規模化豬場固糞好氧快速發酵工藝與設備研究

袁興茂 李霄鶴 吳海巖 張俊杰 胡 棟 孫太福

(1.河北省農業機械化研究所有限公司， 石家莊 050051； 2.河北省農林科學院農業資源環境研究所， 石家莊 050051；3.遷安市農業農村局， 遷安 064400)

0 引言

近年來，隨著產業結構的調整和生豬養殖業的不斷發展，生豬規模化養殖已經成為主流養殖模式，2016年生豬規模化養殖比例已達70%[1]，生豬產業已成為農牧業增收的重要支柱產業，但生豬產業的快速發展也導致了糞污排放量的增加。一般中小規模生豬養殖場，每年鮮糞排泄量達(3.9～4.0)億t，居于我國重點排污領域的首位，大量糞污以及廢棄物對養殖周邊環境的空氣、土壤、水質等造成了嚴重污染,已成為我國環境污染的主要來源[2-11]。隨著環境及環保壓力的逐年加大，生豬養殖業糞污的治理問題已成為我國生豬產業健康發展亟需解決的重大問題之一[12]。

目前大多數生豬養殖場的糞污處理與利用率較低，總體利用率不足60%，且傳統的槽式及堆置式堆肥工藝普遍存在投資大、處理周期長、占地面積大、臭氣收集難、利用技術不配套以及管理技術和水平粗放，尤其是不適于中小規模養殖場點源環境污染治理等問題[13-17]，但中小規模養豬場主體數量在總養殖主體數量中占有絕對比例，2015年占總養殖主體數量的84%[18]。

為縮短糞污發酵周期、減少糞污處理占地面積、提高糞污利用率、提升發酵設備自動化程度，本文以中小規模養豬場為研究對象，在確定糞污產量的基礎上，以存欄量2 000頭的養豬場為案例，設計 “日產日清、原位處理”的豬糞好氧快速發酵高溫無害化處理工藝，并按照工藝設計要求，設計一種智能好氧高溫發酵罐，在養豬場進行試驗。

1 規模化種豬場糞污收集

1.1 各類豬群存欄及占欄頭數計算

在規模化養豬場項目建設中，各類豬群存欄及占欄頭數的計算比較混亂[19]，不同飼養階段的豬群糞污產量不同[20]，為了更精確地掌握豬場各類豬群存欄頭數分配情況，結合豬場實際，經對部分豬場調研，得出規模化豬場各類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 豬場糞污收集量計算

《第一次全國污染源普查畜禽養殖業源產排污系數手冊》中形成了以東北、華北、華東、中南、西南、西北6個大區為單位的畜禽養殖業產排污系數，在大區尺度上具有較高的準確性，為了給糞尿的無害化處理和資源化利用提供基礎數據，董紅敏等[21]對規模化種豬場保育、育肥和妊娠母豬3個階段4個季節進行了產污系數研究，結果如表1所示。

表1 每頭生豬不同生產階段產污系數Tab.1 Generation coefficient in different feeding stages

養殖場糞污產生量計算公式為[22]

(1)

式中M——糞污產生量，kg/d

i——不同養殖階段

Ni——對應養殖階段的畜禽數量，頭

fi——對應養殖階段的產污系數，kg/(頭·d)

以河北省年存欄量2 000頭的某養豬場為例，根據表1及式(1)，計算得養殖場每天產糞量為2 288 kg/d，產尿量為4 984 L/d。

2 技術模式及所需技術裝備

2.1 工藝設計

以養殖規模為2 000頭的養豬場為例，糞便處理工藝為干清糞模式，養殖場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。針對目前養殖場規模和基礎設施，設計了“日產日清、原位處理”的糞污無害資源化利用種養結合的處理工藝，工藝流程如圖1所示。

智能好氧發酵罐的工作模式為全封閉連續批次式發酵，養豬場當天產生的糞污、固糞不需轉移，直接進入就近建立在豬舍旁的集糞池，經攪拌均勻后，進入固液分離設備，分離的固糞(含水率控制在55%～65%)直接進入智能好氧發酵罐經高溫發酵后直接出料(可選擇性加入秸稈)，經后腐熟后直接還田，如水分過高可加入輔料進行調節，或加入部分發酵好的有機肥進行回調處理，尿液廢水等進入三級沉淀池經無害化處理，適當稀釋后灌溉農田。

