小型快速发酵装置设计与应用效果研究

耿文广 李子淳

[1，齐鲁工业大学（山东省科学院）山东省科学院能源研究所 山东省生物质气化技术重点实验室 250353；2，齐鲁工业大学（山东省科学院）能源与动力工程学院 250353；3，山东建筑大学热能工程学院 250101]

我国是畜禽饲养大国，近年来随着产业结构的调整和畜禽养殖业的不断发展，规模化、集约化养殖场逐年增加。近年来，畜牧业产值达3 万亿元，约占农业总产值的30%，同时，畜禽粪污产量达40 亿t，大量畜禽粪污的无序排放造成了极为严重的环境污染，影响了养殖业的可持续发展，种植业乃至人类的生存环境受到威胁[1-3]，畜禽粪污的高效处置是养殖业面临的重要问题。规模化养殖产生的畜禽粪便处理陆续形成成熟的工艺和设备[4,5]，但对小规模养殖过程中产生的畜禽粪便、饲料残渣等，现有设备处理成本较高、操作不便，致使农村地区养殖粪便散乱堆置，严重影响周围的居住环境。为此，本文提出一种针对小批量畜禽粪便处理的两段式自动化腐熟工艺，使粪便中的有机质进行快速生物分解、发酵，转化成有机肥料。经过多批次试验，印证了该工艺和设备在处理畜禽粪便方面具有快捷、易操作、效率高等特点，有机肥品质符合国家相关标准。

1 装置与工艺

1.1 发酵装置设计

发酵装置结构如图1 所示，发酵罐外壁采用夹层设计，充满水后维持强制循环满足罐体内的温度需求，加热保温热源采用12kw 自动控制电加热锅炉，发酵罐内由电机驱动主轴带动翅片搅拌，翅片背部有通风孔用于好氧发酵过程供风，粪肥的温度和夹层内水温实时测量并采集。

图1 快速发酵装置结构图

1.2 工艺流程描述

本文牛粪好氧发酵的工艺流程如图2 所示，将新鲜的牛粪滤水后与生物质掺混调整水分含量，移至快速发酵罐中加入发酵菌剂并搅拌均匀，启动电加热炉和热水循环泵，初期由加热保温系统维持发酵罐内的温度45℃，搅拌轴以3～5 转/min 的速率带动粪便均匀搅动，保持适量的氧气供应，通过自动监测和控制系统使物料在60℃以上高温阶段维持1～2d，在此阶段内有机物被分解，水分减少，部分病原菌和杂草种子被杀灭，经过快速好氧发酵过程的畜禽粪便变为棕褐色粉末状，无臭气散发，该过程保持约48h，后出料进入堆肥发酵过程，堆肥发酵需5～7d，视环境温度高低而异，堆肥发酵过程结束即得有机肥。

图2 牛粪好氧发酵工艺流程

2 试验

2.1 试验原料

本试验以牛粪为主原料，以玉米秸秆、麦麸和锯末为辅料，起调节含水率、分散、易于空气流通的孔隙骨架（蓬松体）作用等。将含水率80%左右的新鲜粪便与生物质按照一定比例混合使其达到合适的含水率和松散度，确保物料的透气性达到好氧发酵所需的标准。

发酵原材料中牛粪取自聊城市博平镇某奶牛养殖场，麦麸在附近面粉加工厂购置，锯末取自附近木材加工厂，玉米芯取自附近农户。各种发酵原材料的配比及成分如表1 所示：

表1 发酵试验物料配比成分表

混料均匀后综合含水率为59.06%，送检测得混合料碳氮比32:1，pH 为6.8。

2.2 试验条件

试验于2019 年11 月20 日在聊城市博平镇某奶牛养殖场进行，试验主原料为牛粪，含水率为82.63%，环境平均温度3℃，设备入料后保温连续搅拌运行6h，后改为为间歇搅拌，搅拌运行10min，停止50min。

2.3 加热、搅拌与供氧

加热装置采用12kW 电热水锅炉，发酵罐夹层、管路系统和加热水箱内充满水，启动循环水泵，设定目标水温开启电加热锅炉，初始时刻维持发酵罐内45℃，同时搅拌装置对发酵滚筒中的混合料进行持续搅拌，搅拌速度为0.5r/min，搅拌齿的背侧有送风孔，采用通风装置对发酵罐进行5m3/min 的通风，提供发酵所需的氧气，保持混合料在温度为45～50℃的状态下保持6h，混合料发酵自发热升温至65～70℃，保持在该状态下运行48h，完成一次快速发酵，杀死粪便中的有害病菌、虫卵和杂草的种子。

2.4 二次堆肥发酵

快速好氧发酵过程维持48h 后，打开出料装置旋转出料，进行二次堆肥发酵，堆放5～9d，间隔12h 翻料一次，在自然通风状态下，使基本熟化料继续发酵至完全熟化，进一步杀死粪便中的有害病菌、虫卵和杂草的种子，并使其含水率降低至20%～30%，完成畜禽粪便发酵处理。该过程已无明显臭气散逸，对环境影响极小。待完全腐熟后根据需要添加含钾、磷的无机盐，可形成高品质有机复合肥。

图3 一次发酵试验过程

图4 二次堆肥发酵试验过

3 结果与分析

对两阶段发酵试验样品分别送检，一次快速发酵样品检测和二次堆肥发酵检验结果如表2 所示，可以看出，与标准值相比较，第一阶段快速发酵后产出的有机粪肥水分偏高，超过标准值43.43%，总养分 （N+P2O5+K2O）不达标，低于标准值29.80%。经第二阶段的堆肥发酵后有机肥送检后测得的总养分（N+P2O5+K2O）、水分、有机质等各项指标均达到有机肥相关标准。

4 结语

设计了一种小型畜禽粪便快速发酵处理装置，将粪肥与生物质料按一定配比混料后，在一定温度、供氧量下快速发酵48h，可以将粪肥快速处理至无害无臭松散状态，对环境无明显影响，经自然堆置5～9d 二次自然发酵后有机肥各项指标达到国家标准。本工艺与装置适用于小规模养殖畜禽粪便快速处理，对日产畜禽粪便，真正做到“日产日清”，解决了畜禽粪便对环境的污染问题。本文仅针对牛粪配比生物质料进行了初步发酵试验研究，尚无法覆盖其他粪肥发酵过程中的关键工艺参数，下一步将开展多品类粪肥、各季节环境条件下的发酵试验研究。

表2 发酵试验样品检测结果