摘 要： 結(jié)合多年堆肥工程探索實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)介紹了鏈板式翻拋機(jī)、輪盤(pán)式翻拋機(jī)和密閉立式堆肥反應(yīng)器的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)參數(shù)和適用范圍，并以處理雞糞原料為例，從占地面積、工作效率、單位能耗等方面，對(duì)3 種堆肥方案進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析，以期為實(shí)現(xiàn)雞糞工廠化快速處理和優(yōu)化有機(jī)肥生產(chǎn)過(guò)程提供可靠的技術(shù)途徑和方法。對(duì)比結(jié)果表明，輪盤(pán)式翻拋機(jī)效率較高，維護(hù)維修成本低；鏈板式翻拋機(jī)堆肥效果好，主輔料保持混合均勻狀態(tài)，物料不易分層；密閉立式堆肥反應(yīng)器自動(dòng)化程度高，臭氣處理壓力小。

關(guān)鍵詞：雞糞；翻拋機(jī)；堆肥；能耗；肥料機(jī)械

中圖分類(lèi)號(hào)：S224 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1795（2024）06-0005-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.06.001

0 引言

近年來(lái)我國(guó)畜牧業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，集約化養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大，有力保障了肉蛋奶供給。隨著人們對(duì)生活環(huán)境質(zhì)量要求的提高，畜禽養(yǎng)殖污染問(wèn)題也越來(lái)越受到關(guān)注。實(shí)現(xiàn)畜禽糞污中的養(yǎng)分從產(chǎn)生到土地合理施用的整個(gè)循環(huán)利用過(guò)程，不單單降低了對(duì)環(huán)境造成的危害，同時(shí)還節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境[1]。針對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢棄物，堅(jiān)持源頭減量、過(guò)程控制、末端利用的治理路徑，全面推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用是改善農(nóng)村人居環(huán)境的重要任務(wù)，為促進(jìn)鄉(xiāng)村全面振興提供了有力支撐。培育和發(fā)展畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用產(chǎn)業(yè)，應(yīng)該堅(jiān)持政府支持、企業(yè)主體、市場(chǎng)化運(yùn)作的方針，要加大政策支持保障力度，創(chuàng)造良好市場(chǎng)環(huán)境，幫助企業(yè)形成可持續(xù)的商業(yè)模式和盈利模式。

現(xiàn)代化的好氧堆肥技術(shù)發(fā)源于 20 世紀(jì)初的歐洲，到20 世紀(jì)中葉，現(xiàn)代化的大型有機(jī)廢物堆肥廠在發(fā)達(dá)國(guó)家相繼建立[2]。好氧堆肥技術(shù)因其操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行成本低和處理量大等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化處理[3]。通過(guò)堆肥化處理，畜禽糞污等農(nóng)業(yè)有機(jī)固體廢棄物中對(duì)環(huán)境及人類(lèi)有害的病原微生物、草籽、蟲(chóng)卵等均能得到有效地殺滅，從而得到養(yǎng)分含量高且穩(wěn)定的堆肥產(chǎn)品，以此實(shí)現(xiàn)糞污資源的高效循環(huán)利用[4]。

本研究針對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用堆肥技術(shù)，以存欄150 萬(wàn)只蛋雞養(yǎng)殖場(chǎng)為例，對(duì)3 種主要堆肥翻拋機(jī)的能耗和使用成本進(jìn)行了分析對(duì)比，以期為畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用堆肥設(shè)備的選擇提供一種方法。

1 主要翻拋機(jī)機(jī)型

好氧堆肥技術(shù)作為一種可有效實(shí)現(xiàn)畜禽糞污無(wú)害化、減量化和資源化利用的重要技術(shù)途徑，近年來(lái)得到廣泛運(yùn)用并迅速發(fā)展。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，養(yǎng)殖場(chǎng)或者有機(jī)肥廠采用的好氧堆肥方式多種多樣，形式各異。在堆肥工藝和翻拋機(jī)的研究方面，發(fā)達(dá)國(guó)家已具備較成熟的技術(shù)和設(shè)備，堆肥翻拋設(shè)備正向大規(guī)模、高效率、智能化和清潔化方向發(fā)展[5]。我國(guó)現(xiàn)有翻拋機(jī)的研制存在一些問(wèn)題：一是較多采用國(guó)外機(jī)械，系統(tǒng)可靠性和適應(yīng)性較差；二是關(guān)于翻拋機(jī)技術(shù)的系統(tǒng)理論性研究較少；三是各地地形地勢(shì)不同，產(chǎn)品的通用性和適應(yīng)性有待提高[6]。

