畜禽糞污堆肥技術裝備發展現狀與趨勢

蘇佳佳， 李鳳鳴， 李 偉， 高曉宏， 郭 煒， 羅金海

（中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院有限公司，內蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

隨著我國經濟的迅速發展，畜禽養殖產業的規模也越來越大，且養殖業數量處于不斷增多的狀態，因此畜禽糞污的產生量也在陸續增加，各養殖業人員把畜禽糞污的處理逐漸當成工作中的重點，在規模化養殖業的現實運行中，采用科學合理的糞污處理方式對養殖場的運營起至關重要的作用[1-3]。根據農業農村部數據，到2020 年，我國的畜禽糞污資源化利用率達75%，規模化養殖場畜禽糞污處理裝備配套率達93%[4-6]。畜禽糞污資源化綜合利用方式歸納為3 大類：一是肥料化，農作物生長所需；二是飼料化，動物生長所需；三是能源化，生產生活所需。其中肥料化是畜禽糞污綜合處理的主要方式，占糞污資源化綜合利用方式的60%，而堆肥技術在畜禽糞污資源利用肥料化處理技術中占絕大部分[7-10]。禽畜的排泄物中含有許多有用物質，如礦物質和有機質，經堆肥發酵技術處理后，通過高溫殺滅糞污中的有害物質，將其中的有機質分解成腐殖質。然后與一定量的復合微肥結合，可以制成復合有機肥。將制成的有機肥料用于農田作物中，可以促進農作物的生長。

針對發展機械式畜禽糞污的處理方式，眾多學者紛紛研究了畜禽糞污的機械化處理技術裝備。樊梅榮[11]對畜禽糞污資源化綜合利用技術進行了研究，闡述了畜禽糞污資源化綜合利用技術的模式、工藝流程及管理要點。趙明杰等[12]對畜禽糞污堆肥發酵技術及裝備進行了研究，分析了不同堆肥技術裝備的工作原理及特點。孫家英等[13]對畜禽養殖糞污資源化利用技術模式進行了探析，對比了糞污資源化利用的不同模式及特點。耿文廣等[14]對小型快速發酵裝置設計與應用效果進行研究，設計并開發了快速發酵處理裝備。王欣宇等[15]對規模化牛場糞污處理方法進行研究，結果表明全面實施畜禽的健康養殖已成為現代畜禽養殖業發展的必然趨勢。

畜禽養殖業的廢棄物資源化利用產業中首先要實現的是畜禽糞污機械化處理，本文就畜禽糞污堆肥技術與裝備的現狀和發展趨勢進行探討。

1 糞污堆肥技術工藝

糞污堆肥技術是利用微生物，在人為控制的作用下，降解畜禽糞污中的有機質，使畜禽糞污無害化和腐殖化的發酵技術過程。畜禽糞污堆肥技術分為兩種形式：一種是厭氧堆肥技術；另一種是好氧堆肥技術。劃分依據是堆肥發酵技術過程中，是否需要氧氣的作用[16]。不需要通風、不需要氧氣作用的堆肥技術是厭氧堆肥發酵技術，其完全腐熟需要幾個月才能完成，堆肥時間較長。而需要通氣通風、需要氧氣作用的堆肥技術則是好氧堆肥發酵技術，其溫度比較高，通常在55～65 ℃，高時可達70 ℃，又稱高溫堆肥。堆肥技術工藝流程如圖1 所示。

圖1 堆肥技術工藝流程Fig. 1 Process flow of composting technology

畜禽糞污的肥料化技術處理與循環利用，能夠為畜禽糞污的堆肥利用提供新方法和新途徑，能夠解決畜禽糞污及畜禽廢棄物的還田利用機械化、減量化及無害化的難題。畜禽糞污循環利用工藝模式如圖2 所示。

