基于食用菌工廠化生產(chǎn)的作物秸稈循環(huán)利用系統(tǒng)*

王明友，周德歡，吳今姬，王教領(lǐng)，丁天航，周 帆，宋衛(wèi)東

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014）

隨著栽培規(guī)模的不斷擴(kuò)大與單產(chǎn)質(zhì)量的持續(xù)提升，食用菌產(chǎn)業(yè)現(xiàn)已躍升為繼糧食、油料、果樹、蔬菜之后的中國(guó)第五大類作物[1-2]。目前，中國(guó)的香菇 （Lentinus edodes）、 平 菇 （Pleurotus ostreatus）、金針菇 （Flammulina velutipes）、草菇 （Volvariella volvacea） 等產(chǎn)品總產(chǎn)量也從1978年占全球產(chǎn)量的5.7%上升到2009年的80%以上[3-4]。據(jù)中國(guó)食用菌協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)[5]，2017年中國(guó)食用菌總產(chǎn)量達(dá)3 713萬噸（不含西藏、寧夏、青海、海南和臺(tái)灣省區(qū)），其中工廠化食用菌產(chǎn)量為256.3萬噸。

食用菌工廠化生產(chǎn)的栽培原料主要有雜木屑、玉米芯、甜菜渣、甘蔗渣、麩皮等農(nóng)業(yè)廢棄物[6]，有利于節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，擴(kuò)大農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收，按工廠化食用菌產(chǎn)量與生產(chǎn)后的菌渣比1:1.0～1:1.1計(jì)算[7]，2017年我國(guó)工廠化食用菌所產(chǎn)生的菌渣達(dá)260萬噸，而全國(guó)食用菌生產(chǎn)所產(chǎn)生的菌渣總量將超過4 000萬噸。當(dāng)前，國(guó)家雖然對(duì)菌渣的綜合利用做了大量的基礎(chǔ)性研究工作[8-15]，但僅有少部分有條件的食用菌工廠化生產(chǎn)企業(yè)將菌渣作為滅菌用燃料自身消化利用，或出售給有機(jī)肥生產(chǎn)企業(yè)制作有機(jī)肥；大部分企業(yè)將菌渣堆放在企業(yè)周圍，給周邊居民生活環(huán)境產(chǎn)生不良影響。因此，研究作物秸稈在食用菌生產(chǎn)全過程中的循環(huán)利用系統(tǒng)，通過建立“作物秸稈-食用菌栽培基質(zhì)-菌渣-烘干-燃料-菇房加熱、菌渣烘干”和“作物秸稈-食用菌栽培基質(zhì)-菌渣-烘干-飼料、肥料”的綜合循環(huán)利用新技術(shù)和新模式，以打破現(xiàn)有作物秸稈單一非循環(huán)利用途徑，完善作物秸稈高效循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)鏈，形成作物秸稈在食用菌生產(chǎn)中的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系，以期為食用菌工廠化企業(yè)秸稈高效循環(huán)利用提供技術(shù)參考。

1 系統(tǒng)組成與原理

1.1 系統(tǒng)組成

作物秸稈循環(huán)利用系統(tǒng)見圖1。

由圖1所示，按作物秸稈在工廠化食用菌生產(chǎn)中的工藝流程，基于食用菌工廠化生產(chǎn)的作物秸稈循環(huán)利用系統(tǒng)主要由秸稈切碎攪拌子系統(tǒng)、食用菌生產(chǎn)子系統(tǒng)、菌渣處理收集子系統(tǒng)、菌渣烘干子系統(tǒng)、菌渣循環(huán)利用子系統(tǒng)和菌渣除塵子系統(tǒng)等組成。

1.2 工作過程

1）在食用菌工廠化生產(chǎn)企業(yè)，將作物秸稈經(jīng)秸稈切碎攪拌子系統(tǒng)切碎后與輔料一起攪拌，并將攪拌好的栽培料進(jìn)行裝瓶（袋）作業(yè)，經(jīng)滅菌、冷卻、接種、發(fā)菌等工序后放置于出菇房?jī)?nèi)進(jìn)行出菇生長(zhǎng)。

2）待食用菌采收完成后，菌渣經(jīng)菌渣處理收集子系統(tǒng)篩分后收集到濕料倉內(nèi)；在濕料倉內(nèi)防架橋液壓鏟的作用下，由料倉的出料螺旋定量輸送到烘干機(jī)的進(jìn)料螺旋內(nèi)后進(jìn)入烘干機(jī)內(nèi)筒。在滾筒抄板和熱風(fēng)的共同作用下，物料依次經(jīng)過內(nèi)筒、中筒、外筒；最后從烘干機(jī)的另一端由螺旋送出。

