畜禽舍糞污自動處理裝置的設(shè)計研究

馬 平，汪 春，嚴曉麗，李海亮，孫海天

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319；2.中國熱帶科學(xué)研究院 南亞熱帶作物研究所，循環(huán)農(nóng)業(yè)研究中心，廣東 湛江 524000)

我國的畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，從傳統(tǒng)的粗放模式集約化、規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變[1-4]，隨著集約化程度的提高和生產(chǎn)規(guī)模化的不斷擴大[5]，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞污越來越多，糞污排放量逐漸增大，大部分畜禽糞污沒有得到有效地處理和應(yīng)用，既浪費資源又對環(huán)境造成了污染。根據(jù)國家環(huán)保總局組織的“全國規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查及防治對策”顯示，我國畜禽糞污的排放量已達40多億噸[6]。全國80%以上的規(guī)模化養(yǎng)殖場沒有經(jīng)過環(huán)境影響評價，缺乏必要的污染治理措施[7-8]。在畜禽養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的糞便、尿液和污水等在大量堆積發(fā)酵分解糞污時會生成高濃度的有害物質(zhì)，這種物質(zhì)惡臭味極強且含有大量的易揮發(fā)的有害物質(zhì)，會造成空氣污染，影響畜禽生長及周邊居民的生活質(zhì)量[9]。未經(jīng)處理的畜禽糞便還會對土壤、水體造成嚴重污染，影響地下水的水質(zhì)，極易導(dǎo)致病原菌的擴散，將會危害人體健康和植物的生長。

因此，如何快速、及時和高效地處理畜禽舍的糞污問題將成為亟待解決的問題[10]。

針對這一問題，筆者設(shè)計了一種畜禽舍糞污自動處理裝置。畜禽舍糞污自動處理裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動清理畜禽糞便，有效降低了糞污清理所需勞動力。整機耐腐性強，操控簡單，智能高效，便于調(diào)節(jié)，適用性、通用性強，適合多種畜禽的養(yǎng)殖。畜禽舍糞污自動處理裝置改善畜禽舍的環(huán)境衛(wèi)生、提高動物疫病預(yù)防能力的同時還實現(xiàn)了糞污的高效利用，體現(xiàn)了低碳、綠色、環(huán)保、安全等理念，具有較強的應(yīng)用和市場推廣價值，對于改善畜禽生長環(huán)境，提高養(yǎng)殖自動化水平，降低畜禽養(yǎng)殖所需勞動力，減少養(yǎng)殖生產(chǎn)成本，提高養(yǎng)殖戶的收入具有重要的現(xiàn)實意義。

1 糞污自動處理裝置的設(shè)計

1.1 糞污自動處理裝置的總體設(shè)計

本次設(shè)計的畜禽舍糞污自動處理裝置主要以大鵝作為養(yǎng)殖對象，但同時也適用于其他畜禽養(yǎng)殖。畜禽舍糞污自動處理裝置(見圖1)為了實現(xiàn)畜禽舍糞污的高效處理，以傳送帶為主要工作部件建立畜禽舍糞污自動清理機構(gòu)，傳送帶在整個裝置中充當(dāng)承糞帶，在電動機的帶動下將表面承載的糞污運送至下方的糞污秸稈發(fā)酵室，完成糞污及秸稈的發(fā)酵工作。承糞帶的前端放置墊料鋪設(shè)機，當(dāng)承糞帶落料后往回鋪設(shè)時，墊料鋪設(shè)機與其同步工作，保證墊料鋪設(shè)均勻性，墊料鋪設(shè)機鋪設(shè)的墊料主要為秸稈等，為糞污秸稈發(fā)酵提供原料。墊料可以將糞便和尿液吸收并混合，可以減少其有害氣體揮發(fā)的可能性，混合后的墊料由于重力作用在落料口處自動落入糞污秸稈發(fā)酵室，保證了承糞帶的清潔，為畜禽生長提供干凈、衛(wèi)生的環(huán)境，體現(xiàn)了糞污清理的高效性。糞污秸稈發(fā)酵室中設(shè)有自動噴水系統(tǒng)、自動增氧系統(tǒng)和自動監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對發(fā)酵過程的實時監(jiān)測與控制，保證發(fā)酵的效果。發(fā)酵后產(chǎn)生的氣體可以通到農(nóng)田作為作物生長的肥料，產(chǎn)生的有機質(zhì)可用于蚯蚓養(yǎng)殖，實現(xiàn)廢物的高效利用與處理。

