农业固体废弃物堆肥技术及翻抛设备研究现状

引言

农业固体废弃物通常包括： ① 农作物秸秆、枯枝落叶、果壳等； ② 畜禽养殖废弃物，包括畜禽粪便、畜禽垫料等； ③ 农村居民生活垃圾，如粪便、生活垃圾等；④ 农村设施农业固体废弃物，如蔬菜秸秆、尾菜等。我国是世界农业生产大国，农业固体废弃物年产量约４０多亿ｔ，农业固体废弃物产量巨大、处理利用程度低已成为生态环境污染的重要来源；遵循减量化原则实现农业固体废弃物的资源化高效综合利用和无害化处理是我国循环农业快速、稳定发展的前提，也是我国亟需解决的重要任务。

目前，农业固体废弃物资源化利用技术按属性可分为微生物技术（好氧堆肥、厌氧发酵等）、物理化学技术（焚烧、热解、化工提取等）和材料工程技术等。资源化利用方式呈现多样化趋势，主要有肥料化、饲料化、能源化、基质化、工业原料化和生态化等几个方向，其中，肥料化利用是一种非常传统的应用方式，也是应用最广泛、最经济、最环保的利用途径。农业固体废弃物肥料化利用较多采用堆肥法，一般通过好氧发酵堆肥和厌氧发酵堆肥的方式，通过调节碳氮比，控制适当的水分、温度、酸碱度等使畜禽粪便和秸秆等农业有机废弃物发生生物化学降解，形成一种类似腐殖质土壤的物质，可用作肥料或土壤改良剂。

肥料化利用包括原料收集与处理、堆肥、翻抛和还田等环节，堆肥发酵是生产有机肥的重要环节，翻抛是提高堆肥效率和堆肥产品质量的重要措施。根据堆肥方式，翻抛机的种类可分为条剁式和槽式。翻抛机在堆肥过程中具有翻堆、曝气、搅拌、混合、协助通风系统控制水分、温度等重要功能，是生产农业固体废弃物制肥过程应用的关键设备。适宜的翻抛机的研制开发及投入使用可以很大程度提高生产效率和堆肥质量，降低人力、物力投入，起到省工、增效的效果。

综上所述，本文基于农业固体废弃物肥料化利用，系统的介绍了农业固体废弃物堆肥的主要技术，总结了国内外翻抛机的研究现状，对比分析了不同种类翻抛机的功能特性，并对其发展前景进行了展望。

农业固体废弃物堆肥技术

堆肥是“有控制地通过好氧生物分解有机物形成一种稳定的、称之为堆肥的产物；本质上类似于自然降解，与其不同的是堆肥还通过有机废弃物与其他成分混合促进微生物生长增强和加速分解过程”。废弃物通过堆肥系统通过转化成一种具有稳定有机质、富碳以及无病原菌、寄生虫卵和杂草种子的可利用的资源，其物理性质与初始的原材料已截然不同，堆肥产物可作为土壤修复剂或肥料，还可制成栽培基质或土壤覆盖物。根据堆肥过程中氧气的供应情况，可以把堆肥过程分成好氧堆肥和厌氧堆肥。

１．１　好氧堆肥技术

好氧堆肥是在有氧条件下，利用好氧微生物（主要为好氧菌）的作用进行。在堆肥过程中，农业固体废弃物中可溶解性有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物吸收；固体状和胶状有机物先附着在微生物体外，由微生物所分泌的胞外酶分解为可溶解性物质后再渗入细胞。微生物通过自身的生命活动—氧化、还原、合成等过程，把部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并释放出微生物生长活动所需要的能量，同时微生物还可把部分有机物转化微生物所必需的营养物质，合成新的细胞物质，于是微生物逐渐生长繁殖，产生更多的生物体。因此，好氧堆肥过程中物质转化主要为有机质的分解和腐殖质的合成两个过程。

