寒冷地区循环热补偿式密闭高温有机肥发酵装置及其使用方法

季彬 彭轶楠 叶泽 祁宏山 曾杨 王治业*

（1.甘肃省科学院生物研究所，甘肃兰州 730030；
2.甘肃省微生物资源开发利用重点实验室，甘肃兰州 730030）

存栏10000 头牛每年牛粪产生量约为15 万t，污水产生量达30 万t[1]。资料显示，甘肃省有80%的畜禽粪便没有进行无害化、资源化处理，不但造成了巨大的资源浪费，还导致了水体、大气、土壤和农产品污染等一系列环境问题[2]。因此，急需寻找新的处理畜禽污染物的理论、技术和方法。将畜禽粪便进行生物发酵处理是一种有效的无公害化处理方式，发酵处理后生产的生物有机肥可以用于农业生产，达到保护环境目的的同时也兼顾了经济效益的改善[3]。

生物有机肥目前多采用自然条件或加入腐熟菌剂的堆肥发酵，在对畜禽粪便、农作物秸秆等堆肥时，加入腐熟用的生产菌株可以有效缩短发酵腐熟周期，提高生产效率；
但通常这些生产菌株均需要在适宜的温度、湿度等环境条件下才可以实施，对于高海拔、高纬度、西北干燥地区，常见生物有机肥发酵菌剂通常只能在15℃以上才能启动发酵，而且由于外界温差较大，需要保持大型T 字形堆体，一般为底部3m 宽顶部2m 宽，高度2m，低于15℃生物有机肥企业不能正常生产[4]。现有技术中，寒冷地区的生物有机肥发酵也有在带有加热夹套的发酵罐进行发酵的，通过加热夹套对发酵罐内的物料进行加热来满足物料发酵所需的启动温度，发酵启动后由于物料发酵自身产热，进而满足发酵需求，但由于部分地区昼夜温差较大，发酵罐内物料白天发酵产热过多，而夜间温差过大，发酵罐温度流失速度过快，导致大部分时间物料均无法保持最佳发酵温度，需浪费大量能源用于保持发酵罐内的发酵温度，发酵效率慢[5]，为此本文提出一种寒冷地区循环热补偿式密闭高温有机肥发酵装置及其使用方法，用于解决上述问题。

寒冷地区生物发酵技术旨在提供一种寒冷地区循环热补偿式密闭高温有机肥发酵装置，它可以通过储存物料发酵产生的多余热量延长物料发酵高温保持时间和补偿物料启动发酵加热，有效降低寒冷地区的物料发酵耗能。循环热补偿式密闭高温有机肥发酵装置包括发酵罐本体，发酵罐本体的外壁包裹有加热夹套，且加热夹套外侧包裹有发酵罐保温套，加热夹套的上下水管通过管道连接有热水供应设备，发酵罐本体与加热夹套之间设置有热补偿盘管，热补偿盘管的上下水管通过管道连接有能量储存机构，能量储存机构包括热量储存罐和换热盘管，换热盘管设置于热量储存罐内，且热量储存罐内腔填充有高热密度导热油，热量储存罐的外侧包覆有热量储存保温套，换热盘管的出水端设置有温度补偿循环泵，且温度补偿循环泵输出端与热补偿盘管进水端连通。

热量储存罐通过管道连接有第一膨胀箱，所述换热盘管通过管道连接有第二膨胀箱，所述热量储存罐的容积是发酵罐本体容积的3～5 倍。热量储存保温套的外侧阵列设置有多个太阳能真空管，且多个太阳能真空管的内腔连通有热泵机组，所述热泵机组输出端与热量储存罐的底部相抵。发酵罐本体的底部设置有辅助卸料机构，且辅助卸料机构包括有设置于发酵罐本体内的螺旋铰刀和设置于发酵罐本体外侧的铰刀驱动机构。发酵罐本体上端设置有进料口，且发酵罐本体的一侧设置有斗式提升机，所述斗式提升机的输出端对应发酵罐本体的进料口，所述发酵罐本体的底部设置有卸料口，且卸料口处设置有卸料闸。发酵罐本体的两侧壁中部均设置有送气管，且一侧所述送气管通过管道连接罗茨风机的输出端。换热盘管的输入端绕接有热量回收盘管，且另一侧所述送气管通过管道连接热量回收盘管进气端。温度补偿循环泵和热水供应设备均电性连接有温度补偿控制器，且温度补偿控制器电性连接有物料温度传感器，所述物料温度传感器设置于发酵罐本体内腔。

寒冷地区循环热补偿式密闭高温有机肥发酵装置的使用方法包括斗式提升机、温度补偿控制器等设备设施的启动，具体操作步骤如下：启动斗式提升机，将混有微生物菌剂的生物有机肥发酵物料转运至发酵罐内；
启动温度补偿控制器，温度补偿控制器通过发酵罐内的物料温度传感器检测温度，若温度低于15℃，则驱动热水供应设备，并在加热夹套内循环热水，对发酵罐内的物料进行缓慢加热，4～6h 温度将达到15℃。物料达到发酵启动温度后开始发酵，其中的微生物逐渐生长，开始产热，物料温度自身上升时，温度补偿控制器发出电信号关闭热水供应设备，停止加热，并控制发酵罐盘管泵入能量储存罐中的导热油进行循环，随着物料逐步升温，带动储热罐逐步升温至65～75℃；
待系统整体开始降温时，补偿系统停止循环，由物料自行发酵至终点并出料；
再次启动斗式提升机完成进料，进料后温度补偿控制器直接启动能量储存机构，通过能量储存机构上次发酵的余热初步加热物料；
当物料加热到达启动温度时系统重复执行，直至完成所有物料的发酵。作为本发明的一种优选方案，所述热量储存罐内设置有储能温度传感器，且储能温度传感器与温度补偿控制器电相连接。

