寒冷地區(qū)循環(huán)熱補償式密閉高溫有機肥發(fā)酵裝置及其使用方法

季彬 彭軼楠 葉澤 祁宏山 曾楊 王治業(yè)*

（1.甘肅省科學院生物研究所，甘肅蘭州 730030；2.甘肅省微生物資源開發(fā)利用重點實驗室，甘肅蘭州 730030）

存欄10000 頭牛每年牛糞產(chǎn)生量約為15 萬t，污水產(chǎn)生量達30 萬t[1]。資料顯示，甘肅省有80%的畜禽糞便沒有進行無害化、資源化處理，不但造成了巨大的資源浪費，還導致了水體、大氣、土壤和農(nóng)產(chǎn)品污染等一系列環(huán)境問題[2]。因此，急需尋找新的處理畜禽污染物的理論、技術和方法。將畜禽糞便進行生物發(fā)酵處理是一種有效的無公害化處理方式，發(fā)酵處理后生產(chǎn)的生物有機肥可以用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，達到保護環(huán)境目的的同時也兼顧了經(jīng)濟效益的改善[3]。

生物有機肥目前多采用自然條件或加入腐熟菌劑的堆肥發(fā)酵，在對畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈等堆肥時，加入腐熟用的生產(chǎn)菌株可以有效縮短發(fā)酵腐熟周期，提高生產(chǎn)效率；但通常這些生產(chǎn)菌株均需要在適宜的溫度、濕度等環(huán)境條件下才可以實施，對于高海拔、高緯度、西北干燥地區(qū)，常見生物有機肥發(fā)酵菌劑通常只能在15℃以上才能啟動發(fā)酵，而且由于外界溫差較大，需要保持大型T 字形堆體，一般為底部3m 寬頂部2m 寬，高度2m，低于15℃生物有機肥企業(yè)不能正常生產(chǎn)[4]?，F(xiàn)有技術中，寒冷地區(qū)的生物有機肥發(fā)酵也有在帶有加熱夾套的發(fā)酵罐進行發(fā)酵的，通過加熱夾套對發(fā)酵罐內的物料進行加熱來滿足物料發(fā)酵所需的啟動溫度，發(fā)酵啟動后由于物料發(fā)酵自身產(chǎn)熱，進而滿足發(fā)酵需求，但由于部分地區(qū)晝夜溫差較大，發(fā)酵罐內物料白天發(fā)酵產(chǎn)熱過多，而夜間溫差過大，發(fā)酵罐溫度流失速度過快，導致大部分時間物料均無法保持最佳發(fā)酵溫度，需浪費大量能源用于保持發(fā)酵罐內的發(fā)酵溫度，發(fā)酵效率慢[5]，為此本文提出一種寒冷地區(qū)循環(huán)熱補償式密閉高溫有機肥發(fā)酵裝置及其使用方法，用于解決上述問題。

1 裝置結構

寒冷地區(qū)生物發(fā)酵技術旨在提供一種寒冷地區(qū)循環(huán)熱補償式密閉高溫有機肥發(fā)酵裝置，它可以通過儲存物料發(fā)酵產(chǎn)生的多余熱量延長物料發(fā)酵高溫保持時間和補償物料啟動發(fā)酵加熱，有效降低寒冷地區(qū)的物料發(fā)酵耗能。循環(huán)熱補償式密閉高溫有機肥發(fā)酵裝置包括發(fā)酵罐本體，發(fā)酵罐本體的外壁包裹有加熱夾套，且加熱夾套外側包裹有發(fā)酵罐保溫套，加熱夾套的上下水管通過管道連接有熱水供應設備，發(fā)酵罐本體與加熱夾套之間設置有熱補償盤管，熱補償盤管的上下水管通過管道連接有能量儲存機構，能量儲存機構包括熱量儲存罐和換熱盤管，換熱盤管設置于熱量儲存罐內，且熱量儲存罐內腔填充有高熱密度導熱油，熱量儲存罐的外側包覆有熱量儲存保溫套，換熱盤管的出水端設置有溫度補償循環(huán)泵，且溫度補償循環(huán)泵輸出端與熱補償盤管進水端連通。

