病死動物無害化處理一體機的試制研究

高 亮，李福欣，褚 斌

(山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院，山東 濟南 250100)

中國畜禽養(yǎng)殖總量位居世界第一，畜禽養(yǎng)殖過程中會產(chǎn)生一定比例的死畜禽，除此之外，重大疫情或災害發(fā)生時也會出現(xiàn)大量死畜禽[1]。如何安全快速處理死畜禽尸體成為人們關(guān)注的重點。

國外利用高溫高壓方法進行病死動物無害化處理的應用非常普遍，開發(fā)了自動化程度高的機械裝備和監(jiān)控系統(tǒng)，比如美國的AHSC、英國的Astell、加拿大協(xié)德公司[2-3]等。歐美一些國家近年來著手研發(fā)常壓高溫處理技術(shù)[4-5]，處理后產(chǎn)品可用來加工有機肥[6]。

根據(jù)GB 16548-2006《病害動物和病害動物產(chǎn)品生物安全處理規(guī)程》[7]的規(guī)定，目前對病死動物尸體處理方式主要有焚燒、掩埋、化制和發(fā)酵4種方法[8-9]。其中利用發(fā)酵的方法能夠?qū)⒉∷绖游锞偷剡M行無害化處理，避免由于運輸而導致疫病傳播的可能性[10]。國內(nèi)研究開發(fā)的設(shè)備有：曲祖乙[11]的無害化處理罐，該設(shè)備沒有對病死動物進行機械分割、絞碎處理，處理時間長，且沒有外部加熱裝置，對病原體殺滅效果差；徐進京[12]的無害化處理系統(tǒng)把上料、分割、攪拌分開操作，增加了成本且輸送過程容易造成二次污染；姜學東[13]研制的動物尸體破碎機只有分割破碎的功能；盛力偉[14]的無害化處理技術(shù)只介紹了好氧發(fā)酵的工藝和無害化處理效果；劉云鵬[15]設(shè)計的無害化處理設(shè)備沒有強制通氧和廢氣氣水分離裝置，沒有涉及自動上料出料、自動化控制功能。

從技術(shù)和環(huán)保性、經(jīng)濟性的角度，筆者設(shè)計了一種集自動上料出料、機械分割攪拌、高溫快速好氧發(fā)酵、廢氣氣水分離、自動化控制功能于一身的無害化處理設(shè)備，以更好地實現(xiàn)病死動物的就地化、無害化、資源化處理和利用，并通過試驗評估了設(shè)備的機械性能和無害化處理效果，為促進中國畜牧業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展、保障畜禽產(chǎn)品質(zhì)量安全提供支撐。

1 無害化處理一體機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 無害化處理指標

高溫好氧發(fā)酵是通過好氧微生物的代謝作用分解動物尸體，產(chǎn)生水、二氧化碳等物質(zhì)；微生物代謝過程產(chǎn)生熱量，使溫度升高，高溫階段可以達到60 ℃以上，足以殺滅病原體，從而實現(xiàn)病死動物尸體的無害化處理[16]。該處理機進料、出料通過機械自動實現(xiàn)，發(fā)酵熱蒸氣經(jīng)氣水分離無害化處理后再排放，避免了人與病死畜禽的接觸及生產(chǎn)造成的二次污染。病死畜禽處理前后均檢測豬瘟病毒、偽狂犬病病毒、圓環(huán)病毒、繁殖與呼吸綜合征病毒、大腸桿菌、沙門氏菌、蛔蟲卵、抗生素等有害物質(zhì)含量，驗證處理機的無害化處理效果。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

無害化處理機由進料、粉碎發(fā)酵、出料、氣水分離、動力、電控六部分組成。其中進料斗、出料斗、粉碎發(fā)酵倉門的開閉由液壓系統(tǒng)提供動力；粉碎、切割、攪拌由主電機提供動力；氣水分離由冷凝器電機提供動力。電控操作分為自動和手動兩種模式，自動模式下整機運行會按照程序設(shè)定步驟和時間進行工作，工作過程中沒有緊急情況，無需操作。無害化處理機詳細結(jié)構(gòu)見圖1，外觀見圖2。

圖1 無害化處理一體機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 無害化處理一體機外觀

無害化處理機核心部件是切刀，包含動刀和定刀，具有分割、切碎、攪拌的作用，要有較好的機械強度，能承受較大的剪切力和扭力，動刀結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3。動刀材料全部采用304不銹鋼，壓輥上表面焊接2～3道316耐磨材料，工作過程中，壓輥通過圖1中的定刀片間隙，起到分割、擠壓粉碎的作用；上下加強筋和上筋板及下筋板起到增加刀片強度和攪拌分流的作用；動刀片兩側(cè)開刃，具有分切動物尸體的功能；動刀整體焊接，共有8個，通過軸套固定安裝在主軸上，動刀跟隨主軸旋轉(zhuǎn)，與固定在倉體內(nèi)壁上的定刀配合，起到分割、粉碎、攪拌的作用。

