一种滚筒发酵堆肥处理畜禽粪便的智能控制方法及系统与流程

1.本发明涉及畜禽粪便的肥料化资源利用技术领域，具体涉及一种滚筒发酵堆肥处理畜禽粪便的智能控制方法，同时还涉及一种滚筒发酵堆肥处理畜禽粪便的智能控制系统，它适合于集约化养殖场的畜禽粪便肥料化利用或分散型养殖场的畜禽粪便收集后集中肥料化处理利用。


背景技术：

2.随着畜禽养殖业集约化、规模化、工厂化的快速发展，万头甚至几十万头的猪场或几百万羽的禽场到处可见，确保了我国人民对肉类产品的需求。与此同时伴随着的是年产约38亿t畜禽粪便(鲜重)类养殖废弃物，由于规模化养殖场畜禽粪便过于集中，养殖场周围缺少承载土体，该类资源化有效利用率尚不到20%（郭智等，2013）。同时受运输和无法就地消纳等原因的影响，未经处理就随意堆放，是大气污染、土壤污染及江河、湖泊、水库等面源以及地下水源污染的重要来源（李国学等，2000年），不符合我国农业可持续发展的要求。
3.国家对畜禽粪便造成的环境污染给予了高度的重视，要加快推进畜禽养殖废弃物的无害化、减量化和资源化利用。堆肥化处理是畜禽粪便无害化和资源化利用的一种较好途径，其中畜禽粪便肥料化智能装置和技术的研发，是解决当前畜禽养殖业快速发展中的废弃物资源化利用的关键，对保障畜禽养殖业的发展和农业环境保护等具有十分重要意义。周谈龙等（2017年）猪粪和玉米秸秆为原料研究了在低碳氮比（c/n为13.2）条件下猪粪堆肥氨气排放，每千克初始原料鲜重的 nh3的累计排放分别为 2.27g，如果是敞开堆肥会产生大量的异臭味，对环境造成污染。鲁耀雄等（2017年）以牛粪、鸡粪、食用菌渣为堆肥原料并协调碳氮比为30:1，添加不同的微生物菌剂进行堆肥，利用em菌剂处理的高温阶段温度维持在55
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68 ℃，氮素损失率最小为10.73％，堆肥35 d为84.27％，达到了完全腐熟，但是采用铲车和人工配合7天翻堆1次，费时费工。中国发明专利cn 102765976 a(2012年)公布了一种槽式发酵方法和中国发明专利cn 107382403 a（2017年）公布了条垛式堆肥曝气系统，虽然减少了氨气的逸失和恶臭，但是没较好解决堆肥车间异味大的问题，所以中国发明专利cn 107986820 a（2018年）公布了一种用于牛粪条垛式堆肥的除臭添加剂及其制备方法还是需要补充除臭添加剂来解决臭味过大的问题，并且智能程度不高。中国发明专利cn 103011927 a（2013年）公布了一种生物质塔式堆肥处理设备及方法，采用封闭式堆肥化操作方法，提高堆肥效率，有效防止病原菌的传播和异味散发，但是堆肥搅拌器由于物料本身压力可能会导致其运转困难和磨损严重等问题，智能化控制程度有限。因此，目前急需构建一套畜禽粪便肥料化的智能控制方法及系统，要求具有高效智能、绿色环保、节约人工等特点，可广泛应用于各种气候条件和畜禽种类，为国家实行畜禽粪便资源利用整县推进、果菜茶有机肥替代以及化肥农药减施增效等行动计划奠定基础和提供关键技术。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，构建一套畜禽类粪便肥料化的滚
筒动态发酵封闭堆肥的智能控制方法，提供一种滚筒发酵堆肥处理畜禽粪便的智能控制系统，有效控制和处理氨臭气，确保车间绿色生产，环保友好，实现高效智能操控，节约人工成本，可广泛应用于各种气候条件和畜禽种类，推进畜禽粪便的肥料化资源利用。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案是：一种滚筒发酵堆肥处理畜禽粪便的智能控制方法，它包括以下五个操作步骤：步骤一，畜禽粪便与辅料（调节碳氮比和含水量）的科学配比进料及混合形成堆肥原料。
6.步骤二，堆肥原料输送入滚筒动态发酵堆肥反应器，进行高温好氧发酵无害化腐熟处理，利用控制系统调节其转动速度、通气强度、热量反馈等指标参数进行智能堆肥，使其始终保持动态平衡发酵状态，进行高温发酵无害化腐熟处理。
