立體網(wǎng)帶式牛糞墊料再生系統(tǒng)的設計與試驗

王盼柳 周洪宇 段 娜 施正香,3* 曹 哲

(1.中國農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，北京 100083；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京 100083；3.北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術研究中心，北京 100083；4.Department of Engineering, Aarhus University, Aarhus C 8000， Denmark)

截至2018年，我國牛奶產(chǎn)量3 075萬t，規(guī)模養(yǎng)殖場比重超過60%，存欄百頭以上規(guī)模的奶牛場有3 829家[1]。規(guī)模化奶牛場集中排放的大量糞污得不到有效處理，對環(huán)境造成了嚴重污染，成為制約我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展的瓶頸。與此同時，規(guī)模化奶牛場散欄飼養(yǎng)模式的推廣，使得牛床墊料成為牧場不可或缺的生產(chǎn)資料。施正香等[2]提出利用固體牛糞作墊料不僅可以減少奶牛場糞污處理量，而且可為奶牛提供來源充足、舒適衛(wèi)生的牛床墊料。國內(nèi)外已有研究表明，使用固體牛糞作墊料不僅不會增加奶牛乳房炎患病率，還可延長奶牛躺臥時間，提高奶牛躺臥舒適度[3-5]，進而增加奶牛場生產(chǎn)效益。牛糞中的含水率和致病菌含量是評價牛糞墊料舒適度與生物安全性的2項重要指標[3,5]。對于牛糞墊料的生物安全性，有較多研究對其大腸桿菌、克雷伯氏桿菌、鏈球菌等奶牛乳房炎主要環(huán)境性致病菌進行了檢測[4-9]。對于固體牛糞墊料含水率，已有研究表明，含水率≤50%時，即可滿足奶牛對墊料舒適度的要求[6,10]。

Bradly等[11]對奶牛場糞污生產(chǎn)墊料的方式進行總結，提出牛糞墊料制作的5種模式：固液分離直接利用模式(糞污固液分離后直接作墊料)、好氧發(fā)酵墊料生產(chǎn)模式(糞污固液分離后經(jīng)好氧發(fā)酵作墊料)、厭氧發(fā)酵墊料生產(chǎn)模式(糞污沼氣發(fā)酵后經(jīng)固液分離作墊料)、牛糞烘干模式(糞污固液分離后經(jīng)熱風烘干作墊料)和pH調(diào)節(jié)模式(糞污固液分離后加生石灰或酸堿調(diào)理劑作墊料)。其中，固液分離直接利用模式生產(chǎn)出的牛糞墊料致病菌較多，對奶牛存在生物安全隱患[5]；好氧發(fā)酵墊料生產(chǎn)模式中，固液分離后固體牛糞含水率65%左右時可快速發(fā)酵[12]，反之則發(fā)酵速率較慢，但目前國內(nèi)固液分離機尚難達到此標準；厭氧發(fā)酵墊料生產(chǎn)模式因其工藝復雜、設施設備投資大、對工作人員技術要求高且在低溫環(huán)境下難運行等問題而使用受限；pH調(diào)節(jié)模式因添加生石灰或酸堿調(diào)理劑等對奶牛乳房健康影響尚不明確，根據(jù)Bradly等[11]的研究發(fā)現(xiàn)，在丹麥地區(qū)牛糞添加酸性調(diào)理劑會增加奶牛乳房炎發(fā)病率，因此該模式尚未得到推廣。本研究基于牛糞烘干模式，利用熱風干燥技術，對國產(chǎn)固液分離機分離后含水率75%左右的固體牛糞進行快速殺菌、干燥，使其達到墊料安全使用標準。

目前，國內(nèi)外關于固體牛糞熱風干燥技術缺乏相關研究，主要原因是牛糞干燥后利用價值不高，作肥料時肥效遠不及雞糞、豬糞等其他糞肥[13]，因此，牛糞干燥的相關技術研究甚少。網(wǎng)帶式熱風干燥技術是利用清潔空氣作為干燥介質(zhì)，通過自然或強制對流循環(huán)的方式與物料進行濕熱交換的一種干燥手段，溫度范圍一般為60～90 ℃[14]，且該項技術具有生產(chǎn)效率高、投資少、成本低、操作簡單、維修方便等優(yōu)點[16]。網(wǎng)帶式干燥機的應用一直較為廣泛，多用于食品、醫(yī)藥等行業(yè)。在網(wǎng)帶式干燥機的基礎上研究出的多層網(wǎng)帶式干燥機采用立體空間設計，占地面積小、便于搬運[16]。本研究擬采用熱風干燥技術，設計并開發(fā)立體網(wǎng)帶式牛糞墊料再生系統(tǒng)，對牛糞進行殺菌和去除水分，以期為中小型奶牛場提供舒適、安全、衛(wèi)生的牛糞墊料。

