畜禽粪污无害化快速处理装备研发

张小刚

（山西省农业机械发展中心，山西太原 030031）

农业面源污染是当前农村环境保护的一大难题，对水环境、土壤资源、大气环境和生态系统产生严重的影响，并对人类健康产生不可逆转的破坏作用。由于污染防治意识不强、相关制度建设不完善和技术障碍多等原因，我国农业面源污染形势严峻。立足于解决农业农村面源污染，以畜禽粪便的快速无害化处理为开端，为解决农村面源污染打开一条新出路。

1 我国畜禽粪污污染及资源化利用现状

我国畜牧业产值达2.98万亿元，占农业总产值的27.8%，畜牧业的快速发展，满足了全社会不断增长的畜产品需求，同时也产生了大量的养殖废弃物，畜禽粪污问题日益突出。大量畜禽粪污的无序排放造成了极为严重的环境污染。据统计，2017年畜禽粪污高达38×108t[1]。养殖企业多数都建设在交通便利、供排水方便的城乡结合处、河滩或近郊区域，大都将畜禽粪污不经任何处理直接排入附近的农田、河道、下水管网甚至江河之中，不仅污染了环境，传播了病菌，更严重的是影响了地表水的质量，生态环境被严重破坏，威胁人类的安全与健康。

我国规模化养殖企业土地连片集中，土地得到充分的利用，畜禽新鲜粪污可以及时出售，没有畜禽粪污处理的区域，养殖区域防疫基本依靠药物控制；粪污中包含大量病毒细菌、虫卵、草籽等，给农村经济作物、大棚土壤造成严重污染；即使是大规模养殖企业设置有粪污堆放区域，但若不及时处理粪污，不仅需要占用大量土地，而且也会对养殖及周边区域造成二次空气、水污染，并严重威胁养殖区域的防疫。

畜禽粪便的资源量随着畜牧业的发展而迅速增长，2017年已达到38×108t，其氮磷钾养分含量为4 741.45×104t，氮磷钾比例为1∶0.53∶1.08，其磷钾比例也远远高于现在的化肥施用比例，对缓解我国磷钾肥不足也有重要意义。

我国目前畜禽粪污的无害化处理利用率不高，特别是大中型养殖场。据一些大城市郊区的调查，利用率一般不到20%，如北京市的畜禽粪便加工处理能力仅有22×104t，处理率仅为3%。对于该部分资源，目前正在致力于发展畜禽粪污资源化利用、有机肥工厂化生产，但是由于畜禽粪污运输、无害化处理、有机肥生产成本较高，且有机肥产品只能用于那些高附加值的农产品生产，应用范围受到限制，所以目前大部分畜禽粪污最好的办法是简单沤制发酵后直接在田间利用。

研制可靠的快速高效无害化处理发酵设备与技术、粪污运输工具与有机肥施用技术，是当前畜禽粪污无害化处理急需解决的关键问题。

2 畜禽粪便无害化处理工艺分析与选择

畜禽粪便的无害化处理、资源化利用通常是通过好氧、厌氧发酵来进行。将畜禽粪便堆放在田间地头，经过4～6个月的自然发酵腐熟后成为堆肥，作为底肥洒到田间，培肥地力，这种方式耗时长、臭味大，污染空气、地表水和土壤，而且容易烧苗，滋生虫卵；现代养殖业畜禽粪污有机肥加工，特别是一些大的畜禽养殖场，通常将粪便集中堆放、搅拌、翻刨、好氧发酵、沼气厌氧发酵，发酵过程中臭气熏天、污水横流，污染了周边环境，使得周边农民集体抵制有机肥生产[2]。

专业有机肥生产企业，通过机器设备将畜禽粪便与辅料混合翻堆搅拌发酵，大幅提高了发酵效率，但占地面积大、处理加工能力严重不足等问题制约畜禽粪污的无害化处理和有机肥加工的发展。

通过大量的调查研究，将畜禽粪污无害化处理与资源化利用彻底分开，畜禽粪污的无害化快速高效处理设置在养殖企业，在好氧发酵菌种作用下，一次性完成高温好氧发酵、除臭、滤水、杀卵、灭菌等功能，实现快速无害化处理，减少粪污堆放时间和占地面积，彻底切断病菌传播途径；资源化利用设置在专用有机肥加工企业，利用无害化处理过的畜禽粪污，生产出符合国家相关标准的有机肥。

3 畜禽粪便无害化快速处理装备研发

设备来自于2018年度山西省现代农机装备引进（开发）试验“畜禽粪污有机肥加工技术及快速发酵设备引进开发试验”项目。

3.1 工艺原理

畜禽粪便好氧发酵处理设备采用好氧微生物有氧发酵原理，使微生物利用畜禽粪便中的有机质、残留蛋白等，在一定温度、湿度和氧气充足的环境下快速繁殖。繁殖过程中，它们消耗粪便中的有机质、蛋白质和氧气，代谢产生氨气、CO2和水蒸气。同时释放大量的热量，使罐内温度升高[3]。在45～70℃（通过外部设备加热）进一步促进微生物生长代谢，同时60℃以上的温度可杀灭粪便中的有害细菌和病原体、寄生虫卵等有害物质，同时平衡有益菌存活的温度、湿度和pH值，满足有益菌生存条件，随着新鲜畜禽粪便不断加入，罐内微生物循环持续繁殖，从而实现对粪便的无害化处理。处理过的熟料可以直接作为肥料使用，也可以作为原料生产复合有机肥，彻底解决粪便对环境的污染问题，确保养殖行业规模化、绿色可持续发展。