7.步骤三，滚筒动态堆肥发酵产生的氨臭气经收集系统进行无害化处理达标排放。
8.步骤四，根据滚筒动态发酵堆肥反应器的运转情况、堆肥温度、发酵时间、发酵料生物理化性质变化等由监控系统决定出料，需要出料时，通过智能操控面板打开反应器的挡料板，由内壁上的导料板引导出料，经布料机将初步腐熟肥料输送入陈化槽，进行二次发酵腐熟，直到肥料水分达到30%以下。
9.步骤五，肥料经过腐熟陈化后送检合格，输送入包装车间粉碎过筛定量包装出厂。
10.1、一种滚筒发酵堆肥处理畜禽粪便的智能控制系统，其特征在于：它包含辅料桶1、粪便桶2、输送机构3、废气处理器4、散热器41、废气输出管道411、废气回收管道412、单向阀413、滚筒动态发酵堆肥反应器5、第二风机51、温度感应器52、热量回馈管道53、陈化槽6、包装部7、筛网71、破碎机构72、控制监控室8、摄像机9，所述的辅料桶1与粪便桶2并排，所述的辅料桶1和粪便桶2设在输送机构3上方，所述的废气处理器4左侧设置有散热器41，所述的散热器41与废气输出管道411、废气回收管道412固定连接，所述的散热器41下方设有废气回收管道412，所述的滚筒动态发酵堆肥反应器5上设置有多个点位的温度感应器52，所述的滚筒动态发酵堆肥反应器5的前端上方设置有热量回馈管道53，所述的滚筒动态发酵堆肥反应器5的一端设置有前端固定圆形封帽54，另一端设置有后端固定圆形封帽55，所述的前端固定圆形封帽54上设置有进料斗541，所述的进料斗541的侧边设置有进风输入管道542与第一风机543，进风输入管道542与第一风机543相连接，所述的后端固定圆形封帽55的一侧设置有导料板551，另一侧设置有废气输出管道411与第二风机51，所述的废气输出管道411与第二风机51相连接，所述的废气输出管道411的底部通过连杆552连接有出料斗553，所述的出料斗553上设置有出料挡板554，所述的滚筒动态发酵堆肥反应器5的底部设置有一对驱动轮555，所述的驱动轮555之间连接有驱动轴556，所述的驱动轴556的中间底部设置有驱动电机557，所述的陈化槽6靠近滚筒动态发酵堆肥反应器5的出料口，所述的陈化槽6靠近包装部7，所述的包装部7上方设有筛网71，所述的筛网71的前段设置有破碎机构72，所述的控制监控室8的外部设置有摄像机9，所述的废气输出管道411、废气回收管道412、热量回馈管道53上均设置有单向阀413。
11.所述的所述的温度感应器52用于实时了解堆肥温度。
12.所述的第一风机543与第二风机51可以进行通风供氧和提高滚筒动态发酵堆肥反应器5中的空气温度。
13.所述的热量回馈管道53平行于废气输出管道411，当需要热量回馈时，则关闭散热
器41，所述的滚筒动态发酵堆肥反应器5和陈化槽6废气中的热量分别经废气输出管道411和热量回馈管道53由第二风机51输回滚筒动态发酵堆肥反应器5，可有效稳定滚筒动态发酵堆肥反应器5内空气的温度。
14.所述的废气处理器4是将滚筒动态发酵堆肥反应器5和陈化槽6产生的废气经废气回收管道412收集，再经散热器41的散热后在废气处理器4进行集中处理达标排放。
15.所述的控制监控室8是连接各个部件，通过温度感应器52与摄像机9监控各个部件的正常运转，并调节相关数据参数进行堆肥效率控制。
16.采用上述技术方案后，本发明有益效果为：1、可以有效利用畜禽粪便、农作物秸秆等有机废弃物进行混合堆肥，可广泛应用于各种气候条件和畜禽种类，推进畜禽粪便的肥料化资源利用，促进循环农业可持续发展；2、滚筒动态发酵封闭堆肥，并对好氧堆肥过程中产生的氨氮气、硫化氢、二氧化硫等臭气进行集中收集和处理，并通过中控条件控制减少氨气等造成的氮素挥发损失，有效控制了目前主要堆肥技术（槽式、条垛式）的臭气和粉尘等二次污染问题，确保车间绿色生产，环保友好；3、滚筒动态发酵堆肥反应器是基于卧式滚筒的一端进料、一端出料，实现畜禽养殖