CN108238821A - 一种畜禽粪污节能快速堆肥装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种畜禽粪污节能快速堆肥装置及其应用，该堆肥装置包括立式堆肥仓、热交换器和生物滤池，立式堆肥仓上部与输送装置连接，底部与出料装置连接；立式堆肥仓顶部与热交换器底部通过尾气输出管道连接，尾气输出管道上还设有第一风机；立式堆肥仓内出料装置的上部设有通风管道，通风管道上设有第三风机和热泵，并与热交换器顶部相连；热泵与热交换器之间还设有冷凝水管道；热交换器顶部通过尾气排放管道与生物滤池连接，尾气排放管道上设有第二风机；立式堆肥仓内部上方设有搅拌装置，热交换器底部设有排水口；本发明可大大降低堆肥占地土地面积，减少垫料使用及二次污染，同时缩短升温时间与加速堆肥进程，减少能耗，降低成本。

Description

一种畜禽粪污节能快速堆肥装置及其应用

技术领域

本申请涉及农业环境治理领域，特别是一种畜禽粪污节能快速堆肥装置及应用。

背景技术

据统计，畜牧业总产值占农业总产值的比重已由1978年的14.96% 提高到2011年的31.70%。养殖场规模化发展的同时，也带来了畜禽粪便产生量的迅速增加，据估算，我国畜禽粪便产生量在1980年已超过了14亿吨，在2014年达到了35.27亿吨，并将进一步随着畜禽养殖量的增加而迅速增加。预计到2020年中国畜禽粪便总量将达到42.4亿吨。与此同时，第一次全国面源污染源调查表明，由养殖业排放的氮磷与COD量占面源排放总量分别为40%、50%与60%，这表明养殖业粪污排放，已成为农业面源污染最大的污染源。

为减少养殖粪污给环境造成的污染风险，自上个世纪九十年代开始，养殖主管以及环保部门要求改变粪便收集方式，将水冲圈改为干清粪，以减少污水产生量，收集的粪便通过堆肥处理，实现无害化与袋装化、肥料化。但近年随着劳动力成本提高与技术进步，众多养殖场，特别是养猪场或养牛场逐步摒弃了人工干清粪方式，而改为漏粪板+机械刮粪或直接机械刮粪等方式收集，以提高收集效率，因此造成所收集粪便呈粪尿混合状态，所收集的混合物一般含水量达到80%左右，难以固液分离将固体与液体分开处理，而直接堆肥，又因堆肥物含水量太高，难以通过常规堆肥技术完成。

同样，在农业生产中，随着蔬菜产地集中，蔬菜大量集中采摘，也会产生大量高含水量的蔬菜残体，采用普通堆肥方式，也难以直接堆肥处理。

近年，由深层垫料技术发展出一种室外发酵床式的堆肥技术，依靠大量垫料调节粪污含水量，进行好氧堆肥，该方式投资成本低、操作方便，易于推广，但也存在着占地面积大、垫料需求多，且易造成二次污染，如氨排放等问题。

按中华人民共和国住房和城乡建设部颁发的《生活垃圾堆肥处理技术规范》（ CJJ52-2014）以及江西省地方标准《猪粪堆肥技术操作规程》（DB36 T 836-2015）等标准，一般高温堆肥要求物料含水量最高不超过65%，以45-60%为宜，对于高湿物料而言，采用常规堆肥方法，需要添加干燥或含水量低的有机物料作为调理剂，将最终含水量调节到65%以下，这不仅需要大量调理剂，增加堆肥物料数量，增加投资，也因为添加大量调理剂而增加肥料生产成本，这使得高湿物料采用高温堆肥方式，不仅成本高且由调理剂来源困难，而难以实际操作。

筒仓式堆肥反应器系统为近年发展起来的一种新型密闭式堆肥反应器，其为立式结构，具有搅拌系统、曝气系统和臭气处理装置。每天由送料斗将混合均匀的物料输送到发酵仓内，搅拌装置在筒仓上部混合新加入的堆肥原料。通风系统由筒仓底部向堆料中鼓入空气，堆肥化过程中产生的臭气统一在筒仓的上部被收集处理，此反应器的堆肥周期为10d。具有占地面积小，发酵升温快，发酵周期短，机械化自动化程度高，处理废物量大，并能对臭气集中进行处理等诸多优点。

