研制牛糞與玉米秸稈攪拌專用設(shè)備的必要性探析

王德明

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院 綏化分院，黑龍江 綏化 152000)

0 引言

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，養(yǎng)殖方式逐漸從傳統(tǒng)副業(yè)、散戶小規(guī)模飼養(yǎng)向規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化和集約化過渡，推動(dòng)中國畜牧業(yè)產(chǎn)量逐年增加的同時(shí)，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的大量糞污也造成了環(huán)境污染[1]。畜禽糞污、作物秸稈的資源化利用不足與化肥過量施用是我國農(nóng)業(yè)面源污染環(huán)境的主要原因。畜禽糞污、玉米秸稈等的無害化處理和資源化利用是畜禽養(yǎng)殖業(yè)迫切需要解決的問題[2]。

1 牛糞與玉米秸稈肥料化加工的意義

表1收集整理了2010—2020年中國生牛存欄量和玉米產(chǎn)量。1頭奶牛每天產(chǎn)生糞便約為30 kg，1頭400 kg體重的肉牛每天將產(chǎn)生糞便25 kg；每生產(chǎn)1 t玉米約產(chǎn)生玉米秸稈1.2 t。按照每頭牛每天產(chǎn)生糞便25 kg、谷草比1∶1.2，計(jì)算得出2010—2021年中國牛糞產(chǎn)量和玉米秸稈產(chǎn)量，繪制圖1。

1.1 畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便污染問題

為了滿足人們對(duì)肉、蛋、奶等畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)品的需求，我國的畜禽養(yǎng)殖業(yè)近幾年發(fā)展迅猛。在產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的同時(shí)，畜禽養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的畜禽糞便對(duì)空氣、土壤和地下水資源的污染也正在加劇。據(jù)《第二次全國污染源普查公報(bào)》，農(nóng)業(yè)源排放量分別為化學(xué)需氧量(COD)1 067.13萬t、總磷(TP)21.20萬t、總氮(TN)141.49萬t[2]，其中，畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放量COD為1 000.53萬t、TP為11.97萬t、TN為59.63萬t，占農(nóng)業(yè)源總排放量的比例分別為93.76%、56.46%、42.14%[3]，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的排放量高于種植業(yè)。由于對(duì)畜禽糞便污染環(huán)境的認(rèn)識(shí)不足，很多養(yǎng)殖戶將未經(jīng)處理的畜禽糞污隨意堆放，嚴(yán)重污染了周圍的生態(tài)環(huán)境。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，畜禽糞便中含有近70%的有機(jī)質(zhì)成分和豐富的礦質(zhì)元素，若將其轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，將會(huì)極大減少化肥施用、促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)改良、提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)。而畜禽糞便中牛糞的重金屬含量相比雞糞和豬糞的重金屬含量低，所以牛糞更適合做肥料。結(jié)合表1、圖1，2020年我國生牛存欄量9 562萬頭，年產(chǎn)牛糞已超過8.7億t。

表1 近11年中國生牛存欄量及玉米產(chǎn)量

圖1 近11年中國牛糞及玉米秸稈產(chǎn)量

1.2 玉米生產(chǎn)引出的秸稈處理問題

2020年我國玉米產(chǎn)量達(dá)到2.61億t，按谷草比1∶1.2計(jì)算，產(chǎn)生的玉米秸稈量達(dá)到3.13億t。如何妥善使用或是處理玉米秸稈已經(jīng)成為保障糧食持續(xù)豐收和農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。玉米秸稈具有糖分高、密度低的特點(diǎn)，因此不適用于制碳，用于發(fā)電也存在經(jīng)濟(jì)效益低的問題。但玉米秸稈中含有豐富的氮、磷、鉀、鈣、鎂等作物所需的營養(yǎng)元素，每100 kg干玉米秸稈中含氮素0.5 kg、五氧化二磷0.39 kg、氧化鉀1.67 kg。每667 m2玉米秸稈還田量以500 kg計(jì)算，理論可增加純氮2.5 kg、五氧化二磷1.95 kg、氧化鉀8.35 kg[4]。如果能將玉米秸稈制成肥料施用，不僅可以解決玉米秸稈處理問題，還能培肥地力，加快實(shí)現(xiàn)對(duì)黑土地的保護(hù)。

