畜禽固廢快速發(fā)酵技術集成示范與應用分析

洪云超 唐建軍 黃靖 陳紹飛 衛(wèi)龍興

（1，上海市奉賢區(qū)動物疫病預防控制中心 201400；2，上海阜稷生物科技有限公司 201400；3，谷源凈化設備（上海）有限公司 201400；4，上海梨園草雞養(yǎng)殖專業(yè)合作社 201400）

畜禽糞便等養(yǎng)殖廢棄物的無害化處理和資源化利用是一個全球性難題，而且大多數(shù)國家都經(jīng)歷了先污染后治理這樣一個痛苦的階段。目前，世界上畜禽養(yǎng)殖糞污得到較好管理的歐、美、日等發(fā)達國家，在長期環(huán)境污染防治過程中逐步形成了較為成熟的對畜禽養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境污染防治管理的法律法規(guī)和技術手段，歸納起來主要有以歐洲國家為代表的立法限養(yǎng)，以美、加等國為代表的農(nóng)田利用和以日、韓等國為代表的達標排放等模式，而這其中除了政府制訂切合實際的政策法規(guī)和相關部門出臺相應技術規(guī)范再輔以行之有效的監(jiān)督管理等主要因素外，采用合理、合法、切實可行的糞污處理方式也是其中的關健因素，如沼氣工程、堆肥發(fā)酵、水泡糞還田等。但這些方式普遍存在發(fā)酵時間長、處理效率低及污水滲漏、廢氣超排等問題。

上世紀末，歐美日等發(fā)達國家先后通過新的環(huán)境法，在進一步規(guī)定每公頃土地的載畜標準、畜禽糞便、廢水用于農(nóng)田限量標準的同時，還嚴格規(guī)定了畜禽場污水和臭氣的排放標準；為確實踐行新的環(huán)境法，日本在全球最早嘗試開展了利用大容量、全封閉生物發(fā)酵罐進行畜禽固廢高溫好氧發(fā)酵的快速無害化處理方式，并獲成功與推廣，在實現(xiàn)畜禽固廢快速無害化處理、資源化利用的同時，實現(xiàn)發(fā)酵處理過程中形成的污水、臭氣等廢棄物的達標排放；隨后，歐美國家也競相效仿，使這一技術正在全球快速推廣。

我國是一個畜牧業(yè)大國，長期以來，傳統(tǒng)的分散（以農(nóng)戶散養(yǎng)為主）飼養(yǎng)模式有效吸納了畜禽糞污，并通過漚制還田較好地實現(xiàn)了這部分畜禽糞污的資源化利用。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展、畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖水平的日益提高，畜禽養(yǎng)殖糞污對環(huán)境影響的負面作用日益凸顯；雖然政府先后出臺了多項針對性的法律法規(guī)，也花費了大量財政物力推廣水泡糞、沼氣工程、堆肥發(fā)酵等各種糞污處理技術與措施，但由于國內(nèi)特有的地理、人文環(huán)境和監(jiān)督管理等輔助機制不到位，畜禽養(yǎng)殖糞污的無害化處理程度和資源化利用效果不盡如人意，由此造成的惡性環(huán)境污染事件屢見不鮮，對國家和社會造成了較為嚴重的負面影響，成為我國畜牧業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸。

習主席提出的“綠水青山就是金山銀山”的號召吹響了全國環(huán)境大整治的號角，作為點源環(huán)境污染重要來源的畜禽養(yǎng)殖成為本輪環(huán)境大整治的重要內(nèi)容，各級政府和相關部門先后出臺相關法律法規(guī)、政策措施和技術規(guī)范，全面加強對各類不規(guī)范畜禽養(yǎng)殖行為的整治和監(jiān)管力度，大量散、小、劣和臟、亂、差的畜禽養(yǎng)殖場（戶）退出了行業(yè)，剩余養(yǎng)殖企業(yè)也紛紛采取有效措施開展糞污處理和環(huán)境整治，亂扔、亂排、亂放等環(huán)境污染現(xiàn)象得到有效控制。