好氧堆肥技術(shù)模式主要包括條垛式堆肥、靜態(tài)堆垛堆肥、槽式堆肥和反應(yīng)器堆肥4 類(lèi)[7]。目前規(guī)模蛋雞養(yǎng)殖場(chǎng)使用鏈板式翻拋機(jī)、輪盤(pán)式翻拋機(jī)和立式堆肥反應(yīng)器進(jìn)行好氧發(fā)酵堆肥處理的項(xiàng)目較多。其中，鏈板式翻拋機(jī)和輪盤(pán)式翻拋機(jī)都屬于槽式翻拋，區(qū)別于條垛翻拋機(jī)；立式堆肥反應(yīng)器屬于立式結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)式發(fā)酵，區(qū)別于臥式反應(yīng)器。

1.1 鏈板式翻拋機(jī)

1.1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

鏈板式翻拋機(jī)由翻拋部件、橫向移動(dòng)裝置、縱向移動(dòng)裝置、電控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等組成，如圖1 所示，適用于采用槽式發(fā)酵的場(chǎng)合。

工作原理：整機(jī)工作架置于發(fā)酵槽上，可沿槽上軌道縱向前后行走。翻拋小車(chē)整體放置于工作架上，翻拋部件和液壓系統(tǒng)安裝在翻拋小車(chē)上。工作架到達(dá)指定的翻拋位置時(shí)，翻拋部件經(jīng)由液壓系統(tǒng)操縱緩慢下降到指定位置，此時(shí)翻拋部件（鏈板）開(kāi)始連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，并隨工作架整體沿槽向前移動(dòng)。翻拋齒刀和刮板不斷攫取槽內(nèi)發(fā)酵物料并斜向輸送到工作架后方自由落下，落下的物料重新置堆發(fā)酵[8]。如果采用寬槽發(fā)酵，翻拋小車(chē)橫向向左或者向右移動(dòng)一個(gè)鏈板幅寬的距離，在液壓系統(tǒng)的操控下將翻拋部件整體抬升到不與物料干涉的高度，然后放下翻拋部件深入槽中，開(kāi)始另一幅物料的翻拋?zhàn)鳂I(yè)行程。待翻拋機(jī)沿槽完成一個(gè)行程的作業(yè)后，工作架整體連同小車(chē)后退至發(fā)酵槽翻拋?zhàn)鳂I(yè)的初始端（出料端）。通過(guò)電動(dòng)傳動(dòng)裝置，翻拋機(jī)可以實(shí)現(xiàn)滾筒升降、帶動(dòng)翻拋機(jī)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。翻拋機(jī)通過(guò)移行車(chē)實(shí)現(xiàn)從一個(gè)發(fā)酵槽到另一個(gè)發(fā)酵槽的移行，設(shè)備在環(huán)境溫度為?20～50 °C 的條件下均可使用。對(duì)發(fā)酵物料的特性也有較強(qiáng)的適應(yīng)性[9]。

1.1.2 技術(shù)參數(shù)及適用特點(diǎn)

鏈板式翻拋機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示，有以下4 方面特點(diǎn)。

（1）鏈板式翻拋機(jī)取料機(jī)構(gòu)采用優(yōu)化的多齒刮板式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特殊的齒板外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和組織排列方式，使翻拋部件運(yùn)行阻力降低，適合深槽條件作業(yè)并滿(mǎn)足雞糞黏濕特性物料的特殊翻拋要求。翻拋機(jī)通過(guò)橫向和縱向移位裝置，可使翻拋部件在同一個(gè)發(fā)酵槽內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意位置作業(yè)，提高了配置及操作的靈活性，降低了配套電機(jī)裝機(jī)容量要求。

（2）槽內(nèi)物料經(jīng)鏈條帶動(dòng)的刮板輸送到較高位置后向下向后連續(xù)拋落，物料水平位移距離較大，使翻拋過(guò)程中物料運(yùn)動(dòng)軌跡變長(zhǎng)，與空氣長(zhǎng)時(shí)間充分接觸，既提高了物料供氧時(shí)間，利于充分補(bǔ)充氧氣，又便于水分散發(fā)，快速降低物料水分含量，促進(jìn)好氧發(fā)酵快速完成，非常適合處理量大、氣候潮濕、連續(xù)發(fā)酵的工作場(chǎng)合。

