研制牛糞與玉米秸稈攪拌專用設備的必要性探析

王德明

(黑龍江省農業機械工程科學研究院 綏化分院，黑龍江 綏化 152000)

0 引言

隨著市場經濟的發展，養殖方式逐漸從傳統副業、散戶小規模飼養向規?；?、標準化和集約化過渡，推動中國畜牧業產量逐年增加的同時，畜禽養殖產生的大量糞污也造成了環境污染[1]。畜禽糞污、作物秸稈的資源化利用不足與化肥過量施用是我國農業面源污染環境的主要原因。畜禽糞污、玉米秸稈等的無害化處理和資源化利用是畜禽養殖業迫切需要解決的問題[2]。

1 牛糞與玉米秸稈肥料化加工的意義

表1收集整理了2010—2020年中國生牛存欄量和玉米產量。1頭奶牛每天產生糞便約為30 kg，1頭400 kg體重的肉牛每天將產生糞便25 kg；每生產1 t玉米約產生玉米秸稈1.2 t。按照每頭牛每天產生糞便25 kg、谷草比1∶1.2，計算得出2010—2021年中國牛糞產量和玉米秸稈產量，繪制圖1。

1.1 畜禽養殖產生的糞便污染問題

為了滿足人們對肉、蛋、奶等畜禽養殖業產品的需求，我國的畜禽養殖業近幾年發展迅猛。在產業高速發展的同時，畜禽養殖過程中產生的畜禽糞便對空氣、土壤和地下水資源的污染也正在加劇。據《第二次全國污染源普查公報》，農業源排放量分別為化學需氧量(COD)1 067.13萬t、總磷(TP)21.20萬t、總氮(TN)141.49萬t[2]，其中，畜禽養殖業排放量COD為1 000.53萬t、TP為11.97萬t、TN為59.63萬t，占農業源總排放量的比例分別為93.76%、56.46%、42.14%[3]，畜禽養殖業的排放量高于種植業。由于對畜禽糞便污染環境的認識不足，很多養殖戶將未經處理的畜禽糞污隨意堆放，嚴重污染了周圍的生態環境。經檢測發現，畜禽糞便中含有近70%的有機質成分和豐富的礦質元素，若將其轉化為有機肥料投入到農業生產當中，將會極大減少化肥施用、促進土壤結構改良、提高農產品的產量和品質。而畜禽糞便中牛糞的重金屬含量相比雞糞和豬糞的重金屬含量低，所以牛糞更適合做肥料。結合表1、圖1，2020年我國生牛存欄量9 562萬頭，年產牛糞已超過8.7億t。

表1 近11年中國生牛存欄量及玉米產量

圖1 近11年中國牛糞及玉米秸稈產量

1.2 玉米生產引出的秸稈處理問題

2020年我國玉米產量達到2.61億t，按谷草比1∶1.2計算，產生的玉米秸稈量達到3.13億t。如何妥善使用或是處理玉米秸稈已經成為保障糧食持續豐收和農業健康可持續發展的關鍵問題。玉米秸稈具有糖分高、密度低的特點，因此不適用于制碳，用于發電也存在經濟效益低的問題。但玉米秸稈中含有豐富的氮、磷、鉀、鈣、鎂等作物所需的營養元素，每100 kg干玉米秸稈中含氮素0.5 kg、五氧化二磷0.39 kg、氧化鉀1.67 kg。每667 m2玉米秸稈還田量以500 kg計算，理論可增加純氮2.5 kg、五氧化二磷1.95 kg、氧化鉀8.35 kg[4]。如果能將玉米秸稈制成肥料施用，不僅可以解決玉米秸稈處理問題，還能培肥地力，加快實現對黑土地的保護。

1.3 長期施用化肥帶來的弊端

近年來，為了增加糧食產量，在農業生產過程中施入了大量的化學肥料，我國在不足世界耕地總面積10%的耕地上，施用了接近世界總量33.3%的化肥量,化肥施用量居全球第四,大量使用化肥帶來糧食短暫增產的同時也帶來了很多的危害。例如大量施用化學肥料導致蔬菜瓜果品質下降明顯，原因在于作物生長在獲得充足氮磷鉀的同時，還需要吸收鈣、鐵、鋅、硒等多種微量元素，而化肥的營養成分通常較為單一，不能滿足作物對養分的需求，導致作物品質下降，不易儲存；長期大量施用化學肥料，會導致初級農產品中硝酸鹽含量超標，而亞硝酸鹽結合胺類物質會形成具有強致癌作用的N-亞硝酸基化合物；化肥淋溶至土壤中會造成土壤有益菌死亡,還會污染河流、湖泊等水體；化肥的大量生產還加劇了石油、天然氣、煤、磷礦石和硫等不可再生資源的消耗。由此可見，長期大量施用化肥，不僅使土壤肥力迅速下降、嚴重影響農作物品質,而且破壞生態環境、危害人體健康,同時還進一步加劇了我國能源短缺的問題[5]。

對上述問題最有效、易行且無害的處理方式就是把牛糞與玉米秸稈混合制成有機肥在農作物播種前撒施于田間，再經旋耕或翻耕等手段使之與土壤混合。此處理方式在解決上述問題的同時還有利于提高土壤肥力、改良土壤理化性狀、調節土壤溫度、加強土壤蓄水能力、改善耕層結構、提高作物產量和節約資源等作用，促進了土地可持續利用和農業健康發展，具有良好生態價值和經濟價值。