1.液壓推板；2.糞污秸稈發(fā)酵室；3.移動式密封板；4.墊料鋪設(shè)機；5.鵝舍；6.糞污傳送帶；7.支撐輥；8.飼喂車；9.微孔水管；10.離心風(fēng)機；11.微孔通氣管；12.螺旋輸出機圖1 畜禽舍糞污自動處理裝置

2 主要工作部件的設(shè)計

2.1 傳送系統(tǒng)

畜禽舍糞污自動處理裝置的傳動系統(tǒng)主要由卷揚機、承糞帶和支撐輥組成。其中，承糞帶采用半幅式傳送帶，傳送帶兩邊連接卷揚機形成一個動物糞便傳送系統(tǒng)。本設(shè)計中物料傳送組的覆蓋面比較廣，一個物料傳送系統(tǒng)可以滿足一整個養(yǎng)殖場的糞污清理要求。支撐輥是由若干個輥輪組成，而組成的支撐輥其形體呈凹狀，由其支撐著的傳動帶上部在載物時也會形成凹狀，所承載的動物糞便一是量多，二是不會散出傳動帶。應(yīng)用本設(shè)計不但解放了勞動力，減輕了人工承受體力勞動的苦累，而且還大幅度提高了工作效率。此外，本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，不但可以應(yīng)用到養(yǎng)殖場地的糞便清理，而且還可以廣泛的應(yīng)用到各種領(lǐng)域中的物料清理、收集及運輸，值得大力推廣。

(1)卷揚機采用電動卷揚機，電動卷揚機是以三箱異步電動機為動力，經(jīng)彈性聯(lián)軸節(jié)，三級封閉式齒輪減速箱，牙嵌式聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動卷筒，采用電磁制動，通過驅(qū)動裝置使卷筒回轉(zhuǎn)的卷揚機。電動卷揚機可以通過變頻器來控制速度，電動卷揚機型號:JK/JM。電動卷揚機的特點是：通用性高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、起重大、提速快、使用轉(zhuǎn)移方便，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化電控自動作業(yè)線的相關(guān)設(shè)備。

(2)承糞帶采用傳送帶結(jié)構(gòu)，傳送帶分很多種，輕型的有PVC傳送帶，適合輸送無污染，環(huán)保要求較高的產(chǎn)品。重型輸送帶又分分層帶、整芯帶、鋼絲帶等。整芯帶用于井下作業(yè)有阻燃要求的工況，鋼絲帶適用于長距離大負荷運輸。分層帶有兩部分組成：骨架和橡膠。一般骨架材質(zhì)有滌棉，尼龍，聚酯等；橡膠分普通，耐熱，耐寒，阻燃，高溫等根據(jù)具體的使用環(huán)境來確定。傳送帶選擇沒有好壞之分，只有合不合適之分。同樣的傳送帶用料差別才有可比性，通常主要原料有天然橡膠，合成橡膠，再生橡膠等。一定比例的再生膠添加可以增加橡膠的加工性能，所以在選擇的時候首先要搞清楚用在什么地方，然后選擇正規(guī)的信譽較好的企業(yè)采購。本裝置的傳送帶采用PVC材料，PVC傳送帶帶體彈性好，不易變形。選用高強力優(yōu)質(zhì)全棉、尼龍、聚酯帆布作帶芯，用純天然橡膠無污染配合劑制成白色或淺色，無污染。PVC傳送帶產(chǎn)品配方設(shè)計合理，符合衛(wèi)生指標，色澤適度，輕巧耐用。

(3)支撐輥(傳動輥)除了具有結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)可靠、維護方便、經(jīng)濟、節(jié)能等優(yōu)點外，最突出的就是它與生產(chǎn)工藝過程能較好地銜接和配套，功能多樣性，具體表現(xiàn)在：布置靈活，容易分段和連接，可以根據(jù)需要由直線、圓弧、水平、傾斜、分支、合流等區(qū)段以及輔助裝置；組成形式分為閉式、平面、立體等各種形式的輸送路線，便于和工藝設(shè)備銜接配套，銜接方式簡易緊湊，有時作為工藝設(shè)備的物料輸入和輸出段，輥子間的空隙部位便于布置各種裝置和設(shè)備無動力式輥子輸送機。目前常用的棍子材料主要包括鋼輥子，不銹鋼輥子和鋁合金輥子。鋼輥子適用于一般用途的輕、中、重載各種情況，如有防震、防滑等要求時，可采用包膠，涂塑的鋼輥子。不銹鋼輥子外表美觀、耐酸、堿等腐蝕性強，可承受輕、中、重各類載荷。但制造成本高，主要應(yīng)用在醫(yī)藥、食品等行業(yè)。鋁合金輥子結(jié)構(gòu)輕便、外表美觀、耐腐蝕性能好、承載能力低于鋼輥子，制造成本高于鋼輥子。適于輕載、要求外表美觀或移動輕便的工作場合。綜合考慮以上因素，多功能畜禽舍糞污自動處理裝置采用包膠的鋼輥子作為承糞帶的支撐輥(見圖2)。