中国农大侯超等（文献：筒仓式堆肥反应器不同通风量对堆肥效果的影响，环境工程学报2017，11（8）：4737-4742），设计了一种筒仓式堆肥反应器，进行含水率为70%鸡粪堆肥试验，结果表明，通过调整合理的通风量，可以实现快速发酵。北京师大王旭梅等（文献：仓式静态连续好氧堆肥发酵工艺的水气研究，哈尔滨工业大学学报2009 41（11）：288-292），采用仓式静态连续好氧堆肥发酵工艺，通过建立水平衡体系，系统地研究了水分对整个发酵工艺的影响，得出了仓式静态连续好氧堆肥发酵具有工艺简便，热交换快，水气蒸发量大等特点的结论;好氧堆肥发酵过程中发酵温度保持在65 ℃左右，含水量控制在45～55% 有利于有机物降解，垃圾堆肥可在40～50d腐熟。但进一步分析仍可发现，采用现有筒仓式堆肥装置，存在着堆肥时间长，能耗高等缺陷（与其它堆肥技术相比，不仅需要搅拌，还要同时强制通风与额外电加热）。

公开号为CN206767951U的中国专利，公开了一种太阳能生活垃圾堆肥处理设备，将堆肥仓外壁设置了两层，内仓为堆肥仓，在外仓和堆肥仓内仓之间填充导热液，导热液通过管道与太阳能加热装置连通，并安置有电加热器，以给导热液加温，堆肥仓外仓包裹隔热材料层，该方法通过太阳能与电能相结合的方法，以提高物料发酵温度，加快发酵进程；公开号为CN205295180U的中国专利，公开了一种堆肥发酵装置，该装置为提高冬季发酵温度，利用鼓风机将热炉产生的热量带入发酵仓中，保证发酵的温度，延长了发酵周期；公开号为CN205061908U的中国专利，公开了一种好氧堆肥装置，该装置在反应仓底部设计支撑机构，搅拌机构上端与反应仓连接，底端与支撑机构活动连接，在支撑机构下设置过滤机构，过滤机构下方，设置供氧机构并与反应仓连接；公开号为CN106977241A的中国专利，公开了一种好氧堆肥反应器，其在堆肥罐体的外壁设有水浴夹套，罐体配备有pH传感器、氧气传感器、温度传感器和水分传感器，由控制监测模块控制搅拌电机、水浴夹套和进气口进气控制机构，以提高堆肥效率；公开号为CN105906396A一种太阳能的自动门堆肥池装置的专利，其中提及安装太阳能板，利用光伏发电技术，将堆肥箱加热，以提高堆肥箱的堆肥效率。

上述专利技术，均通过外源电加热或太阳能加热的方式，可以提高堆肥温度，加快堆肥进程，但同样存在能耗高的问题。因此，如何在解决高湿有机物料快速堆肥问题的同时降低堆肥中能量消耗，已成为本领域亟待解决的技术难题。

发明内容

针对上述问题，本申请提供了一种畜禽粪污节能快速堆肥装置及其堆肥方法，以降低堆肥中能量消耗，该发明目的是这样实现的：

一种畜禽粪污节能快速堆肥装置，包括立式堆肥仓、热交换器和生物滤池；立式堆肥仓上部与输送装置连接，底部与出料装置连接；立式堆肥仓顶部与热交换器底部通过尾气输出管道连接，尾气输出管道上还设有第一风机；立式堆肥仓内出料装置的上部设有通风管道，通风管道上依次设有第三风机和热泵，并与热交换器顶部相连；热泵与热交换器之间还设有冷凝水管道；热交换器顶部通过尾气排放管道与生物滤池连接，尾气排放管道上设有第二风机；所述立式堆肥仓内部上方设有搅拌装置，热交换器底部设有排水口。

进一步，本发明所提供的一种畜禽粪污节能快速堆肥装置中，所述立式堆肥仓是指由作防腐处理钢板焊接或搪瓷钢板制成的高径比大于1的圆柱形结构，立式堆肥仓底部还安装有带控制阀的排水管道，排放堆肥中产生的淋溶水。

进一步，本发明所提供的一种畜禽粪污节能快速堆肥装置中，所述热交换器是指一个封闭的圆柱形桶，桶的四周作保温处理，桶内安装有呈盘旋状管道，管道从热交换器底部引入，从顶部引出，在引入管道最低部处连接一个控制阀，用于排放管道中的冷凝水；在热交换器的上、下部位且相对应的壁上各留一个进出水接口，以便与热泵进出水口相连接，桶内装有清洁的水。