1.3 長(zhǎng)期施用化肥帶來的弊端

近年來，為了增加糧食產(chǎn)量，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中施入了大量的化學(xué)肥料，我國在不足世界耕地總面積10%的耕地上，施用了接近世界總量33.3%的化肥量,化肥施用量居全球第四,大量使用化肥帶來糧食短暫增產(chǎn)的同時(shí)也帶來了很多的危害。例如大量施用化學(xué)肥料導(dǎo)致蔬菜瓜果品質(zhì)下降明顯，原因在于作物生長(zhǎng)在獲得充足氮磷鉀的同時(shí)，還需要吸收鈣、鐵、鋅、硒等多種微量元素，而化肥的營養(yǎng)成分通常較為單一，不能滿足作物對(duì)養(yǎng)分的需求，導(dǎo)致作物品質(zhì)下降，不易儲(chǔ)存；長(zhǎng)期大量施用化學(xué)肥料，會(huì)導(dǎo)致初級(jí)農(nóng)產(chǎn)品中硝酸鹽含量超標(biāo)，而亞硝酸鹽結(jié)合胺類物質(zhì)會(huì)形成具有強(qiáng)致癌作用的N-亞硝酸基化合物；化肥淋溶至土壤中會(huì)造成土壤有益菌死亡,還會(huì)污染河流、湖泊等水體；化肥的大量生產(chǎn)還加劇了石油、天然氣、煤、磷礦石和硫等不可再生資源的消耗。由此可見，長(zhǎng)期大量施用化肥，不僅使土壤肥力迅速下降、嚴(yán)重影響農(nóng)作物品質(zhì),而且破壞生態(tài)環(huán)境、危害人體健康,同時(shí)還進(jìn)一步加劇了我國能源短缺的問題[5]。

對(duì)上述問題最有效、易行且無害的處理方式就是把牛糞與玉米秸稈混合制成有機(jī)肥在農(nóng)作物播種前撒施于田間，再經(jīng)旋耕或翻耕等手段使之與土壤混合。此處理方式在解決上述問題的同時(shí)還有利于提高土壤肥力、改良土壤理化性狀、調(diào)節(jié)土壤溫度、加強(qiáng)土壤蓄水能力、改善耕層結(jié)構(gòu)、提高作物產(chǎn)量和節(jié)約資源等作用，促進(jìn)了土地可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)健康發(fā)展，具有良好生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2 牛糞與玉米秸稈肥料化處理方案

在農(nóng)村，傳統(tǒng)的處理方法是把作物秸稈、糞便等自然堆放腐熟，將混合物堆放腐熟后作為肥料施入農(nóng)田中，這是最簡(jiǎn)便的堆肥方式，但是這種堆肥方式肥料腐熟的速度十分緩慢，不適用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。通過總結(jié)已有的研究發(fā)現(xiàn)，將單一的牛糞或者秸稈堆放腐熟，腐熟的過程需要時(shí)間較長(zhǎng)。但將兩者混拌均勻再堆放腐熟，其腐熟速度就會(huì)大幅度提升，在原料的不同配比中，最佳配比為牛糞與玉米秸稈的物料體積以4∶6混合，同時(shí)玉米秸稈含水量為15%～30%，牛糞含水量為55%～70%時(shí)，腐熟效果最佳[6]。

同時(shí)，需要選擇穩(wěn)定適用的攪拌設(shè)備，使牛糞和玉米秸稈的混合物在攪拌設(shè)備內(nèi)經(jīng)剪切、對(duì)流、擴(kuò)散、沖擊等作用實(shí)現(xiàn)充分的混勻，就可以實(shí)現(xiàn)以大批量的流水線生產(chǎn)模式將牛糞與玉米秸稈轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料，使腐熟物變成商品有機(jī)肥，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)，還能給農(nóng)民帶來額外的經(jīng)濟(jì)效益。

3 現(xiàn)有攪拌設(shè)備不適用牛糞與玉米秸稈的攪拌處理

根據(jù)不同行業(yè)的實(shí)際需求，市場(chǎng)上陸續(xù)出現(xiàn)了多種類型的攪拌設(shè)備。常見的攪拌設(shè)備可以簡(jiǎn)要?jiǎng)澐譃榕P式攪拌機(jī)、立式攪拌機(jī)、特殊結(jié)構(gòu)攪拌機(jī)。

3.1 臥式攪拌機(jī)的特點(diǎn)及適用場(chǎng)景

臥式攪拌機(jī)又可以細(xì)分為螺旋臥式攪拌機(jī)、螺帶混合機(jī)、犁刀攪拌機(jī)、拔輪式攪拌機(jī)等。傳統(tǒng)的臥式攪拌機(jī)功率較大，可以加工未做預(yù)處理的物料，攪拌的同時(shí)會(huì)對(duì)物料起到一定的切割作用，但是占用空間大，而且存在卸料不徹底、物料殘留量多的問題；新研發(fā)的臥式攪拌機(jī)在工作過程中，使物料在攪拌倉內(nèi)循環(huán)往復(fù)，不斷更迭、復(fù)合，最終使物料混合均勻，混拌效果好，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而牛糞和玉米秸稈中不僅含有較長(zhǎng)纖維而且含水量較高，在攪拌過程中易發(fā)生纏堵問題。因此無論是傳統(tǒng)的還是新研發(fā)的臥式攪拌機(jī)都不適用于牛糞與玉米秸稈的攪拌作業(yè)[7]。

