畜禽糞便無(wú)害化處理設(shè)備的研究

祁 玲

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心農(nóng)機(jī)研發(fā)部，山西太原 030006）

0 引言

畜牧業(yè)是農(nóng)業(yè)的重要組成部分。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)和收入水平的不斷提高，消費(fèi)能力也在不斷增強(qiáng)，人們對(duì)畜產(chǎn)品的需求快速增長(zhǎng)，推動(dòng)我國(guó)畜牧業(yè)總產(chǎn)值持續(xù)上升，現(xiàn)階段已經(jīng)形成較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈和較為充足的供應(yīng)能力，并成為與種植業(yè)并列的農(nóng)業(yè)兩大支柱產(chǎn)業(yè)之一。根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2019—2023年中國(guó)畜牧業(yè)行業(yè)發(fā)展前景及投資風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避建議報(bào)告》顯示，2017年，我國(guó)畜牧業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到32 376萬(wàn)億元，同比增長(zhǎng)2.1%，在農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值中占比接近30.0%。畜牧業(yè)的快速發(fā)展，滿足了全社會(huì)不斷增長(zhǎng)的畜產(chǎn)品需求，同時(shí)也產(chǎn)生了大量的畜禽糞便。

目前，畜禽糞便排放已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)的首要污染源，全國(guó)每年產(chǎn)生的畜禽糞污總量達(dá)到近40×108t，畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放物化學(xué)需氧量達(dá)到1 268×104t，占農(nóng)業(yè)源排放總量的96%。畜禽糞便對(duì)環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在糞便堆積產(chǎn)生的有害氣體會(huì)污染空氣；糞便污水流入地表水會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，滲入地下會(huì)造成地下水硝酸鹽、亞硝酸鹽含量過(guò)高，惡化水質(zhì)，危害人類(lèi)健康；當(dāng)進(jìn)入土壤的糞便及其分解產(chǎn)物或攜帶的污染物質(zhì)超過(guò)土壤本身的凈化能力時(shí)，會(huì)引起土壤組成性狀的改變，破壞土壤原有功能，因此畜禽糞便無(wú)害化處理迫在眉睫。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中因畜禽糞便含有豐富的植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)物質(zhì)，一直被當(dāng)作“莊稼寶”，作為肥料被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。但如果畜禽糞便處理不科學(xué)、不規(guī)范、不及時(shí)，不僅浪費(fèi)資源，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，威脅人類(lèi)健康。當(dāng)前畜禽養(yǎng)殖污染防治的法律體系不斷健全，監(jiān)管力度不斷加大，形成了對(duì)畜禽養(yǎng)殖污染防治的倒逼機(jī)制。沉淀池沉淀、堆糞場(chǎng)堆積發(fā)酵是養(yǎng)殖場(chǎng)、合作社處理糞便的主要方式，這種處理方式占地面積大、發(fā)酵環(huán)境不可控、發(fā)酵周期長(zhǎng)、且糞便中的有害細(xì)菌、病原體殺死不徹底，容易對(duì)地表水、地下水、土壤、空氣造成二次污染，并危害人類(lèi)健康。隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模化程度的提高，這種傳統(tǒng)的低效糞便處理方式已不能滿足養(yǎng)殖場(chǎng)或合作社的需求，因此畜禽糞便高效、快速無(wú)害化處理技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備的研究刻不容緩。畜禽糞便無(wú)害化處理設(shè)備不僅可以幫助規(guī)?；B(yǎng)殖企業(yè)及時(shí)完成糞便的有效處理，防止糞便對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境及養(yǎng)殖場(chǎng)周邊環(huán)境的二次污染，消除糞便對(duì)養(yǎng)殖區(qū)域的防疫隱患，同時(shí)無(wú)害化處理后的畜禽糞便也可直接作為專(zhuān)業(yè)有機(jī)肥加工企業(yè)加工有機(jī)肥的主要原料，這對(duì)提高養(yǎng)殖企業(yè)收入、降低有機(jī)肥加工成本、促進(jìn)農(nóng)業(yè)與農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)具有十分重要的意義。