2 牛糞與玉米秸稈肥料化處理方案

在農村，傳統的處理方法是把作物秸稈、糞便等自然堆放腐熟，將混合物堆放腐熟后作為肥料施入農田中，這是最簡便的堆肥方式，但是這種堆肥方式肥料腐熟的速度十分緩慢，不適用于產業化生產。通過總結已有的研究發現，將單一的牛糞或者秸稈堆放腐熟，腐熟的過程需要時間較長。但將兩者混拌均勻再堆放腐熟，其腐熟速度就會大幅度提升，在原料的不同配比中，最佳配比為牛糞與玉米秸稈的物料體積以4∶6混合，同時玉米秸稈含水量為15%～30%，牛糞含水量為55%～70%時，腐熟效果最佳[6]。

同時，需要選擇穩定適用的攪拌設備，使牛糞和玉米秸稈的混合物在攪拌設備內經剪切、對流、擴散、沖擊等作用實現充分的混勻，就可以實現以大批量的流水線生產模式將牛糞與玉米秸稈轉化為有機肥料，使腐熟物變成商品有機肥，在保護環境的同時，還能給農民帶來額外的經濟效益。

3 現有攪拌設備不適用牛糞與玉米秸稈的攪拌處理

根據不同行業的實際需求，市場上陸續出現了多種類型的攪拌設備。常見的攪拌設備可以簡要劃分為臥式攪拌機、立式攪拌機、特殊結構攪拌機。

3.1 臥式攪拌機的特點及適用場景

臥式攪拌機又可以細分為螺旋臥式攪拌機、螺帶混合機、犁刀攪拌機、拔輪式攪拌機等。傳統的臥式攪拌機功率較大，可以加工未做預處理的物料，攪拌的同時會對物料起到一定的切割作用，但是占用空間大，而且存在卸料不徹底、物料殘留量多的問題；新研發的臥式攪拌機在工作過程中，使物料在攪拌倉內循環往復，不斷更迭、復合，最終使物料混合均勻，混拌效果好，但結構比較復雜，而牛糞和玉米秸稈中不僅含有較長纖維而且含水量較高，在攪拌過程中易發生纏堵問題。因此無論是傳統的還是新研發的臥式攪拌機都不適用于牛糞與玉米秸稈的攪拌作業[7]。

3.2 立式攪拌機的特點及適用場景

立式攪拌機一般包括進出料口、物料倉、螺旋攪拌器、甩料板等組成部分。工作時由電機經減速器帶動螺旋攪拌器旋轉，物料由進料口進入攪拌機內部，在豎直的螺旋攪拌器作用下，物料從物料倉底部上升至頂部再向四周拋撒，然后由物料自身重力作用落到物料倉的底部，重復以上過程直至混合均勻，再經卸料口將物料卸出。立式混合機具有占地面積小、動力消耗小、混合時間短、混合質量高等優點，適用于混合干粉、顆粒、短纖維和少量液體的物料。而牛糞中除含有大量有機質和粗蛋白外，還有未消化的粗纖維，并且含水量較高，甚至呈黏稠狀。玉米秸稈基本組織構成以纖維素、中纖維素及木質素為主。兩種物料的含水量、容重、流動性等差異較大，現有的立式混合機長時間作業會出現卡料或者物料黏結的現象。

3.3 特殊結構攪拌機的特點及適用場景

特殊結構攪拌機可以劃分為V型混合機、三維運動混合機、鏈槳式和滾筒式攪拌機等幾類。鏈槳式攪拌機結構簡單，功率較小，主要用于飼料混合攪拌。V型混合機，包括V型筒、進出料口和傳動軸，電機通過變速箱帶動V型筒旋轉。V型筒體由兩個圓筒焊接而成，且兩圓筒長度不等。V型筒在旋轉過程中，一部分物料從一個筒體區域移動到另一個筒體區域，使物料在運動過程中產生擴散、對流和滑移運動，實現物料均勻混合，適用于制藥、食品、化工等行業干粉和顆粒狀物料的混合。三維運動混合機，包括機架、主動軸、從動軸、主動撥叉、從動撥叉、筒體、進出料口和鉸鏈。電機經減速器帶動主動軸勻速旋轉，從動軸變速做反向旋轉，使筒體具有平移、轉動和翻滾三維運動，讓物料在運動過程中沿筒體軸向、徑向和環向流轉，適用于制藥、化工、食品、機械等行業粉狀和顆粒狀物料的高均勻度混合。滾筒式攪拌機，攪拌筒為雙錐形筒體，焊接于筒內的高低葉片分別與攪拌軸線呈一定的角度。在攪拌過程中，高低葉片使物料在提升和下落的過程中做軸向往復攪動，主要用于混凝土攪拌。此4類攪拌設備幾乎無法用于牛糞與玉米秸稈的攪拌[8]。

4 急需研制專用的攪拌設備

每年產生的大量畜禽糞便、玉米秸稈，以及在農業生產中常年大量施用化肥已經嚴重威脅到土壤、水源、環境的安全和國民的身體健康，資源化處理牛糞和玉米秸稈生產有機肥可以有效解決上述問題，但是當前市場上的攪拌設備多是根據建筑及飼料等行業的需求研發生產，不適用于牛糞和玉米秸稈的混拌作業。為了更好地混合牛糞和玉米秸稈來高效生產有機肥料，急需研制專門用于混合牛糞和玉米秸稈的攪拌設備，來滿足將牛糞與玉米秸稈以流水線模式批量混拌，進而使之腐熟成為有機肥料，通過對牛糞和玉米秸稈資源化處理，實現保護環境、改良土壤、節約資源的目的。