3）螺旋送出的干菌渣再由提升機(jī)送到干料倉，干料倉設(shè)計(jì)為3個(gè)出料螺旋。一個(gè)出料螺旋送到旋流燃燒熱風(fēng)爐用于濕菌渣在烘干機(jī)內(nèi)的加熱，完成濕菌渣的烘干循環(huán)利用；一個(gè)出料螺旋送到生物質(zhì)蒸汽鍋爐用于燃燒產(chǎn)生蒸汽，完成對(duì)菇房溫度的控制及裝瓶（袋）后的蒸汽殺菌消毒作業(yè)；一個(gè)出料螺旋輸出干菌渣用于制備畜禽飼料。

4）濕料倉內(nèi)的菌渣經(jīng)發(fā)酵后可制作成有機(jī)肥直接還田，用于農(nóng)作物的生長(zhǎng)。

2 關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 秸稈切碎攪拌子系統(tǒng)

秸稈切碎攪拌子系統(tǒng)主要由物料切碎裝置與攪拌混勻裝置組成，作物秸稈切碎后與輔助物料一起放入攪拌裝置內(nèi)進(jìn)行攪拌混勻，為食用菌裝瓶（袋）做準(zhǔn)備。該子系統(tǒng)中的秸稈切碎長(zhǎng)度必須≤4 mm[16]，以防裝瓶（袋）后的栽培料孔隙度過大，造成物料持水性下降。粉碎后的作物秸稈與生產(chǎn)輔料一起送至雙螺旋攪拌裝置內(nèi)進(jìn)行混勻攪拌，攪拌均勻后的栽培料含水率應(yīng)高于80%，并通過輸送絞龍將栽培料輸送到食用菌生產(chǎn)子系統(tǒng)中的裝瓶（袋）裝置內(nèi)進(jìn)行下道工序的作業(yè)。

2.2 食用菌生產(chǎn)子系統(tǒng)

食用菌生產(chǎn)子系統(tǒng)主要由裝瓶（袋）裝置、消毒滅菌裝置、凈化冷卻裝置、接種裝置等組成，將裝瓶（袋）后的培養(yǎng)料經(jīng)滅菌、冷卻、接種、發(fā)菌等工藝后，放置于出菇房?jī)?nèi)，并按照食用菌栽培最佳生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)料的最大生物學(xué)效率。該子系統(tǒng)中的消毒滅菌裝置所需蒸汽由菌渣利用子系統(tǒng)中的蒸汽鍋爐提供，而菌渣利用子系統(tǒng)中蒸汽鍋爐燃燒所需的燃料則由菌渣烘干系統(tǒng)提供。該子系統(tǒng)中所需食用菌常壓滅菌設(shè)備在溫度100℃下滅菌12 h～16 h；食用菌高壓滅菌設(shè)備在溫度120℃～125℃下滅菌6 h～8 h[17]。冷卻室內(nèi)的空氣潔凈度需達(dá)到1萬級(jí)以上，且室內(nèi)溫度不超過20℃后，方可將滅菌后的栽培料移至冷卻室內(nèi)進(jìn)行冷卻[18]；冷卻接種后即可移至發(fā)菌室內(nèi)進(jìn)行發(fā)菌出菇，可通過出菇房中的蒸汽管道與蒸汽鍋爐管道連接，以便實(shí)現(xiàn)食用菌生產(chǎn)過程中的環(huán)境溫度調(diào)控。

2.3 菌渣處理收集子系統(tǒng)

菌渣處理收集子系統(tǒng)由挖瓶裝置或菌包分離裝置組成，使栽培食用菌后培養(yǎng)料與菌瓶（袋）分離，并將分離后含水率在50%的濕菌渣通過刮板式提升機(jī)提升至帶有防架橋液壓鏟的濕料倉內(nèi)進(jìn)行集中收集，也可直接制作有機(jī)肥還田。該子系統(tǒng)中菌包破碎裝置可實(shí)現(xiàn)菌渣與廢菌袋分離，便于廢菌袋集中收集處理，防止塑料袋隨意丟棄造成環(huán)境污染。

2.4 菌渣烘干子系統(tǒng)

菌渣烘干子系統(tǒng)主要利用三筒轉(zhuǎn)筒式烘干裝置對(duì)濕料倉內(nèi)的菌渣進(jìn)行烘干，并將烘干后的菌渣通過干料提升機(jī)提升至干料倉內(nèi)集中收集。三筒式轉(zhuǎn)筒式烘干裝置見圖2。