圖2 畜禽糞污循環利用工藝模式Fig. 2 Livestock and poultry manure recycling process mode

2 糞污堆肥技術裝備

隨著機械化的不斷發展，告別了傳統的堆肥方式。現有畜禽糞污堆肥方式多種多樣，隨之配套的機械裝備也形式多樣。本文涉及的糞污堆肥技術裝備主要指好氧堆肥技術裝備。畜禽糞污堆肥技術包括原料預處理技術、好氧發酵技術和造粒成型技術等。在原料處理技術的過程中，通常采用固液分離技術、輔助料粉碎技術及原料含水率控制等技術，來提升堆肥技術的整體效果，而造粒成型技術能夠將粉碎配料混合等技術工序緊密的結合，最終能夠生成適用于農作物生產所需的有機肥料。

2.1 原料預處理裝備

原料通過預處理后，能夠滿足好氧發酵技術的實際需求。原料預處理主要裝備包括固液分離裝備、輔助料粉碎裝備及混合配比裝備等。一種能將固體糞便從畜禽糞污中機械分離出來的機械裝備稱固液機械分離裝備，其能夠快速機械分離畜禽干清糞及畜禽水泡糞中的固體糞便，固液分離裝備如圖3 所示。目前最常用的固液機械分離裝備主要包括篩分機械分離裝備、過濾機械分離裝備、離心機械分離裝備及螺旋機械分離裝備等類型。

圖3 固液分離裝備Fig. 3 Solid-liquid separation equipment

篩分分離機械裝備是一種不容易堵塞且結構簡單的分離裝備，但其去除固體物質的效率是較低的。過濾分離機械裝備是一種無噪聲、無振動和能耗較低的分離裝備，但其有較高的運行成本。離心分離機械裝備分離固體物質快速、高效，但其能耗高，前期投資大。目前最廣泛的是一種全新的螺旋分離機械裝備。在固液分離前為使糞污中固態的含量減少，先將糞水攪拌充分。根據實際情況，在畜禽糞污原料預處理的時期結合多種工藝裝備，既能降低固體的含水率，也能提高固液分離效果。

2.2 好氧發酵裝備

在好氧發酵技術過程中，最常見的發酵技術包括條垛式發酵技術、槽式發酵技術和反應器發酵技術。

2.2.1 條垛式堆肥裝備

條垛式堆肥技術也稱原始堆肥技術，是將混合好的畜禽糞污排列成條垛的形式，占地面積較大，屬于開放式的，需要機械裝備周期性地進行翻拋，所以發酵周期長，但工藝簡單且費用較低。條垛式堆肥技術的機械翻堆頻率為每周3～5 次，糞污堆肥發酵需要40～60 d。條垛式堆肥如圖4 所示。

圖4 條垛式堆肥Fig. 4 Strip stack composting

條垛堆肥技術的場地大小取決于畜禽糞污的處理量，且應做防雨措施。條垛的尺寸規格通常是條垛寬2～4 m，條垛高1.0～1.5 m，條垛的長度尺寸不受局限。當條垛堆肥太大，翻堆時會散放大量的臭氣；當條垛堆肥太小時，快速散熱的堆肥，使其保溫性較差。對于規模大、糞污量多的堆肥，則需要多行進行條垛堆肥，才能滿足要求。畜禽糞污條垛堆肥需要定期進行翻堆，通常分為人工翻堆和機械裝備翻堆兩種形式，但機械翻堆效率較高。條垛堆肥中微生物耗氧量的多少決定了條垛堆肥技術的翻堆次數，另外還受其他因素的影響，如糞污堆肥的腐熟程度，使用翻堆機械裝備的種類，條垛占地空間大小，以及經濟條件等。條垛堆肥技術在糞污堆肥起始階段的翻堆頻率要比后期高，一般2～3 d 進行一次糞污翻堆，當條垛堆肥達到70℃的高溫時，翻堆的次數則要增加。條垛堆肥翻堆機形式多樣，如圖5、圖6 和圖7 所示。

圖5 自走式條垛堆肥翻堆機Fig. 5 Self-propelled sliver compost turner

圖6 自走式整體連片堆肥翻堆機Fig. 6 Self-propelled integral continuous compost turner

圖7 牽引式條垛堆肥翻堆機Fig. 7 Trailed sliver compost turner

2.2.2 槽式堆肥裝備

槽式堆肥技術是在槽內進行糞污堆肥的技術，這種槽一般又長又窄。在槽壁上方軌道上安裝對糞污堆肥起翻攪作用的翻拋機，其定期對槽內堆肥進行翻拋，來增加堆肥的通透性。在槽的底部安裝對糞污堆肥提供通風曝氣的管路通道，滿足槽內堆肥氧氣的需求。因此，槽式堆肥技術裝備是在槽底管道提供氧氣的條件下，通過槽上翻拋機定期翻拋的作用來實現槽內堆肥發酵的技術裝備。智能槽式糞污處理裝備如圖8 所示。