进一步，本发明所提供的一种畜禽粪污节能快速堆肥装置中，所述热泵是指安装有热交换管道与压缩机的装置，在热泵进气处安装有干燥器。由热交换器输入热泵的热水经热泵热交换管道加热输入的气体，同时利用压缩机将空气中大量低温热能进一步加热输入的气体，使热泵输出较为稳定的35～50℃且干燥的热风。

进一步，本发明所提供的一种畜禽粪污节能快速堆肥装置中，所述搅拌装置，是指一种转速可调且实现物料水平与向下方向移动的螺带式搅拌器，搅拌器由不锈钢或具防腐、耐磨损的钢材制成，优选螺带式搅拌器。

本申请同时还提供了该畜禽粪污节能快速堆肥装置的应用方式，其具体步骤如下：

1）将由畜禽养殖场排出的含水量为80～94%的粪污，先与含水量低于30%的物料（如风干并粉碎至5cm长度的秸秆或者稻壳、木屑等有机废弃物，或者腐熟堆肥等）混合，调节混合后物料含水量为70～75%，经进料装置由立式堆肥仓上部输入到立式堆肥仓，物料在立式堆肥仓内部上自下经过搅拌装置，由出料装置将物料排出，即完成物料无害化与物料脱水至含水量50%以下过程。

2）立式堆肥仓内堆肥产生的带有水蒸汽的尾气由立体堆肥仓顶部经第一风机沿尾气输出管道输入到热交换器底部，堆肥尾气中热量被交换到热交换器内的水体中，加热水体，形成温水，尾气经热交换器交换后，温度降低，形成的冷凝水从热交换器底部排出，气体则由热交换器顶部经第二风机沿尾气排放管道输入到生物滤池进行脱臭处理；

3）在热交换器中形成的温水，经热泵（热泵也是一种热交换器，将温水中热量交换到空气中，形成热风，热风通过第三风机沿通风管道通入立式堆肥仓，以补足堆肥物料水分蒸发所需要的热量与堆肥所需要的氧气，被热泵交换后形成的冷水再通过冷凝水管道循环到热交换器的水体中，通过堆肥物料生物降解产生的代谢热与堆肥尾气热量回收以及热泵做功产热，以保持堆肥仓中维持50～65℃，经5～7天的高温堆肥，实现物料快速脱水干燥，并达《畜禽粪便无害化处理技术规范》（NY/T1168-2006）标准所要求的无害化指标。

本发明中，步骤1）混合物料含水量设置为70%-75%比常规堆肥物料(65%以下)高，是因为采用了外源加热，并同时使用了发酵热循环利用方式，可以加快脱水干燥，搅拌与强制通风的方式，又减少了因物料含水量高而造成的通风不畅的障碍。实际操作中主要依据物料的物理性状而设计不同的含水量，如鸡、猪粪因物料颗粒粒径较小，而易采用70%的含水量，而奶牛粪便颗粒较粗，易搅拌与通风，故可采用高于70%的含水量物料，以减少调理剂使用量，提高堆肥仓利用效率。

此外，本专利同样适用于其它高湿有机物料堆肥或其它容器堆肥方式。

本发明的技术总体性能指标与同类技术比较的优势在于：相对于室外发酵床式堆肥方式，可大大降低堆肥占地土地面积，减少垫料使用量，且可减少二次污染，实现快速可控堆肥；与普通筒仓式堆肥方式相比较，采用外源加热的方式，可缩短升温时间与加速堆肥进程，如果达到相同的干燥效果，可减少能耗，降低成本。

附图说明

图1为实施例畜禽养殖粪污节能快速堆肥装置示意图。

其中：1、立式堆肥仓；2、热交换器；3、生物滤池；4、进料装置；5、出料装置；6、尾气输出管道；7、第一风机；8、通风管道；9、第三风机；10、热泵；11、尾气排放管道；12、第二风机；13、搅拌装置；14、排水口；15、冷凝水管道。