（3）鏈板式翻拋機(jī)配備可靠穩(wěn)定的液壓泵站系統(tǒng)精確升降翻拋部件，在翻堆的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)，通過(guò)遙控或觸摸屏操作精確、輕松地實(shí)現(xiàn)翻拋部件的升降，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，可靠快捷。

（4）采用控制柜集中控制整機(jī)操作，手動(dòng)控制和自動(dòng)控制相結(jié)合，現(xiàn)場(chǎng)操作工人不必隨機(jī)作業(yè)，只需在集中控制室或遠(yuǎn)程遙控即可完成全部操作，大大改善了作業(yè)環(huán)境。

1.2 輪盤(pán)式翻拋機(jī)

1.2.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

輪盤(pán)式翻拋機(jī)由翻拋部件、橫向移動(dòng)裝置、縱向移動(dòng)裝置、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和擋料板等組成，如圖2 所示。傳動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、主軸、嵌入式硬齒面變向弧齒多級(jí)齒輪組等部分組成，是為翻拋輪提供動(dòng)力的裝置；行走系統(tǒng)由行走電機(jī)、傳動(dòng)齒輪、變頻調(diào)速系統(tǒng)等組成；翻堆部件由動(dòng)力支撐臂、翻拋輪、軟啟動(dòng)和翻拋智能控制系統(tǒng)等組成；輪盤(pán)裝配雙級(jí)4 層空間立體結(jié)構(gòu)刀片，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的梯次遞進(jìn)式切削和長(zhǎng)距離拋送，翻拋速度快，物料與空氣接觸充分，以保證發(fā)酵效果。

翻拋機(jī)工作時(shí)依靠橫向和縱向移動(dòng)裝置帶動(dòng)翻拋部件按照設(shè)定的進(jìn)給量切削、拋送物料，實(shí)現(xiàn)充分脫水和提高孔隙率的目的，也可改善原料的通透性，使原料變得蓬松有彈性，同時(shí)吸收大量的空氣，滿(mǎn)足物料發(fā)酵氧氣需求，更好地發(fā)揮超嗜熱微生物的作用，提高畜禽糞便處理效率，縮短腐熟周期，提升肥堆溫度，促使堆肥物料快速發(fā)酵腐熟[10]。

1.2.2 技術(shù)參數(shù)及適用特點(diǎn)

輪盤(pán)式翻拋機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示，具有以下6 方面特點(diǎn)。

（1）針對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物好氧發(fā)酵原料特性不穩(wěn)定的特點(diǎn)，采用高適應(yīng)性、大功率儲(chǔ)備能力的能量輸出機(jī)構(gòu)，確保全年全物料可靠作業(yè)。

（2）集中控制，一鍵操控，翻拋機(jī)自動(dòng)化程度高，操作人員無(wú)須在發(fā)酵車(chē)間內(nèi)工作；可選高配智能控制系統(tǒng)，采集溫度、負(fù)載等工藝大數(shù)據(jù)庫(kù)，形成系統(tǒng)化、可進(jìn)化生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

（3）大跨度發(fā)酵槽，槽寬可達(dá)30 m，無(wú)須移行，操作便捷、效率高，節(jié)省占地面積，大幅度減少發(fā)酵槽墻體建造成本。

（4）傳動(dòng)變速系統(tǒng)全密閉，采用軸和齒輪組直傳，全部傳動(dòng)齒輪嚴(yán)格按照鍛造、制坯、正火、機(jī)加、淬火和回火等高等工業(yè)齒輪工藝加工，全程嚴(yán)格檢測(cè)；傳動(dòng)系統(tǒng)抗沖擊載荷能力強(qiáng)，前端采用浸潤(rùn)式油浴潤(rùn)滑，維護(hù)成本低、安全性高、故障率低、使用壽命長(zhǎng)及可靠性高。

（5）4 級(jí)空間曲面切削翻拋撥齒，梯次漸進(jìn)式切削，使得拋刀在工作時(shí)受到最小的振動(dòng)和沖擊，切料取料能力強(qiáng)，曝氣效果好；可更換耐磨齒刀，物料破碎和抓取能力強(qiáng)，使用成本低[11]。

（6）縱向和橫向移位，翻拋無(wú)死角，可實(shí)現(xiàn)槽內(nèi)任意位置翻拋?zhàn)鳂I(yè)，機(jī)動(dòng)靈活、翻拋速度快；翻拋機(jī)構(gòu)可完全抬起，發(fā)酵槽內(nèi)無(wú)須設(shè)置回程通道，高效利用發(fā)酵槽空間。

