豆制品行業廢棄物轉化生物有機肥的探索性研究

瞿虞珍

（上海清美綠色食品（集團）有限公司，上海 201300）

豆渣和黃漿水是我國豆制品生產過程中的主要副產品，在我國產量巨大。1 kg泡豆水產出的豆渣超過30%，豆渣富含豐富的有機物，是一筆可回收利用的寶貴資源[1]。豆渣中含有3種抗營養因子，即胰蛋白酶抑制素、致甲狀腺腫素和凝血素，特別是胰蛋白酶抑制因子會阻礙動物體內胰蛋白酶對豆類蛋白質的消化吸收，不能直接用于畜禽養殖，且豆渣含水量高（85%），蛋白質、脂肪含量豐富，極易發霉、腐敗、變質，限制了其高效再利用。黃漿水脫水后的污泥中有機物含量豐富，直接廢棄不僅會造成有益營養大量流失，同時也會造成環境的可生化污染[2]。

本研究著眼于豆制品行業廢棄物豆渣和黃漿水，采用好氧發酵方式將其轉化為生物有機肥，并將堆肥成品施用于一般植物中，力求開發一套簡便易行且安全高效的豆制品行業廢棄物處理方案，解決豆制品行業廢棄物對環境造成的污染問題，實現豆制品行業環境零污染，有序形成豆制品行業綠色循環產業鏈，為實現豆制品副產物高附加值再利用的開發研究提供理論依據，探索出一條豆制品行業廢棄物處理的新思路。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

豆渣，上海清美集團生產車間副產物；黃漿水污泥，上海清美集團提供；稻殼和秸稈，清美集團公司附近農戶提供；EM發酵菌劑，上海創博生態工程有限公司提供；污泥疏水試劑，上海清美集團技術中心開發；上海青蔬菜種子，來源于綠亨科技股份有限公司。

1.2 主要試劑與儀器

調pH試劑Na2CO3溶液，水分測定儀、溫度計、彈性軟框高壓壓濾機、通氣管、滲濾液收集管、TOC測定儀、螺旋擠壓脫水生產線設備。

1.3 原料預處理方法

1.3.1 豆渣脫水處理方法

豆渣的脫水采用螺旋擠壓脫水生產線設備，含有機質高濕物料的濃縮：當螺旋推動軸轉動時，設在推動軸外圍的多重固活疊片相對移動，在重力作用下，水從相對移動的疊片間隙中濾出，實現快速濃縮，可達到豆渣含水率為50%～55%的效果。

1.3.2 黃漿水污泥預處理方法

取清美公司豆制品廢棄的黃漿水污泥（含水量80%左右），按相應比例加入生石灰粉末和污泥疏水試劑，采用彈性軟框高壓壓濾機壓榨脫水，脫水后含水率60%左右。脫水污泥經調理壓濾后，污泥泥餅堅實緊密，硬度較高。

1.4 試驗方法

影響豆渣與黃漿水污泥共堆肥效果的工藝參數很多，也相當復雜。本試驗首先將預處理的黃漿水污泥與豆渣按照1∶4質量比例混合均勻，形成污泥豆渣混合物，然后添加不同物料配比的調理劑：稻殼和秸稈粉[4]，按照表1所示的物料配比，調試形成4個不同C/N比（總有機碳/全氮）的堆體來進行試驗研究，由此確定豆渣與黃漿水共堆肥工藝的技術參數。

測定指標選定為堆肥溫度和有機碳（TOC）含量。具體試驗方法為：（1）接種：采用EM接種方法，加入堆肥物料干質量的1%EM菌，再加入少量麩皮作為菌劑的吸附材料，混合均勻，進行堆肥。（2）堆肥方式：建造底面半徑為80 cm，高50 cm的直立式反應槽4個，有效容積約1 m3。于槽上、中、下3處分別設置開孔用以測量溫度。（3）通風方式：采用抽氣的方式通風，堆肥開始后第1周每天抽氣通風1次，之后每周通風3次。每天測定堆體溫度。（4）取樣：每隔2 d取樣，設固定采樣點，采樣部位為堆肥表層以下10～20 cm。

表1 以稻殼和秸稈粉為調理劑添加的不同物料配比

1.5 測定項目及方法

1.5.1 含水率

取樣2～3 g，精確至0.000 1 g，采用105 ℃恒溫干燥法進行測定。

1.5.2 有機質

取樣2.0 g，精確到0.000 1 g，然后置于瓷坩堝中（已經恒質量），將坩堝置于馬弗爐中，于600 ℃下恒溫6～8 h后移入干燥器，冷卻稱質量，再重新將坩堝置于馬弗爐中，同樣溫度下灼燒10 min，冷卻后稱質量，直至恒質量。

1.5.3 總有機碳和全氮

總有機碳（TOC）的測定：取風干樣5 g，用KCl（1 mol/L）溶液浸提，浸提比為1∶20，震蕩20 min后過濾，稀釋100倍后用TOC測定儀進行測定。全氮的測定：凱氏定氮法。

1.5.4 發芽率

以上海青蔬菜種子作為試驗對象，首先準備2個培養皿，分別放入1張濾紙，編號1號、2號。在1號培養皿中倒入豆渣與黃漿水污泥發酵有機肥浸提液30 mL，2號培養皿中倒入30 mL清水。每個培養皿中均勻撒入20粒種子，21 ℃下恒溫培養2 d。記錄1號、2號培養皿中發芽種子數（分別為a、b）、種子平均根長（分別為c、d）。