废弃物的动态堆肥连续发酵；4、堆肥微生物发酵菌剂仅在滚筒第一次启动周期限量添加一次，并通过原料科学配制和设备智能调控来稳定微生物菌种的生长和扩繁，就可以实现微生物在动态堆肥发酵过程中复合微生物的生态环境平衡，以后仅需不断投入混合堆肥原料通过动态滚筒形成稳定的复合微生物内循环，节约普通堆肥每次发酵都需投入菌种的成本；5、通过滚筒的不断连续滚动将物料进行混合推进，物料混合更均匀，发酵更彻底，产生的有机肥类产品品质更加均匀一致；6、可以有效利用堆肥过程中产生的热量进行回馈，保证冬季低温条件下的高温堆肥；7、整个堆肥构建了一套完整的畜禽粪便肥料化的智能控制系统和技术方法，实现高效智能操控，节约人工成本。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是本发明的结构示意图；图2是本发明滚筒动态发酵堆肥反应器5的结构示意图；图3是本发明前端固定圆形封帽54的结构示意图；图4是本发明后端固定圆形封帽55的结构示意图。
19.图5是本发明的生产模式平面图；图6是本发明的实施案例1中的滚筒好氧堆肥发酵温度变化实验结果参考图；附图标记说明：辅料桶1、畜禽粪便桶2、输送机构3、废气处理器4、散热器41、废气输出管道411、废气回收管道412、单向阀413、滚筒动态发酵堆肥反应器5、第二风机51、温度感应器52、热量回馈管道53、前端固定圆形封帽54、进料斗541、进风输入管道542、第一风机543、后端固定圆形封帽55、导料板551、连杆552、出料斗553、出料挡板554、驱动轮555、驱动轴556、驱动电机557、陈化槽6、包装部7、筛网71、破碎机构72、控制监控室8、摄像机9。
具体实施方式
20.实施案例1：本实施例介绍了一种基于25吨容积的滚筒动态发酵堆肥处理猪粪的智能控制方法、系统设备和堆肥处理效果。
21.1、一种滚筒发酵堆肥处理畜禽粪便的智能控制方法，它包括以下五个操作步骤：步骤一，猪粪经过转运放入粪便桶2，木屑经过转运放入辅料桶1，将新鲜的猪粪与木屑按照3:1 或2:1(v/v，体积比)的比例进入混料斗进行搅拌混合均匀，此时堆肥原料的碳氮比约为25～30:1，含水量在60%左右；步骤二，混合好的原料经螺旋运输机构3输送入滚筒动态发酵堆肥反应器5的入口，首次投料周期需添加微生物发酵促腐菌剂（根据发酵原料和发酵要求等指标选配微生物发酵促腐菌剂），首次投料需一次性投满滚筒体积70%～80%的发酵料到反应器5，约为20吨配料好的混合料，连续滚动滚筒动态发酵堆肥反应器5，七天后根据发酵情况出料，以后每天投料占整个发酵料的七分之一左右（不需要再添加微生物菌剂），出料占整个发酵料的七分之一左右，通过滚筒的滚动将物料进行混合推进，保持滚筒动态发酵堆肥反应器物料动态平衡；利用控制监控室8调节其转动速度、通气强度、热量反馈等指标参数使其保持动态平衡发酵状态，距离进料口50 cm的堆肥温度在50℃上下，距离出料口50 cm处的堆肥温度在62 ℃上下；步骤三，滚筒动态发酵堆肥反应器5产生废气和陈化槽6排出的废气经过管道及散热器降温后，输送到废气处理设备4净化后达标排放；步骤四，每天出料时，通过智能操控面板打开滚筒动态发酵堆肥反应器5的挡料板，由内壁上的导料板引导出料，经布料机将初步腐熟肥料输送入陈化槽6，进行二次发酵腐熟，直到肥料水分达到30%以下；步骤五，肥料经过腐熟陈化后送检合格，输送入包装设备7定量包装出厂。总装机容量在50kw左右，全部电机采用变频控制技术，降低能耗，减少开关故障。