由圖2可知，收集到的菌渣經(jīng)振動(dòng)篩分處理后，符合烘干要求的菌渣提升至平底料倉中，通過料倉內(nèi)出料螺旋定量輸送三筒式轉(zhuǎn)筒烘干機(jī)進(jìn)行烘干，烘干后從烘干機(jī)的另一端由螺旋送出。該子系統(tǒng)中的三筒式轉(zhuǎn)筒烘干主機(jī)呈疊套式裝配結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒被中筒、外筒所包圍，形成雙層包圍保溫，不僅增加筒體的熱容量，還有效增加了物料在筒內(nèi)的分散度與熱交換面積[19]，且占地面積只有單筒烘干機(jī)的1/2左右。熱效率提高約40%～55%，節(jié)約能耗1/2以上。

2.5 菌渣利用子系統(tǒng)

菌渣利用子系統(tǒng)主要由濕料倉以及與干料倉連接的熱風(fēng)爐、蒸汽鍋爐等組成。干料倉內(nèi)有3個(gè)出料螺旋口，分別用于燃料加熱、蒸汽滅菌及飼料添加[20-21]。菌渣利用子系統(tǒng)與菌渣烘干子系統(tǒng)相互連接，烘干熱風(fēng)爐所需的原料由菌渣烘干系統(tǒng)提供，而產(chǎn)生的熱風(fēng)又送至烘干菌渣烘干系統(tǒng)中重復(fù)利用。

2.6 菌渣除塵子系統(tǒng)

菌渣除塵子系統(tǒng)主要是對(duì)熱風(fēng)爐與蒸汽鍋爐產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行除塵。根據(jù)國(guó)家對(duì)鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求[22]，對(duì)生物鍋爐（及烘干） 煙氣進(jìn)行除塵。根據(jù)陶瓷多管除塵器+復(fù)合式水膜脫硫除塵器（含文丘里噴淋霧化裝置） 的處理要求，使粉塵及SO2達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 應(yīng)用與分析

食用菌工廠化生產(chǎn)的作物秸稈循環(huán)利用系統(tǒng)，于2017年8月至2019年5月在江蘇連云港國(guó)盛生物科技有限公司內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用示范，并按照企業(yè)年產(chǎn)1.2萬噸杏鮑菇（Pleurotus eryngii）對(duì)作物秸稈的需求量進(jìn)行了系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)試。燃燒子系統(tǒng)的菌渣來自連云港國(guó)盛生物科技有限公司生產(chǎn)杏鮑菇后的栽培料，主要成分為棉籽殼、木屑，麥麩等，顆粒度為5 mm，含水率為48%。

在該公司內(nèi)開展試驗(yàn)，烘干系統(tǒng)每天正常運(yùn)行，持續(xù)運(yùn)行10 d，根據(jù)GB 13271-2014鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[22]與GB 5468-1991鍋爐煙塵測(cè)試方法[23]中測(cè)定方法，于2018年12月測(cè)定菌渣烘干系統(tǒng)中產(chǎn)量、菌渣消耗量、煙塵濃度、SO2濃度、NOX濃度、黑煙排放等環(huán)保指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 菌渣烘干系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of edible fungi residue drying system

如表1所示，生產(chǎn)應(yīng)用檢測(cè)數(shù)值表明，企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的菌渣集中處理收集后，可滿足企業(yè)自身生產(chǎn)中對(duì)蒸汽、熱能的需要，實(shí)現(xiàn)菌渣在企業(yè)內(nèi)的循環(huán)利用；設(shè)計(jì)的菌渣燃燒除塵設(shè)備能夠滿足國(guó)家對(duì)環(huán)境的排放要求，實(shí)際應(yīng)用測(cè)定系統(tǒng)除塵后的 SO2、NOX、煙塵等排放濃度分別為 12.68 mg·m-3、26.67 mg·m-3、10.32 mg·m-3，低于國(guó)家對(duì)鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

基于作物秸稈特性與工廠化食用菌企業(yè)菌渣特性對(duì)熱能的需要，提出了基于食用菌工廠化生產(chǎn)的作物秸稈循環(huán)利用系統(tǒng)，通過秸稈切碎攪拌子系統(tǒng)、食用菌生產(chǎn)子系統(tǒng)、菌渣處理收集子系統(tǒng)、菌渣烘干子系統(tǒng)、菌渣循環(huán)利用子系統(tǒng)和菌渣除塵子系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了食用菌工廠化企業(yè)內(nèi)的作物秸稈清潔化處理與資源化利用，有效降低了企業(yè)生產(chǎn)成本。菌渣燃燒除塵設(shè)備能夠滿足國(guó)家對(duì)環(huán)境的排放要求，通過實(shí)際應(yīng)用表明系統(tǒng)除塵后的SO2、NOX、煙塵等排放濃度低于國(guó)家對(duì)鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。在系統(tǒng)性能測(cè)試中，菌渣烘干系統(tǒng)的菌渣烘干生產(chǎn)率達(dá) 17.4 kg·h-1，烘干后的菌渣含水率為14.51%，滿足食用菌工廠化生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際需求。