立式高溫好氧發(fā)酵罐處理雞糞便的工藝參數(shù)優(yōu)化及資源化利用優(yōu)勢(shì)分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，畜牧業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位不斷增強(qiáng)，畜禽養(yǎng)殖糞便造成的環(huán)境污染問題也日益突出[1]。傳統(tǒng)條垛發(fā)酵模式存在占地空間大、處理周期長(zhǎng)、異味散發(fā)顯著等不足，難以契合規(guī)?；B(yǎng)殖糞污快速減量化和資源化利用需求，立式密閉發(fā)酵裝備憑借結(jié)構(gòu)布局緊湊、自動(dòng)化程度高的優(yōu)勢(shì)，正成為現(xiàn)代糞便處理領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。本研究選取11FFG-102型發(fā)酵罐為對(duì)象，分析其在多元參數(shù)設(shè)定下的運(yùn)行狀態(tài)，旨在探尋最理想的處理工況。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與原料

研究以鶴壁市博龍畜牧機(jī)械有限公司制造的11FFG-102型立式高溫好氧發(fā)酵罐為核心設(shè)備，罐體雙層密閉，直徑6.0m 、總高 8.44m ，占地約 60m² 。它有效容積 102m³ ，主機(jī)重 32t ，裝機(jī)功率 ：44.65kW ，實(shí)際運(yùn)行功率約 126kW ， 24h 電耗因季節(jié)和原料含水率不同，在 400～600 度波動(dòng)。這種發(fā)酵罐適用于高濕禽畜糞便有氧發(fā)酵，能全年穩(wěn)定運(yùn)行。

原料是從雞舍收集的新鮮雞糞，按初始含水率分三個(gè)等級(jí)處理：濕度在 70%～80% 時(shí)日處理量為 16～8m³ ，60%～70% 時(shí) 8～10m³ ， 50%～60% 時(shí) 10～12m³ 。新鮮雞糞無需預(yù)脫水即可直接進(jìn)罐，發(fā)酵后日產(chǎn)腐熟有機(jī)肥 1.5～5m³ ，含水率降到約 30% ，設(shè)備有雙熱風(fēng)機(jī)（單臺(tái)功率 12.5kW ）、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（主軸驅(qū)動(dòng) 17.51kW ，上料驅(qū)動(dòng) 12.2kW ）、 4kW 輔助電加熱系統(tǒng)，還有高效除臭裝置和雙錐體旋風(fēng)除塵系統(tǒng)，保障發(fā)酵環(huán)境溫、氧、濕度穩(wěn)定，促進(jìn)微生物繁殖和有機(jī)質(zhì)降解。

雞糞原料發(fā)酵前不添加化學(xué)藥劑，通過液壓升降系統(tǒng)封閉進(jìn)料，防止環(huán)境污染，發(fā)酵罐內(nèi)用Q355B碳鋼主軸（直徑 ：400mm ）和 140mm 槳葉，攪拌有力混合均勻，利于熱量傳導(dǎo)與氧氣擴(kuò)散，罐體內(nèi)襯304不銹鋼，外有 4mm 碳鋼外筒和55mm聚氨酯保溫層，保溫耐腐，保障高溫發(fā)酵穩(wěn)定。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

優(yōu)化發(fā)酵運(yùn)行參數(shù)試驗(yàn)在實(shí)際條件下設(shè)三組處理梯度，以初始含水率（ 70% ！ 60% ！ 50% ）為核心變量，結(jié)合不同含水率糞污處理量（ m³/d ）與發(fā)酵周期（天）觀測(cè)，測(cè)定指標(biāo)包括罐內(nèi)溫度變化曲線、發(fā)酵完成時(shí)間、有機(jī)肥產(chǎn)出量和能耗水平等2。進(jìn)料采用固定裝載量（滿負(fù)荷12m³ ），連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)周期7d，發(fā)酵中用設(shè)備自帶控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)罐內(nèi)溫度（最高設(shè)計(jì) 70‰ ）、濕度、攪拌頻率與通風(fēng)頻率，通過PLC系統(tǒng)設(shè)定統(tǒng)一發(fā)酵配方程序，實(shí)現(xiàn)各階段溫度維持與過程控制自動(dòng)化管理。