在有机物生化降解的同时伴有热量产生，堆肥工艺中该热能不会全部散发到环境中，就必然造成堆肥物料的温度升高，使得不耐高温的微生物死亡，耐高温的细菌快速繁殖。生态动力学表明，好氧分解中发挥主要作用的是菌体硕大、性能活泼的嗜热细菌群。该菌群在大量氧分子存在下将有机物氧化分解，同时释放出大量能量。因而好氧堆肥过程由可分成三个阶段：起始升温阶段、高温阶段和常温熟化（降温）阶段，具有两次升温过程。总体而言，好氧堆肥具有废弃物分解较为彻底、堆置周期较短、产生异味较少、可大规模采用机械处理等优点。

１．２　厌氧堆肥技术

厌氧堆肥是在不通气的状态下，利用微生物将农业有机废弃物进行厌氧发酵，转化为甲烷和氨，制成有机肥料，是固体废弃物无害化的过程。厌氧堆肥堆体内不设通气系统，堆体温度低，腐熟及无害化时间较长，臭味大，能耗低。但厌氧堆肥法具有简便、省工的优点，在不急需用肥或劳力紧张的情况下可以采用。一般厌氧堆肥要求封堆后一个月左右翻堆一次，以利于微生物活动使堆料腐熟。

国内外翻抛机研究现状

２．１　国外翻抛机研究现状

欧美等发达国家已具有较为完备的生态循环农业模式，在农业固体废弃物堆肥生产方面研究较早、投入大、发展快，堆肥的生产工艺技术和翻抛装备已较为成熟，已研制出多种翻抛机用于处理农业固体废弃物生产有机肥。翻抛机最早出现在德国（２０世纪中期），是为改善好氧发酵堆肥中供氧和改善物料形状而研制。主要生产好氧堆肥翻抛机，种类较多，具有条剁式和槽式翻抛机；可处理开放式和封闭式料堆，同时还对堆肥原来进行混合和生物干燥，功能齐全。产品行走及翻抛部件驱动均采用全液压系统控制，减少链传动、齿轮传动等机械传动方式，简化了整机传动系统，提高了翻抛机的传动效率、工作的稳定性以及操作灵活性。通过对机器主要工作部件翻抛刀辊及行走装置的优化改进，使好氧堆肥原料堆放更紧密，外形更规整，达到好氧堆肥快速升温，缩短堆肥周期，提高生产效率的目的。

美国CT718型条剁式翻抛机是充分融合农业固体废弃物好氧堆肥微生物发酵工艺技术基础上的研究成果；该翻抛机集机械、电子、液压一体化，在对好氧堆肥原料翻抛过程，通过连枷和滚筒进行通风加氧，可极大程度上缩短堆肥周期、提高产出；翻抛时还可实时检测翻抛物料温度、湿度并根据需要及时调节，使好氧堆肥原料稳定、快速腐熟，处理量高达3000m³/h ，较好地满足了规模化、工厂化利用农业固体废弃物生产有机肥的需要。

由于绿色农业的快速发展，国外新型翻抛机已不限于处理限定料堆形状和尺寸的原料，还可处理大规模、整堆式堆肥原料。如ＴＢＵ自走式堆肥翻抛机（德国）可处理梯形料堆，比三角形条剁式可节省空间，料堆高度可达３ｍ，处理量大；翻抛方式属于整体移位式，可为操作员提供较好的视野，实现了驾驶室的合理布局，避免在运输过程中由于驾驶室位置过高带来的装卸不便等问题。总体而言，国外堆肥翻抛设备正向大规模、高效率、智能化、清洁化方向发展。

奥地利Topturn X系列堆肥翻抛机可用于处理多种固体废弃物，包括城市生活垃圾、绿色废弃物、畜禽粪便等。最新款Topturn X5000型翻抛机是具有性能和设计功能结合的设备，可适用于大规模堆肥，可处理宽5m高2m的料堆。