1 系統(tǒng)設計原理

奶牛場利用立體網(wǎng)帶式牛糞墊料再生系統(tǒng)生產(chǎn)墊料的流程(圖1)為：牛舍內(nèi)糞污經(jīng)暗管或拉糞車輸送至集污池，集污池中的牛糞經(jīng)切割泵抽至固液分離機，分離后的固體牛糞進入立體網(wǎng)帶式牛糞墊料再生系統(tǒng)，液體進入氧化塘。經(jīng)立體網(wǎng)帶式牛糞墊料再生系統(tǒng)殺菌、干燥后，生成可用于直接使用的

1.Collecting and transporting the manure slurry to the pool; 2.Centrifugal cutting submersible pump; 3.Reflux tube; 4.Solid manure; 5.3D mesh belt system to recycle the manure solids as bedding; 6.Transporting liquid slurry to the oxidation pond; 7.Oxidation pond
圖1 立體網(wǎng)帶式牛糞墊料再生系統(tǒng)生產(chǎn)流程示意圖
Fig.1 Diagram of the process of recycling manure solids as bedding by 3D mash belt system

墊料。為便于進行設備加工及試驗，將立體網(wǎng)帶式牛糞墊料再生系統(tǒng)內(nèi)部尺寸初步設置為長2.0 m、寬1.0 m、高1.5 m，其傳送帶表面尺寸設置為1.5 m×0.8 m，共3層。

1.1 風量計算

由于該系統(tǒng)尚未實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，因此將從進料開始至牛糞鋪滿3層傳送帶表面設為1個生產(chǎn)批次。為便于風機及電熱阻選型，需計算1個生產(chǎn)批次牛糞干燥所需風量及熱量。假設牛糞鋪料厚度為50 mm，含水率75%，密度500 kg/m3，干燥后含水率為50%，則其水分蒸發(fā)量采用式(1)～(3)進行計算[16]：

We=Gd(X1-X2)

(1)

Gd=Gi(1-Wi)

(2)

(3)

式中：We為牛糞干燥過程中蒸發(fā)的水分，kg；Gd為牛糞干物質(zhì)質(zhì)量，kg；Gi(下標i=1表示牛糞干燥開始前，i=2表示干燥結束后，下同)為牛糞質(zhì)量，kg，G1=1.5 m×0.8 m×50 mm×3層×500 kg/m3=90.0 kg；Wi為牛糞干燥過程含水率，W1=75%，W2=50%；Xi為牛糞含水率對應的干基含水率，kg/kg。

帶入數(shù)據(jù)得：Gd=22.5 kg，G2=45.0 kg，X1=3，X2=1，We=45.0 kg。

選取夏、冬季極端溫濕度進行計算，則固體牛糞蒸發(fā)45.0 kg水分需要的空氣用量采用式(4)和(5)計算[16]：

(4)

(5)

式中：L為干空氣消耗量，kg；Hj為空氣含濕量(下標j=1表示氣體進入立體網(wǎng)帶式牛糞墊料再生系統(tǒng)前，j=2為氣體排出立體網(wǎng)帶式牛糞墊料再生系統(tǒng)后，下同)，kg/kg；φj為空氣相對濕度，%；Pj為水蒸氣分壓，Pa；P為大氣壓，1.01×105Pa。

查閱《中國氣象年鑒》[17]知：北京市夏季空氣相對濕度φ1夏=60%，水蒸氣分壓P1夏=3 168.63 Pa；冬季空氣相對濕度φ1冬=40%，水蒸氣分壓P1冬=527.83 Pa。假設排出裝置的空氣溫度為30 ℃，相對濕度φ2=100%，水蒸氣分壓P2=4 245.05 Pa。

將數(shù)據(jù)帶入得：H1夏=12.1×10-3kg/kg，H1冬=1.3×10-3kg/kg，H2=27.3×10-3kg/kg，L夏=2 960.5 kg，L冬=1 730.8 kg。

將干空氣消耗的質(zhì)量轉(zhuǎn)換成干燥時所需風量qv，則干燥過程所需風量采用式(6)、(7)進行計算[16]：

qv=LVH

(6)

(7)

