摘要：針對傳統(tǒng)有機肥發(fā)酵方式設施設備簡陋、效率低、能耗高、發(fā)酵不徹底且容易造成固液氣環(huán)境二次污染的問題，設計了一種畜禽糞便高溫快速發(fā)酵裝備。簡述了畜禽糞便全封閉快速自動化腐熟工藝流程及工作原理，對發(fā)酵裝備的整機結構、發(fā)酵罐主體結構、攪拌系統(tǒng)等關鍵部件進行了設計、計算及有限元分析。結合發(fā)酵工藝要求，以含水率為55%的牛糞為原料，對罐體內物料溫度分布及均勻性進行了試驗分析，并對發(fā)酵產物進行了測試。試驗與測試結果表明：在設備入料后第4天，罐體內物料平均溫度為64.81℃，溫度均勻性變異系數為1%；經發(fā)酵裝備生產出的有機肥有機質質量分數為53.5%、總養(yǎng)分質量分數為5.36%、蛔蟲卵死亡率為100%、糞大腸菌群數在2個/g以內，均達到國家有機肥料行業(yè)標準。

　　關鍵詞：畜禽糞便；有機肥；高溫快速發(fā)酵；發(fā)酵罐；有限元分析

　　隨著產業(yè)結構的調整和畜禽養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，規(guī)?；⒓s化養(yǎng)殖場逐年增加，推動了我國畜牧業(yè)現代化進程，但也導致了畜禽糞便排放密度的增加，大量糞便等廢棄物對養(yǎng)殖環(huán)境的空氣、土壤、水質等造成了嚴重污染。

　　第一次全國污染源普查動態(tài)更新數據顯示，規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖糞便年產量2.43億t，尿液年產量1.63億t，2010年我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)主要水污染物排放量中化學需氧量、NH3-N排放量分別是當年工業(yè)源排放量的3.23、2.3倍，分別占全國污染物排放總量的45%、25%，已成為環(huán)境污染的主要來源。

　　畜禽糞便傳統(tǒng)發(fā)酵生產有機肥技術含量低，質量參差不齊，槽式和堆置發(fā)酵方式占地面積大，臭味大，除臭成本高。因缺乏標準化管理，時常出現發(fā)酵不徹底造成肥料燒苗現象。同時規(guī)模養(yǎng)殖場、有機肥廠畜禽糞便處理工藝落后、設施簡陋，環(huán)境污染嚴重，急需工藝和設備創(chuàng)新。

　　為此，本文提出一種畜禽糞便高溫快速發(fā)酵裝備的設計方案，通過畜禽糞便全封閉快速自動化腐熟工藝，使廢棄物中的有機質進行快速生物分解、發(fā)酵，轉化成有機肥料，最終實現有機廢物的資源化利用，解決畜禽養(yǎng)殖污染問題。

　　將畜禽糞便等有機廢棄物與生物質（含水率55%～65%）、生物發(fā)酵菌群混合，通過對發(fā)酵環(huán)境溫度、水分、需氧量的調節(jié)，使廢棄物中的有機質進行快速生物分解、發(fā)酵，7～10d轉化成有機肥料，同時對發(fā)酵產生的廢氣進行收集處理，達標后排放，最終實現資源化利用。畜禽糞便全封閉快速自動化腐熟工藝如圖1所示。

　　畜禽糞便高溫好氧發(fā)酵罐是將畜禽糞便、秸稈等有機廢物進行高溫好氧發(fā)酵的一體化設備，主要由發(fā)酵罐體系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)、主軸攪拌系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、送氧系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。高溫好氧發(fā)酵罐結構示意圖如圖2所示。