2.2 工藝參數

日處理物料量即養殖場每天產生的糞便經固液分離設備分離后的固糞量，計算公式為

(2)

式中C——日處理物料量，kg/d

η——糞便收集率

w——糞便經固液分離機處理前含水率

w1——糞便經固液分離機處理后含水率

考慮到糞便在收集過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；糞便經固液分離機處理前含水率w為0.74；糞便經固液分離機處理后含水率w1為0.60。由式(2)計算得日處理物料量C為1 219.6 kg/d。

原料含水率控制在55%～65%范圍內，發酵周期5～7 d，物料溫度維持在60～70℃，持續4～5 d，攪拌與通風方式為間歇式自動運行，發酵產品無害化衛生學要求達到NY/T 3442—2019《畜禽堆肥技術規范》標準規定。

2.3 工藝設備及主要構筑物

采用連續批量好氧罐式反應器發酵工藝，收集的糞便經攪拌均勻后進入固液分離設備，分離后的固糞直接進入罐式反應器進行發酵處理，發酵產物經輸送帶或裝載機輸送至貯肥間進行后處理。主要設備參數如表2所示。

表2 設備參數Tab.2 Equipment parameters

本工藝需配套構筑物主要有集糞池、固液分離機基座、智能好氧發酵罐基座、貯肥間、污水池等。按功能、容量及相關行業標準要求計算，各構筑物尺寸參數如表3所示。

表3 構筑物參數Tab.3 Building structure parameters

主要構筑物中一體化設備棚可根據用戶需求選擇性構建，設備設有防雨裝置。養豬場構筑物平面布置圖如圖2所示。

3 智能好氧發酵罐整機結構設計與工作原理

3.1 整機結構設計

根據糞污處理工藝參數設計要求，設計了智能好氧發酵罐，該設備在物料發酵過程中通過調控發酵環境溫度、含水率、需氧量使物料中的有機質進行快速生物分解、發酵，以縮短發酵周期，同時對發酵產生的廢氣進行收集處理。智能好氧發酵罐主要由發酵罐體、液壓傳動系統、主軸攪拌系統、上料系統、加熱系統、送氧系統、尾氣處理系統及控制系統組成。智能好氧發酵罐結構示意圖如圖3所示，智能好氧發酵罐技術參數如表4所示。

表4 智能好氧發酵罐主要設計參數Tab.4 Parameters of intelligent aerobic fermentation tank

3.2 工作原理

發酵裝備整體采用立式設計，連續進出料的工作方式。調配好的物料通過上料系統進入發酵罐內，每天入料量為總容量的1/7～1/5，物料在微生物菌劑的作用下開始分解，自身分解產生熱量的同時加上設備輔助加熱系統將電加熱空氣向罐體內曝氣的作用，物料進行快速發酵且溫度快速升高，最高可達到70℃；在主軸攪拌系統、送氧系統、加熱系統、控制系統協同工作的作用下，使發酵罐內物料處于最佳發酵環境，促使物料充分發酵分解，溫度維持在60～70℃，持續4～5 d，物料一次(除未降解的大分子有機物)發酵完畢，罐體底層1/7～1/5物料在攪拌軸與出料系統的作用下通過出料口即可排出，進行后腐熟階段，物料排出后，上料系統啟動向罐內補充新料，以此循環運行[3]，罐內物料的一次發酵周期一般為5～7 d。同時發酵產生的氨、CO2、有機揮發氣體等通過尾氣處理系統收集并凈化處理。

3.3 關鍵部件設計

3.3.1雙路多點供氧裝置設計

在好氧發酵過程中，曝氣目的是為了給好氧微生物生命活動提供充足的氧氣，調節物料的水分和溫度。為保證物料好氧發酵充分、均勻，提高物料發酵啟動速率(尤其是在冬季)，將供氧系統、主軸攪拌軸系統與罐體底板一體設計，并加裝輔助電加熱系統，設計了一種雙路多點供氧裝置，供氧路線如圖4所示。空氣經電加熱系統1加熱后經鼓風機1通過攪拌軸葉片輸送至罐體內，經電加熱系統2加熱后通過罐體底板多點供氧裝置輸送至罐體內。空氣加熱后由鼓風機將其分別通過攪拌軸攪拌葉片及罐體底板多點供氧裝置送入罐體內。