實(shí)驗(yàn)中所有數(shù)據(jù)按日歷時(shí)間記錄，定時(shí)采集產(chǎn)物樣本做后續(xù)物理化學(xué)性質(zhì)測(cè)試，為后續(xù)分析提供依據(jù)，對(duì)比不同初始含水率下的發(fā)酵效率、產(chǎn)肥量及能耗指標(biāo)，為篩選高效處理工藝參數(shù)和提升資源利用率提供實(shí)驗(yàn)支撐。

1.3測(cè)定指標(biāo)與方法

本研究于立式高溫好氧發(fā)酵罐運(yùn)行期間，從設(shè)備性能、電耗情況、產(chǎn)出效率及物料變化等方面設(shè)置多項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，借助設(shè)備自帶的微電腦控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行定量采集和記錄，保證數(shù)據(jù)客觀、連續(xù)且可重復(fù)。

第一，發(fā)酵罐運(yùn)行能耗測(cè)定。

根據(jù)設(shè)備銘牌參數(shù)和運(yùn)行實(shí)際情況，記錄系統(tǒng)裝機(jī)功率與平均運(yùn)行功率，11FFG-102型發(fā)酵罐裝機(jī)功率 44.65kW ，由2臺(tái) 12.5kW 熱風(fēng)機(jī)、 7.5kW 主軸液壓驅(qū)動(dòng)裝置、 2.2kW 上料驅(qū)動(dòng)裝置、3kW引風(fēng)機(jī)、 4kW 輔助加熱裝置等單元構(gòu)成；實(shí)際運(yùn)行平均功率約 126kW 。通過日耗電量計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)，設(shè)備24h耗電量在400～600度，波動(dòng)主要受季節(jié)氣溫和糞便含水率變化影響。

第二，處理能力與產(chǎn)出效率測(cè)定。

參照設(shè)備日處理能力說明，對(duì)不同含水率雞糞原料稱重記錄，設(shè)備處理雞糞濕度 70%～80% 5時(shí)日處理量 6～8m³ ，60%～70% 時(shí) 8～10m³ ， 50%～60% 時(shí) 10～12m³ 。通過連續(xù)運(yùn)行每日進(jìn)料記錄，計(jì)算總處理量與日均值，產(chǎn)出部分用出料口測(cè)量和容積計(jì)量法核實(shí)，記錄每日實(shí)際有機(jī)肥體積，結(jié)果顯示產(chǎn)出量 1.5～5m³/d ，隨輸人原料水分和發(fā)酵完成程度略有不同。

第三，溫度監(jiān)測(cè)與熱效率指標(biāo)記錄。

通過發(fā)酵罐控制系統(tǒng)設(shè)定發(fā)酵配方，在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)記錄罐內(nèi)溫度波動(dòng)，溫度傳感器分布于罐體多個(gè)垂直層級(jí)，保證數(shù)據(jù)反映整體升溫過程和熱量保持能力。實(shí)測(cè)顯示，設(shè)備啟用熱風(fēng)機(jī)與熱交換系統(tǒng)后，罐內(nèi)溫度穩(wěn)定維持在 45～70‰ ，其中 60^°C 以上高溫區(qū)間持續(xù)超12h，有效滿足高溫殺菌條件。熱風(fēng)機(jī)型號(hào)910-H27，單臺(tái)風(fēng)量 2900m³/h 、風(fēng)壓 350mbar ，高強(qiáng)度熱風(fēng)循環(huán)為溫度維持提供支撐。

