糖廠濾泥發酵制成生物有機肥

摘要：【目的】掌握采用糖廠濾泥經功能菌發酵制成生物有機肥的特點和規律，為促進廣西蔗區糖料蔗產業可持續生產提供技術支持，同時為政府制定農業種植環境保護相關政策提供決策參考。【方法】在廣西重要蔗糖生產區（來賓市興賓區和崇左市大新縣）開展以糖廠濾泥為原料、發酵生產生物有機肥的田間試驗，研究糖廠濾泥發酵生產生物有機肥的特征及肥效。【結果】采用功能菌發酵糖廠濾泥生產生物有機肥的腐熟速度快，受環境因素影響較小，發酵效果穩定，發酵溫度最高達77.2 ℃，且70.0～77.2 ℃的維持時間長達12 d；發酵后的有機質含量和有機酸轉化率優勢明顯，分別較傳統（自然）發酵提高30.2%和12.3%（絕對值）。功能菌發酵生物有機肥對水稻、黃瓜和甘蔗有明顯的增產作用，對應的平均產量分別為5971.5、76705.5和118780.5 kg/ha，較施等量傳統（自然）發酵生物有機肥處理分別增產7.83%、41.19%和6.91%。施用功能菌發酵生物有機肥的土壤理化性狀指標均高于施用傳統（自然）發酵生物有機肥處理，其中土壤有機質、速效氮、速效磷和速效鉀的含量分別為15.75 g/kg、67 mg/kg、14 mg/kg和69 mg/kg，而氮、磷和鉀利用率分別為39.3%、12.8%和52.8%。【結論】采用功能菌發酵糖廠濾泥生產生物有機肥較傳統（自然）發酵糖廠濾泥生產生物有機肥更具優勢，具體表現為腐熟速度快、發酵溫度高且保持時間長、發酵后有機質含量和有機酸轉化率優勢明顯，同時具有增產、提高土壤肥力和肥料利用率的作用，生產上可大面積推廣應用。

關鍵詞： 糖廠濾泥；發酵；生物有機肥；肥效；特征

中圖分類號： S141.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）03-0428-05

0 引言

【研究意義】廣西是我國最大的糖業基地，蔗糖產量約占全國的70%（李楊瑞等，2014；覃澤林等，2015；譚芳等，2016）。蔗糖是廣西的重要經濟支柱產業，在榨糖過程中每噸甘蔗將產生3.5%～4.8%的濾泥，平均約4.2%。據統計，廣西年均產原料蔗5600萬t，榨糖產生的濾泥約235.2萬t，但長期以來亞硫酸法糖廠濾泥被隨意排放，造成嚴重的環境污染。亞硫酸法糖廠濾泥的主要成分是甘蔗從土壤中吸收的各種營養物質及其體內合成的各種有機物質，包括農作物生長所必需的氮、磷、鉀及其他大量、微量元素等（羅為群等，2009）。因此，利用亞硫酸法糖廠濾泥發酵制成富含腐殖酸的生物有機肥，并在農業生產上進行資源化推廣應用，既能解決亞硫酸法糖廠濾泥對環境的污染問題，又能緩解農業生產中土壤肥力下降的問題，變廢為寶，促進蔗糖產業持續健康發展。【前人研究進展】亞硫酸法甘蔗制糖濾泥中含有大量有機物、氮、磷和微量金屬元素等微生物生長所必需的營養物質（鞠然等，2011），直接用于農業生產已有較多報道。傅顯華等（1992）研究發現，采用蔗渣和濾泥作花卉栽培基質時，蔗渣需通過自然堆漚或加氮處理再與濾泥配合使用，其最佳組合方式視蔗渣堆漚腐熟程度及濾泥含鹽量而定；邢世和和周碧青（2003）研究證實，施用20%粉煤灰+80%糖廠濾泥的混合物對供試土壤的改良和大麥的增產效果顯著；譚宏偉等（2016）研究表明，全部施用濾泥和酒精廢液于蔗田，蔗區每年可節省化肥150萬～200萬t，并增加土壤有機質120萬～165萬t，對提高蔗區的土壤肥力發揮積極作用。在以糖廠濾泥制備有機肥方面，林天木（1997）以蔗糖濾泥為主要原料，配以無機化肥研制成有機─無機高效復合肥；虎玉森和王興民（1998）研究表明，合理利用濾泥制備成不同用途的濾泥復合肥是改善土壤理化性質、減少環境污染及提高糖廠綜合效益的有效途徑；梁洪（2005）通過碳酸法制糖濾泥資源化利用中試研究證實，采用生物工程技術進行碳酸法制糖濾泥、酒精廢液、蔗髓及粉煤灰好氧發酵處理而制備生物有機肥，是實現碳酸法糖廠固體廢棄物資源化利用的有效途徑；王淑培等（2013）研究表明，木薯渣與碳法糖廠濾泥干重比為1∶1或2∶1，經過20 d的堆肥發酵后均能達到無害化的腐熟標準，有機質降解率在50%以上，可用作土壤底肥或是添加氮、磷、鉀等營養元素制成高質量的有機肥。【本研究切入點】制糖濾泥是長期困擾糖廠的最大污染源，直接排放極易造成嚴重的環境污染。在其資源化利用方面，主要是以制糖濾泥為原料、配以無機化肥研制成有機—無機高效復合肥或作為充填料，而針對糖廠濾泥采用功能菌發酵制成生物有機肥的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】掌握采用糖廠濾泥經功能菌發酵制成生物有機肥的特點和規律，為促進廣西蔗區糖料蔗產業可持續生產提供技術支持，同時為政府制定農業種植環境保護相關政策提供決策參考。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