２．２　国内翻抛机研究现状

自上世纪七十年代以来，随着我国规模化、工厂化有机肥生产的兴起与发展以及政府对农业固体废弃物肥料化利用政策支持，固体有机肥堆肥发酵翻抛机研制也得到了较快的发展，国内工业控制技术和智能控制技术的发展为国内翻抛机械的自动化提供了较好的基础。目前，国内已有不少翻抛机已生产投入使用：如“ ＬＹ ”系列翻抛机采用条剁式好氧发酵工艺，具有粉碎、配料搅拌、快速除臭等功能；还有不同种类翻抛机，包括行走式翻抛机、铲车翻抛机、槽式翻抛机和履带式翻抛机，可根据料堆形状、尺寸和场地选择适宜翻抛机机型；同时针对条剁式和槽式发酵工艺可配备相适应的设备，如条剁式翻抛机可为自走式轮式和履带式，槽式翻抛机有链板式和桨叶式等。国内现有翻抛机的研制也存在一些问题：较多采用国外机械，系统可靠性和适应性较差；关于翻抛机技术的系统理论性研究较少；同时，我国各地地形地势不同，产品的通用性和适应性有待提高。目前，国家已加大政策支持，增加研发投入，各大高校、科研企事业单位已积极开展适宜我国不同废弃物利用模式的多功能型翻抛机的研制：如孙胜刚设计了一种全液压自走式的翻抛机，对整机结构、翻抛装置、行走装置等进行了受力分析、仿真等优化设计，并进行实际翻抛作业验证其装备可靠性、工作稳定性等，机器翻抛效率较高，为进一步改进翻抛机设计提供了依据；朱冰等针对我国目前的养殖方式，研制了一种畜禽舍发酵床翻抛机，其还带有最大深度为４０ｃｍ的深松铲，可有效改善畜禽舍环境；张成保等设计了一种全液压履带自走式有机肥翻抛机主要适用于蔬菜副产物有机肥的生产，提高蔬菜副产物利用率，解决其有机肥生产环节劳动强度大、作业周期长、菌种混合不均匀等问题。

农业固体废弃物堆肥翻抛机功能对比分析

根据堆肥方式，翻抛机可分为条剁式和槽式，在我国大力推进农业固体废弃物资源化利用的背景下，堆肥工艺、有机肥生产水平快速提升，堆肥模式和生产方式正向大规模、高效率发展，条剁式翻抛机的“升级版”———整堆移位式翻抛机正是针对大规模堆肥方式而研制。目前，已有文献对条剁式和槽式翻抛机的工作原理、性能及对比进行了综述，而关于整堆移位式翻抛机的介绍很少，因此，本节将简要介绍条剁式和槽式翻抛机的功能和特点，着重介绍整堆移位式翻抛机的工作原理和性能，并对３种类型翻抛机的功能进行对比。

３．１　条剁式翻抛机

条剁式翻抛机按照行走方式可分为牵引式和自走式：牵引式即以拖拉机为动力，由拖拉机牵引，在长条形堆垛上工作，结构简单、造价低、维修成本低，但占地面积较大、场地利用率低，翻抛能力一般；自走式是依靠自身动力翻抛，驱动方式可分为柴油驱动和电驱动，该方式操作灵活、自动化程度高、翻抛及破碎和搅拌功能较高、处理量大，但设备投资较大、维修成本较高。目前，国内条剁式翻抛机的翻抛方式主要为骑跨式，工作时整机骑跨在预先堆置的长条形堆体上，由机架下挂装的旋转刀轴对原料进行翻抛，已广泛应用于中小型养殖场畜禽粪便和农业废弃物堆肥处理。

３．２　槽式翻抛机

槽式翻抛机置于导轨并沿导轨行走，工作时通过旋转的刀辊对导轨间原料翻动、打碎并向后进行翻抛，相比条剁式翻抛机，槽式翻抛机具有占地面积小、操作简单、单次处理量大的优点。槽式翻抛机根据工作原理可分为螺旋式、滚筒式、链板式和拨齿式，各式功能特点对比在表１列出。

