堆肥膜與異位發(fā)酵床結(jié)合的一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)

韋建吉，魏子凱，曾慶東，凌慶成，鄭文漢，黃珊珊

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東弘科農(nóng)業(yè)機械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510555）

0 引言

近年來，隨著國家頒布實行《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場污染防治條例》和《水污染防治行動計劃》等法規(guī)條例，養(yǎng)殖場等面臨的環(huán)保壓力越來越大，但國家和地方也頒布了對畜禽養(yǎng)殖綠色發(fā)展的支持政策，《國務院辦公廳關(guān)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）指出：以前的環(huán)境影響評價主要從污染治理、而不是資源化利用角度開展，其要求參考的是工業(yè)污染治理方式，致使很多養(yǎng)殖場依據(jù)環(huán)境影響評價報告采用工業(yè)化的污水處理辦法，不僅效果差、費用高，使原本是資源的糞水成了污染物[1]；《廣東省畜禽養(yǎng)殖糞污處理與資源化利用技術(shù)指南（試行）》（粵農(nóng)農(nóng)〔2018〕91 號）提出“畜禽糞污應經(jīng)無害化處理后進行資源化利用；國務院辦公廳《關(guān)于促進畜牧業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的意見》（國辦發(fā)〔2020〕31 號）第五點提出持續(xù)推動畜牧業(yè)綠色循環(huán)發(fā)展，大力推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用，并推行了系列畜禽糞污資源化利用整縣推進項目和綠色種養(yǎng)循環(huán)農(nóng)業(yè)試點項目。在此背景下，針對如何解決養(yǎng)殖場環(huán)保壓力并完成效益轉(zhuǎn)換這一問題，堆肥成為很多養(yǎng)殖企業(yè)的首選解決方案。因此，異位發(fā)酵床和覆膜式好氧堆肥是近來興起的糞污處理資源化方式[2-3]。

異位發(fā)酵床又稱舍外發(fā)酵床，一般由集污池，運輸管道，發(fā)酵床，翻堆機4 部分組成[4-5]。首先由集污池將養(yǎng)殖場糞污收納緩沖后通過運輸管道輸送到發(fā)酵床，發(fā)酵床一般由1.0～1.5m 高的谷殼和木糠組成，定期噴灑菌種并通過配套的翻堆機作業(yè)并實現(xiàn)曝氣、攪拌功能，實現(xiàn)養(yǎng)殖場糞污的消納與資源化處理。異位發(fā)酵床在糞污處理發(fā)酵過程中翻拌均勻但存在發(fā)酵溫度較低，臭氣外溢較多，發(fā)酵區(qū)全密封臭氣處置成本高等問題。

覆膜式好氧堆肥系統(tǒng)主要包括堆肥膜、鼓風系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)3 個部分[2]。堆肥膜是一種采用了“三合一”結(jié)構(gòu)的半透膜，膜的外表面采用疏水滌綸，中間是聚四氟乙烯材料，內(nèi)表面采用親水滌綸，整個結(jié)構(gòu)具有防止堆肥粉塵擴散，減免臭氣外溢，減少堆肥氮損失等優(yōu)點。通過曝氣系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)促進和控制整個堆肥進程，但對發(fā)酵原料的間隙率和均勻度要求較高且容易出現(xiàn)堆體表層與內(nèi)部發(fā)酵不均勻等問題。

本文結(jié)合上述2 個系統(tǒng)的優(yōu)點，設計了一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)。

1 一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)總體介紹

一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)簡單來講就是將發(fā)酵車間廠房做成密閉體系，而堆肥膜內(nèi)部做成另外的密閉體系，外部空間與堆肥膜內(nèi)產(chǎn)生1 個夾層，由車間廠房和堆肥膜構(gòu)成。堆肥膜內(nèi)是原先的異位發(fā)酵床，由翻堆機對堆體進行翻堆、攪拌；調(diào)整了鼓風系統(tǒng)的進風來源加上堆肥膜的存在減少了尾氣處理系統(tǒng)的處理風量和處理濃度，降低了尾氣處理系統(tǒng)的處理壓力和運營成本。該處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，堆肥膜內(nèi)部實景如圖2 所示。

圖1 一體化發(fā)酵車間剖面示意圖

圖2 堆肥膜內(nèi)部實景圖

1.2 系統(tǒng)構(gòu)建

一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于創(chuàng)新地將近來興起的覆膜式好氧堆肥系統(tǒng)與異位發(fā)酵床結(jié)合并改進，進行工藝的精細化調(diào)整，其主要構(gòu)建了回流鼓風—引風—尾氣處理系統(tǒng)（氣流系統(tǒng)）、水汽收納系統(tǒng)、翻堆發(fā)酵系統(tǒng)等3 個模塊系統(tǒng)。