　　高溫好氧發(fā)酵罐工作過程分為升溫、持續(xù)高溫、降溫3個階段。調配好的物料進入發(fā)酵罐內，在微生物菌劑的作用下，1～2d內快速分解，自身分解產生的熱量再加上設備輔助加熱系統(tǒng)將電加熱空氣向罐體內曝氣的作用，物料溫度快速升高，最高達到80℃；在主軸攪拌系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、送氧系統(tǒng)、控制系統(tǒng)協同工作的作用下，發(fā)酵罐內物料處于最佳發(fā)酵環(huán)境，溫度維持在60～70℃，持續(xù)5～6d，使物料充分發(fā)酵分解；當分解速度逐漸減慢時，溫度開始下降，經1～2d溫度降至40℃左右，物料發(fā)酵完畢；整個發(fā)酵過程持續(xù)7～10d，底層物料在攪拌軸的作用下通過出料口進行出料，上料系統(tǒng)再向發(fā)酵罐內補充原料，以此循環(huán)運行。

　　根據發(fā)酵工藝要求和工作條件，畜禽糞便高溫好氧發(fā)酵罐的設計要求為：發(fā)酵形式為好氧發(fā)酵；結構形式為立式；發(fā)酵罐有效容積為30m3；入料含水率在55%～65%之間。

　　2.1  發(fā)酵罐主體外形尺寸設計

　　物料在發(fā)酵過程中會產生氣體，因此物料不能全部裝滿，罐體容積為

　　（1）

　　式中  V——罐體容積，m3

　　η——物料填充系數，取0.95

　　Ve——罐體有效容積，m3

　　求得V=31.6m3，取罐體容積V為32m3。

　　發(fā)酵罐體需保溫并耐腐蝕，罐體結構設計為5層分段式圓柱結構，其中最底層為機械室，各層之間用螺栓連接，罐體設計為雙壁結構，兩壁間填充保溫材料，內壁選用304號不銹鋼，外壁選用普通碳素結構鋼。罐體尺寸滿足公式

　　（2）

　　式中   D——罐體內徑，m

　　H——罐體高度，m

　　發(fā)酵罐高徑比為1.7～2.5、并考慮到罐體穩(wěn)定性，選取高徑比為1.2。則D為3.2m，H為4m，機械室高度1m。則罐體總高為5m。

　　2.2.1  最小壁厚設計

　　儲料頂面為平頂時的側壓力p為

　　P=（1-Kf）KPgz     (3)

　　（4）

　　f=tanα             （5）

　　式中  k——側壓力系數

　　f——儲料與倉壁的摩擦因數

　　ρ——儲料密度，kg/m3

　　g——重力加速度，m/s2

　　   φ——儲料的內摩擦角，(°)

　　α——儲料的外摩擦角，(°)

　　z——距離儲料頂面的深度，m

　　堆肥內摩擦角的正切值tanφ隨著含水率的減小而增大，含水率在49.21%時，tanφ為0.0591；含水率在51.15%時，tanφ為0.0481；設備要求物料含水率為55%～65%，按含水率為55%計，堆肥內摩擦角的正切值tanφ取0.04，可得內摩擦角φ約為2.29°。外摩擦角通常為0～1倍的內摩擦角，取外摩擦角α為1.145°～2.29°；儲料密度ρ取620. 82 kg/m3；g取9.8m/s2；發(fā)酵罐料倉高度為4m，則k=0.92，f=0.02～0.04，p=21.57～21.98kPa。

　　發(fā)酵罐壁厚計算公式為

　　(6)

　　式中φ——焊接接頭系數

　　δ——發(fā)酵罐壁厚，mm

　?。?sigma;］——材料的許用應力，MPa

　　罐體內壁選用304號不銹鋼，許用應力［σ］=137 MPa，φ取0.5°。將式(3) 計算得到的p代入式(6)，計算得最小壁厚δ=0.5mm，考慮到不銹鋼板的厚度負偏差及焊合工藝，內壁選用厚度為1mm的304號不銹鋼板。外層碳鋼不承受側壓力，主要承受上層罐體的重力，選用6mm普通碳素結構鋼板。罐體結構如圖3所示。

　　2.2.2  罐體強度分析

　　罐體主要受物料側壓力外，還承受上方3層罐體的重力載荷，由式(3)可知，最底層內壁受物料側壓力最大，為21.98kPa，上方3層罐體重力載荷為14.7kN。將建立的三維模型進行有限元分析，對有限元模型施加約束條件和載荷，并進行求解運算，罐體有限元分析應力分布和位移云圖如圖4(略）。