目前，國內(nèi)的各類畜禽養(yǎng)殖企業(yè)對固廢（主要是畜禽糞便）的處理主要采用人工清糞、自然堆肥發(fā)酵、沼氣工程或水泡糞等技術工藝，普遍存在固廢撒落、污水滲漏、臭氣超排等二次污染現(xiàn)象；新修訂的《水污染防治法》《大氣污染防治法》的發(fā)布實施及《國務院辦公廳關于加快推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》（國辦發(fā)（2017）48 號）的出臺對畜禽養(yǎng)殖固廢的無害化處理和資源化利用及污水、臭氣的排放提出了更高的要求，也使前述的多種固廢處理工藝的缺陷日益突顯，利用科學技術和先進工藝來開展固廢無害化處理，實現(xiàn)資源化利用和達標排放成為畜牧養(yǎng)殖企業(yè)和相關行業(yè)的當務之急。

1 技術集成與示范

畜禽固廢高溫好氧快速發(fā)酵技術的集成示范主要包括系統(tǒng)設計、建設調(diào)試、試運行等內(nèi)容。

1.1 系統(tǒng)設計

1.1.1 多方考察、實地研討

本研究課題正式啟動后，課題組及時會同課題實施基地和協(xié)作單位負責人、工程技術人員對課題主要實施目標及固廢高溫好氧快速發(fā)酵無害化處理、資源化利用系統(tǒng)的相關設計、制作的關鍵指標與技術參數(shù)進行研討，協(xié)作單位（谷源凈化設備（上海）有限公司）結合多年代工高溫好氧生物發(fā)酵罐的經(jīng)驗，提出了系統(tǒng)主要部件“100m3高溫好氧生物發(fā)酵罐”的設計方案，實施基地（上海梨園草雞養(yǎng)殖專業(yè)合作社）結合蛋雞規(guī)模化生產(chǎn)和刮糞板式清糞的特點，提出了蛋雞養(yǎng)殖固廢轉運、調(diào)制的技術要求，主持單位根據(jù)生產(chǎn)實際和蛋雞養(yǎng)殖固廢智能化、無害化生態(tài)處理的總體要求，提出了系統(tǒng)設計的關鍵指標。

為確保系統(tǒng)設計方案的科學性、完整性和可操作性，課題組組織相關人員多次赴浙江和河南、山東等地的相關產(chǎn)品生產(chǎn)廠家、用戶進行實地考察，學習總結他們的成功經(jīng)驗，認真分析存在的問題；協(xié)作單位還2 次派人（自費）赴日本北海道、東京等地，考察學習日本的設計理念和使用情況，了解當前國際先進技術和標準。

1.1.2 結合實際、制訂方案

在經(jīng)過第一次研討和分頭考察學習后，課題組于19 年10月下旬召開了第二次研究會。會上，課題組成員經(jīng)過反復研究和認證，提出了在實施基地現(xiàn)有雞舍刮糞板干清糞模式的基礎上，通過改進現(xiàn)有雞舍刮糞板設施，并新建橫向輸送、垂直提升、AGV 轉運、攪拌調(diào)制后入高溫好氧快速發(fā)酵罐發(fā)酵處理的技術路線，見圖1。

圖1 課題實施技術路線

根據(jù)這一技術路線，課題組會同協(xié)作單位，根據(jù)實施基地的現(xiàn)場實際，制訂相應的設計方案，特別是對固廢橫向輸送機、垂直提升斗、AGV 轉運車、調(diào)制攪拌斗及生物發(fā)酵罐等關鍵設施設備的制作提出了相應方案，并提出了通過PLC 程控軟件實現(xiàn)各環(huán)節(jié)智能控制的設計方案。

根據(jù)實施基地6 棟蛋雞舍3 排2 列排列的布局特點，課題組在實施基地左右二側固廢出污口，分別新建一條橫向輸送槽，槽內(nèi)安裝刮糞板式固廢輸送機，將雞舍內(nèi)清運出的固廢輸送至容量大約1.2m2的垂直提升斗。隨后，AGV 智能轉運車按照PLC 程控指令，沿敷設于地面的磁導航線穿梭于左右二個垂直提升斗之間，自主將各雞舍固廢轉運到物料調(diào)制攪拌斗內(nèi)，并根據(jù)固廢特性，在適當加入大糠等粉碎后的植物秸稈，調(diào)制成含水率60%～70%、C/N=25～30:1 的發(fā)酵物料進入發(fā)酵罐進行7～10d 的連續(xù)發(fā)酵后，物料經(jīng)充分高溫好氧發(fā)酵，徹底腐熟成符合NY525-2012 標準的優(yōu)質(zhì)有機肥還田，實現(xiàn)蛋雞養(yǎng)殖固廢的無害化處理和資源化利用的目標，見圖2。

