祁 玲

（山西省农业机械发展中心农机研发部，山西太原 030006）

0 引言

畜牧业是农业的重要组成部分。随着我国经济持续稳定增长和收入水平的不断提高，消费能力也在不断增强，人们对畜产品的需求快速增长，推动我国畜牧业总产值持续上升，现阶段已经形成较为完善的产业链和较为充足的供应能力，并成为与种植业并列的农业两大支柱产业之一。根据新思界产业研究中心发布的《2019—2023年中国畜牧业行业发展前景及投资风险规避建议报告》显示，2017年，我国畜牧业总产值达到32 376万亿元，同比增长2.1%，在农业总产值中占比接近30.0%。畜牧业的快速发展，满足了全社会不断增长的畜产品需求，同时也产生了大量的畜禽粪便。

目前，畜禽粪便排放已经成为农业的首要污染源，全国每年产生的畜禽粪污总量达到近40×108t，畜禽养殖业排放物化学需氧量达到1 268×104t，占农业源排放总量的96%。畜禽粪便对环境的影响主要体现在粪便堆积产生的有害气体会污染空气；粪便污水流入地表水会导致水体富营养化，渗入地下会造成地下水硝酸盐、亚硝酸盐含量过高，恶化水质，危害人类健康；当进入土壤的粪便及其分解产物或携带的污染物质超过土壤本身的净化能力时，会引起土壤组成性状的改变，破坏土壤原有功能，因此畜禽粪便无害化处理迫在眉睫。

传统农业中因畜禽粪便含有丰富的植物生长所需的营养元素和有机物质，一直被当作“庄稼宝”，作为肥料被广泛应用于农业生产中。但如果畜禽粪便处理不科学、不规范、不及时，不仅浪费资源，还会对环境造成破坏，威胁人类健康。当前畜禽养殖污染防治的法律体系不断健全，监管力度不断加大，形成了对畜禽养殖污染防治的倒逼机制。沉淀池沉淀、堆粪场堆积发酵是养殖场、合作社处理粪便的主要方式，这种处理方式占地面积大、发酵环境不可控、发酵周期长、且粪便中的有害细菌、病原体杀死不彻底，容易对地表水、地下水、土壤、空气造成二次污染，并危害人类健康。随着畜禽养殖业规模化程度的提高，这种传统的低效粪便处理方式已不能满足养殖场或合作社的需求，因此畜禽粪便高效、快速无害化处理技术及关键设备的研究刻不容缓。畜禽粪便无害化处理设备不仅可以帮助规模化养殖企业及时完成粪便的有效处理，防止粪便对农业环境及养殖场周边环境的二次污染，消除粪便对养殖区域的防疫隐患，同时无害化处理后的畜禽粪便也可直接作为专业有机肥加工企业加工有机肥的主要原料，这对提高养殖企业收入、降低有机肥加工成本、促进农业与农村经济可持续发展、发展循环农业具有十分重要的意义。

1 畜禽粪便无害化处理的现状

1.1 畜禽粪便无害化处理的必要性

以鸡粪为例，鸡粪在所有畜禽粪便中养分最高、最全面，是有机肥生产的最好原材料，鸡粪中含有丰富的营养元素和有机物质，其中粗蛋白18.7%，脂肪2.5%，灰分13%，碳水化合物11%，纤维7%，氮2.34%，磷2.32%，钾0.83%[1]，但如果鸡粪未经充分发酵或腐熟直接施用到田间上，会对农作物产生很大危害：①传染病虫害：发酵不充分的鸡粪中仍含有许多有害病菌或虫卵，直接施用作肥料，会传播病虫害，导致土壤滋生病菌、农作物发病，从而危害人类健康；②发酵烧苗：发酵不充分的鸡粪施用作肥料，当发酵条件具备时，鸡粪会有二次发酵，若鸡粪距作物根部较近，且作物植株较小，发酵产生的热量会影响作物生长，严重时导致植株死亡；③酸化土壤：鸡粪pH值约为4，属于极酸性，会酸化土壤，致使作物茎基部和根部遭受损伤，增大了作物被病菌感染的几率；④土壤缺氧：鸡粪在分解过程中消耗土壤中的氧气，使土壤处于暂时性缺氧状态，同时分解中会产生乙烯等有害气体，抑制作物根系生长；⑤影响食品安全：鸡饲料添加剂中的抗生素、激素、铜、铁、铬、锌等物质，随着鸡粪还田，长期过量积累，导致土壤和地下水污染，间接造成农产品品质下降。而且未发酵腐熟的鸡粪中的养分多为有机态或缓效态，不能被作物直接吸收利用，只有分解转化成速效态，才能被作物吸收利用[2]，所以未发酵直接施用的鸡粪肥效发挥较慢，有效成分利用率低。因此，利用先进的技术和设备将畜禽粪便无害化处理，使其充分发酵腐熟，彻底杀死粪便中的有害病菌和病原体，同时使粪便中的纤维素、蛋白质等有机物矿质化、腐质化，转化为农作物可直接吸收状态，实现畜禽粪便资源的高效利用，不仅能解决畜禽粪便污染环境的问题，还能缓解我国资源短缺的压力。

