碳酸法濾泥和木薯渣堆肥發(fā)酵的研究

王淑培等

摘 要 研究了碳酸法濾泥和木薯渣的配比、C/N、水分含量、發(fā)酵劑的添加量等4個影響因素對碳酸法濾泥和木薯渣堆肥發(fā)酵的影響。確定最佳的初始工藝參數(shù)為：碳酸法濾泥和木薯渣干重比為2 ∶ 1，C/N為30，水分含量為60%～65%，發(fā)酵劑的添加量為2%，并選取KH2PO4作為氮素的保留劑，探索其添加量對堆肥的影響，確定合適的添加量為0.18%。

關(guān)鍵詞 碳酸法濾泥；木薯渣；堆肥

中圖分類號 S141.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

Abstract The effects of the ratio of carbonation filter mud and cassava residue， C/N， the moisture content， the quantity of inoculation on carbonation filter mud and cassava residue high-tempreture compost were studied. Results showed that the optimum condition was： carbonation filter mud：cassava residue=2 ∶ 1（dry weight ratio）； carbon to nitrogen ratio 30 ∶ 1， the quantity of inoculation 2%； moisture content 60%～65%. KH2P04 was selected as the nitrogen retention agent and to explore the impact of the addition amount on the compost， and the appropriate addition amount was 0.18%.

Key words Carbonation filter mud； Cassva residues； Compost

碳酸法濾泥是糖廠采用碳酸法澄清工藝而排放的濾泥。碳酸法制糖工藝過程，需要加入大量的Ca（OH）2和CO2，產(chǎn)生的CaCO3沉淀以吸附蔗汁中的雜質(zhì)、膠體等非糖物質(zhì)。該工藝的優(yōu)點是生產(chǎn)的白糖質(zhì)量較高，但其產(chǎn)生的固體廢棄物——濾泥的排放量大（濕濾泥對蔗比約9%）、有機(jī)物含量低、鈣含量高、堿性強，新鮮濾泥的pH值達(dá)到9.47。中國現(xiàn)有碳酸法甘蔗糖廠每年榨蔗量約300萬t，濕濾泥產(chǎn)量約為30萬t。對碳酸法濾泥的治理和利用，國內(nèi)外糖業(yè)界進(jìn)行了大量的探索和研究，主要有：（1）工業(yè)上利用碳酸法濾泥生產(chǎn)水泥、玻璃、空心砌磚、碳酸鈣、拒水粉、燒石灰等產(chǎn)品[1]；（2）黃颯等[2]將碳酸法糖廠濾泥與酸性土壤混合后用于甘蔗種植；（3）溫韜等[3]研究了將碳酸法糖廠的碳濾泥進(jìn)行活化后，與石灰乳混合用來對蔗汁進(jìn)行亞硫酸法澄清，提高了清凈效果。（4）梁洪等[4]采用生物工程技術(shù)進(jìn)行碳酸法制糖濾泥、酒精廢液、蔗髓以及粉煤灰好氧發(fā)酵處理研究，制生物有機(jī)肥。碳酸法濾泥的研究和利用方法大多還處于試驗室研究階段或因技術(shù)存在成本高等難題，一直以來沒能得到較好的處 理，國內(nèi)外碳酸法糖廠的濾泥基本上都是采用濕排或干排處理，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。木薯渣是木薯生產(chǎn)加工淀粉或乙醇后的固體殘料，主要是由木質(zhì)纖維素組成，還含有少量的淀粉和蛋白質(zhì)。木薯渣的pH大約在3.5～4.5之間，有機(jī)物含量較高，但由于蛋白含量少，粗纖維含量高，且含有一定量的氰苷類物質(zhì)，適口性差，不適用直接飼喂家畜。中國每年因加工木薯淀粉和乙醇等其他物質(zhì)產(chǎn)生的木薯渣的量達(dá)到150 t。

目前，對木薯渣的利用主要有以下幾方面：（1）劉平[5]研究了木薯渣的生物發(fā)酵處理制備動物飼料；（2）蘇啟苞[6]以木薯稈屑、木薯渣為主要原料按不同比例配制培養(yǎng)基栽培杏鮑菇，完全可以滿足杏鮑菇菌絲生長和子實體發(fā)育的要求。（3）趙曉峰[7]等以木薯渣為原料，采用同步糖化發(fā)酵工藝，研究了將淀粉、纖維素、半纖維素水解糖分開或是共同發(fā)酵制乙醇過程。（5）厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣。盡管對木薯渣的研究范圍較為廣泛，但當(dāng)前對木薯渣的有效利用途徑還相對較少，除了小部分直接用作飼料和生產(chǎn)沼氣及培養(yǎng)食用菌外，大部分沒有得到充分的利用，這不僅造成了資源的浪費，還導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染。本研究針對碳酸法濾泥具有堿性，有機(jī)質(zhì)含量較少，不能直接用于還田施用的特點，利用酸性的木薯渣中和其堿性，經(jīng)過高溫堆肥化處理，實現(xiàn)其資源化的應(yīng)用，從而實現(xiàn)以廢治廢的目的。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 碳酸法濾泥 取自廣西南寧伶俐糖廠，取風(fēng)干2周后的樣品用超微粉粹機(jī)粉碎后備用。

