畜禽舍粪污自动处理装置的设计研究

马 平，汪 春，严晓丽，李海亮，孙海天

(1.黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319；2.中国热带科学研究院 南亚热带作物研究所，循环农业研究中心，广东 湛江 524000)

我国的畜禽养殖业发展迅速，从传统的粗放模式集约化、规模化和产业化转变[1-4]，随着集约化程度的提高和生产规模化的不断扩大[5]，畜禽养殖产生的粪污越来越多，粪污排放量逐渐增大，大部分畜禽粪污没有得到有效地处理和应用，既浪费资源又对环境造成了污染。根据国家环保总局组织的“全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策”显示，我国畜禽粪污的排放量已达40多亿吨[6]。全国80%以上的规模化养殖场没有经过环境影响评价，缺乏必要的污染治理措施[7-8]。在畜禽养殖过程中产生的粪便、尿液和污水等在大量堆积发酵分解粪污时会生成高浓度的有害物质，这种物质恶臭味极强且含有大量的易挥发的有害物质，会造成空气污染，影响畜禽生长及周边居民的生活质量[9]。未经处理的畜禽粪便还会对土壤、水体造成严重污染，影响地下水的水质，极易导致病原菌的扩散，将会危害人体健康和植物的生长。

因此，如何快速、及时和高效地处理畜禽舍的粪污问题将成为亟待解决的问题[10]。

针对这一问题，笔者设计了一种畜禽舍粪污自动处理装置。畜禽舍粪污自动处理装置能够实现自动清理畜禽粪便，有效降低了粪污清理所需劳动力。整机耐腐性强，操控简单，智能高效，便于调节，适用性、通用性强，适合多种畜禽的养殖。畜禽舍粪污自动处理装置改善畜禽舍的环境卫生、提高动物疫病预防能力的同时还实现了粪污的高效利用，体现了低碳、绿色、环保、安全等理念，具有较强的应用和市场推广价值，对于改善畜禽生长环境，提高养殖自动化水平，降低畜禽养殖所需劳动力，减少养殖生产成本，提高养殖户的收入具有重要的现实意义。

1 粪污自动处理装置的设计

1.1 粪污自动处理装置的总体设计

本次设计的畜禽舍粪污自动处理装置主要以大鹅作为养殖对象，但同时也适用于其他畜禽养殖。畜禽舍粪污自动处理装置(见图1)为了实现畜禽舍粪污的高效处理，以传送带为主要工作部件建立畜禽舍粪污自动清理机构，传送带在整个装置中充当承粪带，在电动机的带动下将表面承载的粪污运送至下方的粪污秸秆发酵室，完成粪污及秸秆的发酵工作。承粪带的前端放置垫料铺设机，当承粪带落料后往回铺设时，垫料铺设机与其同步工作，保证垫料铺设均匀性，垫料铺设机铺设的垫料主要为秸秆等，为粪污秸秆发酵提供原料。垫料可以将粪便和尿液吸收并混合，可以减少其有害气体挥发的可能性，混合后的垫料由于重力作用在落料口处自动落入粪污秸秆发酵室，保证了承粪带的清洁，为畜禽生长提供干净、卫生的环境，体现了粪污清理的高效性。粪污秸秆发酵室中设有自动喷水系统、自动增氧系统和自动监控系统，实现对发酵过程的实时监测与控制，保证发酵的效果。发酵后产生的气体可以通到农田作为作物生长的肥料，产生的有机质可用于蚯蚓养殖，实现废物的高效利用与处理。

1.液压推板；2.粪污秸秆发酵室；3.移动式密封板；4.垫料铺设机；5.鹅舍；6.粪污传送带；7.支撑辊；8.饲喂车；9.微孔水管；10.离心风机；11.微孔通气管；12.螺旋输出机图1 畜禽舍粪污自动处理装置

2 主要工作部件的设计

2.1 传送系统

畜禽舍粪污自动处理装置的传动系统主要由卷扬机、承粪带和支撑辊组成。其中，承粪带采用半幅式传送带，传送带两边连接卷扬机形成一个动物粪便传送系统。本设计中物料传送组的覆盖面比较广，一个物料传送系统可以满足一整个养殖场的粪污清理要求。支撑辊是由若干个辊轮组成，而组成的支撑辊其形体呈凹状，由其支撑着的传动带上部在载物时也会形成凹状，所承载的动物粪便一是量多，二是不会散出传动带。应用本设计不但解放了劳动力，减轻了人工承受体力劳动的苦累，而且还大幅度提高了工作效率。此外，本设计结构简单，制作成本低，不但可以应用到养殖场地的粪便清理，而且还可以广泛的应用到各种领域中的物料清理、收集及运输，值得大力推广。

