆可进入维护，相对方便。