22.2、一种滚筒发酵堆肥处理畜禽粪便的智能控制系统，其特征在于：它包含辅料桶1、粪便桶2、输送机构3、废气处理器4、散热器41、废气输出管道411、废气回收管道412、单向阀413、滚筒动态发酵堆肥反应器5、第二风机51、温度感应器52、热量回馈管道53、陈化槽6、包装部7、筛网71、破碎机构72、控制监控室8、摄像机9，所述的辅料桶1与粪便桶2并排，所述的辅料桶1和粪便桶2设在输送机构3上方，所述的废气处理器4左侧设置有散热器41，所述的散热器41与废气输出管道411、废气回收管道412固定连接，所述的散热器41下方设有废气回收管道412，所述的滚筒动态发酵堆肥反应器5上设置有多个点位的温度感应器52，所述的滚筒动态发酵堆肥反应器5的前端上方设置有热量回馈管道53，所述的滚筒动态发酵堆肥反应器5的一端设置有前端固定圆形封帽54，另一端设置有后端固定圆形封帽55，所述的前端固定圆形封帽54上设置有进料斗541，所述的进料斗541的侧边设置有进风输入管道542与第一风机543，进风输入管道542与第一风机543相连接，所述的后端固定圆形封帽55的一侧设置有导料板551，另一侧设置有废气输出管道411与第二风机51，所述的废气输出管道411与第二风机51相连接，所述的废气输出管道411的底部通过连杆552连接有出料斗553，所述的出料斗553上设置有出料挡板554，所述的滚筒动态发酵堆肥反应器5的底部设置有一对驱动轮555，所述的驱动轮555之间连接有驱动轴556，所述的驱动轴556的中间底
部设置有驱动电机557，所述的陈化槽6靠近滚筒动态发酵堆肥反应器5的出料口，所述的陈化槽6靠近包装部7，所述的包装部7上方设有筛网71，所述的筛网71的前段设置有破碎机构72，所述的控制监控室8的外部设置有摄像机9，所述的废气输出管道411、废气回收管道412、热量回馈管道53上均设置有单向阀413。
23.进一步的，所述的辅料桶1与粪便桶2并排，两者都通过计量磅控制物料的配比，其物料经输送机构3输送到滚筒动态发酵堆肥反应器5。
24.进一步的，所述的所述的温度感应器52分别位于滚筒动态发酵堆肥反应器5靠近前端进料口50cm处、正中段和靠近后端出料口50cm处，用于实时了解堆肥温度。
25.进一步的，所述的第一风机543与第二风机51可以进行通风供氧和提高滚筒动态发酵堆肥反应器5中的空气温度。
26.进一步的，所述的热量回馈管道53平行于废气输出管道411，当需要热量回馈时，则关闭散热器41，所述的滚筒动态发酵堆肥反应器5和陈化槽6废气中的热量分别经废气输出管道411和热量回馈管道53由第二风机51输回滚筒动态发酵堆肥反应器5，可有效稳定滚筒动态发酵堆肥反应器5内空气的温度。
27.进一步的，所述的废气处理器4是将滚筒动态发酵堆肥反应器5和陈化槽6产生的废气经废气回收管道412收集，再经散热器41的散热后在废气处理器4进行集中处理达标排放。
28.进一步的，所述的控制监控室8是连接各个部件，通过温度感应器52与摄像机9监控各个部件的正常运转，并调节相关数据参数进行堆肥效率控制。
29.3、一种滚筒发酵堆肥处理畜禽粪便的智能控制方法及系统的堆肥处理效果：试验地点为新五丰耒阳生态畜牧园，原料为猪粪（含水量为72.8%）和木屑（含水量为35.7%），配比为2:1（v/v），试验设计为二个：ck，静态堆肥（每7天翻堆一次）；t，滚筒筒动态发酵反应器堆肥（简称滚筒堆肥，滚筒堆肥7天后放入陈化槽18天），堆肥周期25天，每天记录不同堆肥模式的温度，连续记录25天，滚动堆肥为正常连续发酵动态平衡后，记录滚筒动态发酵堆肥反应器进料口和出料口的连续7天（一次进出料周期）温度和滚筒出料后陈化槽中的18天温度。25天测定两个处理的ph、有机质、含水量、全氮、p2o5、k2o、发芽指数（萝卜种子），其他未特别说明的指标测定均参考相关国标等方法进行。
30.进一步的，一种滚筒发酵堆肥处理畜禽粪便的智能控制方法及系统的好氧堆肥发酵温度变化试验结果可参考图6，滚筒发酵反应器进料口的温度基本上维持在50℃上下、出料口的温度基本维持在62℃上下，在这个温度范围内的条件下，维持在这个动态平衡，堆肥中的微生物繁殖速度快，堆肥腐熟更快，相同原料配比条件下，静态堆肥温度启动缓慢以及高温维持在68℃左右，滚筒堆肥更有利于减少因高温而氨气挥发损失，起到保氮除臭的效果。滚筒动态发酵堆肥反应器出料后进行陈化阶段，由于前期的混料均匀，高温微生物的群落结构持续维持在一个相对稳定状态，其陈化温度基本呈现先略为升高然后再缓慢降低的过程，促进堆肥快速腐熟和水分蒸发散失。