3.2 立式攪拌機(jī)的特點(diǎn)及適用場(chǎng)景

立式攪拌機(jī)一般包括進(jìn)出料口、物料倉、螺旋攪拌器、甩料板等組成部分。工作時(shí)由電機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)螺旋攪拌器旋轉(zhuǎn)，物料由進(jìn)料口進(jìn)入攪拌機(jī)內(nèi)部，在豎直的螺旋攪拌器作用下，物料從物料倉底部上升至頂部再向四周拋撒，然后由物料自身重力作用落到物料倉的底部，重復(fù)以上過程直至混合均勻，再經(jīng)卸料口將物料卸出。立式混合機(jī)具有占地面積小、動(dòng)力消耗小、混合時(shí)間短、混合質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，適用于混合干粉、顆粒、短纖維和少量液體的物料。而牛糞中除含有大量有機(jī)質(zhì)和粗蛋白外，還有未消化的粗纖維，并且含水量較高，甚至呈黏稠狀。玉米秸稈基本組織構(gòu)成以纖維素、中纖維素及木質(zhì)素為主。兩種物料的含水量、容重、流動(dòng)性等差異較大，現(xiàn)有的立式混合機(jī)長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)會(huì)出現(xiàn)卡料或者物料黏結(jié)的現(xiàn)象。

3.3 特殊結(jié)構(gòu)攪拌機(jī)的特點(diǎn)及適用場(chǎng)景

特殊結(jié)構(gòu)攪拌機(jī)可以劃分為V型混合機(jī)、三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)、鏈槳式和滾筒式攪拌機(jī)等幾類。鏈槳式攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率較小，主要用于飼料混合攪拌。V型混合機(jī)，包括V型筒、進(jìn)出料口和傳動(dòng)軸，電機(jī)通過變速箱帶動(dòng)V型筒旋轉(zhuǎn)。V型筒體由兩個(gè)圓筒焊接而成，且兩圓筒長(zhǎng)度不等。V型筒在旋轉(zhuǎn)過程中，一部分物料從一個(gè)筒體區(qū)域移動(dòng)到另一個(gè)筒體區(qū)域，使物料在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生擴(kuò)散、對(duì)流和滑移運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物料均勻混合，適用于制藥、食品、化工等行業(yè)干粉和顆粒狀物料的混合。三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)，包括機(jī)架、主動(dòng)軸、從動(dòng)軸、主動(dòng)撥叉、從動(dòng)撥叉、筒體、進(jìn)出料口和鉸鏈。電機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)主動(dòng)軸勻速旋轉(zhuǎn)，從動(dòng)軸變速做反向旋轉(zhuǎn)，使筒體具有平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和翻滾三維運(yùn)動(dòng)，讓物料在運(yùn)動(dòng)過程中沿筒體軸向、徑向和環(huán)向流轉(zhuǎn)，適用于制藥、化工、食品、機(jī)械等行業(yè)粉狀和顆粒狀物料的高均勻度混合。滾筒式攪拌機(jī)，攪拌筒為雙錐形筒體，焊接于筒內(nèi)的高低葉片分別與攪拌軸線呈一定的角度。在攪拌過程中，高低葉片使物料在提升和下落的過程中做軸向往復(fù)攪動(dòng)，主要用于混凝土攪拌。此4類攪拌設(shè)備幾乎無法用于牛糞與玉米秸稈的攪拌[8]。

4 急需研制專用的攪拌設(shè)備

每年產(chǎn)生的大量畜禽糞便、玉米秸稈，以及在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常年大量施用化肥已經(jīng)嚴(yán)重威脅到土壤、水源、環(huán)境的安全和國民的身體健康，資源化處理牛糞和玉米秸稈生產(chǎn)有機(jī)肥可以有效解決上述問題，但是當(dāng)前市場(chǎng)上的攪拌設(shè)備多是根據(jù)建筑及飼料等行業(yè)的需求研發(fā)生產(chǎn)，不適用于牛糞和玉米秸稈的混拌作業(yè)。為了更好地混合牛糞和玉米秸稈來高效生產(chǎn)有機(jī)肥料，急需研制專門用于混合牛糞和玉米秸稈的攪拌設(shè)備，來滿足將牛糞與玉米秸稈以流水線模式批量混拌，進(jìn)而使之腐熟成為有機(jī)肥料，通過對(duì)牛糞和玉米秸稈資源化處理，實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境、改良土壤、節(jié)約資源的目的。