圖3 動刀結(jié)構(gòu)

1.3 工作原理

無害化處理機工作過程可以概括為進料、發(fā)酵、出料、氣水分離。運輸來的動物尸體放入進料斗，在液壓缸的驅(qū)動下，倉蓋打開，進料斗上升把動物尸體送入發(fā)酵倉后返回原位，倉蓋關(guān)閉。倉體內(nèi)動刀、定刀分切、粉碎動物尸體，并把動物尸體、輔料、菌劑攪拌混合均勻；油槽里加熱棒通電，加熱介質(zhì)油，從而快速提升倉體內(nèi)物料溫度，為發(fā)酵過程提供適宜的溫度；發(fā)酵過程中主軸帶動動刀旋轉(zhuǎn)，通氣閥達到一定壓力自動進入空氣，從而實現(xiàn)高溫快速好氧發(fā)酵。冷凝器通過冷凝吸管把發(fā)酵過程中產(chǎn)生的熱蒸氣吸走，利用冷凝原理實現(xiàn)氣水分離，并經(jīng)處理達標后排放。經(jīng)12 h高溫好氧發(fā)酵處理，液壓缸開啟出料斗，在主軸和動刀的旋轉(zhuǎn)推動下，實現(xiàn)出料，出料結(jié)束后液壓缸關(guān)閉出料斗，至此完成一次無害化處理。整個工作過程可遙控控制，無需人工操作，自動化程度高，避免工作人員和病死動物接觸。為了試驗研究設(shè)備性能，控制部分增加了手動控制功能。

2 病死動物無害化處理試驗

2.1 試驗設(shè)備與材料

無害化處理一體機1臺，出料篩分機1臺，病死鴨尸體600 kg，病死小豬尸體600 kg，稻殼粉600 kg，高溫發(fā)酵菌劑2 kg，包裝袋35條，采樣工具及采樣袋，溫度傳感器，便攜式水分測量儀，電纜。

2.2 樣品采集與指標檢測

選擇壽光金盛源固廢處理有限公司作為試驗場地，該公司是壽光市定點病死畜禽處理點，有較好的病死畜禽聯(lián)網(wǎng)管理平臺和運輸條件，無害化處理一體機和出料篩分機安裝在該公司3號新車間。設(shè)備安裝調(diào)試完畢后，分別進行病死鴨、病死小豬的無害化處理試驗。

為了取樣，設(shè)備采用手動控制。先開倉蓋加入病死動物尸體，關(guān)閉倉蓋啟動主電機對尸體進行分割粉碎，運行2 h。然后開倉蓋加入稻殼粉和菌劑，關(guān)閉倉蓋直到本次處理完成。最后打開出料斗，篩分出料，把沒有發(fā)酵分解完全的物料篩分出來。

病死豬粉碎后、處理成品分別取樣2份送檢，檢測豬瘟病毒[17]、豬偽狂犬病病毒[18]、豬圓環(huán)病毒[19]和豬繁殖與呼吸綜合征病毒[20]。病死豬粉碎后、處理成品分別取樣1 kg送檢，檢測糞大腸菌群[21]、沙門氏菌[21]、蛔蟲卵死亡率[21]、青霉素[22]、磺胺-6-甲氧嘧啶[23]。病死鴨處理成品取樣2份，各0.5 kg，檢測大腸菌群[21]和沙門氏菌[21]。病死鴨、病死豬處理后的廢氣冷凝水分別取樣0.1 kg，檢測總大腸菌群[24]、沙門氏菌[25]和總大腸菌群[26]。

3 結(jié)果與分析

3.1 機械性能

機械性能主要是指無害化處理一體機對動物尸體的分割、粉碎、攪拌混合性能，實現(xiàn)對發(fā)酵原料的預處理，加快好氧發(fā)酵過程，提高效率。病死鴨、病死豬處理過程中，入料時拍照如圖4，運行2 h開倉蓋拍照如圖5，然后加入稻殼粉和菌劑，再運行10 h，處理完畢，開倉蓋拍照如圖6。觀察物料狀態(tài)，分析機械分割、粉碎、攪拌效果。處理成品篩分出料后，未分解物料如圖7。

