枝條粉碎發(fā)酵堆肥機的設(shè)計與試驗

沈曉賀，劉 佳，馬文強，楊莉玲

（新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械化研究所，新疆烏魯木齊830091）

1 引言

當前新疆林果總面積達到123.33萬hm2[1]，全區(qū)林果有效株數(shù)近13億株。平均每畝果園每年修剪量達250～500 kg，每株果樹平均修剪果枝量按20 kg算，僅新疆林果業(yè)每年產(chǎn)生的廢棄果枝達2 600萬噸。目前修剪下的果枝大量被直接焚燒，還田利用率不足2%，不僅造成資源浪費同時又污染環(huán)境。另一方面，由于土壤有機質(zhì)含量低，化肥應(yīng)用造成的土壤板結(jié)等問題，導(dǎo)致新疆部分林果產(chǎn)地果品產(chǎn)量低、品質(zhì)差的問題日趨突顯。通過廢棄枝條粉碎堆肥還田，是提升林果資源利用率，增加果園有機質(zhì)，降低化肥使用量，提高果園產(chǎn)量、果品品質(zhì)的有效途徑，對提升農(nóng)民收入具有重要的現(xiàn)實意義。

枝條粉碎堆肥還田是在人工條件的控制下利用微生物的發(fā)酵作用使粉碎后的枝條中可降解的有機物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的過程[2]。將枝條粉碎腐熟后的有機肥施入農(nóng)田，可以增強土壤保熵、保溫、保肥的能力，還能改善由于長期單一施用化肥造成的土壤板結(jié)、腐殖質(zhì)含量低、保水保肥能力衰退等問題，并減少化肥施用量。通過果樹枝條粉碎堆肥生成有機肥和園藝基質(zhì)的研究已有較多的報道，研究表明蘋果[3]、梨[4]、葡萄[5]、枸杞[6]、獼猴桃[7]、桑[8]、藍[9]莓等果樹枝條都可以通過發(fā)酵進行堆肥。但當前研究大多采用在戶外開放環(huán)境下進行堆肥的方式，發(fā)酵耗時較多，生產(chǎn)周期長，在6-8月進行生產(chǎn)一般需要60～90天才能腐熟。而采用機械化堆肥設(shè)備通過有效的發(fā)酵環(huán)境條件控制，可以大幅縮短堆肥時間，提升生產(chǎn)效率。郭兆峰[10]等研發(fā)一種高效的棉秸稈基質(zhì)化利用設(shè)備，通過自動化控制發(fā)酵溫度、壓力等條件，加入功能菌劑對棉秸稈進行低溫后熟發(fā)酵，批處理時間達到7 h。而針對粉碎枝條進行堆肥的設(shè)備研究報道較少。

因此本研究針對新疆果樹修剪量大，廢棄果枝利用率低，污染環(huán)境的問題，研制了一種枝條粉碎堆肥設(shè)備，提出了設(shè)備的發(fā)酵堆肥工藝，設(shè)計了設(shè)備智能化控制系統(tǒng)，并通過堆肥試驗對設(shè)備堆肥效果進行了驗證，以期為果樹枝條粉碎堆肥設(shè)備的研究和生產(chǎn)提供參考價值。

2 設(shè)備基本結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 設(shè)備基本結(jié)構(gòu)

粉碎發(fā)酵堆肥機如圖1，設(shè)備主要由電鍋爐、發(fā)酵罐、水箱、鍋爐進水管、回水管、發(fā)酵罐攪拌器、出料擋板、出料口、配電箱、溫度傳感器和機架組成。

2.2 工作原理

采用電鍋爐以水為介質(zhì)對發(fā)酵罐進行加熱，粉碎后的枝條顆粒混合動物糞便和發(fā)酵菌劑，在發(fā)酵罐內(nèi)攪拌均勻后開始發(fā)酵，發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵好的物料出料后即可作為有機肥施入果園或農(nóng)田。