1.1.2 木薯渣 取自廣西武鳴縣安寧淀粉廠。

1.1.3 堆肥發(fā)酵劑 為市購堆肥快速腐熟劑，產(chǎn)自江西省宜春市宜春強微生物科技有限公司，主要由嗜熱側(cè)孢霉、芽孢桿菌、乳酸菌、酵母菌、有機(jī)螯合微量元素、助劑、載體等構(gòu)成，其技術(shù)指標(biāo)為：有效活菌數(shù)>8×109 cfu/g、纖維素酶活力>600 u/g、蛋白酶活力>300 u/g、淀粉酶活力>300 u/g、水分含量<12%。

1.1.4 碳酸法濾泥和木薯渣的理化性質(zhì) 如表1所示。

1.2 試驗方法

1.2.1 溫控方式 實驗采用階段溫控方式，進(jìn)行好氧堆肥發(fā)酵，初始溫度為40 ℃（1 d）→50 ℃（1 d）→恒定溫度55 ℃（7 d）→50 ℃（1 d）→45 ℃（1 d）→40 ℃（1 d）→常溫。

1.2.2 通風(fēng)供養(yǎng)方式 采用間歇通風(fēng)和人工翻堆相結(jié)合的方式，通風(fēng)量為：0.25 L/min·kg，每天早上（8 ： 00）和晚上（20 ： 00）各通風(fēng)30 min。當(dāng)堆溫超過65 ℃時，適當(dāng)加大通風(fēng)量。每天中午（12 ： 00）攪拌翻堆1次。堆體降溫到45 ℃以下時，停止通風(fēng)供氧。

1.2.3 堆肥工藝參數(shù)的研究 影響堆肥效果的工藝參數(shù)相當(dāng)復(fù)雜，本試驗選擇碳酸法濾泥和木薯渣的配比、C/N、水分含量、發(fā)酵劑的添加量4個主要因素進(jìn)行實驗研究，以有機(jī)質(zhì)含量為測定指標(biāo)，確定最佳工藝參數(shù)。

碳酸法濾泥和木薯渣的配比：實驗設(shè)置A1（碳酸法濾泥：木薯渣為1 ∶ 1），A2（碳酸法濾泥：木薯渣為1 ∶ 15），A3（碳酸法濾泥：木薯渣為1 ∶ 2）3個配比，各配比均為干重比。調(diào)整各處理的水分含量為60%～65%，加入尿素，調(diào)整物料的C/N為30，之后加入2%（按木薯渣干重比）的堆肥發(fā)酵劑（為了便于菌種的接種均勻，在使用過程中，將發(fā)酵劑與等質(zhì)量的玉米粉混合均勻），攪拌均勻后，置于發(fā)酵箱中進(jìn)行好氧堆肥發(fā)酵，發(fā)酵15 d。

C/N：實驗設(shè)置B1（C/N為25），B2（C/N為30），B3（C/N為35），B4（C/N為40）4個C/N配比，對照組為CK（不進(jìn)行C/N的調(diào)節(jié)）。將碳酸法濾泥和木薯渣按干重比1 ∶ 2進(jìn)行配比，調(diào)整水分含量為調(diào)節(jié)水分為60%～65%，用尿素調(diào)整各處理的C/N之后加入2%（按木薯渣干重比）的堆肥發(fā)酵劑，攪拌均勻后，置于發(fā)酵箱中進(jìn)行好氧堆肥發(fā)酵，發(fā)酵15 d。

水分含量：實驗設(shè)置C1（50%），C2（60%），C3（65%），C4（70%）4個初始水分含量水平，對照組CK為不進(jìn)行初始水分的調(diào)節(jié)。將碳酸法濾泥和木薯渣按干重比1 ∶ 2進(jìn)行配比，調(diào)整各處理的水分含量，添加尿素原料C/N為30，之后加入2%（按木薯渣干重比加入）堆肥發(fā)酵劑，攪拌均勻后，置于發(fā)酵箱中進(jìn)行好氧堆肥發(fā)酵，發(fā)酵15 d。