式中：qv為干燥過程中所需風量，m3；VH為濕空氣的比體積，m3/kg；t0為環(huán)境溫度，北京市夏季平均氣溫為25.1 ℃，冬季平均氣溫為-1.9 ℃。

帶入數(shù)據(jù)得：VH夏=816.8×10-3m3/kg，VH冬=729.5×10-3m3/kg；qv夏=2 418.1 m3，qv冬=1 262.6 m3。取干燥時長為9 h，則干燥過程所需空氣流量為：ν夏=268.7 m3/h；ν冬=140.3 m3/h。

1.2 熱量計算

牛糞干燥所需熱量Q可分為3部分，包括牛糞中水分蒸發(fā)所需熱量Q1、牛糞干物質(zhì)升溫所需熱量Q2，以及產(chǎn)品中殘余水分升溫所需熱量Q3(假設出口牛糞溫度等同于出口處氣體溫度)[18]。夏、冬季干燥牛糞所需熱量采用式(8)～(12)計算[18]：

Q1=We(γ+cvt2-cwte)

(8)

Q2=Gdcd(t2-te)

(9)

Q3=G2cwW2(t2-te)

(10)

(11)

(12)

式中：γ為水在0 ℃時的氣化潛熱，取2 504 kJ/kg；cv為水蒸氣比熱容，取1.926 kJ/(kg·℃)[20]；t2為裝置出口處熱空氣溫度，假設為30 ℃；cw為水的比熱容，取4.18 kJ/(kg·℃)；te為固體牛糞入口溫度，假設與環(huán)境溫度t0相同；cd為干牛糞比熱容，參考苜蓿草比熱容取1.368 kJ/(kg·℃)；Qw為換熱損失取25%時，牛糞干燥所需熱量，kJ；t1為裝置入口處熱空氣溫度，取較大值70 ℃；t0為環(huán)境空氣溫度，夏季25.1 ℃，冬季-1.9 ℃。

帶入數(shù)據(jù)得：Q夏=166.4×103kJ，Q冬=286.7×103kJ(干燥90 kg牛糞所需熱量)。

2 系統(tǒng)結構組成

2.1 整體結構

為滿足牛糞墊料成品質(zhì)量要求，以初始含水率約75%、最終含水率≤50%、奶牛乳房炎主要致病菌大腸桿菌和鏈球菌去除率均≥95%為目標，設計3層立體網(wǎng)帶式牛糞墊料再生系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由牛糞傳輸模塊、均勻送風模塊、系統(tǒng)維護模塊和控制模塊等組成。相關零部件見圖2，各部件相關技術參數(shù)見表1。

1.進料口；2.擋料板；3.攪拌器；4.傳送帶；5.出料口；6.清掃器；7.控制開關；8.鼓風機；9.電熱組；10.風道；11.排濕風扇；12.布氣板 1.Feed inlet; 2.Striker plate; 3.Stirrer; 4.Conveyor; 5.Discharge port; 6.Sweeper; 7.Control switch; 8.Air blower; 9.Electric resistance; 10.Air flue; 11.Exhaust fan; 12.Air distribution plate
圖2 立體網(wǎng)帶式牛糞墊料再生系統(tǒng)主視圖(a)和俯視圖(b)
Fig.2 Diagrams of 3D mesh belt system to recycle manure solids as bedding from front (a) and vertical view (b)

表1 立體網(wǎng)帶式牛糞墊料再生系統(tǒng)相關技術參數(shù)
Table 1 Technical parameters of 3D mesh belt system to recycle manure solids as bedding

部件Parts型號Types技術參數(shù)Technical parameters主箱體 Main body自行研發(fā)尺寸:2.0 m×1.0 m×1.5 m鼓風機 Air blowerHAG-SP功率:750 W;風量:20 m3/min;風壓:1.25 kPa電熱阻 Electric resistance2080發(fā)熱絲溫度:0～220 ℃?zhèn)魉蛶?Conveyor自行研發(fā)速度:0～30 m/h攪拌器 Stirrer自行研發(fā)轉(zhuǎn)速:3～15 r/min清掃器 Sweeper自行研發(fā)速度:0.05～0.1 m/s排濕風扇 Exhaust fanVIG6A排風量:0～186 m3/h壓力傳感器 Pressure sensorSike DP10壓力:0～10 Pa風速傳感器 Air velocity sensorDelta HD 2903 TC1.2風速:0～20 m/s溫濕度傳感器 Temperature andhumidity sensorDelta HD 4917 ET溫度:-20～80 ℃;濕度:0～100%