1 畜禽糞便無(wú)害化處理的現(xiàn)狀

1.1 畜禽糞便無(wú)害化處理的必要性

以雞糞為例，雞糞在所有畜禽糞便中養(yǎng)分最高、最全面，是有機(jī)肥生產(chǎn)的最好原材料，雞糞中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)物質(zhì)，其中粗蛋白18.7%，脂肪2.5%，灰分13%，碳水化合物11%，纖維7%，氮2.34%，磷2.32%，鉀0.83%[1]，但如果雞糞未經(jīng)充分發(fā)酵或腐熟直接施用到田間上，會(huì)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生很大危害：①傳染病蟲(chóng)害：發(fā)酵不充分的雞糞中仍含有許多有害病菌或蟲(chóng)卵，直接施用作肥料，會(huì)傳播病蟲(chóng)害，導(dǎo)致土壤滋生病菌、農(nóng)作物發(fā)病，從而危害人類(lèi)健康；②發(fā)酵燒苗：發(fā)酵不充分的雞糞施用作肥料，當(dāng)發(fā)酵條件具備時(shí)，雞糞會(huì)有二次發(fā)酵，若雞糞距作物根部較近，且作物植株較小，發(fā)酵產(chǎn)生的熱量會(huì)影響作物生長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致植株死亡；③酸化土壤：雞糞pH值約為4，屬于極酸性，會(huì)酸化土壤，致使作物莖基部和根部遭受損傷，增大了作物被病菌感染的幾率；④土壤缺氧：雞糞在分解過(guò)程中消耗土壤中的氧氣，使土壤處于暫時(shí)性缺氧狀態(tài)，同時(shí)分解中會(huì)產(chǎn)生乙烯等有害氣體，抑制作物根系生長(zhǎng)；⑤影響食品安全：雞飼料添加劑中的抗生素、激素、銅、鐵、鉻、鋅等物質(zhì)，隨著雞糞還田，長(zhǎng)期過(guò)量積累，導(dǎo)致土壤和地下水污染，間接造成農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降。而且未發(fā)酵腐熟的雞糞中的養(yǎng)分多為有機(jī)態(tài)或緩效態(tài)，不能被作物直接吸收利用，只有分解轉(zhuǎn)化成速效態(tài)，才能被作物吸收利用[2]，所以未發(fā)酵直接施用的雞糞肥效發(fā)揮較慢，有效成分利用率低。因此，利用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備將畜禽糞便無(wú)害化處理，使其充分發(fā)酵腐熟，徹底殺死糞便中的有害病菌和病原體，同時(shí)使糞便中的纖維素、蛋白質(zhì)等有機(jī)物礦質(zhì)化、腐質(zhì)化，轉(zhuǎn)化為農(nóng)作物可直接吸收狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)畜禽糞便資源的高效利用，不僅能解決畜禽糞便污染環(huán)境的問(wèn)題，還能緩解我國(guó)資源短缺的壓力。

