雞糞堆肥系統設計原則

梁 浩， 趙明杰， 閆 飛， 李 輝， 郭憲峰， 張雪立， 曹哲統

（1. 中國農業機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083； 2. 中機華豐（北京）科技有限公司，北京 100083）

0 引言

隨著畜禽養殖向規模化和集約化的發展，特別是蛋雞和肉雞養殖行業的單場養殖規模越來越大，個別已經達到300 萬存欄規模或更大，每天產生300 t 以上的雞糞，雞糞及時有效處理對養殖場的可持續健康發展顯得越來越重要。雞糞好氧堆肥是雞糞實現資源化利用和商品化銷售的一個重要途徑，堆肥系統的設計及設備配置關乎產品品質。目前，針對堆肥的理論研究，如碳氮比、微生物菌劑、曝氣、通風、臭氣去除、自動控制等越來越深入，也積累了一些數據，但大多局限于研究系統的某一個點或者某一方面，和實際工程項目實施還有差異[1]。如何系統地研究雞糞堆肥，特別是適用于工廠化的規模堆肥，綜合考慮各個要素設計一套堆肥系統，生產出滿足商品有機肥料標準的產品，是亟待解決和完善的一個難題[2]。

1 雞糞堆肥系統

工廠化的雞糞堆肥系統應包括混合布料系統、太陽能智能好氧系統、曝氣系統、太陽能集熱系統、生物洗滌過濾除臭系統、出料系統、腐熟穩定系統和控制系統等，如圖1 所示[3]。堆肥系統在全密閉的封閉車間進行，車間內建設堆肥發酵槽，發酵槽長度、寬度和深度根據處理規模來建造。每個發酵槽上設有1 臺翻拋機，利用翻拋機向前移動和翻拋物料，實現翻拋、物料移動、走水功能。在發酵槽底部，安裝有曝氣系統，對物料在發酵過程中提供充足的氧氣。經過一定時間的發酵之后，發酵好的粉狀堆肥成品的含水率35%～40%，通過出料系統運送到腐熟穩定系統進行存放和進一步穩定。堆肥系統發酵車間外側配有生物洗滌過濾除臭系統，發酵車間內含有氣味的濕氣經軸流風機收集后進入管道，送入洗滌過濾裝置進行處理后有組織排放。另外，堆肥系統的車間盡量選用防腐透光材質，配置太陽能集熱系統，充分利用太陽能，給堆肥微生物創造適宜的環境，實現生物能、機械能、太陽能“三能并用”。

圖1 智能好氧堆肥系統Fig. 1 Intelligent aerobic composting system

2 發酵周期設計

發酵周期是影響雞糞堆肥產品品質的關鍵參數[4]。大規模工廠化堆肥通常采用連續性發酵工藝，調整好碳氮比的雞糞混合物進入發酵槽后，槽內物料每天翻拋平移1 次，每次平移的距離和發酵周期決定了發酵車間的長度。據EPA 制定的相關標準，堆肥溫度在55 ℃條件下保持3 d 以上，或50 ℃以上保持5～7 d 是殺滅堆料中所含病微生物、保持堆肥衛生指標合格和腐熟的重要條件[5]。但通過7 d 左右的發酵周期僅僅滿足這些指標還是不夠的，發酵周期過短會導致產品腐熟度、水分等指標不合適，需要二次發酵；發酵周期過長會導致發酵車間長度較長，增加運行成本和車間建設成本。在設計發酵周期時，也要考慮選用復合發酵菌劑來獲得好的產品的同時縮短發酵周期。劉克峰等[6]分別應用不同微生物菌劑對豬糞堆肥進行了研究，認為添加快速發酵菌劑，能加速堆肥腐熟，縮短發酵時間，有利于堆肥的保氮除臭。許愛霞等[7]研究了發酵菌劑對雞糞堆肥發酵的影響，結果表明，接種微生物菌劑可以明顯提高堆肥初期的發酵溫度，加快堆肥物料的水分揮發，促進堆肥快速腐熟，發酵20 d 后，堆肥物料發酵指數均達到88%以上。筆者結合大量實際工程案例經驗，認為要綜合考慮投資和產品標準，特別要重視水分指標，發酵周期不應過短，應在3～4 周為宜。