2.2 主要模塊

2.2.1牛糞傳輸模塊

牛糞傳輸模塊主要包括進、出料口及傳送帶。進、出料口設置為漏斗形狀，避免牛糞下落過程隨意擴散。果蔬脫水多采用網(wǎng)帶式熱風干燥技術，其傳送帶網(wǎng)孔直徑根據(jù)果品大小進行定制[21]。本研究在開發(fā)傳送帶干燥技術時，根據(jù)固液分離后的固體牛糞顆粒粒徑分布情況(圖3)，其粒徑≥1.0 mm的顆粒質(zhì)量所占比例可達74.9%±1.0%，因此在采用沖孔技術制作網(wǎng)帶時孔徑設定為1 mm，網(wǎng)帶打孔率為20%～30%。當牛糞鋪設在網(wǎng)帶表面時，熱風可通過牛糞孔隙進入其內(nèi)部，帶走牛糞內(nèi)部游離水分子，從而達到深度干燥殺菌目的。

圖3 固體牛糞粒徑分布
Fig.3 Size distribution of solid manure

2.2.2均勻送風模塊

均勻送風模塊主要包括鼓風機、電熱阻、風道、布氣板及排濕風扇。其中，布氣板通過干擾氣流流向，可使氣體分布更為均勻[20]，為提高布氣板防堵性和空氣噴射速度，根據(jù)實際加工條件和加工成本，選擇材料為304不銹鋼(板厚3 mm)，避開傳送帶位置(跨度167 mm)。同時考慮氣體流向，為使氣流分布更加均勻，布氣板兩端氣孔直徑設置為10 mm，中間氣孔直徑設置為8 mm，所有孔間中心距均為40 mm(圖4)。

圖4 布氣板設計平面圖
Fig.4 Ichnography of air distribution plate

2.2.3系統(tǒng)維護模塊

系統(tǒng)維護模塊主要包括擋料板、攪拌器及清掃器。擋料板在進料端通過設定其底端與傳送帶表面的垂直距離，從而限定牛糞鋪設厚度。在每一層傳送帶中間位置設置攪拌器(圖5)，攪拌器主軸裝有15組攪拌棒，在軸向同一截面的2根攪拌棒為一組，主軸直徑為4 cm，攪拌棒直徑為2 cm，且相鄰兩組攪拌棒傾斜角度為90°。該攪拌器操作方便、結構簡單、維護便利，但其對牛糞的分散作用較為有限。當牛糞平鋪于傳送帶表面時，轉(zhuǎn)動攪拌器可對其進行翻攪，使其內(nèi)部干燥更加均勻、快速。

圖5 立體網(wǎng)帶式牛糞墊料再生系統(tǒng)攪拌器實物圖
Fig.5 Stirrers in the 3D mesh belt system to recycle manure solids as bedding

固體牛糞墊料在生產(chǎn)過程中，裝置主箱體內(nèi)部會產(chǎn)生大量粉塵，同時粒徑<1.0 mm的牛糞顆粒經(jīng)傳送帶表面網(wǎng)孔落至箱體底部，若無清掃裝置則需每隔一段時間打開箱體進行清潔，操作較繁瑣。為方便清潔箱體、簡化操作，本團隊自行研制了通過鏈條傳動，帶動毛刷進行往復運動，從而達到清潔目的的清掃裝置。其中，毛刷長度為100 cm，毛長10 cm，毛層厚度1 cm，固定位置采用鋁合金板材。

2.2.4控制模塊

控制模塊主要包括2個獨立的控制單元：控制單元1用于控制傳送帶、攪拌器和清掃器的開關及運行方向和速度的調(diào)控；控制單元2用于控制整個系統(tǒng)電路的開關。

2.3 工藝流程

立體網(wǎng)帶式牛糞墊料再生系統(tǒng)在對牛糞進行處理前，需對其進行機械固液分離，這是因為牛糞本身含水率較高(82%～90%)，且其是由纖維及膠體形成的致密網(wǎng)狀結構蓄積大量水分引起的[11]，經(jīng)機械破壞其致密網(wǎng)狀結構后，牛糞內(nèi)的水分才能快速蒸發(fā)。將固液分離后的固體牛糞作為原料，在進行處理時，首先將熱風系統(tǒng)打開，調(diào)節(jié)所需溫度，并將擋料板高度設為定值。當固體牛糞從進料口進入主箱體時，打開傳送帶及攪拌器，牛糞進入主箱體后通過擋料板調(diào)整鋪料厚度。鋪料完成后，將進料口、排氣口、出料口均采用可插入式擋板進行密封。每干燥1 h打開出料口進行取料并檢測其含水率及致病菌殺滅率。