糖廠濾泥由來賓市興賓區華糖永鑫糖廠和崇左市大新縣雷平糖廠提供，菌曲（由枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌和膠凍樣芽孢桿菌制成）購自中國農業科學院微生物菌種保藏中心。糖廠濾泥pH 4.6～6.3，有機質含量30.3%～67.2%，N、P2O5、K2O、CaO和MgO含量分別為0.9%～1.3%、0.6%～1.4%、0.4%～0.7%、4.9%～5.9%和0.9%～1.2%，蔗糖分含量0.35%～1.21%，主要有害元素Pb（未檢出）、Cr（17～38 mg/kg）、Cd（2.4～3.9 mg/kg）、Hg（0.5～1.9 mg/kg）、As（3.5～7.7 mg/kg）均低于國家生物有機肥料的限定含量標準。試驗點分別設在來賓市興賓區和崇左市大新縣，均為廣西的重要蔗糖生產區。

1. 2 發酵制成生物有機肥方案

方案1[傳統（自然）發酵生產生物有機肥]：采用濾泥發酵（堆漚）條垛式，將水分含量50%～55%的濾泥堆成寬1.5～2.0 m、高0.5 m的條形發酵堆，每隔7～9 d翻堆1次。

方案2（功能菌發酵生產生物有機肥）：同樣采用濾泥發酵（堆漚）條垛式，將水分含量50%～55%的濾泥與菌曲混合均勻，然后堆成寬1.5～2.0 m、高0.5 m的條形發酵堆，每隔4～5 d翻堆1次。

1. 3 發酵生物有機肥內含物測定

1. 3. 1 細菌蛋白酶活力（PA） 采用紫外分光光度計法進行測定，PA計算公式為：

PA（U/g）=△A/W×100

式中，△A為樣品與空白吸光度差值（A1-A2），W為反應中酶用量（g）。

1. 3. 2 蔗糖含量（X） 采用滴定法進行測定，計算公式為：

X（%）=（R2-R1）×0.95

式中，R1為未經水解處理的還原糖含量（%），R2為水解處理后的還原糖含量（%），0.95為還原糖（以葡萄糖計）換算為蔗糖的系數。

1. 3. 3 有機酸含量（ω） 采用滴定法，根據NaOH標準溶液的濃度（C）和消耗體積（V）計算有機酸含量：

式中，C為NaOH標準溶液濃度（%），V為NaOH標準溶液消耗體積（mL），M為有機酸摩爾質量（mol/L），m為稱取有機酸樣品質量（mg）。

1. 4 土壤肥力及養分利用率分析

作物收獲后采集耕層土樣測定有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷和速效鉀含量，具體測定方法參考《土壤農業化學分析方法》（魯如坤，2000）。其中，有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定，速效氮采用堿解擴散法測定，速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提、鉬藍比色法測定，速效鉀采用1.0 mol/L中性NH4OAC浸提、火焰光度法測定，全氮采用半微量凱氏定氮法測定，全磷采用NaOH熔融鉬銻抗比色測定；全鉀采用NaOH熔融火焰光度法測定。