發(fā)酵劑的添加量：實驗設(shè)置D1（1%），D2（2%），D3（3%）3個發(fā)酵劑接種水平，對照組CK為不接種處理。發(fā)酵劑與同等量的玉米粉混合均勻，便于菌種的接種均勻。將碳酸法濾泥和木薯渣按干重比1 ∶ 2進(jìn)行配比，調(diào)整水分含量為65%，加入尿素調(diào)整C/N為30，攪拌均勻后，置于發(fā)酵箱中進(jìn)行好氧堆肥發(fā)酵，發(fā)酵15 d。

1.2.4 保氮劑對堆肥發(fā)酵的影響 在最佳的初始工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，探索保氮劑--磷酸二氫鉀（KH2PO4）的添加量對堆肥發(fā)酵的影響。測定指標(biāo)為有機(jī)質(zhì)含量、pH值、EC、TN、TP、TK和總氮損失量NT-L[8]，有機(jī)質(zhì)含量、pH值、EC、TN、TP、TK的測定參照NY525-2012[9]。實驗設(shè)置3個KH2PO4的添加水平，即E1（0.06%），E2（0.12%），E3（0.18%），各處理KH2PO4的添加量均是對原料干重的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對照組CK為不進(jìn)行KH2PO4的調(diào)節(jié)。將碳酸法濾泥和木薯渣按干重比1 ∶ 2進(jìn)行配比，調(diào)整各處理的水分含量為65%，添加尿素原料C/N為30，各處理加入相應(yīng)的KH2PO4量，之后加入2%（按木薯渣干重比加入）堆肥發(fā)酵劑（為了便于菌種的接種均勻，在使用過程中，將發(fā)酵劑與等質(zhì)量的玉米粉混合均勻），攪拌均勻后，置于發(fā)酵箱中進(jìn)行好氧堆肥發(fā)酵，發(fā)酵15 d。NT-L的計算如下式所示：

NT-L/%=100-100×

1.3 統(tǒng)計分析

實驗數(shù)據(jù)使用Origin8.0和SPSS16.0進(jìn)行作圖和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料配比的確定

不同配比的實驗設(shè)計和性質(zhì)如表2所示。堆肥原料中的有機(jī)質(zhì)含量直接關(guān)系著堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量。有機(jī)質(zhì)含量較少時，堆肥環(huán)境不能為微生物提供足夠的碳源，導(dǎo)致微生物生長繁殖受到抑制，表現(xiàn)在堆體不能維持高溫堆肥狀態(tài)，有機(jī)質(zhì)降解不充分，腐殖化程度較淺，合適的堆肥有機(jī)質(zhì)的含量為20%～80%。而圖1所示為各配比的有機(jī)質(zhì)變化趨勢圖，各配比的有機(jī)質(zhì)降解率在前9 d的高溫期內(nèi)降解速度較快，在第12～15天的常溫條件下降解速度較慢，并逐漸趨于穩(wěn)定。至發(fā)酵結(jié)束時，A1（1 ∶ 1）、A2（1.5 ∶ 1）、A3（2 ∶ 1）的有機(jī)質(zhì)含量分別為：27.05%、31.45%、36.96%，有機(jī)質(zhì)的降解量分別為：29.68%、31.53%和35.28%，降解量最高的是A3，即碳酸法濾泥和木薯渣以1 ∶ 2配比的堆料。考慮到廣西區(qū)內(nèi)碳酸法濾泥與木薯渣產(chǎn)量比例在1 ∶ 1.3～2（干重比）之間，實際操作中，可選擇的原料配比為1 ∶ 1.5～2，本實驗采用1 ∶ 2的比例進(jìn)行進(jìn)一步的實驗。

2.2 最佳C/N的確定

不同C/N的實驗設(shè)計和堆體性質(zhì)如表3所示。不同C/N的物料在堆肥過程中的有機(jī)質(zhì)的變化如圖2所示。從圖2中可以看出，各C/N水平的有機(jī)質(zhì)的含量變化與對照組相比有明顯的差異。堆肥結(jié)束時，B1、B2、B3、B4和CK的有機(jī)質(zhì)降解量分別為：36.21%、34.01%、32.62%、30.70%和19.97%，其中C/N為25的有機(jī)質(zhì)的降解量最高，且與C/N為30的處理差異不大，降解量最低的是C/N為40的堆體。堆體中的C/N過低時，有機(jī)質(zhì)降解速度較快，堆體溫度較高，氮素?fù)p失較多[10]；而C/N過高時，微生物生長代謝的氮源相對缺乏，有機(jī)質(zhì)的降解速度減緩，發(fā)酵周期較長。因此綜合考慮下，選定C/N為30作為最優(yōu)的堆肥調(diào)節(jié)因素。