1.2 畜禽糞便無(wú)害化處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)目前畜禽糞便的無(wú)害化處理利用率不高，特別是大中型養(yǎng)殖場(chǎng)。據(jù)大城市郊區(qū)的調(diào)查顯示，畜禽糞便利用率一般不到20%，如北京市的畜禽糞便加工處理能力僅有22×104t，處理率僅為3%。普通養(yǎng)殖散戶通常將畜禽糞便堆放在田間地頭，經(jīng)過(guò)4～6個(gè)月的自然發(fā)酵腐熟后成為堆肥，而后作為底肥拋灑到田間，培肥土壤，這種方式耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)力成本高，對(duì)空氣、水和土壤有一定的污染，而且糞便發(fā)酵不充分，容易燒苗、滋生蟲(chóng)卵；規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)對(duì)畜禽糞便的處理常采用條垛式堆肥、槽式堆肥等方式。條垛式堆肥是將糞便簡(jiǎn)單堆積成窄長(zhǎng)條垛，在好氧條件下進(jìn)行發(fā)酵，這種方式需要的設(shè)備簡(jiǎn)單、投資低，但設(shè)備占地面積大、堆肥周期長(zhǎng)，且需定期使用機(jī)械或人工的方法翻堆通風(fēng)，翻堆時(shí)間和頻率難以把控，還極易受天氣等環(huán)境條件影響，堆肥質(zhì)量和效果難以保證。槽式堆肥主要由發(fā)酵槽和攪拌機(jī)2個(gè)部分組成，糞便經(jīng)預(yù)處理后在堆肥車(chē)間的發(fā)酵槽內(nèi)發(fā)酵，發(fā)酵槽配備了機(jī)械翻攪作業(yè)系統(tǒng)，這種處理方式與條垛式堆肥相比發(fā)酵周期短、可連續(xù)作業(yè)、堆肥效率高、不易受天氣等環(huán)境因素影響等優(yōu)點(diǎn)，但由于發(fā)酵槽數(shù)量多、長(zhǎng)度長(zhǎng)，設(shè)備占地面積大、投資成本高，同時(shí)通風(fēng)增氧不易操作，缺乏對(duì)臭氣的處理環(huán)節(jié)。

2 畜禽糞便無(wú)害化處理設(shè)備的研究

2.1 設(shè)備關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

通過(guò)技術(shù)研究和市場(chǎng)調(diào)研，針對(duì)分布最廣、危害面大、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用普遍的畜禽糞便，研發(fā)了畜禽糞便無(wú)害化處理設(shè)備。該設(shè)備的關(guān)鍵部件是發(fā)酵裝置。發(fā)酵裝置主要由底座、進(jìn)料機(jī)架、進(jìn)料螺旋、出料機(jī)架、出料螺旋、發(fā)酵罐、減速機(jī)、加熱裝置、曝氣裝置、電氣控制等部分構(gòu)成。

發(fā)酵裝置見(jiàn)圖1。

圖1 發(fā)酵裝置

其中，發(fā)酵罐主體材料為不銹鋼，是在借鑒同類(lèi)先進(jìn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同畜禽糞便有機(jī)成分含量不同的特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，是一種適合不同畜禽糞便處理，適應(yīng)高濕、高寒等不同地域條件的新一代發(fā)酵罐。

設(shè)備試制見(jiàn)圖2，設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖2 設(shè)備試制

圖3 設(shè)備關(guān)鍵部件圖

2.2 設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)

畜禽糞便無(wú)害化處理設(shè)備通過(guò)智能控制發(fā)酵環(huán)境，能一次性完成畜禽糞便高溫好氧發(fā)酵、除臭、濾水、殺卵、滅菌的快速無(wú)害化處理。

設(shè)備的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）設(shè)計(jì)臥式滾筒、積木式設(shè)計(jì)，大大提高集成模塊化生產(chǎn)效率，可根據(jù)用戶要求，完成不同處理容量的生產(chǎn)線的設(shè)備配置。

（2） 采用空氣能、電力輔助加熱方式，實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能，通過(guò)可編程控制實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，降低能耗。

（3）設(shè)計(jì)智能化小環(huán)境控制系統(tǒng)，完成無(wú)害化發(fā)酵工藝過(guò)程的精準(zhǔn)、快速、高效、可控。

該設(shè)備采用全密封式處理方式，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染；利用好氧菌高溫發(fā)酵技術(shù)，處理糞便時(shí)間短，運(yùn)行成本低；罐體進(jìn)行了保溫設(shè)計(jì)，確保低溫環(huán)境下設(shè)備的正常運(yùn)行；設(shè)計(jì)了除臭裝置，利用生物除臭方法的多層過(guò)濾實(shí)現(xiàn)了廢氣的達(dá)標(biāo)排放。該設(shè)備具有處理過(guò)程耗能少、運(yùn)行成本低、占地面積小、自動(dòng)化程度高、發(fā)酵過(guò)程可控、發(fā)酵周期短、不易受氣候條件影響等優(yōu)點(diǎn)，糞便中有害病原體、蟲(chóng)卵消滅徹底，糞便腐化完全，糞便無(wú)害化處理程度高。