種子發芽率計算公式為：[（a/20）×c]/[（b/20）×d]×100%。

1.5.5 堆肥腐熟度評定

堆肥腐熟度是指堆肥產品的穩定程度。判斷堆肥腐熟度的指標包括物理學指標、化學指標（包括腐殖質）和生物學指標。判斷堆肥腐熟的評估參數如表2所示。

1.5.6 堆肥肥效檢測

肥效檢測方法參照國家標準NY 525—2002規定進行檢測記錄，主要檢測指標有全氮、銨態氮、全磷、有效磷、全鉀、有效鉀。

表2 堆肥腐熟度評估參數

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中溫度和時間參數檢測結果評價

在堆肥過程中，堆體發酵溫度是關鍵參數，也是判斷堆肥能否成功，實現無害化的重要指標之一。結合表3數據分析及圖1所示，4個堆體堆肥過程中溫度變化趨勢基本相同，均經歷了4個階段：快速升溫期、緩慢升溫期、高溫持續期、降溫期。堆肥初期，堆料中易分解的有機質在菌劑作用下分解，堆體產生大量熱量導致溫度升高，各堆體幾乎均在24 h內完成快速升溫。計算各堆體從環境溫度（10 ℃）至第1波峰時升溫速率（以2#堆體為例：（34 ℃－10 ℃）/6 h＝4 ℃/h），依次計算出2#堆體升溫速率最高為4 ℃/h，4#和3#堆體次之，分別為2.75、2.3 ℃/h，1#最低為1.61 ℃/h。雖然4個堆體高溫溫度均達到50 ℃以上，但高溫溫度不同，高溫持續時間也有很大差異。其中2#堆體最快達到50 ℃以上，但高溫持續時間較短，持續23 h，而后進入降溫期，降至36.7 ℃。4#堆體高溫溫度為53 ℃，高溫持續24 h，＜2 d。1#堆體達到高溫（51 ℃）最慢，僅持續20 h，故1#、2#和4#堆體均不符合無害化衛生標準（國家有機肥驗收標準）。3#堆體在高溫持續期和最高溫方面均最佳，高溫溫度可達57 ℃，整個發酵過程中，發酵溫度＞50 ℃的持續時間為130 h，可有效消滅有害細菌，符合衛生標準，綜合數據考慮，3#堆體最優。

2.2 確定調理劑添加量及碳氮比

堆肥腐熟度是反應有機物降解和生物化學穩定度的指標。腐熟度判定對堆肥工藝、堆肥產品的質量控制以及堆肥使用后對環境的影響都具有重要意義。表4展現了不同碳氮比（C/N）和調理劑添加量組合的不同配比產生的堆肥腐熟度參數的測定結果，綜合來看：pH均呈堿性，含水率都控制在44%以內，C/N比＜20。堆肥的腐熟水平可以用施用后對植物的生物效應來判定，種子發芽率是植物重要的生物量之一。表5展現了不同堆體的發芽率及平均發芽時間，可以看出施用浸提液處理種子后，平均發芽時間2.7 d，發芽率均在90%左右，其中3#堆體發芽時間最短（2 d），發芽率達到96.6%。綜合考慮各項參數結果及發芽率，最佳配比是3#堆體，即堆肥工藝調理劑為秸稈粉，投加量為15 kg，C/N＝25∶1。

2.3 不同堆體堆肥成品肥效評價結果

由于黃漿水污泥/豆渣共堆肥發酵工藝原料為黃漿水污泥、豆渣、秸稈粉/稻殼，在整個發酵過程中也未添加任何有害污染成分，從源頭上做到安全無害，故堆肥成品無重金屬有害成分。由表6檢測結果可知，堆肥成品各理化指標均符合國家有機肥標準，堆肥成品呈棕褐色，結構松散，透氣性強，物理性狀好，無不愉快異味。其中3#堆體各肥效指標效果最佳，堆肥成品肥效中等，可作為一般植物的耕種肥料。

表3 堆體堆肥過程參數

表4 不同堆體堆肥腐熟度參數

表5 不同堆體種子發芽率及發芽時間

3 結論與討論

黃漿水污泥與豆渣共堆肥技術的研究采用生物好氧發酵技術，對脫水后的黃漿水污泥和豆渣進行共堆肥化處理。試驗結果顯示：選用秸稈粉為調理劑，投加量為15 kg，調試堆體碳氮比為25∶1時，堆肥化時間較短且堆肥成品質量較好，堆肥過程中臭度較小，浸提液上海青種子發芽率＞95%。堆肥的肥效符合一般植物的耕種肥料，堆肥達到國家關于污泥用作土壤改良劑和有機肥料的標準。本研究實現了豆制品行業黃漿水污泥、豆渣的零排放，減輕環境污染，避免有效資源浪費。下一步的深入研究方向以目前研發的生物有機肥作為基本原料，添加不同種類變質腐爛蔬菜（含有各種微量營養元素）和腐敗遭丟棄的海鮮產品如蝦、蟹（含磷較多）等作為堆肥的營養成分，進而細化有機肥成品肥效等級，研發出可適宜不同生長基地（如：蔬菜基地、城市綠化帶及花卉等），多種植物生長的各種復合肥料產品。同時依托清美集團蔬菜基地，進一步做肥料施用方法、使用量及肥效持續時間等方面的研究。將最初發酵產品轉化成多種高附加值產品，技術成熟后通過示范向全國的豆制品企業進行推廣，將取得長遠的經濟、社會效益。

表6 堆肥成品肥效檢測