1.2.1 回流鼓風—引風—尾氣處理系統(tǒng)（氣流系統(tǒng)）

回流鼓風—引風—尾氣處理系統(tǒng)由鼓風機、堆肥膜、引風機、尾氣處理裝置等組成。堆肥中鼓風有補充好氧發(fā)酵所需氧氣、帶走堆體水汽、控制堆體發(fā)酵溫度3 個作用。將鼓風機進風口設置新風管和回風管，分為2 個氣流來源，新風管是連接車間外部的新鮮空氣，回風管是車間內(nèi)部的氣體回流到鼓風機。補充好氧發(fā)酵所需氧氣由車間外部的新鮮空氣提供，控制這部分氣流的流量有助于降低整個系統(tǒng)排出的氣體處理流量；帶走堆體水汽和控制堆體發(fā)酵溫度的氣體流量主要由回流氣體提供。以上2個來源的氣流通過鼓風管槽在發(fā)酵堆體底部進行鼓風，將氣體均勻輸送到堆體各個位置。堆肥膜在該處發(fā)揮降低夾層空間臭氣濃度的作用。引風機則是將廠房與堆肥膜間夾層的堆肥氣體輸送到尾氣處理裝置，由尾氣處理裝置對經(jīng)堆肥膜過濾的氣體進一步處理排放，該氣體處理量與鼓風機鼓進的外源新鮮空氣流量相同。

1.2.2 水汽收納系統(tǒng)

水汽收納系統(tǒng)主要收集3 部分來源的水汽：①發(fā)酵物料過濕帶來的水，由堆體進料端前部的水渠及鼓風管的管路實現(xiàn)收集，進入污水儲存池；②發(fā)酵產(chǎn)生熱騰騰的水蒸氣在堆肥膜內(nèi)側(cè)滴落的部分水，由卡槽收集經(jīng)過U 型存水彎自動外排到車間夾層，車間夾層底部水渠收集進入污水儲存池；③水蒸氣透過堆肥膜在夾層冷凝回落的水，由車間夾層底部水渠收集進入污水儲存池。通過這3 部分和尾氣處理系統(tǒng)出口端外排水汽，有效降低了發(fā)酵過程堆體的含水率。

1.2.3 翻堆發(fā)酵系統(tǒng)

翻堆發(fā)酵系統(tǒng)主要由發(fā)酵槽、滾輪式翻堆機等構(gòu)成。滾輪式翻堆機適用于堆肥生產(chǎn)的好氧發(fā)酵工藝，它采用高速旋轉(zhuǎn)的切削翻拋滾輪對發(fā)酵堆垛進行無死角的切削、拋擲作業(yè)并實現(xiàn)物料與空氣的充分接觸以及物料與物料之間的均勻攪拌。

滾輪式翻堆機的翻堆頭采用兩邊懸掛式滾輪結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)無死角翻堆；動力直聯(lián)翻堆滾輪結(jié)構(gòu)緊湊且效率高；翻堆頭升降裝置可任意位置調(diào)節(jié)，翻堆時可根據(jù)堆肥的阻力情況來確定是逐段翻挖還是一次翻挖，使設備有更強的適應性和靈活性。小車、大車行走裝置安裝變頻調(diào)節(jié)功能，設備能根據(jù)翻堆工藝要求及物料情況靈活調(diào)整。

滾輪翻堆頭在翻堆過程中按“之”字形路線行走，整槽翻完后再升起到另一端，開始下一循環(huán)，空程時間少，效率高。在物料的翻堆過程中實現(xiàn)了物料的移動、搬運，減少了人工操作環(huán)節(jié)。其實物如圖3 所示。

圖3 滾輪式翻堆機

2 系統(tǒng)優(yōu)勢功能分析

一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)結(jié)合了覆膜式堆肥系統(tǒng)和異位發(fā)酵床的優(yōu)勢，與現(xiàn)有常規(guī)堆肥方式比較，主要有以下幾個特點。

2.1 臭氣處理徹底、處置成本較低

一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)臭氣處理方式采取堆肥膜+回流鼓風+常規(guī)除臭。常規(guī)除臭中噴淋+生物除臭+活性炭/UV 光解等生物法與物化法相結(jié)合的組合技術(shù)路線被認為較為穩(wěn)定，也能實現(xiàn)徹底處理臭氣。傳統(tǒng)的生物法除臭要求停留時間達到一定程度才能實現(xiàn)有效除臭，這造成處理量越大，投資成本、占地和能耗越大[6-8]，環(huán)保要求嚴格的還要增力活性炭/UV 光解等作為生物除臭系統(tǒng)的補充，導致能耗高。