(1)卷扬机采用电动卷扬机，电动卷扬机是以三箱异步电动机为动力，经弹性联轴节，三级封闭式齿轮减速箱，牙嵌式联轴节驱动卷筒，采用电磁制动，通过驱动装置使卷筒回转的卷扬机。电动卷扬机可以通过变频器来控制速度，电动卷扬机型号:JK/JM。电动卷扬机的特点是：通用性高、结构紧凑、体积小、重量轻、起重大、提速快、使用转移方便，被广泛应用于现代化电控自动作业线的相关设备。

(2)承粪带采用传送带结构，传送带分很多种，轻型的有PVC传送带，适合输送无污染，环保要求较高的产品。重型输送带又分分层带、整芯带、钢丝带等。整芯带用于井下作业有阻燃要求的工况，钢丝带适用于长距离大负荷运输。分层带有两部分组成：骨架和橡胶。一般骨架材质有涤棉，尼龙，聚酯等；橡胶分普通，耐热，耐寒，阻燃，高温等根据具体的使用环境来确定。传送带选择没有好坏之分，只有合不合适之分。同样的传送带用料差别才有可比性，通常主要原料有天然橡胶，合成橡胶，再生橡胶等。一定比例的再生胶添加可以增加橡胶的加工性能，所以在选择的时候首先要搞清楚用在什么地方，然后选择正规的信誉较好的企业采购。本装置的传送带采用PVC材料，PVC传送带带体弹性好，不易变形。选用高强力优质全棉、尼龙、聚酯帆布作带芯，用纯天然橡胶无污染配合剂制成白色或浅色，无污染。PVC传送带产品配方设计合理，符合卫生指标，色泽适度，轻巧耐用。

(3)支撑辊(传动辊)除了具有结构简单、运转可靠、维护方便、经济、节能等优点外，最突出的就是它与生产工艺过程能较好地衔接和配套，功能多样性，具体表现在：布置灵活，容易分段和连接，可以根据需要由直线、圆弧、水平、倾斜、分支、合流等区段以及辅助装置；组成形式分为闭式、平面、立体等各种形式的输送路线，便于和工艺设备衔接配套，衔接方式简易紧凑，有时作为工艺设备的物料输入和输出段，辊子间的空隙部位便于布置各种装置和设备无动力式辊子输送机。目前常用的棍子材料主要包括钢辊子，不锈钢辊子和铝合金辊子。钢辊子适用于一般用途的轻、中、重载各种情况，如有防震、防滑等要求时，可采用包胶，涂塑的钢辊子。不锈钢辊子外表美观、耐酸、碱等腐蚀性强，可承受轻、中、重各类载荷。但制造成本高，主要应用在医药、食品等行业。铝合金辊子结构轻便、外表美观、耐腐蚀性能好、承载能力低于钢辊子，制造成本高于钢辊子。适于轻载、要求外表美观或移动轻便的工作场合。综合考虑以上因素，多功能畜禽舍粪污自动处理装置采用包胶的钢辊子作为承粪带的支撑辊(见图2)。

1.落料口；2.垫料铺设机；3.移动式密封板；4.电动卷扬机；5.半幅式传送带；6.支撑辊图2 传送系统示意图

2.2 粪污秸秆发酵室

粪污秸秆发酵室由液压推板、监测系统、输出装置3部分组成，粪污秸秆发酵室的长宽高分别40 m×6 m×3 m，体积为420 m3。粪污秸秆发酵室设计成密闭式发酵室、通气式发酵系统，采用液压推板式推送物料，根据监测系统，当畜禽舍产生的鹅粪及垫料混合后，由传送系统自动掉入发酵室，再定时定距离移动液压推板，使粪污秸秆等物料向前移动一定距离，期间根据监测情况，自动喷水，适时通氧，用增氧管通氧既是为了进行有氧发酵又可以起到翻堆的作用，加快发酵进程。由粪污发酵室投料区递进至出料区后，发酵基本完全，发酵产生的气体用离心风机收集并通到农田里用做肥料，发酵后产生的沼液和沼渣等有机质收集在集料池中，待一定数量之后可通过出料区中安装的输出机构运到地面。发酵示意图如图3所示。