图1a 为寒冷地区循环热补偿式密闭高温有机肥发酵装置，发酵罐的底部设置有辅助卸料机构，包括螺旋铰刀和设铰刀驱动机构，通过驱动螺旋铰刀在发酵罐内腔底部高速旋转，螺旋铰刀旋转切割上部物料，物料在自重作用下塌落，聚集在发酵罐底部的倒圆锥部位通过出料口排出，从而实现连续出料，发酵罐上端设置有进料口，且发酵罐的一侧设置有斗式提升机，斗式提升机的输出端对应发酵罐本体的进料口，通过斗式提升机提升物料并导入发酵罐内，便于发酵罐的上料，发酵罐的两侧壁中部均设置有送气管，且一侧送气管通过管道连接罗茨风机的输出端，罗茨风机通过一侧送气管泵入氧气，辅助物料发酵，发酵罐底部设置有卸料口，且卸料口处设置有卸料闸，发酵罐的外壁包裹有加热夹套，且加热夹套的外侧包裹有发酵罐保温套，加热夹套的上下水管通过管道连接有热水供应设备，发酵罐与加热夹套之间设置有热补偿盘管，热补偿盘管的上下水管通过管道连接有能量储存机构。

图1 寒冷地区循环热补偿式密闭高温有机肥发酵装置及能量储存机构

如图1b 所示，能量储存机构包括热量储存罐和换热盘管，换热盘管设置于热量储存罐内，且热量储存罐内腔填充有高热密度导热油，外侧包覆有热量储存保温套，换热盘管的出水端设置有温度补偿循环泵。温度补偿循环泵输出端与热补偿盘管进水端连通，热量储存罐通过管道连接有第一膨胀箱，换热盘管通过管道连接有第二膨胀箱，第一膨胀箱和第二膨胀箱能为空气提供膨胀空间，避免热量储存罐和换热盘管内压力过大，提高了热量储存罐和换热盘管的使用寿命。热量储存保温套的外侧阵列设置有多个太阳能真空管，太阳能真空管的内腔连通有热泵机组，热泵机组输出端与热量储存罐的底部相抵，太阳能真空管内填充导热油，通过太阳能真空管接收光照将导热油加热，加热后的导热油与热泵机组内的蒸发端接触，通过热泵机组将热量转移到热量储存罐底部，对热量储存罐内的导热油进行加热，能够通过太阳能进行储能，充分利用新型能源辅助物料加热，更加节能环保。换热盘管的输入端绕接有热量回收盘管，且另一侧送气管通过管道连接热量回收盘管进气端，通过热量回收盘管能回收送气管排出的热量，减少热量损耗，进一步提高热量利用效率[6]。温度补偿循环泵和热水供应设备均电性连接有温度补偿控制器，且温度补偿控制器电性连接有物料温度传感器，物料温度传感器设置于发酵罐内腔，温度补偿控制器通过物料温度传感器的回馈，控制各设备的启动，从而保证物料发酵的正常进行。

物料初次发酵通过热水供应设备在加热夹套内循环加热，达到启动温度后物料开始发酵，所产生的热量通过能量储存设备存储，降低物料与环境温度的差距，进而降低了热量流失速度，可显著延长物料65～75℃的温度停留时间，并且能量储存设备内存储的热量能在后续物料发酵起始阶段辅助物料加热，减少后续物料加热所消耗的热量，在解决寒冷地区生物有机肥起温问题的同时延长高温保持时间，有效杀灭病原菌、草籽、蛔虫卵等，大大提高了物料发酵时间和发酵效果。

寒冷地区循环热补偿式密闭高温有机肥发酵装置有能量储存机构的循环热补偿，可显著延长物料温度停留时间，在解决寒冷地区生物有机肥起温问题的同时延长高温保持时间，有效杀灭病原菌、草籽、蛔虫卵等，改善物料发酵时间和发酵效果，减少了寒冷地区为了保持发酵启动温度所消耗的能源，更加环保。寒冷地区循环热补偿式密闭高温有机肥发酵装置通过设置的太阳能真空管和热泵机组能储能太阳能，充分利用新型能源辅助物料加热，更加节能。寒冷地区循环热补偿式密闭高温有机肥发酵装置通过热量回收盘管装置能回收送气管排出的发酵气体中的热量，减少热量损耗，进一步提高热量利用效率。

寒冷地区循环热补偿式密闭高温有机肥发酵装置的应用对处理畜禽养殖中粪便污染问题及环境保护有重要作用。畜禽粪便不进行无害化、资源化利用不但造成了巨大的资源浪费，还会导致一系列环境污染问题。寒冷地区循环热补偿式密闭高温有机肥发酵装置可以生产有机肥料，达到还田种植的良性循环，对养殖业和种植业有积极影响。