1.3 立式堆肥反應(yīng)器

1.3.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

密閉立式好氧發(fā)酵反應(yīng)器由生物濾池、倉(cāng)體、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、攪拌曝氣系統(tǒng)、機(jī)架、上料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成，如圖3 所示[12]。原料直接投入位于地面的上料斗內(nèi)，由上料系統(tǒng)送入反應(yīng)器，定期翻拌和曝氣后在內(nèi)部發(fā)酵，發(fā)酵后的物料從下方的出料口卸出，作為產(chǎn)品出售，實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理和資源化利用[13]。

反應(yīng)器工作時(shí)，先開(kāi)啟卸料口，卸出發(fā)酵好的物料，卸料同時(shí)，啟動(dòng)主軸攪拌系統(tǒng)，便于物料均勻卸出，物料卸出需要量后，關(guān)閉卸料口；然后打開(kāi)進(jìn)料門(mén)，將含水率40%～60% 原料投入上料斗，開(kāi)啟上料機(jī)將物料提升到反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)器達(dá)到進(jìn)料量后，關(guān)閉進(jìn)料門(mén)，開(kāi)始發(fā)酵。反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)有攪拌軸和攪拌葉片， 攪拌葉片上布有曝氣管道，反應(yīng)器中底部攪拌槳葉上設(shè)有供風(fēng)氣孔，由風(fēng)機(jī)通過(guò)管道將新鮮空氣引入到反應(yīng)器內(nèi)底部的物料中[14]。設(shè)備啟動(dòng)后，攪拌主軸、曝氣風(fēng)機(jī)等按程序設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間和停止時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際需要在一定范圍內(nèi)按需設(shè)置，便于控制。反應(yīng)器罐體上設(shè)置上中下3 個(gè)溫度傳感器，可以實(shí)時(shí)顯示發(fā)酵溫度。定期翻拌和曝氣后在內(nèi)部進(jìn)行生物發(fā)酵，發(fā)酵好的物料從下方的出料口卸出，再由無(wú)軸螺旋輸送機(jī)輸出。

1.3.2 技術(shù)參數(shù)及適用特點(diǎn)

密閉立式堆肥反應(yīng)器主要參數(shù)如表3 所示，具有以下6 方面特點(diǎn)。

（1）連續(xù)發(fā)酵，隨時(shí)接料，集廢棄物日常收集、存貯和發(fā)酵處理于一體。

（2）反應(yīng)器密閉，需處理的尾氣量大幅度下降，配置尾氣生物除臭系統(tǒng)。

（3）曝氣系統(tǒng)集成于攪拌器內(nèi)，在槳葉翻拌處及時(shí)準(zhǔn)確供氧，曝氣充足，效率更高。

（4）結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，不需建設(shè)廠房，固定投資小。

（5）操作簡(jiǎn)便，定時(shí)翻料與曝氣，自動(dòng)化程度高，一臺(tái)設(shè)備相當(dāng)于一座工廠。

（6）配置計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，按程序自動(dòng)翻料、曝氣與除臭。

2 方案選擇對(duì)比

以150 萬(wàn)只蛋雞養(yǎng)殖規(guī)模計(jì)算雞糞處理量，分別采用鏈板式翻拋機(jī)、輪盤(pán)式翻拋機(jī)和密閉立式堆肥反應(yīng)器3 種好氧堆肥發(fā)酵方式處理糞污，對(duì)占地面積、工作效率和處理能力進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 物料平衡計(jì)算

（1）主料。蛋雞存欄量150 萬(wàn)只；每只雞產(chǎn)生糞污0.1 kg/d，雞場(chǎng)產(chǎn)生糞污150 t/d，平均含水率75%。

（2）輔料。采用碳源類(lèi)物質(zhì)如稻殼、鋸末、秸稈粉等，平均含水率15%。

主料與輔料混合后，數(shù)量和水分含量如表4 所示。

2.2 發(fā)酵占地面積

根據(jù)表4 物料平衡計(jì)算，雞糞與輔料混合后，需要進(jìn)行發(fā)酵處理的物料總量是308 m3。按照此處理量，結(jié)合鏈板式翻拋機(jī)、輪盤(pán)式翻拋機(jī)和立式堆肥反應(yīng)器的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)適用特點(diǎn)，計(jì)算3 種方式發(fā)酵的占地面積如表5 所示。

