規(guī)?；i場(chǎng)固糞好氧快速發(fā)酵工藝與設(shè)備研究

袁興茂 李霄鶴 吳海巖 張俊杰 胡 棟 孫太福

(1.河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所有限公司， 石家莊 050051； 2.河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所， 石家莊 050051；3.遷安市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局， 遷安 064400)

0 引言

近年來(lái)，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和生豬養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，生豬規(guī)?；B(yǎng)殖已經(jīng)成為主流養(yǎng)殖模式，2016年生豬規(guī)?；B(yǎng)殖比例已達(dá)70%[1]，生豬產(chǎn)業(yè)已成為農(nóng)牧業(yè)增收的重要支柱產(chǎn)業(yè)，但生豬產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展也導(dǎo)致了糞污排放量的增加。一般中小規(guī)模生豬養(yǎng)殖場(chǎng)，每年鮮糞排泄量達(dá)(3.9～4.0)億t，居于我國(guó)重點(diǎn)排污領(lǐng)域的首位，大量糞污以及廢棄物對(duì)養(yǎng)殖周邊環(huán)境的空氣、土壤、水質(zhì)等造成了嚴(yán)重污染,已成為我國(guó)環(huán)境污染的主要來(lái)源[2-11]。隨著環(huán)境及環(huán)保壓力的逐年加大，生豬養(yǎng)殖業(yè)糞污的治理問(wèn)題已成為我國(guó)生豬產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展亟需解決的重大問(wèn)題之一[12]。

目前大多數(shù)生豬養(yǎng)殖場(chǎng)的糞污處理與利用率較低，總體利用率不足60%，且傳統(tǒng)的槽式及堆置式堆肥工藝普遍存在投資大、處理周期長(zhǎng)、占地面積大、臭氣收集難、利用技術(shù)不配套以及管理技術(shù)和水平粗放，尤其是不適于中小規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)點(diǎn)源環(huán)境污染治理等問(wèn)題[13-17]，但中小規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)主體數(shù)量在總養(yǎng)殖主體數(shù)量中占有絕對(duì)比例，2015年占總養(yǎng)殖主體數(shù)量的84%[18]。

為縮短糞污發(fā)酵周期、減少糞污處理占地面積、提高糞污利用率、提升發(fā)酵設(shè)備自動(dòng)化程度，本文以中小規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)為研究對(duì)象，在確定糞污產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，以存欄量2 000頭的養(yǎng)豬場(chǎng)為案例，設(shè)計(jì) “日產(chǎn)日清、原位處理”的豬糞好氧快速發(fā)酵高溫?zé)o害化處理工藝，并按照工藝設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)一種智能好氧高溫發(fā)酵罐，在養(yǎng)豬場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。

1 規(guī)模化種豬場(chǎng)糞污收集

1.1 各類(lèi)豬群存欄及占欄頭數(shù)計(jì)算

在規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)項(xiàng)目建設(shè)中，各類(lèi)豬群存欄及占欄頭數(shù)的計(jì)算比較混亂[19]，不同飼養(yǎng)階段的豬群糞污產(chǎn)量不同[20]，為了更精確地掌握豬場(chǎng)各類(lèi)豬群存欄頭數(shù)分配情況，結(jié)合豬場(chǎng)實(shí)際，經(jīng)對(duì)部分豬場(chǎng)調(diào)研，得出規(guī)?；i場(chǎng)各類(lèi)豬的日常存欄量占總存欄量的百分比分別為保育豬40%、育肥豬50%、妊娠豬9.7%和公豬0.3%。

1.2 豬場(chǎng)糞污收集量計(jì)算

《第一次全國(guó)污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》中形成了以東北、華北、華東、中南、西南、西北6個(gè)大區(qū)為單位的畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)，在大區(qū)尺度上具有較高的準(zhǔn)確性，為了給糞尿的無(wú)害化處理和資源化利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，董紅敏等[21]對(duì)規(guī)?；N豬場(chǎng)保育、育肥和妊娠母豬3個(gè)階段4個(gè)季節(jié)進(jìn)行了產(chǎn)污系數(shù)研究，結(jié)果如表1所示。

表1 每頭生豬不同生產(chǎn)階段產(chǎn)污系數(shù)Tab.1 Generation coefficient in different feeding stages

養(yǎng)殖場(chǎng)糞污產(chǎn)生量計(jì)算公式為[22]

(1)

式中M——糞污產(chǎn)生量，kg/d

i——不同養(yǎng)殖階段

Ni——對(duì)應(yīng)養(yǎng)殖階段的畜禽數(shù)量，頭

fi——對(duì)應(yīng)養(yǎng)殖階段的產(chǎn)污系數(shù)，kg/(頭·d)