　　由圖4可知，罐體變形最大位置在內壁接口處，為0.14mm，罐體所受的最大應力分布在內壁下端與內方管焊接處，為16.09MPa。取安全系數為1.5，經查，304號不銹鋼板屈服強度為205MPa以上，遠大于罐體所受的最大應力，罐體強度能夠滿足工作要求。

　　為保證物料好氧發(fā)酵充分、均勻，罐體內需供氧并攪拌，供氧系統(tǒng)與攪拌系統(tǒng)應一體設計?？諝饧訜岷笥晒娘L機將其送入攪拌軸腔體，攪拌系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)驅動，攪拌的同時將氧氣送入罐體內。供氧路線如圖5所示。

圖5  供氧路線圖

　　2.3.1  葉片結構設計

　　攪拌系統(tǒng)與供氧系統(tǒng)相連通，主要作用是：攪拌物料混合均勻并使其與氧氣充分接觸，使發(fā)酵更徹底；將供氧系統(tǒng)提供的氧氣輸送到罐體內，保證糞便發(fā)酵的需氧量；調節(jié)罐內溫度、氧氣濃度；出料時能輔助設備出料。

　　單根攪拌軸每旋轉360°，物料沿軸向行程不小于攪拌筒軸向空間長度。若以n 表示單根軸上攪拌臂數目( 攪拌葉片數目)，θ表示相鄰攪拌臂之間的相位角，則nθ≥360°，一般情況下，360°≤nθ≤720°。

　　攪拌葉選用推進式攪拌葉，數量5層共12個，各層葉片數量從下往上依次為3、3、2、2、2。攪拌葉片為45號鋼板焊接后鍍鋅而成，每層攪拌葉片均勻分布，進風口端與攪拌軸焊接，第2層與第1層相鄰兩個葉片間的相位角為60°，第3層與第2層相鄰葉片間的相位角為30°，第3、4、5 層相鄰葉片間的相位角為60°。其中第1、第2層后背板上開有出氣孔，為物料提供氧氣。攪拌葉三維結構如圖6所示。

圖6  攪拌葉三維結構示意圖

　　2.3.2  攪拌軸設計

　　攪拌軸主要受兩個力的作用，一是攪拌時受到阻力與摩擦力F，二是物料重力載荷作用在垂直于葉片表面的分力載荷G，受力分析圖如圖7所示。

圖7  葉片受力分析圖

　　通過公式計算攪拌軸受到的力矩，再計算攪拌軸的最小直徑。攪拌軸在轉動過程中需要克服由物料對葉片產生的摩擦力矩和物料垂直于葉片表面的重力載荷產生的力矩，每個葉片產生的力矩為

　　(7)

　　式中β——葉片斜面板與底板夾角，( °)

　　w——葉片寬度，m

　　l——葉片長度，m

　　h——葉片上方物料高度，m

　　μ——物料和葉片間的摩擦因數，取0.1

　　x——葉片長度方向上的積分變量

　　取β=30°，w = 0.27m，l=1.6m，各層葉片與物料上平面的距離依次為h1=3.6m，h2=3m，h3=2.4m，h4=1.751 m，h5=1.13m。由式(7)計算攪拌軸所受總扭矩為T=76402.36 N·m。

　　攪拌機械中實心軸受彎曲、扭轉時，攪拌軸中間部分的材料并沒有得到充分利用，而且增加了設備重量，因此，攪拌軸設計為空心軸，采用45號鋼，許用扭轉切應力［τ］為30MPa，圓軸扭轉時的強度條件為

　　式中  Wt——抗扭截面系數

　　φf——安全系數

　　Ds——攪拌軸外徑，mm

　　d——攪拌軸內徑，mm

　　φf取2，許用扭轉切應力［τ］為30 MPa，取Ds為1.5，計算得d≥212mm取d為215mm，Ds為325mm。

　　攪拌裝置主要由攪拌軸、法蘭盤、攪拌葉、連接板組成，攪拌葉片通過連接板與攪拌軸焊接在一起，攪拌軸設計為3段組合式，每段通過法蘭盤連接。通過計算結果建立攪拌軸系統(tǒng)三維模型，如圖8所示。