由表5 可知，采用鏈板翻拋和輪盤(pán)翻拋方式進(jìn)行堆肥發(fā)酵占地面積基本相同，采用立式反應(yīng)器形式占地面積最小，其相應(yīng)的土建成本也最低。

2.3 翻拋工作效率

翻拋工作效率是堆肥方式選擇的重要衡量指標(biāo)。一般用工作時(shí)間和單位時(shí)間翻拋能力來(lái)衡量翻拋工作效率。根據(jù)上述計(jì)算的處理量，結(jié)合鏈板式翻拋機(jī)、輪盤(pán)式翻拋機(jī)和立式堆肥反應(yīng)器的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)適用特點(diǎn)，對(duì)3 種堆肥方式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表6 所示。

由表6 可知，輪盤(pán)式翻拋機(jī)與鏈板式翻拋機(jī)相比，翻拋能力強(qiáng)，工作時(shí)間短，效率明顯較高。

3 能耗對(duì)比分析

能耗是重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，直接關(guān)系堆肥生產(chǎn)的效益。為更直觀了解設(shè)備性能，從電力消耗方面對(duì)3 種堆肥方式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表7 所示。

鏈板式翻拋機(jī)和輪盤(pán)式翻拋機(jī)都是好氧堆肥發(fā)酵過(guò)程中常見(jiàn)的翻拋設(shè)備，輪盤(pán)式翻拋機(jī)屬于轉(zhuǎn)子式翻拋機(jī)，利用旋轉(zhuǎn)輪盤(pán)的高轉(zhuǎn)速將堆肥物料拋到空中并落下，在物料堆高較高的情況下，輪盤(pán)的半徑都在1 m 以上，這就需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)有較大的儲(chǔ)備功率，所以，能耗高于鏈板式翻拋機(jī)。另外，物料在空氣中停留時(shí)間2～4 s，相較于鏈板式翻拋機(jī)，曝氧時(shí)間短，在同樣的發(fā)酵周期內(nèi)，腐熟度和脫水效果弱于鏈板式翻拋機(jī)。立式堆肥反應(yīng)器工作過(guò)程中主要靠曝氣系統(tǒng)連續(xù)不間斷工作來(lái)保證供氧量，發(fā)酵腐熟和脫水也是依靠曝氣系統(tǒng)的工作，因此能耗較高。目前，我國(guó)堆肥翻拋機(jī)已有多種產(chǎn)品，但存在問(wèn)題較多，只有加強(qiáng)理論研究，建立翻拋機(jī)的研究技術(shù)平臺(tái)，對(duì)于不同的有機(jī)廢棄物，要研究其機(jī)械翻拋的特性，才能開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量且適應(yīng)性強(qiáng)的翻拋機(jī)[15]。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)各地利用雞糞等原料通過(guò)好氧堆肥技術(shù)生產(chǎn)有機(jī)肥的積極性較高，不少規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)陸續(xù)興建了一批有機(jī)肥廠，在雞糞堆肥處理工程方案中，鏈板式翻拋機(jī)、輪盤(pán)式翻拋機(jī)和立式堆肥反應(yīng)器都被廣泛使用，工藝設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn)?？傮w來(lái)說(shuō)，輪盤(pán)式翻拋機(jī)效率較高，維護(hù)維修成本低；鏈板式翻拋機(jī)堆肥效果好，主輔料保持混合均勻狀態(tài)，物料不易分層；密閉立式反應(yīng)器自動(dòng)化程度高，臭氣處理壓力小。但是，好氧堆肥技術(shù)目前還存在一些問(wèn)題，如忽視發(fā)酵原料預(yù)處理環(huán)節(jié)的作用，碳氮比調(diào)配不夠科學(xué)，為合理發(fā)酵埋下隱患；缺乏與機(jī)械翻拋結(jié)合的靜態(tài)通風(fēng)曝氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，堆肥周期長(zhǎng)，腐熟不徹底。因此，在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有加工工藝的基礎(chǔ)上，充分探究畜禽糞污堆肥物料物理特性，優(yōu)化好氧堆肥技術(shù)，提高系統(tǒng)可靠性，降低運(yùn)行成本，探索適合我國(guó)當(dāng)前有機(jī)肥行業(yè)加工生產(chǎn)實(shí)際需要的養(yǎng)殖廢棄物資源化利用生產(chǎn)有機(jī)肥成套裝備工藝技術(shù)。

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基金項(xiàng)目： 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFD1900303）