圖2 系統(tǒng)操作流程圖

1.2 系統(tǒng)建設與調(diào)試

經(jīng)過考察和多輪研討并形成設計方案后，協(xié)作單位根據(jù)相關技術指標，繪制了各類設施設備的技術圖紙，經(jīng)主持單位和實施基地會審后，協(xié)作單位按照日標試制了一套100m3高溫好氧生物發(fā)酵罐，并創(chuàng)新研發(fā)了AGV 轉運車、物料調(diào)制攪拌斗和PLC 專用智能程控軟件等具有自主知識產(chǎn)權的設施設備，經(jīng)綜合集成后形成一套完整的固廢無害化處理系統(tǒng)，見圖3、圖4。

圖3 100m3 高溫好氧生物發(fā)酵罐

圖4 AGV 智能轉運車

2019 年10 月底，系統(tǒng)各類設施設備開始安裝、調(diào)試。首先是對每棟雞舍的刮糞板式清糞機進行改造，在更換相應刮糞板、鋼絲繩、卷揚機等配件后，新建了程控開關、PLC 控制閥等智能控制設備；隨后在每棟雞舍尾端新建的橫向輸送槽內(nèi)安裝了刮糞板輸送機，并通過行程開關和PLC 控制閥進行智能控制；在橫向輸送槽的末端設置一長2.5m、寬1.5m、深2m 的基坑，其內(nèi)安裝一組容量為1.2m3的垂直提升斗，用于接裝橫向輸送機清運的固廢；按照每棟雞舍存欄8000～9000 羽蛋雞，每天清糞一次估算，每棟雞舍每天的出糞量約為0.8～1m3，通過PLC 程控軟件的智能控制，每條橫向輸送線每次只輸送1 棟雞舍的固廢。因此，1.2m3垂直提升斗完全能承載相應的固廢量。而在垂直提升斗接運橫向輸送固廢的同時，AGV 智能轉運小車按照PLC 程控軟件的設計程序，自動到相應的垂直提升斗指定位置接收橫向轉運垂直提升的固廢物料，并自動將固廢沿磁導航線轉運至調(diào)制攪拌斗，隨后又根據(jù)程控指令自動行進至另一座垂直提升斗按收下一車物料；而進入調(diào)制攪拌斗的物料在添加適量大糠等碳元素調(diào)制成最適合于高溫好氧發(fā)酵處理的含水量60%～70%、C/N=25～30:1 的物料后，通過提升斗自動將物料從發(fā)酵罐頂部加入罐內(nèi)，經(jīng)發(fā)酵罐內(nèi)智能控制的連續(xù)送氧攪拌形成60℃左右的高溫好氧環(huán)境的快速生物發(fā)酵，使固廢快速腐熟成優(yōu)質(zhì)有機肥，并完成整套系統(tǒng)的智能運行和運行過程無灑落、無滲漏、無超排的“三無”目標。

1.3 系統(tǒng)試運行

11 月上旬，系統(tǒng)在完成設備安裝調(diào)試后進入試運行階段，首先是生物發(fā)酵好氧環(huán)境與生物菌群的培養(yǎng)，方法是從浙江海鹽某養(yǎng)禽場采購近50t 已發(fā)酵腐熟的固廢物料作基料（內(nèi)含大量活性高溫好氧菌群），填充于發(fā)酵罐底部，通過1～2d 送氧、攪拌接活菌種后，逐步添加按要求調(diào)制好的發(fā)酵物料，初期為2～3 斗，后逐步增加至4～5 斗，第7 天開始少量出料；同時注意觀察發(fā)酵罐上、中、下3 層溫度變化情況，如下層溫度過高則減少出料，并調(diào)增風量、上層溫度過低則應增填物料并加速送氧，如此動態(tài)調(diào)節(jié)罐體發(fā)酵特性，同時至罐體容量達80%～90%時保持動態(tài)平衡，使罐體送氧和攪拌基本保持穩(wěn)定。整個過程約需10～15d 即可完成罐體啟動，此時整個罐體每天可加料5～6m3，出料2m3左右，見圖5；同時系統(tǒng)高溫好氧發(fā)酵罐產(chǎn)生的少量廢氣經(jīng)設備附設的水洗凈化塔處理后達標排放。