以河北省年存欄量2 000頭的某養(yǎng)豬場(chǎng)為例，根據(jù)表1及式(1)，計(jì)算得養(yǎng)殖場(chǎng)每天產(chǎn)糞量為2 288 kg/d，產(chǎn)尿量為4 984 L/d。

2 技術(shù)模式及所需技術(shù)裝備

2.1 工藝設(shè)計(jì)

以養(yǎng)殖規(guī)模為2 000頭的養(yǎng)豬場(chǎng)為例，糞便處理工藝為干清糞模式，養(yǎng)殖場(chǎng)采取雨污分流措施后，排泄物主要包括糞便、尿液、圈舍的沖洗廢水。針對(duì)目前養(yǎng)殖場(chǎng)規(guī)模和基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)計(jì)了“日產(chǎn)日清、原位處理”的糞污無(wú)害資源化利用種養(yǎng)結(jié)合的處理工藝，工藝流程如圖1所示。

智能好氧發(fā)酵罐的工作模式為全封閉連續(xù)批次式發(fā)酵，養(yǎng)豬場(chǎng)當(dāng)天產(chǎn)生的糞污、固糞不需轉(zhuǎn)移，直接進(jìn)入就近建立在豬舍旁的集糞池，經(jīng)攪拌均勻后，進(jìn)入固液分離設(shè)備，分離的固糞(含水率控制在55%～65%)直接進(jìn)入智能好氧發(fā)酵罐經(jīng)高溫發(fā)酵后直接出料(可選擇性加入秸稈)，經(jīng)后腐熟后直接還田，如水分過(guò)高可加入輔料進(jìn)行調(diào)節(jié)，或加入部分發(fā)酵好的有機(jī)肥進(jìn)行回調(diào)處理，尿液廢水等進(jìn)入三級(jí)沉淀池經(jīng)無(wú)害化處理，適當(dāng)稀釋后灌溉農(nóng)田。

2.2 工藝參數(shù)

日處理物料量即養(yǎng)殖場(chǎng)每天產(chǎn)生的糞便經(jīng)固液分離設(shè)備分離后的固糞量，計(jì)算公式為

(2)

式中C——日處理物料量，kg/d

η——糞便收集率

w——糞便經(jīng)固液分離機(jī)處理前含水率

w1——糞便經(jīng)固液分離機(jī)處理后含水率

考慮到糞便在收集過(guò)程損失及部分被尿液帶走等情況，保育豬糞便收集率η取0.68，育肥豬糞便收集率η取0.83，妊娠豬糞便收集率η取1；糞便經(jīng)固液分離機(jī)處理前含水率w為0.74；糞便經(jīng)固液分離機(jī)處理后含水率w1為0.60。由式(2)計(jì)算得日處理物料量C為1 219.6 kg/d。

原料含水率控制在55%～65%范圍內(nèi)，發(fā)酵周期5～7 d，物料溫度維持在60～70℃，持續(xù)4～5 d，攪拌與通風(fēng)方式為間歇式自動(dòng)運(yùn)行，發(fā)酵產(chǎn)品無(wú)害化衛(wèi)生學(xué)要求達(dá)到NY/T 3442—2019《畜禽堆肥技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2.3 工藝設(shè)備及主要構(gòu)筑物

采用連續(xù)批量好氧罐式反應(yīng)器發(fā)酵工藝，收集的糞便經(jīng)攪拌均勻后進(jìn)入固液分離設(shè)備，分離后的固糞直接進(jìn)入罐式反應(yīng)器進(jìn)行發(fā)酵處理，發(fā)酵產(chǎn)物經(jīng)輸送帶或裝載機(jī)輸送至貯肥間進(jìn)行后處理。主要設(shè)備參數(shù)如表2所示。

表2 設(shè)備參數(shù)Tab.2 Equipment parameters

本工藝需配套構(gòu)筑物主要有集糞池、固液分離機(jī)基座、智能好氧發(fā)酵罐基座、貯肥間、污水池等。按功能、容量及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求計(jì)算，各構(gòu)筑物尺寸參數(shù)如表3所示。

表3 構(gòu)筑物參數(shù)Tab.3 Building structure parameters

主要構(gòu)筑物中一體化設(shè)備棚可根據(jù)用戶(hù)需求選擇性構(gòu)建，設(shè)備設(shè)有防雨裝置。養(yǎng)豬場(chǎng)構(gòu)筑物平面布置圖如圖2所示。