1.落料口；2.墊料鋪設(shè)機；3.移動式密封板；4.電動卷揚機；5.半幅式傳送帶；6.支撐輥圖2 傳送系統(tǒng)示意圖

2.2 糞污秸稈發(fā)酵室

糞污秸稈發(fā)酵室由液壓推板、監(jiān)測系統(tǒng)、輸出裝置3部分組成，糞污秸稈發(fā)酵室的長寬高分別40 m×6 m×3 m，體積為420 m3。糞污秸稈發(fā)酵室設(shè)計成密閉式發(fā)酵室、通氣式發(fā)酵系統(tǒng)，采用液壓推板式推送物料，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，當(dāng)畜禽舍產(chǎn)生的鵝糞及墊料混合后，由傳送系統(tǒng)自動掉入發(fā)酵室，再定時定距離移動液壓推板，使糞污秸稈等物料向前移動一定距離，期間根據(jù)監(jiān)測情況，自動噴水，適時通氧，用增氧管通氧既是為了進行有氧發(fā)酵又可以起到翻堆的作用，加快發(fā)酵進程。由糞污發(fā)酵室投料區(qū)遞進至出料區(qū)后，發(fā)酵基本完全，發(fā)酵產(chǎn)生的氣體用離心風(fēng)機收集并通到農(nóng)田里用做肥料，發(fā)酵后產(chǎn)生的沼液和沼渣等有機質(zhì)收集在集料池中，待一定數(shù)量之后可通過出料區(qū)中安裝的輸出機構(gòu)運到地面。發(fā)酵示意圖如圖3所示。

圖3 糞污秸稈發(fā)酵室工作過程

(1)推板：采用高品質(zhì)的通用性耐力板，由液壓控制，每天根據(jù)收集的鵝糞及墊料數(shù)量確定推板向前移動的距離，移動一定距離后推板自動返回。

(2)監(jiān)測系統(tǒng)：本糞污秸稈發(fā)酵室通過硬件傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等采集發(fā)酵過程信息并進行控制，發(fā)酵測控系統(tǒng)是發(fā)酵過程參數(shù)智能檢測與優(yōu)化調(diào)控的基礎(chǔ)，直接影響著發(fā)酵過程的控制性能，本裝置以DMC智能儀表為核心，配以傳感器、控制器組成。DMC智能儀表還具有傳感器斷路檢測、故障報警等功能，使其可靠性更高。檢測系統(tǒng)要實現(xiàn)發(fā)酵室溫度、濕度和通氧量的檢測與控制，重量超限報警、推板定時控制功能。

(3)輸送裝置：糞污和墊料混合物在落入發(fā)酵室中后，由推板逐日向前推進，并在前進的過程中進行發(fā)酵。當(dāng)由糞污發(fā)酵室投料區(qū)遞進至出料區(qū)后，發(fā)酵基本完全，發(fā)酵產(chǎn)生的沼液和沼渣收集在集料池中，待一定數(shù)量之后可通過出料區(qū)中實現(xiàn)安裝的螺旋輸送機將其提升至地面，并輸送至運輸車中。產(chǎn)生的氣體通到水管里，用做農(nóng)田的水肥，產(chǎn)生的沼液和沼渣等有機質(zhì)是優(yōu)質(zhì)高效的有機肥料，可應(yīng)用于蚯蚓養(yǎng)殖，高效、低碳、環(huán)保。然而，其具有較強的腐蝕性能，因此需要螺旋輸送機的絞龍葉片做特殊處理，采用抗磨耗腐蝕性能好的材料。金屬材料的磨耗腐蝕是機械力引起的磨損和糞便的腐蝕共同作用的結(jié)果，因此采用既耐蝕又抗磨耗的材料將是有效的預(yù)防措施。根據(jù)綜合分析后，選用馬氏體型不銹鋼2Cr13，經(jīng)淬火后，硬度較高，耐腐蝕性良好。