1.2 畜禽粪便无害化处理技术的发展现状

我国目前畜禽粪便的无害化处理利用率不高，特别是大中型养殖场。据大城市郊区的调查显示，畜禽粪便利用率一般不到20%，如北京市的畜禽粪便加工处理能力仅有22×104t，处理率仅为3%。普通养殖散户通常将畜禽粪便堆放在田间地头，经过4～6个月的自然发酵腐熟后成为堆肥，而后作为底肥抛洒到田间，培肥土壤，这种方式耗费时间长、劳动力成本高，对空气、水和土壤有一定的污染，而且粪便发酵不充分，容易烧苗、滋生虫卵；规模化畜禽养殖场对畜禽粪便的处理常采用条垛式堆肥、槽式堆肥等方式。条垛式堆肥是将粪便简单堆积成窄长条垛，在好氧条件下进行发酵，这种方式需要的设备简单、投资低，但设备占地面积大、堆肥周期长，且需定期使用机械或人工的方法翻堆通风，翻堆时间和频率难以把控，还极易受天气等环境条件影响，堆肥质量和效果难以保证。槽式堆肥主要由发酵槽和搅拌机2个部分组成，粪便经预处理后在堆肥车间的发酵槽内发酵，发酵槽配备了机械翻搅作业系统，这种处理方式与条垛式堆肥相比发酵周期短、可连续作业、堆肥效率高、不易受天气等环境因素影响等优点，但由于发酵槽数量多、长度长，设备占地面积大、投资成本高，同时通风增氧不易操作，缺乏对臭气的处理环节。

2 畜禽粪便无害化处理设备的研究

2.1 设备关键部件设计

通过技术研究和市场调研，针对分布最广、危害面大、农业生产中使用普遍的畜禽粪便，研发了畜禽粪便无害化处理设备。该设备的关键部件是发酵装置。发酵装置主要由底座、进料机架、进料螺旋、出料机架、出料螺旋、发酵罐、减速机、加热装置、曝气装置、电气控制等部分构成。

发酵装置见图1。

图1 发酵装置

其中，发酵罐主体材料为不锈钢，是在借鉴同类先进设备的基础上，根据不同畜禽粪便有机成分含量不同的特点进行改进升级，是一种适合不同畜禽粪便处理，适应高湿、高寒等不同地域条件的新一代发酵罐。

设备试制见图2，设计关键部件结构见图3。

图2 设备试制

图3 设备关键部件图

2.2 设备技术特点

畜禽粪便无害化处理设备通过智能控制发酵环境，能一次性完成畜禽粪便高温好氧发酵、除臭、滤水、杀卵、灭菌的快速无害化处理。

设备的主要创新点如下：

（1）设计卧式滚筒、积木式设计，大大提高集成模块化生产效率，可根据用户要求，完成不同处理容量的生产线的设备配置。

（2） 采用空气能、电力辅助加热方式，实现高效、节能，通过可编程控制实现精准控制，降低能耗。

（3）设计智能化小环境控制系统，完成无害化发酵工艺过程的精准、快速、高效、可控。

该设备采用全密封式处理方式，不会对环境产生二次污染；利用好氧菌高温发酵技术，处理粪便时间短，运行成本低；罐体进行了保温设计，确保低温环境下设备的正常运行；设计了除臭装置，利用生物除臭方法的多层过滤实现了废气的达标排放。该设备具有处理过程耗能少、运行成本低、占地面积小、自动化程度高、发酵过程可控、发酵周期短、不易受气候条件影响等优点，粪便中有害病原体、虫卵消灭彻底，粪便腐化完全，粪便无害化处理程度高。

2.3 技术指标

畜禽粪便发酵设备（发酵罐）技术指标：容积约12 m3，直径约1.6 m，长度约6 m，外形尺寸为8 000 mm×2 000 mm×2 500 mm，总功率≤60 kW，总质量约5 t，日处理能力6～8 m3/日。

3 效益分析

3.1 经济效益

通过项目的实施，形成示范点（肉鸡养殖场）1个，日处理鸡粪6～8 m3，无害化处理后的鸡粪配以腐殖酸等原料，加工成有机肥，每吨可售750元，每吨利润为150元，每年生产5 000 t有机肥，年可获利75万元。

3.2 社会效益

现在，我国每年产生畜禽粪污资源量约20×108t，约占全国有机肥料资源量的40%。畜禽粪便等有机废弃物的农用是最直接、最有效的利用方式，畜禽粪便肥料化利用是其资源化的一项重要手段[3]。无害化的畜禽粪便可直接作为有机肥的加工原料。畜禽粪便快速高效无害化处理技术及设备的研究，解决了农业面源污染中的畜禽粪便污染环境的问题，也促进了畜禽粪便资源肥料化利用产业的快速发展。利用好畜禽粪便及以畜禽粪便为主要原料生产的商品有机肥，不仅可以提高土壤肥力，实现资源的再循环，也可以改变因施用化肥而产生的“瓜不香，果不甜，茶无味”的现状，使农产品各项指标达到绿色食品的标准[4]，推动了无公害绿色农产品产业的不断壮大。这些产业的发展和壮大，对减少化学肥料的施用、保护生态环境、推动农业可持续发展具有十分重要的意义。

4 结语

畜禽粪便的资源量是随着畜牧业的发展而迅速增长的，2017年已达到38×108t，其氮磷钾养分含量为4 741.45×104t，氮磷钾比例为1∶0.53∶1.08，其磷钾比例也远远高于现在的化肥施用比例，畜禽粪便的无害化处理和资源化利用对缓解我国氮磷钾肥资源的不足有着重要意义。随着消费者对无公害绿色农产品需求的日渐增多，我国无公害绿色农产品种植规模的不断扩大，畜禽粪便有机肥的需求量也出现快速上涨，相比欧美发达国家有机肥施用量普遍在50%以上，中国有机肥在肥料总投入量中的比例不足20%，并持续下降，我国畜禽粪便有机肥市场还有很大的增长空间，因此畜禽粪便快速高效无害化处理设备的市场前景十分广阔。