　　2.3.3  攪拌軸強度分析

　　攪拌軸在轉動過程承受扭矩為76402.36N·m，同時還承受物料對每個葉片斜面產生的垂直載荷，將建立的三維模型進行有限元分析，對有限元模型施加約束條件和載荷，并進行求解運算，罐體有限元分析應力分布和位移云圖如圖9所示。

　　由圖9可知，攪拌葉中部向端部逐漸增大，攪拌軸變形最大位置在攪拌葉端部，最大變形量為1.26 mm，攪拌軸所受的最大應力分布在扭矩施加處，為168.23 MPa。經查，45號鋼屈服強度為355MPa以上，遠大于攪拌軸所受的最大應力，通過有限元軟件計算得出的結果可知，攪拌軸強度能夠滿足工作要求。

　　根據畜禽糞便全封閉快速腐熟工藝，試驗于2017年5月20日在河北省某奶牛養(yǎng)殖場進行，試驗原料為牛糞，含水率為55%，環(huán)境溫度25℃，設備入料后第4天（2017年5月24日），設備運行方式為間歇式運動，運行20min，停止60min。

　　對罐體內物料進行垂直攪拌軸方向3個深度層面、每個層面9個測試點的溫度測試。垂直攪拌軸方向上，C層距離罐體底板0.5m，B層距離罐體底板1.7 m，A層距離罐體底板2.9m；每個層面上9個測試點分布為：外側5個測試點均勻分布在直徑為2.65m的圓上，內側4個測試點均勻分布在直徑為1m的圓上，如圖10（略）。

　　溫度測試結果如表1 所示。

　　參考FDA《混合均勻性取樣和評價指南》研究結果：混合設備可接受標準為所有結果的變異系數在5.0%以內；每個點的值應在平均結果的±10%范圍內。

　　由測試結果可知，A 層平均溫度為64.86℃，B層平均溫度為65.14℃，C層平均溫度為64.43℃；測試點平均溫度為64.81℃，A、B、C層變異系數為1%，均小于5.0%；畜禽糞便高溫好氧發(fā)酵罐溫度、均勻性符合設計結果。

　　3.4  裝備能耗與發(fā)酵產物品質分析

　　發(fā)酵裝備入料后運行9d(2017年5月20日至28日)，下層物料溫度基本恒定在40℃時，物料發(fā)酵完畢，底層物料在攪拌軸的作用下通過出料口進行出料，設備耗電1021kW·h，對發(fā)酵產物進行取樣測試。測試結果如表2所示。

　　從表2可以得出，經發(fā)酵裝備生產出的有機肥、有機質、總養(yǎng)分含量均優(yōu)于NY525—2012《有機肥料》標準規(guī)定，蛔蟲卵死亡率及糞大腸菌群數均控制在NY884—2012標準允許范圍內。

　　(1)設計了一種畜禽糞便高溫好氧發(fā)酵罐，通過對發(fā)酵環(huán)境溫度、水分、需氧量的調節(jié)，使發(fā)酵罐內物料溫度維持在60～70℃，使廢棄物中的有機質進行快速生物分解、發(fā)酵，轉化成有機肥料，最終實現有機廢物的資源化利用。

　　(2)結合發(fā)酵罐實際工作狀況，對發(fā)酵罐關鍵部件(罐體結構、攪拌軸、攪拌葉片)進行了設計計算，確定了罐體和攪拌軸結構尺寸以及葉片布置形式。

　　(3)依據畜禽糞便好氧發(fā)酵工藝，以含水率為55%的牛糞為原料，對罐體內物料溫度均勻性進行了試驗分析，并對發(fā)酵產物進行了測試，結果表明：設備入料后第4天，罐體內物料平均溫度為64.81℃，溫度均勻性變異系數為1%；經發(fā)酵裝備生產出的有機肥的有機質質量分數為53.5%、總養(yǎng)分質量分數為5.36%、蛔蟲卵死亡率為100%、糞大腸菌群數在2個/g以內，均達到國家有機肥料行業(yè)標準。