圖5 發(fā)酵腐熟物料

系統(tǒng)試運近一年，主體設備運行良好，除轉運個別程控開關更換外，主要設施設備無停機維修記錄，系統(tǒng)采用自主研發(fā)PLC 程控軟件，實現(xiàn)從雞舍清糞、橫向輸送、垂直提升、AGV轉運、物料調(diào)制到高溫好氧發(fā)酵罐全過程的智能控制和無人操作，而且系統(tǒng)整個處理過程實現(xiàn)了固廢集運不落地、好氧發(fā)酵罐全封閉、臭氣凈化塔處理、智能控制高效率的實施目標。

2 運行效果分析

2.1 系統(tǒng)運行成本分析

系統(tǒng)自啟動以來，利用基料中的好氧菌種和人工智能控制生物發(fā)酵罐的高溫好氧環(huán)境，較好地完成了實施基地5 萬余羽生產(chǎn)蛋雞每天5～6m3固廢的無害化處理，整個試運行過程中未額外添加任何菌種，與其他處理模式相比，節(jié)省了大量的菌種成本。電費方面：除了設備送氧的變頻電機和罐內(nèi)攪拌系統(tǒng)的液壓泵及配套的提升裝置、廢氣凈化等設備外，整個系統(tǒng)無外部加熱設施。據(jù)系統(tǒng)配置專用電表的數(shù)據(jù)顯示，自2019 年11月12 日至2020 年11 月11 日一年間，系統(tǒng)累計耗電64180 度，平均每天耗電175.8 度，按實施基地電價0.73 元/度計，系統(tǒng)每天運行電費128.4 元，折合每1m3固廢的電費為25.67 元（按每天處理5m3計）。

2.2 系統(tǒng)處理效果分析

系統(tǒng)成功啟動試運行后，課題組及時采集第一批樣品送上海市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護監(jiān)測站進行成分分析監(jiān)測；運行近1 年后，課題組再次隨機采集樣品后送上海市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護監(jiān)測站監(jiān)測，二次監(jiān)測結果及農(nóng)業(yè)525-2012 有機肥標準值匯列附表。

由附表可知，第一次送檢樣品除pH 偏高外，其他指標均遠高于有機肥國標；第二次送檢樣品，除有機肥稍偏低外，其他指標均達到或高于國標。

附表 系統(tǒng)發(fā)酵物料送檢結果匯總表

另外，11 月3 日，課題組委托上海市農(nóng)業(yè)科學院畜牧獸醫(yī)研究所對實施基地的雞舍、場中及場界等40 個樣品的臭氣指標進行了監(jiān)測，結果除雞舍內(nèi)的臭氣指標為21（無量綱）外，其他場中和場界的樣品臭氣指標均＜10（無量綱）。

2.3 系統(tǒng)運行特點分析

（1）系統(tǒng)充分利用試驗基地原有清糞設施，并配置橫向刮糞、垂直提升、AGV 轉運、物料混合和大容量高溫好氧生物發(fā)酵罐等設施設備，環(huán)環(huán)相扣、嚴絲無縫，形成一個固廢從雞舍到發(fā)酵罐的完整無害化處理智能設備鏈，徹底消除傳統(tǒng)堆肥發(fā)酵模式的固廢灑落、污水滲漏、臭氣超排等痼疾。