2 結果與分析

2. 1 糖廠濾泥發酵生物有機肥的升溫變化特征

以糖廠濾泥為原料、功能菌發酵生產生物有機肥時，堆漚第3 d的堆肥溫度可達45.0～54.0 ℃，第7 d升至70.0 ℃以上，維持在70.0～77.2 ℃的時間長達12 d，從第19 d后迅速降低，直至與傳統（自然）發酵生產生物有機肥的一致。在整個堆肥過程中，傳統（自然）發酵生產生物有機肥的溫度變化幅度相對平緩，堆漚第6 d的堆肥溫度才40.0 ℃，最高溫度僅為63.0 ℃，保持在60.0 ℃以上的時間僅有5 d，明顯低于功能菌發酵生產生物有機肥。

2. 2 糖廠濾泥發酵生物有機肥的組分分析結果

有益微生物的代謝產物均在發酵階段產生，主要包括三類代謝物：第一類是酶，如纖維素酶群、蛋白酶群、氧化酶、糖化酶、水解酶和酰化氨基酸酶等；第二類是有機酸，如腐植酸、吲哚乙酸、赤霉乙酸和檸檬酸等；第三類是生物素，如赤霉素、各種抗生素及酮類物質。細菌蛋白酶活力測定結果顯示，傳統（自然）發酵生物有機肥的細菌蛋白酶活力為1.023×104 U/g，遠低于功能菌發酵生物有機肥的細菌蛋白酶活力（1.793×106 U/g）。功能菌的發酵作用能有效分解糖廠濾泥中的蔗糖分（表1），使其蔗糖分含量由0.39%～1.21%（平均為0.99%）降至0.05%～0.13%（平均為0.07%），對糖廠濾泥發酵生產生物有機肥十分有利。

在以傳統（自然）發酵糖廠濾泥生產生物有機肥的過程中，有機物料轉化為有機酸的轉化率為59.7%，而采用功能菌發酵生產生物有機肥的轉化率達89.9%，較傳統（自然）發酵生產生物有機肥高出30.2%（絕對值，下同）。在糖廠濾泥發酵制備生物有機肥的有機質含量方面，采用功能菌發酵生產生物有機肥的有機質含量為45.7%，較采用傳統（自然）發酵生物有機肥（33.4%）高出12.3%。

2. 3 糖廠濾泥發酵生物有機肥的肥效

糖廠濾泥發酵生物有機肥對水稻、黃瓜和甘蔗產量影響的田間試驗結果（表2）表明，施用功能菌發酵生物有機肥的平均水稻產量為5971.5 kg/ha，較施等量傳統（自然）發酵生物有機肥的處理增產433.5 kg/ha，增幅達7.83%；施用功能菌發酵生物有機肥的平均黃瓜產量達76705.5 kg/ha，較施等量傳統（自然）發酵生物有機肥的處理增產22378.5 kg/ha，增幅達41.19%；施用功能菌發酵生物有機肥的平均甘蔗產量為118780.5 kg/ha，較施等量傳統（自然）發酵生物有機肥的處理增產7675.5 kg/ha，增幅為6.91%。

2. 4 糖廠濾泥發酵生物有機肥對土壤肥力及養分利用率的影響

以蔗區土壤有機質及連續5年施用糖廠濾泥發酵生物有機肥的效應研究為例，探討施用糖廠濾泥發酵生物有機肥對土壤有機質、速效氮、速效磷和速效鉀含量等理化性狀的影響，結果顯示，施用功能菌發酵生物有機肥的土壤理化性狀指標均高于施用傳統（自然）發酵生物有機肥的處理（表3），其中土壤有機質、速效氮、速效磷和速效鉀的含量分別為15.75 g/kg、67 mg/kg、14 mg/kg和69 mg/kg。

由表4可知，施用功能菌發酵生物有機肥處理的氮、磷和鉀利用率分別為39.3%、12.8%和52.8%，較施傳統（自然）發酵生物有機肥處理的氮、磷和鉀利用率提高18.3%、2.2%和21.6%，比僅施用化肥的處理提高15.0%、4.5%和30.8%；與僅施用化肥的處理相比，施用傳統（自然）發酵生物有機肥處理的氮利用率降低3.3%，而磷、鉀利用率提高了2.3%和9.2%。