3 智能好氧發(fā)酵罐整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

3.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)糞污處理工藝參數(shù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了智能好氧發(fā)酵罐，該設(shè)備在物料發(fā)酵過(guò)程中通過(guò)調(diào)控發(fā)酵環(huán)境溫度、含水率、需氧量使物料中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行快速生物分解、發(fā)酵，以縮短發(fā)酵周期，同時(shí)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行收集處理。智能好氧發(fā)酵罐主要由發(fā)酵罐體、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、主軸攪拌系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、送氧系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。智能好氧發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，智能好氧發(fā)酵罐技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 智能好氧發(fā)酵罐主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.4 Parameters of intelligent aerobic fermentation tank

3.2 工作原理

發(fā)酵裝備整體采用立式設(shè)計(jì)，連續(xù)進(jìn)出料的工作方式。調(diào)配好的物料通過(guò)上料系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)酵罐內(nèi)，每天入料量為總?cè)萘康?/7～1/5，物料在微生物菌劑的作用下開(kāi)始分解，自身分解產(chǎn)生熱量的同時(shí)加上設(shè)備輔助加熱系統(tǒng)將電加熱空氣向罐體內(nèi)曝氣的作用，物料進(jìn)行快速發(fā)酵且溫度快速升高，最高可達(dá)到70℃；在主軸攪拌系統(tǒng)、送氧系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)協(xié)同工作的作用下，使發(fā)酵罐內(nèi)物料處于最佳發(fā)酵環(huán)境，促使物料充分發(fā)酵分解，溫度維持在60～70℃，持續(xù)4～5 d，物料一次(除未降解的大分子有機(jī)物)發(fā)酵完畢，罐體底層1/7～1/5物料在攪拌軸與出料系統(tǒng)的作用下通過(guò)出料口即可排出，進(jìn)行后腐熟階段，物料排出后，上料系統(tǒng)啟動(dòng)向罐內(nèi)補(bǔ)充新料，以此循環(huán)運(yùn)行[3]，罐內(nèi)物料的一次發(fā)酵周期一般為5～7 d。同時(shí)發(fā)酵產(chǎn)生的氨、CO2、有機(jī)揮發(fā)氣體等通過(guò)尾氣處理系統(tǒng)收集并凈化處理。

3.3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.3.1雙路多點(diǎn)供氧裝置設(shè)計(jì)

在好氧發(fā)酵過(guò)程中，曝氣目的是為了給好氧微生物生命活動(dòng)提供充足的氧氣，調(diào)節(jié)物料的水分和溫度。為保證物料好氧發(fā)酵充分、均勻，提高物料發(fā)酵啟動(dòng)速率(尤其是在冬季)，將供氧系統(tǒng)、主軸攪拌軸系統(tǒng)與罐體底板一體設(shè)計(jì)，并加裝輔助電加熱系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種雙路多點(diǎn)供氧裝置，供氧路線(xiàn)如圖4所示。空氣經(jīng)電加熱系統(tǒng)1加熱后經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)1通過(guò)攪拌軸葉片輸送至罐體內(nèi)，經(jīng)電加熱系統(tǒng)2加熱后通過(guò)罐體底板多點(diǎn)供氧裝置輸送至罐體內(nèi)。空氣加熱后由鼓風(fēng)機(jī)將其分別通過(guò)攪拌軸攪拌葉片及罐體底板多點(diǎn)供氧裝置送入罐體內(nèi)。

為防止罐體底部集料造成物料板結(jié)影響曝氣噴嘴通氣性，將罐體底板與攪拌軸底層葉片進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，罐體底板采用環(huán)形沖壓工藝，并在凸起平臺(tái)部位安裝曝氣噴嘴，攪拌軸底層葉片截面設(shè)計(jì)為直角三角形，且葉片斜板底部切割梯形孔，與罐體底板相配合形成物料刮板，在攪拌軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將葉片與底板間的物料進(jìn)行刮除。罐體底板多點(diǎn)供氧裝置主要由環(huán)形沖壓底板、曝氣噴嘴、底層葉片刮板組成，結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。罐體底板設(shè)有6處曝氣噴嘴沖壓平臺(tái)，徑向間距為135 mm，平臺(tái)高20 mm，頂部寬28 mm，從內(nèi)向外每處平臺(tái)交錯(cuò)安裝曝氣噴嘴數(shù)為36、26、20、24、18、12，共裝有136個(gè)曝氣噴嘴，結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

3.3.2尾氣余熱回收利用裝置設(shè)計(jì)