第四，出料特性與物理狀態(tài)檢測(cè)。

發(fā)酵完成的雞糞有機(jī)肥出料后，現(xiàn)場(chǎng)用水分儀測(cè)其含水率，普遍在 30% 左右，通過目測(cè)和手感初步評(píng)價(jià)腐熟程度，定期抽樣稱重核算單位原料轉(zhuǎn)化后的有機(jī)肥產(chǎn)量比，觀察出料狀態(tài)是否均勻、有無結(jié)塊等，作為后續(xù)運(yùn)行參數(shù)調(diào)整的依據(jù)之一。

第五，自動(dòng)化系統(tǒng)功能監(jiān)測(cè)。

發(fā)酵罐配套的PLC微電腦控制系統(tǒng)集成多畫面顯示界面，涵蓋主機(jī)運(yùn)行、引風(fēng)加熱、壓力設(shè)定、潤滑系統(tǒng)等模塊，現(xiàn)場(chǎng)操作通過觸控屏幕完成，關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)（如升降壓力、主軸壓力、開門壓力）分別設(shè)定并實(shí)時(shí)顯示。以主軸壓力設(shè)置值為例，其升降到位壓力設(shè)定值均為 31.5MPa ，額定轉(zhuǎn)速1 500r/min ，配套驅(qū)動(dòng)排量 25mL/r_c ，系統(tǒng)報(bào)警記錄同步采集，輔助故障排查和運(yùn)行穩(wěn)定性分析。

1.4數(shù)據(jù)處理

所有測(cè)定數(shù)據(jù)用Excel錄入?yún)R總，借助SPSS17.0軟件開展統(tǒng)計(jì)分析，主要涉及極差分析、均值比較和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算等，明確不同含水率條件下處理能力、能耗與產(chǎn)出量的關(guān)系，為后續(xù)參數(shù)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

2發(fā)酵工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果分析

2.1各參數(shù)對(duì)發(fā)酵效率的影響

不同初始含水率條件下，11FFG-102型立式發(fā)酵罐處理能力差異顯著，實(shí)測(cè)顯示，雞糞含水率 50%～60% 時(shí)，設(shè)備日處理量達(dá) 10～12m³ ，為三個(gè)梯度最高； 60%～70% 濕度對(duì)應(yīng)處理量 ?8～10m³ ， 70%～80% 濕度處理量?jī)H 6～8m³ 。含水率越低，發(fā)酵效率與日產(chǎn)量越高，出料含水率更穩(wěn)定，有機(jī)肥腐熟度更佳，運(yùn)行功率約26kW時(shí)，24h電耗具有明顯季節(jié)性和水分依賴性，以 70%～80% 濕度為例，設(shè)備全天耗電達(dá)600度，而 50%～60% 濕度下控制在400度以內(nèi)，單位產(chǎn)出耗能顯著下降（見表1）。

結(jié)果顯示，設(shè)備于低含水率條件下，處理效率、能耗控制與有機(jī)肥穩(wěn)定性的綜合表現(xiàn)最佳。

2.2最優(yōu)參數(shù)組合確定

綜合發(fā)酵效率、能耗表現(xiàn)和產(chǎn)出穩(wěn)定性指標(biāo)分析，初始含水率控制在 50%～60% 為當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行最優(yōu)條件，此條件設(shè)備日處理量達(dá)最大值 12m³ ，每日出料可達(dá)5 m³ ，出料水分穩(wěn)定在約 30% ，便于后續(xù)肥料使用或深加工。該參數(shù)組合下設(shè)備運(yùn)行功率維持在26kW，全天電耗低至400～450度，單位產(chǎn)出電能成本最小，同時(shí)因含水率適中，攪拌系統(tǒng)運(yùn)行更順暢，發(fā)酵區(qū)溫度分布更均勻，有效延長(zhǎng)主軸及槳葉使用壽命（見表2）。