2.3 最佳水分含量的確定

不同水分含量的實驗設(shè)計和堆體性質(zhì)如表4所示。而圖3是不同初始水分含量的堆肥在發(fā)酵過程中有機(jī)質(zhì)的變化情況。從圖3中可以看出，各處理的有機(jī)質(zhì)含量在發(fā)酵期內(nèi)，均呈下降趨勢。50%的初始水分含量下，有機(jī)質(zhì)的降解速率較慢，明顯低于60%和65%初始水分含量的處理。說明50%的水分含量下，微生物的活性不高，對碳酸法濾泥和木薯渣的堆肥化處理不利；而70%水分含量相對較高，在0～6 d內(nèi)，對有機(jī)質(zhì)的降解率也較低，主要是高水分含量會影響空氣的擴(kuò)散，甚至?xí)斐删植繀捬醢l(fā)酵；在6 d后，由于水分的蒸發(fā)，降解率迅速升高。發(fā)酵結(jié)束時，C1、C2、C3、C4和CK的有機(jī)質(zhì)降解量分別為：28.86%、33.29%、33.39%、30.55%和32.95%。其中C2、C3與CK組有機(jī)質(zhì)的降解量差異不顯著，適當(dāng)高的水分含量則有利于抑制NH3的擴(kuò)散和NH4+的積累[11]，可以采用60%～65%的初始水分含量來進(jìn)行堆肥發(fā)酵。而且在原料水分含量浮動不大時，碳酸法濾泥和木薯渣以干重比1 ∶ 2進(jìn)行配比堆肥時，可以不進(jìn)行水分的調(diào)節(jié)。

2.4 最佳發(fā)酵劑接種量的確定

不同水分含量的實驗設(shè)計和堆體性質(zhì)如表5所示。圖4所示為接種不同量的堆肥發(fā)酵劑對堆肥中有機(jī)質(zhì)降解量變化圖。從圖4中可以看出，與對照組相比，接種發(fā)酵劑能明顯地加快有機(jī)質(zhì)的降解，主要是因為接種外源發(fā)酵劑能增加堆肥中微生物的數(shù)量，豐富微生物的群體多樣性，促進(jìn)堆肥的菌落演替，縮短堆肥周期，增加肥效成分的含量[12]。一般情況下，接種量越大，有機(jī)質(zhì)的降解的速度越快，堆肥化處理的時間越短。至發(fā)酵結(jié)束時，D1、D2、D3、CK的有機(jī)質(zhì)降解量的大小順序為D3>D2>D1>CK分別為：33.16%、35.50%、35.77%和16.98%，其中D2與D3的有機(jī)質(zhì)變化量差異不顯著（p>0.05），為節(jié)省成本，實驗采用2%的接種量進(jìn)行堆肥發(fā)酵。

2.5 磷酸二氫鉀（KH2PO4）添加量的確定

碳酸法濾泥和木薯渣的高溫好氧堆肥中，氮素的損失比較嚴(yán)重，主要是pH值的升高和堆體較高的溫度造成的氨氣揮發(fā)所致。控制氮素?fù)p失的方法可以通過調(diào)整堆體的pH值[13]、C/N，加入高碳類物質(zhì)，如草炭、秸稈、蚯蚓等，添加物理吸附性的沸石、硫酸亞鐵等；也可以添加化學(xué)物質(zhì)，如氫氧化鎂和磷酸混合物[14]、硫酸鹽和氯化物[15]、磷酸鹽類[16]、尿酶抑制劑[17]等。

2.5.1 pH值和有機(jī)質(zhì)含量的變化 圖5和圖6分別為是不同KH2PO4添加量對堆肥pH值和有機(jī)質(zhì)含量的影響，由圖可知，添加KH2PO4后堆肥處理的pH值較空白處理的pH值稍低，這是因為磷酸二氫鉀中氫離子的影響，與此同時有機(jī)質(zhì)的降解量也高于空白處理，是因為KH2PO4為堆料提供了磷素，磷是微生物合生細(xì)胞物質(zhì)的必需元素，由表1中原料性質(zhì)可知，原料中磷和鉀素相對缺乏，加入KH2PO4后，有效地調(diào)整了堆肥的C/P比，促進(jìn)了微生物的增殖，表現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)的降解量較高。反應(yīng)在pH值的變化上，堆肥0～4 d內(nèi)，E1、E2、E3的pH值由于小分子有機(jī)酸的積累低于CK，堆肥6 d之后，由于氨氮在堆體中的保留效應(yīng)，高于CK。發(fā)酵結(jié)束后，E1、E2、E3和CK的pH值分別為：8.55、8.62、8.72和8.47，有機(jī)質(zhì)的降解量分別為：33.09%、34.62%、34.47%和32.84%，其中E2、E3和CK的有機(jī)質(zhì)變化量有極顯著差異（p<0.01），E2、E3之間差異不顯著（p>0.05）。從pH值及有機(jī)質(zhì)的降解量這兩方綜合考慮，0.18%的KH2PO4的添加量較為合理。