禽畜粪便发酵罐工艺原理是将畜禽粪便等物料与生物发酵菌混合，利用微生物的活性，对废弃物中的有机质进行生物分解、腐熟，使有机废弃物转化为有机肥原料，用于土壤改良、园林绿化，最终实现有机废弃物的资源化利用。

3.2 分析计算

根据项目建设示范点太谷县鸿昊养殖专业合作社的日处理粪污情况，设计畜禽粪污发酵设备（滚筒）为12 m3，结合放置场地和钢板材料情况设计滚筒总长为10 m，滚筒长度为6 m。则：

由以上公式可求得直径约为1.6 m。

3.3 总体设计

根据畜禽粪污有机肥加工工艺及畜禽粪污好氧发酵处理设备工作原理，结合山西省现代农机装备引进试验项目计划任务书，设计制造出畜禽粪污发酵滚筒，其机械结构布局合理，管道走向流畅、外形美观，并且解决了市场上的畜禽粪便好氧发酵设备普遍存在的一些问题，如脱水不畅的问题、发酵温度不够的问题等。

畜禽粪污发酵设备（滚筒）总体布置图见图1。

图1 畜禽粪污发酵设备（滚筒）总体布置图

3.4 技术方案

畜禽粪污高效、快速无害化处理发酵滚筒由底架、前部支架、进料装置、滚筒、滚筒内滤水及传料装置、加热装置、曝气装置、滚筒动力装置、电气控制装置、尾部支架、出料装置等部分构成。滚筒内滤水及传料装置在滚筒内部，通过机械设计实现，不再单设动力装置带动；加热、曝气装置通过设在前部支架的动力装置带动在滚筒内实现；滚筒动力装置由外设的减速机带动齿圈实现，滚筒的支撑由光圈承担；电气控制装置设在前部支架内；滚筒和前后支架的连接通过法兰和不锈钢薄片实现；进料装置设在前部支架上方。

工作时，滚筒在减速机带动下开始缓慢转动，同时，进料装置启动，畜禽粪便开始源源不断地进入滚筒，在传料导向板的引导下，畜禽粪便缓慢向尾部支架移动。原料中所含的水分通过滤水装置流向桶外，在滤水腔内安装出水螺旋，出水螺旋分两段，以不同的旋转方向安装在同一根轴上，通过设计实现在滚筒旋转的同时，出水螺旋工作排水，解决了滤水装置经常堵塞、滤水不畅、严重影响发酵质量的问题。

滚筒内畜禽粪便在发酵菌加热、曝气、滤水及电控装置的共同作用下开始快速发酵，采用大功率加热装置，短时间内滚筒物料温度就迅速上升到70℃左右；缩短曝气间隔，加大滚筒内物料供氧量[4]。缩短畜禽粪便发酵腐熟时间，解决养殖场粪便不能及时处理造成的环境污染问题。

滤水装置见图2，滤水部件设计图见图3。

图2 滤水装置

图3 滤水部件设计图

4 试验

项目试验场地选在项目示范点太谷鸿昊养殖专业合作社。试验的原料是鸡粪（肉鸡），配以HM生物菌种及废烟丝进行高温发酵，经过24 h发酵后，实现除臭、脱水、杀卵、灭菌等功能。将发酵后的鸡粪输送到发酵场地和腐殖酸（褐煤）搅拌到一起，通过槽式翻抛机进行二次发酵，发酵完成后进行粉碎，粉碎后通过皮带输送机进入卧式搅拌机进行搅拌，搅拌完成后通过皮带输送机进入有机肥造粒机造粒，造粒完成后经过烘干、除尘、冷却等若干程序进入打包机包装。

试验原料废烟丝见图4，发酵中的设备见图5，二次发酵完成的鸡粪见图6。

图4 试验原料废烟丝

图5 发酵中的设备

图6 二次发酵完成的鸡粪

试验完成后，将鸡粪有机肥产品进行了送检。

鸡粪有机肥检测报告见表1。

5 结语

（1）研发了一种新的畜禽粪污处理工艺，将畜禽粪污无害化处理与资源化利用彻底分开，畜禽粪污的无害化、快速、高效处理设置在养殖企业，资源化利用设置在专用有机肥加工企业。

（2）通过试验及技术改进，完成了畜禽粪污无害化处理及资源化利用关键设备——畜禽粪污无害化快速发酵滚筒的改进及设计，完成了畜禽无害化发酵滚筒图纸、图样和样机试制、试验。该设备可一次性完成畜禽粪污的除臭、滤水、杀卵、灭菌等功能。

（3）畜禽粪污无害化快速发酵滚筒彻底解决了市场上同类设备脱水不畅的问题。

表1鸡粪有机肥检测报告