３．３　整堆移位式翻抛机

整堆移位式翻抛机根据行走方式分自走式和牵引式两种，机器作业时，翻抛部件从整体堆肥料堆一侧将物料攫取、粉碎并抛送到后方或一侧的输送带上，再由输送带输送至３～４ｍ的另一侧，完成物料降温、水分调节、与氧气充分接触的过程。整堆移位翻堆方式变槽式、条垛式堆肥方式为整体堆肥方式，在相同规模场地的条件下，增加了堆肥量，加快了物料升温速度，缩短了堆肥发酵时间，适用于大规模农业固体废弃物好氧堆肥生产企业。目前，国外一些大型公司已有生产整堆移位式翻抛机，如美国ＣＴ１０１０型和德国ＴＰＵ型翻抛机等，但在国内还未有该种机型。

总结与展望

“绿色环保友好型”“循环发展”是国内外农业领域发展的目标，堆肥对农业生态系统的可持续发展发挥着重要作用，是将农业固体废弃物资源化利用的一种有效手段。通过好氧或厌氧发酵工艺，农业固体废弃物可转化成稳定的肥料或土壤修复剂，极大程度上提高了农业废弃物肥料化水平，也为其更多的领域的利用（饲料化、基料化、能源化等）奠定了基础。翻抛作为堆肥的关键环节，翻抛机的作业效果、工作效率直接影响堆肥的产出量和品质。根据堆肥的方式，具有条剁式和槽式翻抛机两大类，随着全球对农业废弃物资源化利用的关注，堆肥规模逐渐增大，面向大产量和高需求的条剁式“升级版”———整堆移位式翻抛机应运而生。在堆肥工艺和翻抛机的研究，国外发达国家已具备较成熟的技术和设备，堆肥翻抛设备正向大规模、高效率、智能化、清洁化方向发展。国内堆肥和翻抛机的研究虽然起步较晚，但随着我国种养殖业规模化发展和国家政策的支持推广，农业固体废弃物堆肥法资源化利用水平也正快速发展，适应于中小型规模的条剁式和槽式翻抛机都已得到广泛应用；但相较国外发达水平，国内翻抛机的研发还缺乏生产经验和持续研究。

随着社会的进步和环保意识的增强，农业固体废弃物资源化利用已成为绿色农业发展的前提条件，有机肥应用范围的扩大也给翻抛机的发展提供了新的机和更广阔的市场。翻抛机的发展将朝大规模化、专业化、自动化、高效化和清洁化发展。

１）大规模化：国内现有翻抛机仅适合中小型规模堆肥，我国有机肥产业的发展呈大规模扩增趋势，国内翻抛机将向大规模化方向发展，可处理大型堆肥、需求量大的生产模式。

２）专业化：针对不同的物料和处理量需求，设计出如畜禽粪便专用、农作物秸秆专用、污水污泥专用等翻抛机；还可针对不同堆肥方式设计出相应翻抛机。

３）自动化：随着我国制造业机械、电器、液压一体化控制技术的发展，机械、电器、液压一体化科技成果逐渐应用到翻抛设备使得具备多功能、高稳定性、自动化和智能化，包括工艺参数的控制、环境的控制等。

４）高效化：我国现有翻抛机普遍存在作业效率低、单位能耗高以及作业质量低（翻抛、破碎不均匀）等问题，需对翻抛机各个机构进行系统的研究，综合堆肥系统的各个环节，研发出高效节能设备。

５）清洁化：农业废弃物造成的污染问题是我国需要解决的重大环保问题之一，国内现有种类翻抛机作业时的共同特点是扬尘大，臭味扩散严重，作业场地环境恶劣，尤其是露天生产场地，对周围环境会造成较严重影响，新型翻抛机的研制需配备降尘、除臭等功能，实现作业清洁化。

作者：付菁菁，吴爱兵，马标，许斌星，陈永生，姜振平（版权归作者所有）

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