2.5.2 總氮含量的變化及總氮損失量NT-L 圖7是堆肥過程中總氮含量的變化趨勢圖，各處理的總氮含量總體上都呈現(xiàn)增加的趨勢，且添加KH2PO4的處理增加幅度比空白的高，15 d時，E1、E2、E3和CK的總氮含量值分別為1.57%、1.63%、1.68%和1.38%，總氮的損失量如圖8所示，E3的氮損失量最低，為40.14%，E2和E3差異不顯著，均高于不添加KH2PO4的空白處理49.56%，表明KH2PO4能在一定程度上抑制尿素型氮源的揮發(fā)。好氧堆肥處理中，向堆肥原料中添加一定量的磷酸鹽和鎂鹽，可以形成磷酸鎂銨結(jié)晶體，該結(jié)晶體可以將氨固定在內(nèi)部，從而有效地抑制了氮素的損失[18]。

2.5.3 總磷和總鉀含量的變化 圖9和圖10是堆肥過程發(fā)酵過程中總磷（P2O5）和總鉀（K2O）的變化趨勢圖。各處理總磷和總鉀在堆肥前9 d增加量較為明顯，主要是堆肥過程中堆體體積變小，質(zhì)量減輕，使總磷和總鉀的相對含量比初始值高。發(fā)酵9 d后含量開始趨于穩(wěn)定。堆肥結(jié)束，E1、E2、E3和CK的總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）分別為：2.74%、3.19%、3.56%和2.25%，其中E1、E2、E3較空白處理總養(yǎng)分分別增加了17.97%、29.42%和36.84%，增加量顯著，主要是堆體體積變小，質(zhì)量減輕，使總磷和總鉀的相對含量比初始值高。從氮素的保留作用和增加肥效成分含量方面考慮，選擇0.18%的KH2PO4添加量作為碳酸法濾泥和木薯渣的初始發(fā)酵參數(shù)。

3 討論與結(jié)論

鄒璇[19]研究了木薯渣的堆肥條件及過程，表明木薯渣是一種優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)堆肥原料，但由于堆肥周期過長，基本未被木薯淀粉廠采用。梁洪[4]采用生物工程技術(shù)進(jìn)行碳酸法制糖濾泥、酒精廢液、蔗髓、粉煤灰好氧發(fā)酵處理研究，制生物有機(jī)肥，由于原料pH值較高，且物料組成的主要原料碳酸法濾泥煤灰的有機(jī)質(zhì)含量較低，而所加入的蔗髓量又少，發(fā)酵物料中的有機(jī)質(zhì)主要來自酒精廢液，物料中的有機(jī)質(zhì)容易被微生物分解轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水蒸汽導(dǎo)致發(fā)酵物料有機(jī)質(zhì)含量較難提高，未能很好地推廣。王淑培[20]探討碳酸法濾泥和木薯渣快速資源化利用的可行性，試驗表明碳酸法濾泥提供了弱堿性的環(huán)境，更利于堆肥微生物的生長代謝，同時堿性的濾泥使得木薯渣中的纖維素成分易于軟化，從而添加碳酸法濾泥能明顯縮短堆肥周期。本文利用兩者的酸堿互補優(yōu)勢及有機(jī)質(zhì)含量互補優(yōu)勢，從影響微生物活性的角度選擇了原料配比、C/N、水分含量、發(fā)酵劑添加量4個因素研究了利用碳酸法濾泥和木薯渣進(jìn)行高溫堆肥試驗，以有機(jī)質(zhì)的降解率為參考指標(biāo)，得到的優(yōu)化參數(shù)為：碳酸法濾泥和木薯渣干重比為2 ∶ 1，C/N為30，水分含量為60%～65%，發(fā)酵劑的添加量為2%，此時有機(jī)質(zhì)的降解率達(dá)到35.5%。該優(yōu)化參數(shù)條件下，KH2PO4添加量為0.18%時，氮素的損失量達(dá)到最低值40.14%。

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