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user: 1. 有机肥的背景与生产 1.1. 有机肥的产业现状 我国每年农业废弃物约48.8亿吨，富含有机物、大量元素、中量元素和微量元素，科学合理地利用则能清洁环境、恢复土壤。农业部在2016年提出《农业综合开发区域生态循环农业项目指引(2017~2020年)》，如何推动资源利用高效化、农业投入减量化、废弃物利用资源化、生产过程清洁化，实现区域生态循环农业，成为一个重要研究方向。据统计，中国科学院部分生态所实施的项目农业废弃物资源的循环利用率达100%，大田作物使用畜禽粪便和秸秆等有机肥氮替代化肥氮达30%以上，农产品增值及农民增收均提高10%以上。 有机肥是废弃物利用资源化的重要一环，由于其营养物质能完全释放在田地中，且其营养成分种类较化肥更多，肥效时间更长，因此对土壤肥力和作物生长有重要的影响。2004年至2016年，中央连续13年发布“三农”主题的中央一号文件，12次将有机肥产业纳入中央一号文件。目前英美等许多西方国家有机肥用量占肥料使用总量的50%，而我国有机肥使用比例不到20%，总的来说，有机肥生产应用现状如下： 1) 有机肥行业处于蓬勃发展阶段，有机肥企业不断增多，包括精制有机肥企业、生物有机肥企业、有机无机复混肥企业及一些新型肥料企业，年设计产能34，820 kt/a，年产量16，300 kt，产能发挥率47%。 如图1、图2所示，据农业部全国农业技术推广服务中心统计，全国规模化有机肥生产企业2282家，产能100 kt/a以上的占3%，产能20至100 kt/a的占21%，产能5至20 kt/a的占40%，产能小于5 kt/a以下的占36%。其中，有机肥企业986家，占43%；生物有机肥企业296家，占13%；有机无机复混肥企业809家，占35%；其他新型肥料企业192家，占9%。 2) 有机肥市场需求广阔，2002年国家首次制定有机肥行业标准(NY525-2002)，自2008年开始有了爆发式的发展，2013年始有机肥平均销售额以每年30%递增，行业发展空间面临提升。 表1为近年来国家关于有机肥的重大政策时间点。 图1. 不同年产能(单位：kt/a)的有机肥厂家数目比例 图2. 不同类型产品(单位：kt/a)的有机肥厂家数目及百分比 Table 1 The strategies or regulations about organic fertilizers in China by governmen 出台时间 政策 2015年3月 化肥使用量零增长行动实施 2016年1月 有机肥、生物有机肥新标准实施 2016年5月 “土十条”发布 2016年9月 有机肥中抗生素残留检测方法国家标准公布 2017年2月 果菜茶有机肥替代化肥方案实施 表1. 国家出台的关于有机肥的重大政策 2016年国务院发布“土十条”，切实加大秸秆还田、有机肥增施力度，化肥行业发生供给侧结构性改革及升级转型，人们对绿色农产品、有机农产品、无公害农产品的需求显著提高，种植业发生结构调整，有机肥行业面临一体化服务(测土配肥、水肥一体化、施肥机械化)。 3) 有机肥产品质量不统一，原料受到重金属、抗生素及有机污染，监测标准有待强化，配方有待完善，营养成分不足，肥料管理工作完成质量不达标。 2012年，农业部出台了新的有机肥行业标准NY525-2012 (如表2所示)，对有机肥的N、P、K及有机质含量、菌数目、总养分质量分数、水分、PH值、重金属含量、细菌、蛔虫卵死亡率、大肠杆菌群数、微量元素有了新的规定。而有机废物不同，其养分含量和有效性不同，加上各地农业生产的地域特点，如何改善有机原料处理工艺和有机肥生产工艺，科学配方，严格执行行业标准，避免“价格战”引起的“恶性竞争”，保证有机肥产品的质量，才能从根本上改善种植业人员使用有机肥的积极性，从而促进土壤和环境的改善，真正实现生态农业的推广。 表2为国家最新出台的有机肥(NY525-2012)及生物有机肥(NY884-2012)的行业标准。 