圖8 智能槽式糞污處理裝備Fig. 8 Intelligent trough manure treatment equipment

畜禽糞污處理量的多少和糞污堆肥使用的物料翻拋機的樣式決定了糞污堆肥槽的大小。糞污堆肥翻拋機的作用是對堆肥進行翻拋攪拌，使槽內上下堆肥均勻混合，同時拋碎和疏松堆肥，來增加氧氣的供應量，從而保證畜禽糞污堆肥槽內堆肥發酵均勻，這樣發酵出的堆肥均勻性好。糞污堆肥發酵槽內的氧氣來源于槽底鋪設的通風管路技術系統，能保證槽內堆肥的氧氣需求量。畜禽糞污一般在進入堆肥槽后1～2 d 可達到45 ℃。槽內堆肥發酵周期通常為30～40 d。槽式堆肥寬幅鏈板翻拋機如圖9 所示。一種是從糞污堆肥發酵槽的進料端口進料，然后通過糞污翻拋機的作用將糞污堆肥翻拋到出料端口，同樣再在進料端口進料，再通過翻拋機的作用將物料翻到出料端口，當堆肥發酵周期結束時，物料從出料端排出，這樣一批一批的進料、翻拋、移動，稱為批次進料和出料的方式，翻拋起供氧、粉碎及攪拌的作用。另一種是槽內一開始就堆滿物料，當堆肥發酵的周期結束時，一次全部排出物料的形式，這種稱為整體進料和出料的方式。

圖9 槽式堆肥寬幅鏈板翻拋機Fig. 9 Trough type composting wide chain plate turning and throwing machine

2.2.3 反應器堆肥裝備

反應器堆肥技術是密閉的、一體的好氧堆肥發酵技術，具有進料、出料、曝氣、攪拌及除臭的功能。反應器的形式多種多樣，有塔式反應器、筒倉式反應器、隧道窯式反應器及攪動箱式反應器等。目前，自動化糞污堆肥技術裝備通用的主要包括生物發酵塔技術裝備、發酵倉技術裝備及高溫好氧發酵罐技術裝備等。生物發酵塔是由多個發酵倉組合，能實現自動調劑、穩定傳送、連續排出，全自動化控制生產物料，并自動供氧、調溫、除濕，利用好氧生物菌產生的生物能對養殖場的糞尿等有機廢棄物實現零污染、零排放的無害化處理。塔式堆肥裝備如圖10 所示。發酵倉堆肥是將堆料混合物放置于簡單箱式結構中進行發酵的堆肥方法。倉式堆肥通常使用強制通風，其通風系統組成與靜態通氣堆肥相同。堆肥在封閉的容器內進行，沒有臭氣污染；能很好控制堆肥發酵過程，堆肥發酵倉可自由運輸，有利于分散糞便的集中處理。發酵倉堆肥密閉反應器是從筒倉頂部加入物料，然后通過高壓渦輪風機的供氧作用，從筒倉底部排出物料的堆肥技術裝備。通常筒倉高度為4～6 m，堆肥發酵周期一般為7～12 d。筒倉式堆肥裝備如圖11 所示。

圖10 塔式堆肥裝備Fig. 10 Tower composting equipment

圖11 筒倉式堆肥裝備Fig. 11 Silo composting equipment

高溫好氧發酵罐是一種新型的發酵裝備，采用的是一種高壓高氧高熱發酵技術，它可以對動物糞便進行高溫加熱，達到動物糞便發酵所需的高溫條件，同時，克服了普通糞便發酵技術的生物菌和氧氣不足使動物糞便發酵不徹底。通過高溫高氧發酵使生物菌得到活化，從而使動物糞便徹底發酵成生物菌型有機肥的目的。處理過程耗能少，運行成本低；充分利用空間，占地小；自動化程度高，采用PLC 與上位機結合，實現遠程控制；處理過程全封閉，不產生二次污染。