一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)的堆肥膜能降低臭氣排放濃度[9-12]，降低了后續(xù)處理物化系統(tǒng)中耗材損耗的成本。風機設置回流一方面部分發(fā)酵氣體通過車間內(nèi)天然的堆肥堆體進行生物過濾[13]，堆肥等適宜的生物填料可以對氨氣、硫化氫等臭氣進行吸附和生物降解[14]；另一方面鼓風機設置回流不降低堆體曝氣總風量，既能達到堆肥過程中水分散發(fā)，控制溫度的作用，也能降低系統(tǒng)所需新風進而降低后續(xù)處理的電耗成本[15]。總體而言，一體化發(fā)酵車間的工藝設置降低了堆肥過程中臭氣的處理成本。

2.2 堆肥過程保氮、堆肥產(chǎn)品高效

傳統(tǒng)的堆肥保氮主要有2 種方式：①改變堆肥的配方，添加鐵鹽、鈣鹽、鎂鹽等[16-18]作為調(diào)理劑，某些調(diào)理劑能改變堆體pH，使得氨在堆體中溶解性變強，從而保氮；某些調(diào)理劑能與堆肥原料中的銨態(tài)氮產(chǎn)生反應，使得氮能保留在堆肥中；②覆膜式好氧堆肥系統(tǒng)中堆肥膜起作用，水蒸氣在堆肥膜內(nèi)側(cè)的親水層結(jié)構(gòu)形成冷凝液，冷凝液回流使得銨態(tài)氮與堆體有更充分的接觸反應時間，不至于受熱快速逸散。

一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)的保氮功能是由其氣流系統(tǒng)和水汽收納系統(tǒng)提供，氣流系統(tǒng)的回流鼓風使部分氨氣在經(jīng)過堆肥堆體時被進一步吸收和轉(zhuǎn)換；水汽收納系統(tǒng)中，保氮原理和覆膜式好氧堆肥系統(tǒng)一致，是膜內(nèi)側(cè)部分氨氣與水蒸氣結(jié)合的冷凝液與堆體進一步反應轉(zhuǎn)化起的作用。研究表明，覆膜與不覆膜相比，冷凝液中部分銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化成了硝態(tài)氮，提高了堆肥產(chǎn)品的肥效[9]。一體化發(fā)酵車間的保氮性能相比傳統(tǒng)的改變堆肥配方保氮，減少了添加調(diào)理劑帶來的成本；其增加的回流方式也不會造成運營成本的增加，再加上堆肥膜的作用，能在堆肥過程保氮，帶來高效堆肥產(chǎn)品。

2.3 機械化程度高，物料發(fā)酵徹底

楊麗楠等[11]在試驗中發(fā)現(xiàn)，堆肥膜這種膜材料具有類似半透膜的特性，可以阻擋臭氣，改善發(fā)酵環(huán)境，但由于缺少翻堆過程，存在類似靜態(tài)堆肥的發(fā)酵不均勻現(xiàn)象，覆膜式堆肥的堆體表層和內(nèi)部發(fā)酵也不均勻。

與覆膜式好氧堆肥系統(tǒng)相比，一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)中滾輪式翻堆機的“之”行走翻堆方式加上高速旋轉(zhuǎn)的切削翻拋滾輪對發(fā)酵堆垛進行無死角的切削、拋擲作業(yè)并實現(xiàn)物料與空氣的充分接觸，物料與物料之間的均勻攪拌，可實現(xiàn)物料的均勻發(fā)酵。一體化發(fā)酵車間的滾輪式翻堆機也滿足有機肥廠的建設規(guī)劃工藝設備選用[19]，其具有的攪拌和打碎功能，可避免對原料進行處理造成的堆放和轉(zhuǎn)運，機械化程度高。

3 結(jié)論與展望

堆肥膜與異位發(fā)酵床結(jié)合的一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)對異位發(fā)酵床和覆膜式好氧堆肥系統(tǒng)的工藝體系進行了結(jié)合與改進，解決了異位發(fā)酵床的臭氣處理成本高和覆膜式好氧堆肥系統(tǒng)發(fā)酵不均勻的問題。

一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)與現(xiàn)有堆肥技術(shù)工藝相比具有以下幾個優(yōu)點：①臭氣處理徹底、處置成本較低；②堆肥過程保氮、堆肥產(chǎn)品高效；③機械化程度高，物料發(fā)酵徹底。將一體化發(fā)酵處理系統(tǒng)集成為一個生產(chǎn)車間模塊，可把堆肥工藝如“污水處理廠”般專業(yè)化運營，市場推廣前景廣闊。