圖4 物料入料狀態(tài)Fig.4 Feeding status

圖5 運行2 h物料狀態(tài)Fig.5 Running for 2 hours

圖6 處理完畢物料狀態(tài)Fig.6 Processed material status

由圖4和圖5可知，設(shè)備運行2 h，病死鴨和豬的尸體被完全分割、粉碎，未發(fā)現(xiàn)大塊尸體和骨頭。因病死鴨羽毛蛋白質(zhì)含量高，質(zhì)地柔韌，大部分羽毛保持完整形態(tài)；測量含水率，病死鴨為62%，病死豬為66%。由圖6可知，設(shè)備運行12 h處理完畢后，成品料質(zhì)地均勻、松散，未見羽毛、尸肉；測量含水率，鴨料成品46%，豬料成品50%。由圖7可知，成品料篩分后均有未分解的碎塊骨頭，尺寸都在5 cm以內(nèi)，未見羽毛及大塊骨頭，可見無害化處理一體機的機械性能良好，能夠有效分割、粉碎動物尸體，尸體、輔料和菌劑混合均勻，攪拌混合效果明顯，加快了高溫好氧發(fā)酵過程，提高了處理效率。

圖7 篩分后未分解物料狀態(tài)Fig.7 Undecomposed material status after sieving

3.2 溫控性能

溫度是高溫好氧發(fā)酵的關(guān)鍵參數(shù)，溫度過低菌劑活性不夠，無法快速繁殖和代謝，發(fā)酵速度慢；溫度過高，一定時間后會讓菌劑滅活，起不到加快發(fā)酵過程的作用。55～75 ℃是高溫好氧菌比較適宜生存的溫度環(huán)境。

無害化處理一體機的倉體內(nèi)壁、油槽均安裝有溫度傳感器，整個處理過程可以實時監(jiān)測發(fā)酵倉內(nèi)部和油槽溫度，以便及時調(diào)控溫度，為發(fā)酵過程提供適宜的溫度，加快菌劑的繁殖和代謝分解作用。設(shè)備整個運行過程取8個時間點記錄油槽和倉內(nèi)溫度數(shù)值，如圖8所示。

由圖8可見，設(shè)備運行前油槽和倉體都是室溫溫度；加熱1 h溫升無多大變化；加熱2 h倉體內(nèi)溫升幅度變小，原因是打開倉蓋添加輔料和菌劑造成溫度下降；運行6 h，倉體內(nèi)溫度達到75 ℃，達到了發(fā)酵溫度上限，此時設(shè)備自動運行冷凝系統(tǒng)，把倉體內(nèi)蒸氣抽走進行氣水分離，打開通氣閥給倉體內(nèi)增氧并降溫，此時油槽溫度是106 ℃；運行12 h，處理完成，設(shè)備自動斷電。

圖8 油槽和倉內(nèi)溫度變化曲線Fig.8 Oil tank and warehouse temperature curve

運行6 h至處理完成，倉內(nèi)發(fā)酵溫度穩(wěn)定在75 ℃，這是由自動溫度控制實現(xiàn)的。一是空氣的流入和流出降低了艙內(nèi)溫度、排出了廢蒸氣，同時為好氧發(fā)酵提供了充足的氧氣；另一方面保證了高溫好氧發(fā)酵的適宜溫度，為菌種繁殖和新陳代謝提供條件，從而加快發(fā)酵進程，提高效率。由此可見，無害化處理一體機的溫控性能良好，能夠保障高溫好氧發(fā)酵適宜的溫度環(huán)境。

3.3 無害化處理效果

病死動物的無害化處理是研制此設(shè)備的核心目的。對處理前后的物料和處理后的廢氣冷凝水進行檢測，對比檢測結(jié)果，驗證一體機的無害化處理效果。檢測結(jié)果如表1所示。

病死豬糞大腸桿菌含量，處理前達到9.3×104MPN/g，嚴重超標，高溫好氧發(fā)酵后含量<3 MPN/g，符合國標要求?；紫x卵死亡率經(jīng)過高溫好氧發(fā)酵處理后提高了34個百分點，達到96%，符合國標要求。病死鴨經(jīng)高溫好氧發(fā)酵后，含有的大腸菌群和沙門氏菌符合國標要求。病死豬和病死鴨高溫好氧發(fā)酵過程中產(chǎn)生的廢氣冷凝水經(jīng)無害化處理后含有的總大腸菌群數(shù)<2 MPN/100 mL，符合國標要求，沙門氏菌未檢出。結(jié)果表明一體機采用的高溫好氧發(fā)酵工藝，能夠有效殺滅病毒、病菌、蛔蟲卵等有害病原體，滿足病死動物尸體無害化處理的要求。