（2）系統(tǒng)所使用的大容量高溫好氧生物發(fā)酵罐采用日標技術生產(chǎn)，整體304 全不銹鋼結構，機加工鍛造圓鋼主軸，強固型槳葉，強固型底座，技術先進、質(zhì)量可靠，可質(zhì)保8 年；系統(tǒng)大量采用變頻技術，常態(tài)運行功率小于10kw/h，滿負荷運行日均耗電量小于180 度，運行成本低廉。

（3）系統(tǒng)所使用的大容量高溫好氧生物發(fā)酵罐充分利用了固廢物料中的自然好氧菌種，通過對發(fā)酵物料濕度和C/N 以及對罐體內(nèi)物料攪拌和含氧量的智能調(diào)控，在不添加任何菌種的情況下，依靠物料自身好氧菌增殖所產(chǎn)生的熱量，可使罐體內(nèi)溫度保持在60～75℃；同時，高溫好氧菌的快速增殖，不僅大量消耗發(fā)酵物料（畜禽固廢）中的有機質(zhì)，發(fā)酵溫度高、速度快，發(fā)酵物料從投料到出料的時間只需7～10d，而且處理效果好，物料腐熟完全。

（4）系統(tǒng)所使用的大容量高溫好氧生物發(fā)酵罐符合當前生態(tài)環(huán)保要求，其罐體內(nèi)的高溫好氧環(huán)境可大量減少發(fā)酵物料有機質(zhì)分解過程中臭氣（主要是氨、氮、硫化氫等物質(zhì)）的產(chǎn)生，少量的廢氣則通過系統(tǒng)配置的3 層疊片濾網(wǎng)水噴淋凈化塔處理后達標排放；另外，罐體內(nèi)的高溫環(huán)境還可將發(fā)酵物料的水分快速蒸發(fā)，并隨同臭氣經(jīng)凈化塔處理后達標排放。

（5）系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)與軟硬件（平臺）集成、智能控制軟件開發(fā)，實現(xiàn)無人操作與一鍵啟動、智能控制；系統(tǒng)自行開發(fā)的AGV 智能固廢轉運車，自動導航，體積小、自重輕，載重大（2T），運行速度快（15～30m/min），且一次充電可持續(xù)運行8h 以上。

3 小結

3.1 系統(tǒng)集成成果

3.1.1 知識產(chǎn)權

課題實施期間，課題組先后申請發(fā)明專利1 項（公實），獲授實用新型專利3 項，圖6 編寫技術規(guī)范1 項。

圖6 專利證書

3.1.2 技術培訓

組織開展技術培訓和現(xiàn)場示范活動2 期，參訓人數(shù)140 人次，參與和組織各類講座8 期，包括新型職業(yè)農(nóng)民、畜牧獸醫(yī)技能培訓、高級獸醫(yī)高研班等共400 余人次，圖7。

圖7 技術培訓

3.1.3 成果應用推廣

課題研發(fā)的畜禽固廢高溫好氧快速無害化、資源化處理系統(tǒng)目前已在奉賢地區(qū)應用4 套，另有5 套已達成應用意向，推廣效果良好。

3.2 技術創(chuàng)新點

課題創(chuàng)新研發(fā)的多項發(fā)明和實用新型專利及相關技術成果的綜合集成，全面優(yōu)化了畜禽固廢高溫好氧快速無害化、資源化利用系統(tǒng)及配套設施設備的科學配置，系統(tǒng)集成了固廢智能轉運與高溫好氧快速無害化處理控制技術及固廢節(jié)能高效無害化處理操作技術，有效提升了系統(tǒng)設備的運行效率和智能化水平，顯著降低了畜禽固廢無害化處理的運行成本和勞動強度，有力保障了畜禽固廢的生態(tài)環(huán)保無害化處理和資源化利用。