3 工作原理及性能分析

3.1 整機結(jié)構(gòu)

針對規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場[11]糞污清理現(xiàn)狀，通過研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的一些機械化收集裝置在糞污清理時不僅浪費資源而且衛(wèi)生防御工作不到位，有時還會導(dǎo)致糞污清理不干凈等問題，以此在高效、清潔、便利等因素下提出傳送帶式糞污清理及收集裝置的設(shè)計意見。

鵝舍地上一層為720 m2，共20間鵝舍，一共可以養(yǎng)殖4000只鵝，1只鵝的體重為4～15 kg，1只鵝每天平均排糞0.194 kg，4000只鵝每天產(chǎn)糞量為776 kg，按鵝糞和玉米秸稈以2∶1～3∶1的比例，每天需要玉米秸稈墊料的量為388～258 kg，可以計算墊料鋪設(shè)機的每次的鋪設(shè)量和轉(zhuǎn)速，以及糞污傳送帶的使用壽命和工作效率。該畜禽糞污自動處理裝置可以實現(xiàn)每天自動清理糞污并將收集好的糞污自動落入糞污秸稈發(fā)酵室進行有氧發(fā)酵，發(fā)酵后的有機質(zhì)會經(jīng)由螺旋輸出裝置運輸?shù)降孛妗Ｕ麄€過程實現(xiàn)無害化、減量化、資源化循環(huán)利用。

3.2 工作原理與性能

畜禽舍糞污自動處理裝置包括墊料鋪設(shè)機、傳送機構(gòu)、糞污秸稈發(fā)酵室、輸出機構(gòu)。傳送機構(gòu)主要由承糞帶、卷揚機和支撐輥等組成，工作過程中承糞帶在卷揚機的帶動下開始運轉(zhuǎn)，通過落料口將所承載的墊料及糞污輸送至地下正下方的糞污秸稈發(fā)酵室中，墊料可以吸附糞污，將傳送帶上的糞污都落入到發(fā)酵室中，可以保證畜禽具有衛(wèi)生清潔的生存環(huán)境。落入糞污秸稈發(fā)酵室的墊料及糞污根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的控制，經(jīng)過糞污秸稈有氧發(fā)酵一定時間之后，產(chǎn)生的氣體通到水管里，可以用做農(nóng)田的水肥，產(chǎn)生的沼液和沼渣等有機質(zhì)是優(yōu)質(zhì)高效的有機肥料，待一定數(shù)量之后可通過出料區(qū)中安裝的螺旋輸送機輸送至地面，可以用于蚯蚓等的養(yǎng)殖，進行肥料化利用[12]。整機與糞污接觸的部件均采用耐腐蝕材料，具有較強的耐腐蝕性能。

4 結(jié)論

畜禽舍糞污自動處理裝置中的傳送帶可以作為禽舍的地面部分，畜禽休息時可以為畜禽提供休息空間，當(dāng)畜禽在舍外活動時，傳動帶在卷揚機的帶動下運轉(zhuǎn)，將表面的墊料及糞污輸送至禽舍下的糞污秸稈發(fā)酵室中，實現(xiàn)糞污的自動清理，體現(xiàn)出高效、綠色、環(huán)保等理念。

畜禽舍下面設(shè)置糞污秸稈發(fā)酵室，清理的糞污可以在發(fā)酵室中進行發(fā)酵處理，實現(xiàn)了糞污清理和發(fā)酵處理的統(tǒng)一管理，發(fā)酵產(chǎn)生的氣體用做農(nóng)田的肥料，發(fā)酵后的有機質(zhì)可以養(yǎng)殖蚯蚓[13]，形成畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理產(chǎn)業(yè)鏈，逐漸形成畜禽養(yǎng)殖、廢棄物處理、有機肥生產(chǎn)、綠色有機農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)相結(jié)合的循環(huán)、綠色農(nóng)業(yè)[14]。

畜禽舍糞污自動處理裝置在收集糞污時采用干清糞的方式，減少了水資源的浪費，并為畜禽提供了干凈、清爽的環(huán)境。有效改善畜禽生長環(huán)境，降低畜禽發(fā)病率，降低禽舍糞污處理勞動強度，降低畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)成本。