熱量儲存罐通過管道連接有第一膨脹箱，所述換熱盤管通過管道連接有第二膨脹箱，所述熱量儲存罐的容積是發(fā)酵罐本體容積的3～5 倍。熱量儲存保溫套的外側陣列設置有多個太陽能真空管，且多個太陽能真空管的內腔連通有熱泵機組，所述熱泵機組輸出端與熱量儲存罐的底部相抵。發(fā)酵罐本體的底部設置有輔助卸料機構，且輔助卸料機構包括有設置于發(fā)酵罐本體內的螺旋鉸刀和設置于發(fā)酵罐本體外側的鉸刀驅動機構。發(fā)酵罐本體上端設置有進料口，且發(fā)酵罐本體的一側設置有斗式提升機，所述斗式提升機的輸出端對應發(fā)酵罐本體的進料口，所述發(fā)酵罐本體的底部設置有卸料口，且卸料口處設置有卸料閘。發(fā)酵罐本體的兩側壁中部均設置有送氣管，且一側所述送氣管通過管道連接羅茨風機的輸出端。換熱盤管的輸入端繞接有熱量回收盤管，且另一側所述送氣管通過管道連接熱量回收盤管進氣端。溫度補償循環(huán)泵和熱水供應設備均電性連接有溫度補償控制器，且溫度補償控制器電性連接有物料溫度傳感器，所述物料溫度傳感器設置于發(fā)酵罐本體內腔。

2 裝置操作步驟

寒冷地區(qū)循環(huán)熱補償式密閉高溫有機肥發(fā)酵裝置的使用方法包括斗式提升機、溫度補償控制器等設備設施的啟動，具體操作步驟如下：啟動斗式提升機，將混有微生物菌劑的生物有機肥發(fā)酵物料轉運至發(fā)酵罐內；啟動溫度補償控制器，溫度補償控制器通過發(fā)酵罐內的物料溫度傳感器檢測溫度，若溫度低于15℃，則驅動熱水供應設備，并在加熱夾套內循環(huán)熱水，對發(fā)酵罐內的物料進行緩慢加熱，4～6h 溫度將達到15℃。物料達到發(fā)酵啟動溫度后開始發(fā)酵，其中的微生物逐漸生長，開始產(chǎn)熱，物料溫度自身上升時，溫度補償控制器發(fā)出電信號關閉熱水供應設備，停止加熱，并控制發(fā)酵罐盤管泵入能量儲存罐中的導熱油進行循環(huán)，隨著物料逐步升溫，帶動儲熱罐逐步升溫至65～75℃；待系統(tǒng)整體開始降溫時，補償系統(tǒng)停止循環(huán)，由物料自行發(fā)酵至終點并出料；再次啟動斗式提升機完成進料，進料后溫度補償控制器直接啟動能量儲存機構，通過能量儲存機構上次發(fā)酵的余熱初步加熱物料；當物料加熱到達啟動溫度時系統(tǒng)重復執(zhí)行，直至完成所有物料的發(fā)酵。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述熱量儲存罐內設置有儲能溫度傳感器，且儲能溫度傳感器與溫度補償控制器電相連接。

3 裝置具體使用方法

圖1a 為寒冷地區(qū)循環(huán)熱補償式密閉高溫有機肥發(fā)酵裝置，發(fā)酵罐的底部設置有輔助卸料機構，包括螺旋鉸刀和設鉸刀驅動機構，通過驅動螺旋鉸刀在發(fā)酵罐內腔底部高速旋轉，螺旋鉸刀旋轉切割上部物料，物料在自重作用下塌落，聚集在發(fā)酵罐底部的倒圓錐部位通過出料口排出，從而實現(xiàn)連續(xù)出料，發(fā)酵罐上端設置有進料口，且發(fā)酵罐的一側設置有斗式提升機，斗式提升機的輸出端對應發(fā)酵罐本體的進料口，通過斗式提升機提升物料并導入發(fā)酵罐內，便于發(fā)酵罐的上料，發(fā)酵罐的兩側壁中部均設置有送氣管，且一側送氣管通過管道連接羅茨風機的輸出端，羅茨風機通過一側送氣管泵入氧氣，輔助物料發(fā)酵，發(fā)酵罐底部設置有卸料口，且卸料口處設置有卸料閘，發(fā)酵罐的外壁包裹有加熱夾套，且加熱夾套的外側包裹有發(fā)酵罐保溫套，加熱夾套的上下水管通過管道連接有熱水供應設備，發(fā)酵罐與加熱夾套之間設置有熱補償盤管，熱補償盤管的上下水管通過管道連接有能量儲存機構。