具体实施方式

实施例所涉及的装置均为市售产品，其中：

热交换器生产企业：靖江宏能空调设备有限公司；

热泵：德州瑞申空调设备有限公司；

螺带式搅拌器：无锡新强搅拌设备有限公司；

生物滤池：山东绿泉环保科技股份有限；

上述产品企业生产有多种型号，本发明所述装置，可以根据要求选择不同型号的配套设备，亦可根据需要要求企业定型产品。

实施例1

一种畜禽粪污节能快速堆肥装置，包括立式堆肥仓1、热交换器2和生物滤池3；立式堆肥仓1上部与输送装置4连接，底部与出料装置5连接；立式堆肥仓1顶部与热交换器2底部通过尾气输出管道6连接，尾气输出管6上还设有第一风机7；立式堆肥仓1内出料装置5的上部设有通风管道8，通风管道8上依次设有第三风机9和热泵10，通风管道8与热交换器2顶部相连；热泵10与热交换器2之间还设有冷凝水管道15；热交换器2顶部还通过尾气排放管道11与生物滤池3连接，尾气排放管道11上还设有第二风机12；所述立式堆肥仓1内部上方设有搅拌装置13（本实施例使用螺带式搅拌器），热交换器底部设有排水口14；

本实施例中，立式堆肥仓1底部还安装有带控制阀的排水管道，排放堆肥中产生的淋溶水。

上述装置堆肥应用方法如下：

1、存栏量为500头的养猪场，日排3吨含水量为80%左右的粪污，添加0.75吨含水量30%的腐熟堆肥，调节水分为70%左右（具体应用中，可以调节含水率为70～75%）；经进料装置4由立式堆肥仓1上部输入到立式堆肥仓1，物料在立式堆肥仓内部上自下经过搅拌装置13，由出料装置5将物料排出，即完成物料无害化处理，同时物料脱水至含水量50%以下过程。

本实施例中使用的腐熟堆肥开始10天，是事前用干清粪获得的猪粪堆制形成的腐熟物料，具体制备方法为，干清粪所获得猪粪，在太阳下凉干1-2天，使猪粪含水量由75%左右下降到65%以下，采用条垛式堆肥方式，堆高1.5米，高温堆肥20d，每间隔一周，人工翻堆一次，然后，将物料堆积高度2.5～3.0米，静态后熟堆肥30天，所获得的含水量30%左右的腐熟堆肥物料。

实施例10天后，即使用经立式堆肥装置发酵生产的物料，再经静态堆腐后形成的含水量30%左右腐熟堆肥。

在具体实施过程中，也可以使用其他常规方式获得的腐熟堆肥，或者风干并粉碎至5cm长度的秸秆或者稻壳、木屑等有机废弃物调解混合物料的含水率。

立式堆肥仓1内堆肥过程产生的带有水蒸汽的尾气由立体堆肥仓1顶部经第一风机7沿尾气输出管道6输入到热交换器2底部，堆肥尾气中热量被交换到热交换器2内的水体中，加热水体，形成温水；尾气经热交换器2交换后，温度降低，形成的冷凝水从热交换器2底部排水口14排出，气体则由热交换器顶部经第二风机12沿尾气排放管道11输入到生物滤池3进行脱臭处理。

2、在热交换器2中形成的温水，经热泵10将温水中热量交换到空气中，形成热风，热风通过第三风机9沿通风管道8输入立式堆肥仓1内，以补足堆肥物料水分蒸发所需要的热量与堆肥所需要的氧气，被热泵10交换后的冷水再通过冷凝水管道15循环到热交换器2水体中，通过堆肥物料生物降解产生的代谢热与堆肥尾气热量回收以及热泵做功产热，以保持堆肥仓中维持50～65℃，经5～7天的高温堆肥，实现物料快速脱水干燥。

本实施例中，立式堆肥仓1采用搪瓷钢板拼装成直径4m、罐高4.5m，总容积56.5m³；热泵10功率为10kw，供风量800m³/h；热交换器2容积为2m³；进料装置4为提升式斗进料，混合后的物料进入发酵仓后，经5天发酵，上层温度达到70℃，中层温度为65℃，出料时温度为50℃，含水量为48%，通过出料装置5排出，经检测，出料达到《畜禽粪便无害化处理技术规范》（NY/T1168-2006）标准所要求的无害化指标。

热泵10在堆肥过程中持续开启，依据需要补充的热量与环境温度，实际消耗功能在2-8kw间波动，生物滤池3持续运行；本实施例装置持续运行20d，每天蒸发水量为1.86吨，用电量为120kwh，采用热交换器2与热泵10，相对蒸发热能，最终电能转换效率达到1：4～5，与一般筒仓式堆肥相比，降低能耗30%以上。