3 發酵車間設計

堆肥系統發酵車間是堆肥好氧發酵的場所，濕度大、腐蝕性強，發酵車間設計原則是既能滿足生產需要，又要能充分利用太陽能，選材還要盡量耐酸堿腐蝕。同時，發酵車間惡臭濕氣產生量大，設計盡量緊湊，減少不必要的寬度和高度空間，避免氣味無序逸散。在這些設計要求和原則下，一種太陽能好氧發酵車間應運而生，如圖2 所示。太陽能發酵車間采用特殊的多尖頂鋼構設計，確保發酵室內氣體、水蒸氣無阻礙流動，有效減少臭氣逸散空間；特殊的設計角度，發酵室內水蒸氣遇到采光板不易凝結，凝結后不易滴落，保障物料中已經散失的水分不會回潮；特殊的設計角度，發酵室采光板的外部具備自清功能，在長期的使用中，保障充足的透光率，充分利用太陽能配備環境調節系統，特別是設置在發酵室屋頂外部的太陽能穿孔集熱裝置迅速提升剛入發酵槽的物料溫度，使整個發酵室內溫度處于最佳發酵溫度。另外，特殊防腐處理的鋼構加上特殊的吊掛設計，整個太陽能發酵室使用壽命長，運營成本低。太陽能發酵室設計了適配專用覆蓋系統，頂部采用高透光耐酸堿腐蝕板材，四周立面可采用玻璃等材質提高通透性。發酵車間室內頂部可設置冷凝水收集系統，冷凝水匯入收集槽內，經管路收集后及時排出室內，避免進入槽內堆體。

圖2 太陽能好氧發酵車間Fig. 2 Solar aerobic fermentation workshop

4 翻拋設備設計

堆肥系統翻拋設備為沿發酵槽往復運動，對槽內堆體進行翻拋移動的一種關鍵設備。翻拋設備可以把槽內堆體整體后移一定距離，重新建堆增加堆體孔隙度，同時和空氣進行接觸，實現水分散失和供氧[8]。歐美國家在農業固體廢棄物堆肥生產方面研究較早，堆肥的生產工藝技術和翻拋設備已較為成熟，已研制出多種翻拋機，以德國和美國為代表的條垛式翻拋設備在20世紀中期已經出現[9]。國內翻拋設備起步較晚，但是種類較多，主要有自走式的輪式和履帶式翻拋機、槽式的轉子式和鏈板式翻拋機，如圖3 所示。翻拋設備國內外應用場景差異較大，國外是種養結合，基本是露天堆肥作業，生產周期較長，最終直接拋撒還田；國內主要是工廠化堆肥生產，生產環節相對精細，環保要求較高，最終作為商品有機肥進行銷售。大規模工廠化堆肥正向著專業化、自動化、高效化、清潔化方向發展。槽式翻拋設備更適合于自動化規模堆肥，未來具有更廣闊的發展空間。槽式翻拋設備目前主流產品是鏈板輸送式和輪盤轉子式，主要特點如表1 所示，用戶根據原料及處理規模進行選擇。

圖3 翻拋設備發展歷史Fig. 3 Development history of composting equipment

表1 槽式翻拋設備特點Tab. 1 Characteristics of composting equipment

5 曝氣系統設計

曝氣系統是利用風機和管路系統，對發酵槽內堆體進行周期性強制供氧的系統。在堆肥系統設計過程中，曝氣系統設計非常關鍵，穩定的空氣不僅能夠為堆體中有機物好氧降解提供足夠的氧氣，同時也為微生物充分發揮活性提供適宜的溫度。發酵槽內堆體沿長度方向分為升溫階段、高溫階段、降溫階段，在不同階段，堆體的透氣性差異較大，同時，隨著發酵的進行，堆體由于分解作用高度逐漸降低，因此對于曝氣系統的設計是沿槽漸變的。王濤[10]對污泥堆肥工程曝氣系統進行了設計及選型比較，對風機形式、分量、風壓等關鍵參數進行了對比，推薦采用分散供氣作為系統形式，也推薦了氣源設備。但是曝氣系統的設計要根據堆體在槽中的不同位置進行分區精準設計，隨著堆料高度的變化，不同區域對需氧量的要求差異較大，而且堆體高度和水分降低后，對曝氣風機所需壓力減小，風機動力應隨之減小。

曝氣系統管路布置方式一般可分為地面開溝槽槽內布置（圖4）、地面不開溝槽地上布置（圖5）、地面不開溝槽地下澆筑（圖6）等。由于管路承壓及風機壓力有限，前兩種方式安裝后的管路系統應避免車輛碾壓，造成物料壓實及對管路造成損壞；地下澆筑方式安裝曝氣管路需在澆筑地面前鋪設好管路，并安裝鵝頸式防堵噴嘴進行供氣，這種方式后期車輛可進入維護，相對方便。

圖4 地面開溝槽槽內布置方式Fig. 4 Layout of trench on the ground

圖5 地面不開溝槽地上布置方式Fig. 5 Layout without trench on the ground

圖6 地面不開溝槽地下澆筑方式Fig. 6 Underground pouring without trench on the ground

6 結束語

堆肥系統各個子系統是一個有機整體，在實際工程設計時，要綜合統籌考慮，各個子系統相互作用，是一個有機整體，不能只重視某一方面而忽視其他。堆肥系統的設計原則是要針對加工原輔料，結合當地人文和氣候條件，生態和社會要求，堅持原料針對性設計，工藝設備具有先進性和可靠性，綜合考慮后進行定制化設計。