表1 檢測結(jié)果Table 1 Test results

3.4 成本分析

一體機無害化試驗，一個批次的處理成本核算見表2?？偝杀?91元，其中稻殼粉和電耗成本較高。

表2 一個批次處理成本Table 2 One batch processing cost

4 討 論

4.1 無害化一體機處理效果及存在問題

經(jīng)無害化處理一體機處理，成品篩分后出現(xiàn)未降解的尺寸在5 cm以內(nèi)的尸體骨頭，說明一體機動刀和定刀的設(shè)計還不能有效粉碎小尺寸物料，刀安裝在主軸上，刀與刀之間的間隔過大，應該是造成小尺寸物料不能被有效粉碎的原因。出料成品的含水率較高，主要原因是機械攪拌性能不夠，發(fā)酵過程中不能有效翻堆物料，高溫蒸氣不能及時散發(fā)并通過冷凝系統(tǒng)排出，次要原因是高溫發(fā)酵處理時間短，從而造成發(fā)酵成品含水率較高。

從油槽和倉內(nèi)溫度變化曲線可以看出，一體機倉內(nèi)降溫系統(tǒng)是有效的，能保證高溫發(fā)酵期間溫度的恒定，為微生物提供適宜環(huán)境溫度；當倉內(nèi)溫度達到恒定時，油槽溫度仍在上升，說明溫度控制沒有實現(xiàn)閉環(huán)，加熱棒仍然按照設(shè)定時間工作，造成油槽溫度持續(xù)上升，增加了能耗。

無害化指標檢測結(jié)果表明，高溫好氧發(fā)酵對死豬尸體病毒殺滅效果最好，對大腸菌群和蛔蟲卵的殺滅效果較好，大腸菌和蛔蟲卵沒有被完全殺滅，一方面原因是微生物本身特性導致其較難被殺滅，另一方面原因是高溫好氧發(fā)酵時間短，部分微生物失活但不足以致死，發(fā)酵完成待溫度下降后，其活性又恢復。在尸體及處理后的產(chǎn)品和冷凝水中均未檢出沙門氏菌，說明試驗用的死豬、死鴨并未感染沙門氏菌，無法檢驗一體機對沙門氏菌的殺滅效果。兩種抗生素在樣本中未檢出，無法探究高溫好氧發(fā)酵與抗生素消減之間的關(guān)系。

4.2 無害化一體機處理成本

稻殼粉和電耗的成本較高，稻殼粉主要用來調(diào)節(jié)C/N比和吸水，為微生物菌劑的快速繁殖提供條件，其價格隨市場供需關(guān)系而變化；一體機運行的電耗可以通過機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化、選用性能更好的保溫材料、實現(xiàn)溫控系統(tǒng)的閉環(huán)控制等方法來降低。單個批次入料900 kg，出料750 kg，處理成品的成本為650元/t，每噸成品料售價在700元上下，企業(yè)采用該一體機進行無害化處理，可以盈利。壽光金盛源固廢處理有限公司進行病死畜禽集中無害化處理，政府管理部門會根據(jù)網(wǎng)上管理平臺錄入的數(shù)據(jù)給予企業(yè)補助，政府補助可以很大程度上抵消企業(yè)運營成本。企業(yè)運營，政府財政支持，這也是大部分國內(nèi)病死動物無害化處理企業(yè)的現(xiàn)狀。因此，節(jié)約成本，降低能耗，是無害化處理亟待解決的問題。

本研究內(nèi)容從無害化處理機械裝備節(jié)本降耗的角度出發(fā)，研制了一種高效無害化處理一體機，與同類設(shè)備相比，一體機噸料電耗小于180 kW·h，同類產(chǎn)品噸料電耗在200 kW·h以上；一體機無害化處理過程無污水、臭氣排出，比同類產(chǎn)品更環(huán)保；一體機單批次處理時間12 h，同類產(chǎn)品單批次處理時間20 h以上；一體機無害化處理只需一次加料，處理過程與外界隔離，可操作性和安全性比同類產(chǎn)品更高。

5 小 結(jié)

通過對無害化處理一體機的試驗研究，驗證了一體機的機械性能和溫控性能，整機設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)緊湊，性能良好。

對病死豬、病死鴨處理前后物料和廢氣冷凝水檢測結(jié)果驗證了高溫好氧發(fā)酵工藝處理病死動物尸體的有效性，驗證了一體機的無害化處理效果。

以后可從幾方面進行優(yōu)化改進：改進刀具排列布置，提高對小尺寸物料粉碎能力；增強機械攪拌性能，充分翻拋發(fā)酵物料，使蒸氣及時排出，降低成品含水率；增加溫度閉環(huán)控制功能，準確控制加熱棒動作，降低能耗；適當延長高溫發(fā)酵處理時間，增強對病原微生物的殺滅效果；優(yōu)化設(shè)計機械結(jié)構(gòu)并采用更高效保溫材料和加熱方法，降低生產(chǎn)成本和能耗；提高設(shè)備智能化控制水平，減少工作人員接觸機會。增加含水率、ph值等發(fā)酵條件控制功能，為菌劑提供更適宜的環(huán)境，加快發(fā)酵過程，提高處理效率。