該參數(shù)組合在未增額外能耗情況下，達(dá)成發(fā)酵效率、產(chǎn)品質(zhì)量與設(shè)備穩(wěn)定性的最優(yōu)平衡。

3發(fā)酵產(chǎn)品的資源化利用效果

3.1成品腐熟度與穩(wěn)定性分析

11FFG-102型發(fā)酵罐處理雞糞時(shí)可實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定腐熟產(chǎn)出。持續(xù)監(jiān)測(cè)出料物狀態(tài)顯示，初始原料含水率 50%～60% 條件下，日處理量達(dá) 10～12m³ ，日產(chǎn)有機(jī)肥穩(wěn)定在 4～5m³ ，出料含水率基本維持在 30% 左右，呈深棕色、質(zhì)地均勻、無明顯糞臭味，具典型腐熟物特征[3]。設(shè)備罐體內(nèi)部采用封閉隔熱結(jié)構(gòu)，配合自動(dòng)控溫與攪拌系統(tǒng)，可在發(fā)酵高峰期將罐內(nèi)溫度穩(wěn)定維持在 60～70^°C ，有效促進(jìn)物料中有機(jī)質(zhì)分解與有害成分滅活。當(dāng)溫度、水分、氧含量等條件達(dá)到一定條件時(shí)（罐體內(nèi)溫度達(dá)到60℃以上時(shí)），可殺滅糞便中的有害生物，促進(jìn)罐內(nèi)微生物大量繁殖并分解畜禽糞便中的有機(jī)物，可很好地利用微生物的活性[1]。廠房運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，發(fā)酵產(chǎn)物在持續(xù)運(yùn)行中無結(jié)塊、不返潮，具有良好的物理穩(wěn)定性和貯存安全性。設(shè)備因采用不銹鋼內(nèi)襯，物料在罐內(nèi)循環(huán)充分，避免局部發(fā)酵不足，提升了腐熟均勻性，如圖1所示。

表1不同初始含水率條件下設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵表現(xiàn)參數(shù)

表2最優(yōu)參數(shù)組合

圖111FFG-102型發(fā)酵設(shè)備及其物料處理前后狀態(tài)對(duì)比圖

3.2肥料品質(zhì)與田間適用性分析

11FFG-102型發(fā)酵罐按設(shè)備使用說明書數(shù)據(jù)，每日有機(jī)肥產(chǎn)出量 1.5～5m³ ，因原料含水率和日處理量而變4。濕度在 50%～60% 進(jìn)行處理時(shí)，日產(chǎn)出量達(dá)5 m³ 最大值，產(chǎn)品含水率約 30% ，在有機(jī)肥成品合適水分范圍，產(chǎn)物松散不結(jié)塊，施用性能良好，高溫發(fā)酵下，產(chǎn)物有機(jī)質(zhì)含量高，有害病原菌、寄生蟲卵基本滅活，氨味顯著降低，氣味清淡利于推廣。企業(yè)樣品檢測(cè)顯示，腐熟物能直接施用于農(nóng)田、果園、蔬菜基地，改善土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)保水保肥能力，實(shí)際使用反饋，設(shè)備出料產(chǎn)品田間播撒后，較傳統(tǒng)堆肥地溫升得快、肥效釋放穩(wěn)， 30% 左右穩(wěn)定的出料含水率，使其既能作底肥，也便于與其他肥料混制復(fù)合型有機(jī)肥，提升適配與商品化能力。

4技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與比較

4.1與傳統(tǒng)條垛發(fā)酵的對(duì)比

11FFG-102型立式高溫好氧發(fā)酵罐與傳統(tǒng)露天條垛發(fā)酵方式相比，在空間利用率、運(yùn)行效率、環(huán)境控制和產(chǎn)出穩(wěn)定性等方面優(yōu)勢(shì)顯著。傳統(tǒng)條垛發(fā)酵往往需要大量場(chǎng)地堆放原料，發(fā)酵周期較長(zhǎng)，易受氣溫、濕度等外界因素干擾，周期波動(dòng)顯著；而該設(shè)備整體占地僅 60m² ，采用垂直密閉式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)全年全天候連續(xù)運(yùn)行。