3.2.1 固廢節(jié)能生態(tài)高效快速無害化處理技術

課題通過對多項創(chuàng)新研發(fā)技術成果的綜合集成，建立了基于高溫好氧生物發(fā)酵技術的畜禽固廢快速無害化處理與資源化利用系統(tǒng)，形成了特有的固廢節(jié)能、生態(tài)、高效、快速無害化處理技術，通過系統(tǒng)配置的發(fā)酵物料調(diào)制設施對畜禽固廢干濕度、C/N 的調(diào)制和變頻風機、液壓攪拌等裝置對罐內(nèi)物料發(fā)酵環(huán)境的智能調(diào)控，形成穩(wěn)定的利于罐內(nèi)高溫好氧菌群利用發(fā)酵物料快速增值的特有環(huán)境，并通過連續(xù)不斷的發(fā)酵物料的投入和送氧攪拌，在外部不加熱源、不加菌劑的情況下，保持系統(tǒng)快速高效運行，每天處理畜禽固廢量可達8～10m3，經(jīng)7d 左右的快速腐熟形成2～3t 達到NY525-2012 標準的優(yōu)質(zhì)有機肥；而系統(tǒng)的每天運行成本除了170～180 度電費外，沒有額外加熱或加菌種的費用（一般菌種價格為80 元/kg，添加量為鮮糞量的千分之一）。系統(tǒng)運行平均每立方米鮮糞的處理成本不足30元，折合成發(fā)酵有機肥約80 元/m3，技術創(chuàng)新成效顯著。

3.2.2 固廢智能轉運與無害化處理控制技術

課題根據(jù)實施基地的生產(chǎn)特點，創(chuàng)新研發(fā)了一套基于AGV智能轉運和高溫好氧生物發(fā)酵罐的固廢無害化處理系統(tǒng)和與系統(tǒng)相配套的智能運行控制技術；該控制技術通過專門編制的PLC 程控軟件對雞舍刮糞、雞舍外橫向刮糞、固廢垂直提升斗、AGV 智能轉運車、物料智能調(diào)制機、調(diào)制物料提升機及高溫好氧發(fā)酵罐等節(jié)點設備的智能控制，使整套處理系統(tǒng)在無人操作狀態(tài)下，實現(xiàn)定時喚醒和智能運行，極大降低了勞動強度，真正實現(xiàn)了畜禽固廢無害化處理的智能化、無人化，為國家推進的智慧牧場建設提供了先進、可靠的技術保障。

3.3 存在的問題

主要有傳統(tǒng)刮糞板清糞和雞糞殘留抗生素等問題。

3.3.1 刮糞板清糞機的影響

由于課題實施基地是2009 年度改造的標準化蛋雞場，其所使用的飼養(yǎng)設備為傳統(tǒng)3 層階梯式蛋雞籠與刮糞板式清糞設備。因此，課題組在進行前期規(guī)劃時，在雞舍原有基礎上對固廢縱向清糞和橫向轉運設備進行了改造，總體效果良好。

但由于刮糞板式清糞設備在刮糞時存在少量殘留和團塊出糞的痼疾，因此，雖然對固廢無害化處理的影響不大，但對整體性的處理目標仍有一定影響；另外，由于實施基地的地勢較低，雨季或大雨過后，雞舍糞溝內(nèi)會有少量滲水，致使雞糞變稀，影響后續(xù)物料轉運和調(diào)制流程。

3.3.2 育成青年雞少量含抗菌素雞糞的處理

目前，生產(chǎn)蛋雞養(yǎng)殖過程已完全做到無抗，但青年雞培育過程中，由于偶爾會發(fā)生一些細菌感染，使用抗菌素預防或治療后形成的固廢中含有的少量抗菌素對發(fā)酵罐內(nèi)高溫好氧菌群的增殖會發(fā)生一定的抑制作用，從而影響系統(tǒng)的處理能力和效果。

3.4 下階段工作設想

針對目前系統(tǒng)存在的問題，下階段主要有兩方面針對性工作計劃：一是針對傳統(tǒng)刮糞板清糞方式的不足，下階段將對試驗基地的飼養(yǎng)設備機械改造，整體采用疊層式雞籠和承糞帶式清糞設施，有效解決刮糞板清糞存在的問題；二是針對少量含抗菌素雞糞的處理問題，計劃在現(xiàn)有系統(tǒng)設施的基礎上，增設一套物料儲存筒，用于少量含抗菌素雞糞的臨時儲存，以便是這部分固廢在儲存筒中經(jīng)過一段時間的預處理后再進入發(fā)酵罐進行高溫好氧發(fā)酵，實現(xiàn)無害化處理和資源化利用。