3 討論

目前，糖廠濾泥的綜合利用可概括為濾泥生產復合肥、加工成動物飼料、提取蔗蠟及植物固醇、制備材料以添加劑及作為生物質燃料等5個方面（左見軍等，2014）。林天木（1997）、虎玉森和王興民（1998）、梁洪（2005）、王淑培等（2013）先后以糖廠濾泥為主要原料制成有機—無機高效復合肥，并證實是實現碳酸法糖廠固體廢棄物資源化利用的有效途徑。本研究應用微生物技術結合功能菌發酵生產生物有機肥，結果表明，采用功能菌發酵糖廠濾泥生產生物有機肥較傳統（自然）發酵方式的腐熟速度快，發酵溫度最高達77.2 ℃，且70.0～77.2 ℃的維持時間長達12 d；功能菌發酵生物有機肥的有機質含量和有機酸轉化率優勢明顯，分別較傳統（自然）發酵生物有機肥提高30.2%和12.3%。施用功能菌發酵生物有機肥對水稻、黃瓜和甘蔗有明顯的增產效果，較施等量傳統（自然）發酵生物有機肥分別增產7.83%、41.19%和6.91%；對土壤有機質、速效氮、速效磷和速效鉀含量也有明顯影響，均高于施用傳統（自然）發酵生物有機肥的處理，含量分別為15.75 g/kg、67 mg/kg、14 mg/kg和69 mg/kg；在氮、磷和鉀利用率方面分別為39.3%、12.8%和52.8%，較施傳統（自然）發酵生物有機肥處理的氮、磷和鉀利用率分別提高18.3%、2.2%和21.6%，比僅施用化肥的處理提高15.0%、4.5%和30.8%。可見，采用功能菌發酵糖廠濾泥生產生物有機肥較傳統（自然）發酵糖廠濾泥生產生物有機肥更具優勢，可大面積推廣應用。

肥料廠一般采用傳統的條垛式堆漚、槽式堆漚發酵生產肥料，有的甚至采取露天堆漚，不僅占地面積大，易產生臭氣和污水，影響周邊環境，還受天氣條件限制，質量不穩定，生產周期長，運行成本高（王懷利等，2010；廖青等，2013）。堆漚發酵過程的腐熟速度慢，受環境因素影響較大，發酵效果不穩定，通常需要35～45 d才能完成一次腐熟過程；而采用功能菌發酵生產生物有機肥的腐熟速度快，受環境因素影響較小，發酵效果穩定，僅需20～25 d就能完成一次腐熟過程。生產上的常用菌種有巨大芽孢桿菌、釀酒酵母、涇陽鏈霉菌、綠色木霉、白地霉、嗜熱側孢霉、熱地假絲酵母、枯草芽孢桿菌、圓褐固氮菌、膠凍樣芽孢桿菌、沼澤紅假單胞菌等（王懷利等，2010；許永勝等，2015）。綜合本研究結果可知，開展糖廠濾泥發酵制成生物有機肥已在以下幾個方面取得突破：（1）解決菌群間拮抗干擾的突破。產品的生產工藝成功解決了菌群間拮抗干擾和平衡肥效的量變關系，有效提高了該技術在生產應用中的實用性與高效性。這些配組菌群能在土壤中形成強大的有益生物群體，通過接力式代謝和多層次分解與轉化而產生各種活性基團，并不斷產生腐植酸，促使土壤中的有機物轉化為優良的植物養分。（2）組配菌種株數創新。組配菌種達10～11株，菌種數量越多其功能作用就廣。（3）設計采用的菌株耐高溫性。功能菌發酵溫度最高達77.2 ℃，且70.0～77.2 ℃的維持時間長達12 d。此發酵溫度不僅縮短有機質的腐熟分解周期，還能殺滅堆腐原料中的其他有害菌群。

4 結論

采用功能菌發酵糖廠濾泥生產生物有機肥較傳統（自然）發酵糖廠濾泥生產生物有機肥更具優勢，具體表現為腐熟速度快、發酵溫度高且保持時間長、發酵后有機質含量和有機酸轉化率優勢明顯，同時具有增產、提高土壤肥力和肥料利用率的作用，生產上可大面積推廣應用。

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（責任編輯 蘭宗寶）