3 試驗驗證

為驗證樣機的可行性及生產(chǎn)能力，2018年4月2日—2018年10月15日，在中國農(nóng)業(yè)大學上莊試驗站進行多次試驗。試驗原料取自北京首農(nóng)畜牧發(fā)展有限公司綠荷牛業(yè)分公司半截河牛場，其含水率為75%左右。牛糞含水率檢測采用鹵素水分測試儀(型號：XY-110MW)，致病菌檢測采用平板培養(yǎng)法。

將鋪料厚度設置為5 cm、風量設置為500 m3/h，熱風溫度分別設置為50、60、70 ℃，分3次試驗進行。固體牛糞含水率為76.0%±0.5%，經(jīng)9 h熱風干燥后，牛糞含水率分別下降至56.3%、54.5%、53.3%(圖6)。熱風溫度為50 ℃時，牛糞含水率在6 h前下降較緩慢；熱風溫度為60與70 ℃時，其含水率下降趨勢差異不明顯。但在3種熱風溫度條件下，含水率均未下降至50%以下。因此，當鋪料厚度為5 cm，風量為500 m3/h，熱風溫度為50、60、70 ℃ 時，尚不能滿足牛糞墊料品質(zhì)要求。

圖6 鋪料厚度(h)和熱風溫度(t)對牛糞含水率的影響
Fig.6 The impacts of different thicknesses (h) and air temperatures (t) on the moisture content of solid manure

改變鋪料厚度，將其設置為2 cm，熱風溫度分別為50、60、70 ℃，風量不變，分3次試驗進行。固體牛糞初始含水率為73.0%±1.6%，經(jīng)9 h熱風干燥后，牛糞含水率分別下降至46.5%、6.9%、5.8%(圖6)。熱風溫度為50 ℃時，牛糞含水率逐漸減小，在干燥8 h后含水率下降至49.9%，已達牛糞墊料品質(zhì)要求，在干燥9 h后牛糞含水率可下降至46.5%，因此可考慮將其干燥時長減少為8 h，以期降低能耗；熱風溫度為60和70 ℃時，牛糞含水率均迅速下降，熱風溫度為60 ℃時，干燥4 h后含水率即降至48.1%，熱風溫度為70 ℃時，干燥3 h后牛糞含水率即降至41.9%?？梢姡?0和 70 ℃ 干燥條件下，牛糞含水率下降較快，但根據(jù)試驗過程能耗統(tǒng)計可知，熱風溫度為50 ℃時，干燥能耗為22.2 kW·h/t，熱風溫度為60和70 ℃時，干燥能耗分別為25.0和27.8 kW·h/t。因此，從節(jié)能角度，建議牛糞干燥時采用熱風溫度為50 ℃。

對鋪料厚度為2 cm，熱風溫度為50 ℃條件下，牛糞干燥9 h過程中大腸桿菌和鏈球菌殺滅情況進行檢測。結果表明，大腸桿菌和鏈球菌經(jīng)9 h高溫殺菌后，其殺菌率分別可達95.6%和98.3%(圖7)?？梢?，立體網(wǎng)帶式牛糞墊料再生系統(tǒng)可迅速降低固體牛糞含水率，并達到殺菌消毒目的。

圖7 鋪料厚度為2 cm，熱風溫度50 ℃時對 大腸桿菌和鏈球菌的殺菌率
Fig.7 Pathogen killing rates on the condition of the thickness 2 cm and the air temperature 50 ℃

4 結論及展望

立體網(wǎng)帶式牛糞墊料再生系統(tǒng)采用熱風干燥技術對固體牛糞進行干燥殺菌，同時采用沖孔網(wǎng)帶及布氣板結構在加速牛糞干燥的同時使其干燥效果更為均勻、徹底。經(jīng)試驗驗證，該系統(tǒng)可用于生產(chǎn)牛糞墊料，并使其含水率下降至46.5%，大腸桿菌和鏈球菌的殺菌率分別可達95.6%和98.3%，基本滿足對牛糞墊料含水率及生物安全性的要求。

就目前而言，該系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)模較小，且尚未實現(xiàn)連續(xù)式生產(chǎn)。后續(xù)可根據(jù)奶牛場規(guī)?；a(chǎn)需求及殺菌、干燥所需時間，合理安排網(wǎng)帶傳輸速度，使其實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，提高系統(tǒng)生產(chǎn)能力。自行研制的攪拌器裝置在系統(tǒng)試驗過程中攪拌效果欠佳，需進一步改進。