11FFG-102型立式高溫好氧發(fā)酵罐在發(fā)酵效率上，傳統(tǒng)條垛法日處理能力受人工翻堆和自然條件限制，周期在15d以上，對(duì)比可知，該設(shè)備在含水率在 50%～60% 時(shí)，日處理量達(dá) 10～12m³ ，7d內(nèi)完成穩(wěn)定出料，周期大幅縮短，處理效率提升超 50% 。設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)整合溫度、通風(fēng)、攪拌和出料管理，解決了傳統(tǒng)條垛發(fā)酵高溫區(qū)與低溫區(qū)不均的問題，腐熟均勻性更高，能耗方面，設(shè)備運(yùn)行功率約26kW ，24h電耗400～600度，能耗集中高效且不依賴自然升溫，單位產(chǎn)出能耗優(yōu)于條垛發(fā)酵冬季反復(fù)翻堆的人力和能源投入。封閉罐體搭配除臭系統(tǒng)，可有效收集凈化NH3等廢氣，避免傳統(tǒng)模式嚴(yán)重的異味擴(kuò)散和環(huán)境污染。

4.2技術(shù)集成的工程適配性

11FFG-102型設(shè)備在工程化集成設(shè)計(jì)中展現(xiàn)出良好適配性與實(shí)用性，整機(jī)結(jié)構(gòu)高度 8.44m 、罐體直徑 ?6.0m ，占地面積緊湊至 60m² ，特別適合養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部空地布設(shè)，無需額外拓展場(chǎng)地即可實(shí)現(xiàn)糞便無害化就地處理[5。設(shè)備整體重量為32t，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，可適應(yīng)高濕、高寒地區(qū)安裝運(yùn)行，滿足不同地域環(huán)境的發(fā)酵作業(yè)需求。系統(tǒng)配套方面，設(shè)備集成液壓上料裝置（ 2.2kW ）、主軸攪拌系統(tǒng)（ 7.5kW ）、雙熱風(fēng)機(jī)（總功率 25kW ）、引風(fēng)裝置 （3kW ）及除臭、除塵與熱交換模塊，構(gòu)成一體化閉環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)，各組件通過微電腦控制器統(tǒng)一協(xié)調(diào)，聯(lián)動(dòng)性好且調(diào)節(jié)靈活，操作人員只需通過觸屏界面設(shè)置，即可完成參數(shù)設(shè)定與運(yùn)行監(jiān)控。

在材料選型環(huán)節(jié)，設(shè)備選用Q355B主軸、304不銹鋼內(nèi)筒、 55mm 聚氨酯保溫層等高耐腐蝕、高強(qiáng)度材料，尤其在接觸糞污區(qū)域進(jìn)行防腐處理，以延長(zhǎng)整機(jī)使用壽命。外殼加裝 10mm 碳鋼加強(qiáng)板并施以防腐涂裝，有效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期戶外濕熱環(huán)境運(yùn)行，設(shè)備配備自動(dòng)潤滑系統(tǒng)、空氣過濾組件、U型皮帶出料系統(tǒng)等工程細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，顯著降低日常維護(hù)難度與運(yùn)行故障率，契合養(yǎng)殖場(chǎng)常態(tài)化糞污管理需求，如圖2所示。

圖211FFG-102型發(fā)酵罐設(shè)備在養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)集中安裝實(shí)景圖

結(jié)語

11FFG-102型立式發(fā)酵罐具有日處理量大、腐熟效率高、出料穩(wěn)定等特性，適宜在養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)高效集成部署，當(dāng)初始含水率控制在 50%～60% 時(shí)，發(fā)酵效率、電耗控制和產(chǎn)出質(zhì)量實(shí)現(xiàn)最佳匹配。所產(chǎn)出的有機(jī)肥腐熟充分，具備良好的施用適應(yīng)性，為養(yǎng)殖廢棄物減量化、無害化、資源化處理提供可靠的裝備支撐與參數(shù)依據(jù)，具有良好的工程應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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收稿日期：2025-05-22

作者簡(jiǎn)介：孫成行（1982一），男，漢族，碩士，教授。研究方向：微生物應(yīng)用技術(shù)。