3 關(guān)鍵工藝及部件的設(shè)計

3.1 發(fā)酵堆肥工藝的設(shè)計

發(fā)酵堆肥的原料為粉碎后的林果枝條和動物糞便的混合物料。為了使發(fā)酵充分，林果枝條粉碎后的顆粒大小應(yīng)在3 cm以下。林果枝條粉碎物與動物糞便按3:7的比例混合。進行發(fā)酵堆肥時，首先在水箱內(nèi)加入水，使水由進水管進入電鍋爐，并且使水箱內(nèi)的水位達到水箱容量的1/2左右。然后啟動電鍋爐，電鍋爐使水通過進水管和回水管循環(huán)加熱，并對發(fā)酵罐進行預(yù)熱。當料溫傳感器顯示發(fā)酵罐內(nèi)的溫度達到60~70℃時，啟動發(fā)酵罐內(nèi)的攪拌器，再將混合好的發(fā)酵物料加入發(fā)酵罐，按物料和水的比例20：1加入清水，使發(fā)酵物料攪拌均勻。當物料溫度上升到45℃時，在發(fā)酵物料內(nèi)加入150 g復(fù)合發(fā)酵菌劑（白腐菌、木霉菌、熒保素等），攪拌均勻后停止攪拌，蓋上發(fā)酵罐蓋子。然后啟動電鍋爐保溫功能，使發(fā)酵罐溫度保持在38℃進行發(fā)酵堆肥，發(fā)酵溫度10~12小時，物料溫度由45℃下降到38℃左右時，發(fā)酵過程結(jié)束，發(fā)酵好的物料從出料口出料。設(shè)備的工藝流程如圖2。

3.2 粉碎發(fā)酵堆肥機控制系統(tǒng)的設(shè)計

粉碎發(fā)酵堆肥機控制系統(tǒng)以PLC控制器為核心，設(shè)置啟動預(yù)熱和啟動攪拌、手動繼續(xù)下一步操作三組開關(guān)量輸入信號以及水箱溫度和物料溫度兩組模擬量輸入信號，輸出信號為啟動電鍋爐加熱和啟動攪拌兩組開關(guān)量輸出信號以及控制電鍋爐加熱的固態(tài)繼電器輸出信號。控制系統(tǒng)工作流程按照圖2的工藝流程進行全自動化控制，在需要加入發(fā)酵堆肥原料、加入發(fā)酵菌劑及出料的環(huán)節(jié)，通過蜂鳴器提醒操作人員進行下一步操作。水箱溫度設(shè)置預(yù)熱、發(fā)酵物料加熱、保溫三個溫度控制階段，采用PID控制方式，通過電鍋爐水溫的反饋控制信號調(diào)節(jié)電鍋爐加熱的固態(tài)繼電器輸出功率，以確保溫度控制的穩(wěn)定性、快速性和準確性，并通過兩組溫度表實時顯示電鍋爐水溫和物料的溫度。

4 設(shè)備堆肥試驗及結(jié)果

在新疆烏魯木齊市采用該設(shè)備進行了發(fā)酵堆肥試驗，試驗時間為2020年4月，采用速生楊枝條碎屑和雞糞為發(fā)酵原料，按3：7的比例進行發(fā)酵堆肥。發(fā)酵過程中電鍋爐的水溫和發(fā)酵罐內(nèi)的溫度變化如圖3。可以看出電鍋爐的水溫在預(yù)熱階段控制較為精確快速，在保溫階段溫度穩(wěn)定，符合設(shè)備工藝設(shè)計的要求。發(fā)酵罐內(nèi)物料溫度隨電鍋爐水溫的變化而變化，加入發(fā)酵物料和發(fā)酵菌劑后，在發(fā)酵階段物料溫度由于發(fā)酵產(chǎn)生的熱量溫度維持在44~46℃，發(fā)酵后期后物料溫度逐漸下降的38℃左右，堆肥發(fā)酵完成。

表1 設(shè)備堆肥發(fā)酵前后物料養(yǎng)分變化(%)

對發(fā)酵前后的物料養(yǎng)分含量進行檢測對比。碳元素和氮元素的變化是檢驗堆肥腐熟的一個重要指標。在發(fā)酵堆肥過程中，碳源被消耗，進而轉(zhuǎn)化為二氧化碳和腐殖質(zhì)，因此發(fā)酵后物料中有機質(zhì)含量明顯下降，堆肥結(jié)束時堆肥中的全氮、全磷、全鉀含量均有所增加。

5 結(jié)論

本文介紹了一種枝條粉碎發(fā)酵堆肥機的設(shè)計與試驗，并實現(xiàn)了對發(fā)酵堆肥溫度和工藝流程的全自動化控制。通過設(shè)備堆肥實驗和發(fā)酵前后的物料養(yǎng)分含量的檢測對比，研制的設(shè)備對粉碎枝條和雞糞的混合物料發(fā)酵堆肥時間小于12小時，發(fā)酵后的物料有機質(zhì)含量明顯下降，堆肥結(jié)束時堆肥中的全氮、全磷、全鉀含量均有所增加，表明研制的設(shè)備可以明顯縮短粉碎枝條的發(fā)酵堆肥周期，可為果樹枝條粉碎堆肥設(shè)備的研究和生產(chǎn)提供參考依據(jù)和技術(shù)支持。