為防止罐體底部集料造成物料板結影響曝氣噴嘴通氣性，將罐體底板與攪拌軸底層葉片進行組合設計，罐體底板采用環形沖壓工藝，并在凸起平臺部位安裝曝氣噴嘴，攪拌軸底層葉片截面設計為直角三角形，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，在攪拌軸運轉時將葉片與底板間的物料進行刮除。罐體底板多點供氧裝置主要由環形沖壓底板、曝氣噴嘴、底層葉片刮板組成，結構圖如圖5所示。罐體底板設有6處曝氣噴嘴沖壓平臺，徑向間距為135 mm，平臺高20 mm，頂部寬28 mm，從內向外每處平臺交錯安裝曝氣噴嘴數為36、26、20、24、18、12，共裝有136個曝氣噴嘴，結構示意圖如圖6所示。

3.3.2尾氣余熱回收利用裝置設計

好氧微生物在有氧條件下，將廢棄物中的有機質進行分解，釋放大量的反應熱量，通常情況下熱量被廢氣帶走，經凈化處理后達標排放。為更好地回收和利用這部分廢熱量，設計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、進氣通道、廢氣通道組成，其中箱體設計為雙壁結構，兩壁間填充保溫材料，內壁選用304不銹鋼，外壁選用普通碳素結構鋼，結構圖如圖7所示。

4 發酵試驗

按照本糞污處理工藝的工藝設計要求，結合養豬場現有基礎設施，在河北省辛集市某養豬場構建了所需設備與主要構筑物，并根據智能好氧發酵罐的設計方案，進行了設備試制和安裝，現場效果圖如圖8所示。

4.1 試驗條件

試驗場地為本工藝實施地點(河北省辛集市某養豬場)，原料為豬場產生糞便經固液分離后的固糞，含水率為60%，環境溫度10～25℃，微生物菌劑由河北省農林科學院遺傳生理研究所提供，配比為1∶10，智能好氧發酵罐運行方式為間歇式，運行30 min，停止180 min。

4.2 試驗過程

根據試驗條件，在原料進入設備5 d后進行出料，對原料發酵前后全氮、全磷、全鉀含量進行養分流失測試對比，以及對發酵產物含水率、蛔蟲卵死亡率及糞大腸菌群數等堆肥腐熟評價指標進行取樣測試，同時對智能好氧發酵罐耗電量以及廢氣余熱利用效果進行測算。

4.3 試驗結果及分析

根據試驗條件，對發酵產物及智能好氧發酵罐測定參數進行試驗測試，結果如表5所示。

表5 測試結果Tab.5 Test results

測試結果表明，經發酵裝備生產出的發酵產物，發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；發酵產物含水率、蛔蟲卵死亡率及糞大腸菌群數均滿足NY/T 3442—2019《畜禽堆肥技術規范》標準規定，智能好氧發酵罐耗電量平均63.5 kW·h/d，采用廢氣余熱回收利用裝置后，在環境溫度10～25℃時，進氣溫度平均提高3.3℃。同時，與傳統槽式堆肥工藝相比，發酵周期由15～30 d縮短至6 d，并減少了發酵占地面積、發酵車間構建及翻拋設備等相關投入。

5 結論

(1)對中小規模養豬場各類豬的日常存欄量及糞污產生量進行了測算，制定了“日產日清、原位處理” 糞污無害資源化利用處理工藝，并對工藝參數、工藝設備以及主要構筑物進行了設計。

(2)設計了一種日處理能量為1.2 t的智能好氧發酵罐，通過對發酵環境溫度、含水率、需氧量的調節，使發酵罐內物料溫度維持在60～70℃，提高了廢棄物中的有機質好氧發酵速度，將發酵周期縮短至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，在環境溫度10～25℃時，進氣溫度平均提高3.3℃。

(3)根據制定的糞污無害資源化利用處理工藝，在河北省辛集市某養豬場進行了實施。依據工藝要求以含水率為60%的豬糞為原料，對固糞發酵產物進行了測試，結果表明：發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；發酵產物含水率為43%、蛔蟲卵死亡率100%、糞大腸菌群數小于3個/g，均達到NY/T 3442—2019《畜禽堆肥技術規范》標準規定。