其中，本申请电能转换效率计算方法可参见如下文献：张华俊，陈伟，李勇.空气源热泵热水器研究与发展前景，空气源热泵热水器专题[M].2007，中国建设信息供热制冷；或，范萍萍，端木琳，王学龙等．土壤源热泵的发展与研究现状[J]．煤气与热力，2005，25(10)：66~70；以及，陶思远太阳能辅助空气源热泵供系统用于沼气池加温的研究，硕士研究生论文，同济大学，2013。

一般筒仓式堆肥耗能参见文献：侯超，李永彬等筒仓式堆肥反应器不同通风量对堆肥效果的影响，环境工程学报2017，11（8）：4737-4742；以及，王旭梅，魏自民，王世平仓式静态连续好氧堆肥发酵工艺的水气研究，哈尔滨工业大学学报2009 41（11）：288-292。

实施例2

某地存栏量为200头的奶牛场，采用人工清粪的方式，所清粪便含水量84%左右，每天产生量约为5000公斤。

本实施例中，立式堆肥仓1采用搪瓷钢板拼装成直径4.6m、罐高5.0m，总容积83m³；热泵10功率为10kw，供风量900m³/h；热交换器2容积为2m³；进料装置4为提升式斗进料，其他设置同实施例1。

本实施例中，除以下部分，堆肥方法也与实施例1相同：

堆肥开始后前10天，添加风干（含水量15%）并粉碎到5公分左右长度的稻草750公斤，混合形成含水量约75%左右的物料，然后，通过进料装置进入立式堆肥仓，进行高温发酵，堆肥开始10天后，利用含水量30%左右常规发酵腐熟的奶牛粪便作为调节水分的调理剂，添加量为1000公斤。

运行20d后，本实施例参数如下：

混合后的物料进入发酵仓后，经5天发酵，上层温度达到75℃，中层温度为65℃，出料时温度为55℃，含水量46%，通过出料装置排出，经检测，出料达到《畜禽粪便无害化处理技术规范》（NY/T1168-2006）标准所要求的无害化指标。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (6)

1.一种畜禽粪污节能快速堆肥装置，包括立式堆肥仓，其特征在于，该堆肥装置还包括热交换器和生物滤池；立式堆肥仓上部与输送装置连接，底部与出料装置连接；立式堆肥仓顶部与热交换器底部通过尾气输出管道连接，尾气输出管道上还设有第一风机；立式堆肥仓内出料装置的上部设有通风管道，通风管道上依次设有第三风机和热泵，并与热交换器顶部相连；热泵与热交换器之间还设有冷凝水管道；热交换器顶部通过尾气排放管道与生物滤池连接，尾气排放管道上设有第二风机；所述立式堆肥仓内部上方设有搅拌装置，热交换器底部设有排水口。

2.根据权利要求1所述畜禽粪污节能快速堆肥装置，其特征在于，所述搅拌装置为螺带式搅拌器。

3.根据权利要求1所述畜禽粪污节能快速堆肥装置，其特征在于，所述立式堆肥仓为高径比大于1的圆柱形结构，立式堆肥仓底部还安装有带控制阀的排水管道。

4.一种利用权利要求1-3之一所述畜禽粪污节能快速堆肥装置的堆肥方法，其具体步骤如下：

1)将由畜禽养殖场排出的粪污，与含水量低于30%的物料混合，调节混合后物料含水率为70～75%；然后经进料装置由立式堆肥仓上部输入到立式堆肥仓，物料在立式堆肥仓内部上自下经过搅拌装置，经过5～7天50～65℃的堆肥并产生的带有水蒸汽的尾气，最后由出料装置排出；

2)步骤1）中产生的带有水蒸汽的尾气由立体堆肥仓顶部经第一风机沿尾气输出管道输入到热交换器底部，堆肥尾气中热量被交换到热交换器内的水体中形成温水；堆肥尾气经热交换器交换后，形成冷凝水从热交换器底部排水口排出，气体则由热交换器顶部经第二风机沿尾气排放管道输入到生物滤池；

3)步骤2）中在热交换器中形成的温水，经热泵将温水中热量交换到空气中形成热风，热风通过第三风机沿通风管道通入立式堆肥仓，被热泵交换后形成冷水再通过冷凝水管道循环到热交换器的水体中，以保持堆肥仓中维持50～65℃。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述含水量低于30%的物料是指：风干并粉碎至5cm长度的秸秆、稻壳、木屑中的一种或多种；或者腐熟堆肥。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述热泵输出35～50℃干燥的热风。