Table 2 The latest official standards of biological organic fertizer product and organic fertilizer product in Chin 项目 有机肥标准NY525-2012 生物有机肥NY884-2012 有效活菌数(cfu)，亿/g ≥0.2 有机质(以干基计)，% ≥40.0 ≥45 总养分(N，P，K)，% ≥5 水分，% ≤30.0 ≤30 pH值 5.5~8.5 5.5~8.5 粪大肠菌群数，个/g ≤100 符合NY884的要求 蛔虫死亡率，% ≥95 有效期，月 ≥6 总砷(As) (以干基计) ≤15 mg/kg ≤15 mg/kg 总镉(Cd) ≤3 mg/kg ≤3 mg/kg 总铅(Pb) ≤50 mg/kg ≤50 mg/kg 总铬(Cr) ≤150 mg/kg ≤150 mg/kg 总汞(Hg) ≤2 mg/kg ≤2 mg/kg 表2. 国家出台的关于生物有机肥、有机肥的最新行业标准 1.2. 有机肥生产的技术现状 1988年，国务院第一次发布“关于重视和加强有机肥料工作”的指示，1995年夏季农业部“沃土计划”开始实施，全国积极制造有机肥。有机肥的生产已经在各地开展，常见的有机肥生产系统如图3所示。 图3. 有机肥生产系统 有机肥原料包括两种：一是畜禽粪尿(年资源总量约22亿t)、秸秆(年资源总量约7亿t)、绿肥(年资源总量约1亿t)、饼肥(年资源总量约0.25亿t)，不需要加工能直接施用，称为基本肥料；另一是堆沤肥(年资源总量约23亿t)、沼气肥、厩肥、草木灰，需要加工后才能使用，称为派生资源。1980年以前我国的有机肥以积造为主，1980年始有机肥开始得到工业化生产，以垛式堆肥为主，腐熟过程得到无害化处理。 有机肥生产主要包括：粉碎、除臭、发酵、搅拌、翻堆、造粒、抛圆、烘干、冷却、筛分、包膜、包装等环节。目前生产有机肥的技术瓶颈如下： I、发酵设备及发酵工艺 图4. 有机肥生产的发酵系统 早期的堆肥工艺是静态堆肥，常常由于供氧不足而转化成厌氧发酵，产生大量硫化氢等臭气，不仅污染环境且有爆炸风险。在上世纪中期，最早由德国的BACKHUS (巴库斯)公司研制出了用了改善好氧发酵堆肥中供氧和改善物料形状的机械设备，既能加快发酵速度，又能除去臭味、对环境不产生公害。目前的常见发酵设备(如图4所示)包括塔式发酵筒、翻抛机或者翻堆机(图5所示)，以好氧固态发酵为核心工艺，技术处于摸索起步阶段 [ 1 ] 。其中，臭味的去除、污染物的剔除、养分的保全、发酵的时间、添加的有益微生物菌种成为了腐熟发酵的技术难题。 图5. 有机肥发酵时的翻堆机 II、造粒设备及造粒技术 常见的化肥造粒工艺有：转鼓造粒、圆盘造粒、喷浆造粒、高塔造粒，而有机肥造粒主要采用转鼓造粒、圆盘造粒和对辊造粒，主要衡量指标为合格成粒率、大球率 [ 2 ] 。 转鼓造粒又叫滚筒造粒(如图6所示)，也是复合肥生产最常用的设备。一条生产线的成本约2~3百万，日产量可达280~400吨，好的配方甚至能达到500吨以上；但是氮肥配比不能太高，氮大于22、浓度再大于40时物料反映出水，烘干条件很难同时达标。 图6. 转鼓/滚筒造粒 圆盘造粒(如图7所示)将所有原料混合后进入圆盘，通过圆盘转动使物料团聚成球。特点是设备简单、投资少、见效快；缺点是只适合小规模生产、效率低下、日产量只有几十吨，而且配方有限制，需要有粘性物料，只适合做低浓度肥料。 图7. 圆盘造粒 对辊挤压造粒(如图8所示)将粉料挤压成型、破碎、成品筛分等工序合为一体，结构紧凑，方便操作。粉料从料斗连续均匀加入至两轧辊的上方，在挤压轧辊连续旋转作用下，粉料被咬入两轧辊间挤压成板料，然后在离心作用和板料自身重力作用下脱落，至带有齿爪的整形轮经打击而被分开成颗粒，再进入 图8. 对辊挤压造粒 分料筛网上。筛下粉料送回返料，筛上粒料经滚筒滚动，磨去颗粒的锐角，由筛斗上出料口流出进包装。轧辊的移动侧轴承支座装有弹簧，借助弹簧的变形使支座平衡移动，调整两轧辊的距离，以维持所需的挤压压力。挤压造粒适于高中低浓度肥，无需干燥，常温生产。 1.3. 有机肥生产的设备现状 李省等 [ 3 ] 对不同工艺的有机肥制造设备，分析了常见核心设备的工作参数及优缺点，总结如下： 1) 固液分离设备： ① 旋转滚筒筛分离机：利用反切旋转原理分离，结构紧凑、质量可靠、操作方便、运行简单、场地清洁、效率高，1.1 kW的电机每天处理能力50~100 t/d。 ② 螺旋挤压固液分离机：利用螺旋挤压原理分离，结构紧凑、投资小、效率高、能耗低、保养便捷，4kW的电机每小时处理能力8~10 m 3 /h。 2) 原料粉碎设备： ① 打散机：待粉碎物料的含水率较高、易结团、粒度不太细，要求相对转速低、无筛、防黏结、易清理，30 kW的电机每天处理能力40~80 t/d。 ② 切草机：待粉碎物料的含水率较低、长纤维类，加工长度15~50 mm，1.5~2.2 kW的电机每小时处理能力0.5 t/h。 ③ 锤片粉碎机：待粉碎物料的含水率较低、多为粮食加工后的废弃物，如稻壳、玉米棒、饼粕等，可生产2~10 mm，110 kW的电机每小时处理能力8~20 t/h。 ④ 木材粉碎机：待粉碎物料为干木质类，15 kW的电机每小时处理能力0.8~1 t/h。 ⑤ 树枝粉碎机：待粉碎物料为新鲜木质类，如：树枝、花草，22~55 kw的电机每小时处理能力1~4 t/h。 3) 原料搅拌设备： ① 双轴无重力式搅拌机：有机原料高湿性、黏结性，而辅助物料比较干、轻，因此各种物料的含水率和密度相差悬殊，此搅拌机对物料的含水率、比重、粒度要求不高，属于强制型搅拌。 ② 双轴桨叶无重力搅拌机：利用对流搅拌原理，物料在上抛运动形成流动层，瞬间失重，达到最佳混合效状态，混合器公称容积4 m 3 ，电机18.5~37 kW，每批混合量1.6~2.4 t，每批混合时间5 min。 4) 发酵设备： ① 条垛式发酵设备：占地面积大，生产周期长：约2个月，工艺简单，成本低，采用自走式翻堆机：包括轮式、履带式，35 kW的电机每小时处理能力500~700 m 3 /h，价格约5万元。 ② 槽式发酵设备：占地面积为条垛式的三分之一，发酵周期中等：约1个月，处理量大，操作简单，可无人驾驶，废气可集中密封处理。北方为下沉式坑槽，南方为水泥地面建间隔墙，间隔墙的顶端铺设导轨，翻堆机在导轨上行走，通过换轨机构从一条槽移至另一条槽，槽深0.7 m~2.5 m，槽底铺通气管，深度大于1.5 m的翻堆机可设计加氧装置。43 kW电机的链板式翻堆机每天处理能力240 m 3 /d，价格约50万元。 ③ 塔式发酵设备：占地面积最小，效率最高，发酵周期最短：约1周，维护费用及设备成本最高。每天翻塔1次，发酵热利用充分，耗能低，通气性好，除臭只需1~2 d，不受气候影响，生产环境好，自动化程度高，能连续进、出料。产能8 t/d的发酵塔价格30万元左右。 ④ 无臭好氧堆肥处理设备：源于德国UTV公司，堆体3.5 m高，底部铺设氧气通风管道，表面覆盖特质覆膜篷布，用多点温度传感器和氧传感器实时监控。一次发酵4周，一次翻堆后隔2周二次发酵，二次翻堆后隔2周可出产。一套设备约600万元。 5) 造粒设备： ① 挤压造粒机：堆肥含水率20%~30%时，进入压粒机挤压成圆柱状颗粒，帮你实现机械化施肥，模具费用高，造粒简单。 ② 圆盘造粒机：利用无机复合肥生产的团粒法原理，但由于堆肥含水率原因，料粒度粗、纤维多、结团多，因此难以团聚成粒。设备小巧，产能低，约3~5万元。 ③ 转鼓造粒机：与圆盘造粒都是团粒法，体积庞大，长达10 m，产能大：最小的达到3 t/h，价格更贵：约10万元。 ④ 对辊造粒机：关键结构为滚轮及模具，由电动机驱动皮带及皮带轮，通过减速机传递给主动轴，通过对开式齿轮与被动轴同步相向工作。物料从进料斗加入，经对辊挤压成型，脱模造球，经过一对链条传动，送到破碎筛。 6) 烘干设备： ① 滚筒式干燥机：采用低温大风量多段连续干燥，由于有尿素等熔解黏结物料，无机肥生产也用的较多。7.5 kW的电机每小时处理能力为2.5~3.5 t。 ② 水平圆振动干燥机：主机体由多层环状孔板组成，两台同步振动电机交叉布置在主机体下部，主机体上部装有进料口、进风口、出料口。由安装于主机体下部的两台振动电机同步反向回转，使安装于其上的多层环状孔板组成的主机体产生垂直振动与扭振，从而使由进料口进入的物料沿水平环状孔板自上层向下层连续跳跃运动；热风则自下层向上层通过各层孔板、穿过物料层，达到的物料均匀烘干目的。