圖1 寒冷地區(qū)循環(huán)熱補償式密閉高溫有機肥發(fā)酵裝置及能量儲存機構

如圖1b 所示，能量儲存機構包括熱量儲存罐和換熱盤管，換熱盤管設置于熱量儲存罐內，且熱量儲存罐內腔填充有高熱密度導熱油，外側包覆有熱量儲存保溫套，換熱盤管的出水端設置有溫度補償循環(huán)泵。溫度補償循環(huán)泵輸出端與熱補償盤管進水端連通，熱量儲存罐通過管道連接有第一膨脹箱，換熱盤管通過管道連接有第二膨脹箱，第一膨脹箱和第二膨脹箱能為空氣提供膨脹空間，避免熱量儲存罐和換熱盤管內壓力過大，提高了熱量儲存罐和換熱盤管的使用壽命。熱量儲存保溫套的外側陣列設置有多個太陽能真空管，太陽能真空管的內腔連通有熱泵機組，熱泵機組輸出端與熱量儲存罐的底部相抵，太陽能真空管內填充導熱油，通過太陽能真空管接收光照將導熱油加熱，加熱后的導熱油與熱泵機組內的蒸發(fā)端接觸，通過熱泵機組將熱量轉移到熱量儲存罐底部，對熱量儲存罐內的導熱油進行加熱，能夠通過太陽能進行儲能，充分利用新型能源輔助物料加熱，更加節(jié)能環(huán)保。換熱盤管的輸入端繞接有熱量回收盤管，且另一側送氣管通過管道連接熱量回收盤管進氣端，通過熱量回收盤管能回收送氣管排出的熱量，減少熱量損耗，進一步提高熱量利用效率[6]。溫度補償循環(huán)泵和熱水供應設備均電性連接有溫度補償控制器，且溫度補償控制器電性連接有物料溫度傳感器，物料溫度傳感器設置于發(fā)酵罐內腔，溫度補償控制器通過物料溫度傳感器的回饋，控制各設備的啟動，從而保證物料發(fā)酵的正常進行。

4 裝置工作原理

物料初次發(fā)酵通過熱水供應設備在加熱夾套內循環(huán)加熱，達到啟動溫度后物料開始發(fā)酵，所產(chǎn)生的熱量通過能量儲存設備存儲，降低物料與環(huán)境溫度的差距，進而降低了熱量流失速度，可顯著延長物料65～75℃的溫度停留時間，并且能量儲存設備內存儲的熱量能在后續(xù)物料發(fā)酵起始階段輔助物料加熱，減少后續(xù)物料加熱所消耗的熱量，在解決寒冷地區(qū)生物有機肥起溫問題的同時延長高溫保持時間，有效殺滅病原菌、草籽、蛔蟲卵等，大大提高了物料發(fā)酵時間和發(fā)酵效果。

5 裝置優(yōu)勢

寒冷地區(qū)循環(huán)熱補償式密閉高溫有機肥發(fā)酵裝置有能量儲存機構的循環(huán)熱補償，可顯著延長物料溫度停留時間，在解決寒冷地區(qū)生物有機肥起溫問題的同時延長高溫保持時間，有效殺滅病原菌、草籽、蛔蟲卵等，改善物料發(fā)酵時間和發(fā)酵效果，減少了寒冷地區(qū)為了保持發(fā)酵啟動溫度所消耗的能源，更加環(huán)保。寒冷地區(qū)循環(huán)熱補償式密閉高溫有機肥發(fā)酵裝置通過設置的太陽能真空管和熱泵機組能儲能太陽能，充分利用新型能源輔助物料加熱，更加節(jié)能。寒冷地區(qū)循環(huán)熱補償式密閉高溫有機肥發(fā)酵裝置通過熱量回收盤管裝置能回收送氣管排出的發(fā)酵氣體中的熱量，減少熱量損耗，進一步提高熱量利用效率。

6 小結

寒冷地區(qū)循環(huán)熱補償式密閉高溫有機肥發(fā)酵裝置的應用對處理畜禽養(yǎng)殖中糞便污染問題及環(huán)境保護有重要作用。畜禽糞便不進行無害化、資源化利用不但造成了巨大的資源浪費，還會導致一系列環(huán)境污染問題。寒冷地區(qū)循環(huán)熱補償式密閉高溫有機肥發(fā)酵裝置可以生產(chǎn)有機肥料，達到還田種植的良性循環(huán)，對養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)有積極影響。