图3 粪污秸秆发酵室工作过程

(1)推板：采用高品质的通用性耐力板，由液压控制，每天根据收集的鹅粪及垫料数量确定推板向前移动的距离，移动一定距离后推板自动返回。

(2)监测系统：本粪污秸秆发酵室通过硬件传感器、数据采集设备等采集发酵过程信息并进行控制，发酵测控系统是发酵过程参数智能检测与优化调控的基础，直接影响着发酵过程的控制性能，本装置以DMC智能仪表为核心，配以传感器、控制器组成。DMC智能仪表还具有传感器断路检测、故障报警等功能，使其可靠性更高。检测系统要实现发酵室温度、湿度和通氧量的检测与控制，重量超限报警、推板定时控制功能。

(3)输送装置：粪污和垫料混合物在落入发酵室中后，由推板逐日向前推进，并在前进的过程中进行发酵。当由粪污发酵室投料区递进至出料区后，发酵基本完全，发酵产生的沼液和沼渣收集在集料池中，待一定数量之后可通过出料区中实现安装的螺旋输送机将其提升至地面，并输送至运输车中。产生的气体通到水管里，用做农田的水肥，产生的沼液和沼渣等有机质是优质高效的有机肥料，可应用于蚯蚓养殖，高效、低碳、环保。然而，其具有较强的腐蚀性能，因此需要螺旋输送机的绞龙叶片做特殊处理，采用抗磨耗腐蚀性能好的材料。金属材料的磨耗腐蚀是机械力引起的磨损和粪便的腐蚀共同作用的结果，因此采用既耐蚀又抗磨耗的材料将是有效的预防措施。根据综合分析后，选用马氏体型不锈钢2Cr13，经淬火后，硬度较高，耐腐蚀性良好。

3 工作原理及性能分析

3.1 整机结构

针对规模化畜禽养殖场[11]粪污清理现状，通过研究发现现有的一些机械化收集装置在粪污清理时不仅浪费资源而且卫生防御工作不到位，有时还会导致粪污清理不干净等问题，以此在高效、清洁、便利等因素下提出传送带式粪污清理及收集装置的设计意见。

鹅舍地上一层为720 m2，共20间鹅舍，一共可以养殖4000只鹅，1只鹅的体重为4～15 kg，1只鹅每天平均排粪0.194 kg，4000只鹅每天产粪量为776 kg，按鹅粪和玉米秸秆以2∶1～3∶1的比例，每天需要玉米秸秆垫料的量为388～258 kg，可以计算垫料铺设机的每次的铺设量和转速，以及粪污传送带的使用寿命和工作效率。该畜禽粪污自动处理装置可以实现每天自动清理粪污并将收集好的粪污自动落入粪污秸秆发酵室进行有氧发酵，发酵后的有机质会经由螺旋输出装置运输到地面。整个过程实现无害化、减量化、资源化循环利用。

3.2 工作原理与性能

畜禽舍粪污自动处理装置包括垫料铺设机、传送机构、粪污秸秆发酵室、输出机构。传送机构主要由承粪带、卷扬机和支撑辊等组成，工作过程中承粪带在卷扬机的带动下开始运转，通过落料口将所承载的垫料及粪污输送至地下正下方的粪污秸秆发酵室中，垫料可以吸附粪污，将传送带上的粪污都落入到发酵室中，可以保证畜禽具有卫生清洁的生存环境。落入粪污秸秆发酵室的垫料及粪污根据监控系统的控制，经过粪污秸秆有氧发酵一定时间之后，产生的气体通到水管里，可以用做农田的水肥，产生的沼液和沼渣等有机质是优质高效的有机肥料，待一定数量之后可通过出料区中安装的螺旋输送机输送至地面，可以用于蚯蚓等的养殖，进行肥料化利用[12]。整机与粪污接触的部件均采用耐腐蚀材料，具有较强的耐腐蚀性能。

4 结论

畜禽舍粪污自动处理装置中的传送带可以作为禽舍的地面部分，畜禽休息时可以为畜禽提供休息空间，当畜禽在舍外活动时，传动带在卷扬机的带动下运转，将表面的垫料及粪污输送至禽舍下的粪污秸秆发酵室中，实现粪污的自动清理，体现出高效、绿色、环保等理念。

畜禽舍下面设置粪污秸秆发酵室，清理的粪污可以在发酵室中进行发酵处理，实现了粪污清理和发酵处理的统一管理，发酵产生的气体用做农田的肥料，发酵后的有机质可以养殖蚯蚓[13]，形成畜禽养殖废弃物处理产业链，逐渐形成畜禽养殖、废弃物处理、有机肥生产、绿色有机农产品生产相结合的循环、绿色农业[14]。

畜禽舍粪污自动处理装置在收集粪污时采用干清粪的方式，减少了水资源的浪费，并为畜禽提供了干净、清爽的环境。有效改善畜禽生长环境，降低畜禽发病率，降低禽舍粪污处理劳动强度，降低畜禽养殖生产成本。