好氧微生物在有氧條件下，將廢棄物中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分解，釋放大量的反應(yīng)熱量，通常情況下熱量被廢氣帶走，經(jīng)凈化處理后達(dá)標(biāo)排放。為更好地回收和利用這部分廢熱量，設(shè)計(jì)了尾氣余熱回收利用裝置，該裝置由余熱回收箱、螺旋翅片管組、進(jìn)氣通道、廢氣通道組成，其中箱體設(shè)計(jì)為雙壁結(jié)構(gòu)，兩壁間填充保溫材料，內(nèi)壁選用304不銹鋼，外壁選用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

4 發(fā)酵試驗(yàn)

按照本糞污處理工藝的工藝設(shè)計(jì)要求，結(jié)合養(yǎng)豬場(chǎng)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，在河北省辛集市某養(yǎng)豬場(chǎng)構(gòu)建了所需設(shè)備與主要構(gòu)筑物，并根據(jù)智能好氧發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了設(shè)備試制和安裝，現(xiàn)場(chǎng)效果圖如圖8所示。

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)場(chǎng)地為本工藝實(shí)施地點(diǎn)(河北省辛集市某養(yǎng)豬場(chǎng))，原料為豬場(chǎng)產(chǎn)生糞便經(jīng)固液分離后的固糞，含水率為60%，環(huán)境溫度10～25℃，微生物菌劑由河北省農(nóng)林科學(xué)院遺傳生理研究所提供，配比為1∶10，智能好氧發(fā)酵罐運(yùn)行方式為間歇式，運(yùn)行30 min，停止180 min。

4.2 試驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)試驗(yàn)條件，在原料進(jìn)入設(shè)備5 d后進(jìn)行出料，對(duì)原料發(fā)酵前后全氮、全磷、全鉀含量進(jìn)行養(yǎng)分流失測(cè)試對(duì)比，以及對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物含水率、蛔蟲(chóng)卵死亡率及糞大腸菌群數(shù)等堆肥腐熟評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行取樣測(cè)試，同時(shí)對(duì)智能好氧發(fā)酵罐耗電量以及廢氣余熱利用效果進(jìn)行測(cè)算。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)條件，對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物及智能好氧發(fā)酵罐測(cè)定參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果如表5所示。

表5 測(cè)試結(jié)果Tab.5 Test results

測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)發(fā)酵裝備生產(chǎn)出的發(fā)酵產(chǎn)物，發(fā)酵前后全氮損失率為8.3%，全磷損失率為1.7%，全鉀損失率為0；發(fā)酵產(chǎn)物含水率、蛔蟲(chóng)卵死亡率及糞大腸菌群數(shù)均滿(mǎn)足NY/T 3442—2019《畜禽堆肥技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，智能好氧發(fā)酵罐耗電量平均63.5 kW·h/d，采用廢氣余熱回收利用裝置后，在環(huán)境溫度10～25℃時(shí)，進(jìn)氣溫度平均提高3.3℃。同時(shí)，與傳統(tǒng)槽式堆肥工藝相比，發(fā)酵周期由15～30 d縮短至6 d，并減少了發(fā)酵占地面積、發(fā)酵車(chē)間構(gòu)建及翻拋設(shè)備等相關(guān)投入。

5 結(jié)論

(1)對(duì)中小規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)各類(lèi)豬的日常存欄量及糞污產(chǎn)生量進(jìn)行了測(cè)算，制定了“日產(chǎn)日清、原位處理” 糞污無(wú)害資源化利用處理工藝，并對(duì)工藝參數(shù)、工藝設(shè)備以及主要構(gòu)筑物進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

(2)設(shè)計(jì)了一種日處理能量為1.2 t的智能好氧發(fā)酵罐，通過(guò)對(duì)發(fā)酵環(huán)境溫度、含水率、需氧量的調(diào)節(jié)，使發(fā)酵罐內(nèi)物料溫度維持在60～70℃，提高了廢棄物中的有機(jī)質(zhì)好氧發(fā)酵速度，將發(fā)酵周期縮短至5～7 d，耗電量平均為63.5 kW·h/d，采用廢氣余熱回收利用裝置后，在環(huán)境溫度10～25℃時(shí)，進(jìn)氣溫度平均提高3.3℃。

(3)根據(jù)制定的糞污無(wú)害資源化利用處理工藝，在河北省辛集市某養(yǎng)豬場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)施。依據(jù)工藝要求以含水率為60%的豬糞為原料，對(duì)固糞發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：發(fā)酵前后全氮損失率為8.3%，全磷損失率為1.7%，全鉀損失率為0；發(fā)酵產(chǎn)物含水率為43%、蛔蟲(chóng)卵死亡率100%、糞大腸菌群數(shù)小于3個(gè)/g，均達(dá)到NY/T 3442—2019《畜禽堆肥技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。