中小型畜禽養殖場的糞污處理一般會用到密閉式反應器堆肥技術裝備，這種裝備適用于畜禽糞污的就地堆肥處理。其具有占地面積較小，發酵周期較短，且節能保溫效果比較好的優點，而且密閉性好，臭氣控制容易，自動化程度較高。

2.3 造粒成型裝備

農作物有機肥料的最后一道生產工序是造粒成型，造粒成型之后的顆粒肥料能夠提升自身的商品化，增強顆粒肥料的緩釋效果，使其在儲存和運輸中不易分解。目前在市場上，擠壓造粒技術裝備和團聚造粒技術裝備是兩種最常見的造粒成型技術裝備。

擠壓造粒成型技術是運用滾擠壓的一種方法，首先將進入機器料斗的物料通過機械式擠壓成型之后，再脫模造球，然后傳輸到機器破碎篩，再將新物料和返回物料重新混合之后再造粒。擠壓造粒成型技術裝備具有兩個優勢：高效和平滑。擠壓造粒機如圖12 所示。

圖12 擠壓造粒機Fig. 12 Extrusion granulator

團聚造粒成型技術裝備有兩種機型，一種是圓盤式造粒機，另一種是轉輥式造粒機。圓盤造粒機應用范圍廣，已相當成熟。物料從霧化噴嘴進入采用圓弧結構制造的造粒盤，在圓盤的快速旋轉下，濕潤的物料迅速凝結成型，最終形成顆粒狀。圓盤造粒機如圖13 所示。

圖13 圓盤造粒機Fig. 13 Disc granulator

轉輥式造粒機是將經過同體旋轉運動的已成型物料，在特定的濕度和溫度要求的控制下，凝結聚集形成球狀物料，最終形成制作球狀物料技術工序，其內部結構是比較特殊的。造粒結束后的顆粒狀物料需要一道工序，即干燥與冷卻，所以需要在造粒成型技術裝備中配置適用的干燥和冷卻模塊，這樣的處理方式不僅可以對造粒工藝流程進行優化，也可以節省技術裝備成本。轉輥造粒機如圖14 所示。

圖14 轉輥造粒機Fig. 14 Rotary roller granulator

3 發展趨勢

畜禽糞污堆肥技術裝備的發展能夠解決畜禽養殖行業糞污處理難及廢棄糞污污染的問題，能夠加快畜禽養殖業的發展，是畜禽養殖行業糞污污染防治經濟有效的方式。畜禽糞污的資源化還田利用，能夠促進畜禽養殖業的污染防治從注重達標排放向注重全量利用的轉變加快，有力地促進了畜牧行業生產制造與生態環境保護建設的協調發展。

隨著畜禽糞污處理技術的日益需求，畜禽糞污堆肥技術裝備將形式多樣，適合不同場所需求。通過文中畜禽糞污堆肥技術裝備現狀的介紹，可以得出畜禽糞污堆肥機械化水平將改造升級：機械裝備大型化，適用于中大型規模養殖場的糞污處理；自動化程度高，能夠遠程控制和故障監測；機械裝備的生產率進一步提高，可靠性更高；糞污處理無二次污染，促進生態循環。因此，畜禽糞污堆肥技術裝備將向大型化、智能化和信息化的趨勢發展。

4 結束語

論述了畜禽糞污堆肥技術工藝及堆肥技術裝備，分析了畜禽糞污堆肥技術裝備的發展趨勢，得出在推進畜禽糞污堆肥技術裝備發展的同時，要遵循自然生態的發展理念，結合種養機制，按照種養平衡適度開發協調發展，確保畜禽糞污堆肥技術裝備的合理開發利用，為畜禽糞污堆肥技術裝備的創新設計制造及推廣應用提供理論依據。運用機械裝備使畜禽糞污廢物轉化，變廢為寶，做到畜禽養殖業廢棄物資源化合理利用，創建健康綠色且環保高效的畜禽養殖產業，能夠受益于種植業和養殖業雙重產業，可以促進農業的可持續發展，且有利于生態穩定循環發展。