2.3 技術(shù)指標(biāo)

畜禽糞便發(fā)酵設(shè)備（發(fā)酵罐）技術(shù)指標(biāo)：容積約12 m3，直徑約1.6 m，長(zhǎng)度約6 m，外形尺寸為8 000 mm×2 000 mm×2 500 mm，總功率≤60 kW，總質(zhì)量約5 t，日處理能力6～8 m3/日。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，形成示范點(diǎn)（肉雞養(yǎng)殖場(chǎng)）1個(gè)，日處理雞糞6～8 m3，無(wú)害化處理后的雞糞配以腐殖酸等原料，加工成有機(jī)肥，每噸可售750元，每噸利潤(rùn)為150元，每年生產(chǎn)5 000 t有機(jī)肥，年可獲利75萬(wàn)元。

3.2 社會(huì)效益

現(xiàn)在，我國(guó)每年產(chǎn)生畜禽糞污資源量約20×108t，約占全國(guó)有機(jī)肥料資源量的40%。畜禽糞便等有機(jī)廢棄物的農(nóng)用是最直接、最有效的利用方式，畜禽糞便肥料化利用是其資源化的一項(xiàng)重要手段[3]。無(wú)害化的畜禽糞便可直接作為有機(jī)肥的加工原料。畜禽糞便快速高效無(wú)害化處理技術(shù)及設(shè)備的研究，解決了農(nóng)業(yè)面源污染中的畜禽糞便污染環(huán)境的問(wèn)題，也促進(jìn)了畜禽糞便資源肥料化利用產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。利用好畜禽糞便及以畜禽糞便為主要原料生產(chǎn)的商品有機(jī)肥，不僅可以提高土壤肥力，實(shí)現(xiàn)資源的再循環(huán)，也可以改變因施用化肥而產(chǎn)生的“瓜不香，果不甜，茶無(wú)味”的現(xiàn)狀，使農(nóng)產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到綠色食品的標(biāo)準(zhǔn)[4]，推動(dòng)了無(wú)公害綠色農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的不斷壯大。這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和壯大，對(duì)減少化學(xué)肥料的施用、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

4 結(jié)語(yǔ)

畜禽糞便的資源量是隨著畜牧業(yè)的發(fā)展而迅速增長(zhǎng)的，2017年已達(dá)到38×108t，其氮磷鉀養(yǎng)分含量為4 741.45×104t，氮磷鉀比例為1∶0.53∶1.08，其磷鉀比例也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)在的化肥施用比例，畜禽糞便的無(wú)害化處理和資源化利用對(duì)緩解我國(guó)氮磷鉀肥資源的不足有著重要意義。隨著消費(fèi)者對(duì)無(wú)公害綠色農(nóng)產(chǎn)品需求的日漸增多，我國(guó)無(wú)公害綠色農(nóng)產(chǎn)品種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大，畜禽糞便有機(jī)肥的需求量也出現(xiàn)快速上漲，相比歐美發(fā)達(dá)國(guó)家有機(jī)肥施用量普遍在50%以上，中國(guó)有機(jī)肥在肥料總投入量中的比例不足20%，并持續(xù)下降，我國(guó)畜禽糞便有機(jī)肥市場(chǎng)還有很大的增長(zhǎng)空間，因此畜禽糞便快速高效無(wú)害化處理設(shè)備的市場(chǎng)前景十分廣闊。