31.表1 不同堆肥方式对有机肥养分指标的影响
注：同列中不同小写字母表示同期不同处理间差异显著（p<0.05），下同。
32.由表1可以看出，滚筒动态发酵堆肥反应器堆肥处理7天后，再经过陈化18天，与静态堆肥25天后，滚筒动态发酵堆肥反应器堆肥的ph、全氮、p2o5、k2o高于静态堆肥处理，而有机质含量和水分含量显著低于静态堆肥处理，说明滚筒动态发酵堆肥反应器起到的定向筛选堆肥微生物，有利用温度的稳定、保氮、有机质的分解转化，从而提高全氮、p2o5、k2o的含量，降低有机质和水分含量，提高有机肥的品质和品相。
33.实施例2：本实施案例1生产的有机肥作底肥施入辣椒栽培的实验方案和应用效果：（1）试验设计试验在衡东三樟黄贡辣椒基地大棚栽培（头年栽培是辣椒）进行，供试品种为辣椒，株距45 cm，行距50 cm。试验设3个处理：a、全施化肥对照；b、施入本发明中实施案例1所述的静态堆肥有机肥为对照，做底肥一次施用，用量为250 kg/亩；c、施入本发明中实施案例1所述的滚筒堆肥有机肥，做底肥一次施用，用量为250 kg/亩；保证三个处理的养分总投入和其他水肥管理相同，每处理重复3次，共计9个小区，每小区面积为20 m2。详细记录每次采收后的辣椒产量，取初果期测量各小区辣椒的株高（茎基部到生长点的长度）、茎粗（茎基部的粗度），取旺果期的辣椒根际土壤，采用稀释涂布平板法测定其细菌、真菌和放线菌数量，培养细菌用营养琼脂培养基，真菌用孟加拉红琼脂培养基，放线菌用改良高氏一号培养基进行培养测定。
34.（2）主要结果表2 有机肥对连作辣椒生长及产量相关指标的影响
由表2可以看出，滚筒堆肥有机肥处理的连作辣椒树高、树茎粗和每公顷鲜产量都显著高于静态堆肥有机肥和全施化肥，其每公顷鲜辣椒产量比静态堆肥有机肥处理增产了13.28%，比全施化肥处理增产了5.67%。说明滚筒堆肥在施肥量都相同的情况下，增产效果明显。
35.表3有机肥对连作辣椒根际微生物的影响由表3可以看出，滚筒堆肥有机肥处理的连作辣椒根际土壤细菌、放线菌数量都显著高于全施化肥处理，真菌数量显著低于施静态堆肥有机肥处理，主要是滚筒堆肥有机肥处理有机肥在滚筒条件下腐熟更加彻底，施入土壤后有利于土壤细菌和放线菌的生长和繁殖，显著增加辣椒根际土壤的细菌和放线菌数量，从而增强土壤微生物活性和酶活性，改良土壤结构，有利于土壤中物质的转化，提高土壤的肥力。
36.采用上述技术方案后，本发明有益效果为：1、可以有效利用畜禽粪便、农作物秸秆等有机废弃物进行混合堆肥，可广泛应用于各种气候条件和畜禽种类，推进畜禽粪便的肥料化资源利用，促进循环农业可持续发展；2、滚筒动态发酵封闭堆肥，并对好氧堆肥过程中产生的氨氮气、硫化氢、二氧化硫等臭气进行集中收集和处理，并通过中控条件控制减少氨气等造成的氮素挥发损失，有效控制了目前主要堆肥技术（槽式、条垛式）的臭气和粉尘等二次污染问题，确保车间绿色生产，环保友好；3、滚筒动态发酵堆肥反应器是基于卧式滚筒的一端进料、一端出料，实现畜禽养殖废弃物的动态堆肥连续发酵；4、堆肥微生物发酵菌剂仅在滚筒第一次启动周期限量添加一次，并通过原料科学配制和设备智能调控来稳定微生
物菌种的生长和扩繁，就可以实现微生物在动态堆肥发酵过程中复合微生物的生态环境平衡，以后仅需不断投入混合堆肥原料通过动态滚筒形成稳定的复合微生物内循环，节约普通堆肥每次发酵都需投入菌种的成本；5、通过滚筒的不断连续滚动将物料进行混合推进，物料混合更均匀，发酵更彻底，产生的有机肥类产品品质更加均匀一致；6、可以有效利用堆肥过程中产生的热量进行回馈，保证冬季低温条件下的高温堆肥；7、整个堆肥构建了一套完整的畜禽粪便肥料化的智能控制系统和技术方法，实现高效智能操控，节约人工成本。
37.以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。