利用玉米秸稈制備有機肥的工藝研究

李 敬，劉安榮，王振杰，劉洪波，彭 偉，陳肖虎

（1. 貴州省貴福生態肥業有限公司，貴州 玉屏 554000；2. 貴州省冶金化工研究所，貴州 貴陽 550016；3. 貴州大學，貴州 貴陽 550025）

我國是農業大國，平均每年產生農作物秸稈上億噸。農作物秸稈富含大量有機質、氮、磷、鉀等植物生長所需的營養元素。將農作物秸稈還田，能提升土壤的有機質水平，減少化學肥料使用量，改善土壤退化現狀。但是目前我國農作物秸稈處理仍然使用最原始的焚燒法，造成了大量資源浪費和環境污染［1-3］。

目前，比較有效的科學處理農作物秸稈的方法有物理法、化學法和生物法［4-7］。物理法常作為其他方法的預處理方法，以提高秸稈的適口性，增加采食量，但秸稈中的木質素軟化或水解需要在溫度較高的環境下進行，需要特定的設備輸送熱量并控制溫度，使得該方法成本較高；化學法包括堿化處理、氨化處理兩種，對設備要求也很高，同樣具有生產成本高的問題；生物法是將秸稈炭吸附腐熟、微生物發酵，使其中各種微量元素重歸農田，該方法可實現資源的循環利用，且對環境較為友好。秸稈堆肥法是常用的生物處理法，但該方法存在微生物很難在短時間內獲取適合于它們生長的營養，不能快速分解秸稈，致使效率低下，影響了堆肥法的大規模工業應用［8-11］。筆者對微生物快速分解玉米秸稈生產有機肥進行了研究，以期為農作物秸稈循環利用生產有機肥提供借鑒。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與設備

實驗原料：玉米秸稈，纖維素酶，硝酸鈉，水，酵母粉，硫酸銨，磷酸二氫銨，磷酸氫二鉀，磷酸二氫鉀，葡萄糖。

實驗設備：電子天平，磅秤，粉碎機，發酵罐，空氣凈化器。

1.2 芽孢桿菌培養基

芽孢桿菌種子培養基：酵母粉1.5 g/L，硫酸銨4 g/L，磷酸氫二鉀1 g/L，磷酸二氫銨1.5 g/L，磷酸二氫鉀1 g/L，葡萄糖300 g/L。

1.3 實驗方法

將玉米秸稈在陽光下晾曬干，粉碎至實驗所需的粒度。將粉碎后的玉米秸稈顆粒20 kg、纖維素酶60 U、硝酸鈉2 kg、水80 kg 配制成混合物，攪拌均勻后放入發酵罐中調節至合適的溫度進行發酵，發酵完成后向混合物中接種芽孢桿菌（以下實驗所接種均為芽孢桿菌），接種量為玉米秸稈質量的2%，調節至合適的發酵溫度、攪拌轉速后培養一段時間，將發酵好的發酵液濃縮、干燥后得到有機肥。對產品進行分析測定，計算有機質含量。

2 結果與討論

2.1 玉米秸稈粒度對有機肥中有機質的影響

在發酵時間為36 h、發酵溫度為50 ℃、接種量為玉米秸稈質量的2%、接種后通入無菌空氣、控制溫度不變、攪拌轉速為350 r/min、培養時間為7 d 條件下，考察玉米秸稈粒度對有機肥中有機質含量的影響，結果見圖1。

圖1 秸稈粒度對有機肥中有機質的影響

由圖1可以看出，玉米秸稈顆粒粒度越小，所生產的有機肥中有機質含量越高，當粒徑≤0.074 mm的顆粒占比大于87.31%以后，有機質含量增加較慢，基本趨于穩定。出現這一現象的原因可能是玉米秸稈粒度越小，比表面積越大，越容易發酵，因此有機質含量越高。綜合考慮，確定玉米秸稈粒徑≤0.074 mm的顆粒占比為87.31%最為適宜，此時有機肥中w（有機質）為54.65%。

2.2 發酵時間對有機肥中有機質的影響

在玉米秸稈粒徑≤0.074 mm 的顆粒占比為87.31%、發酵溫度為50 ℃、接種量為玉米秸稈質量的2%、接種后通入無菌空氣、控制溫度不變、攪拌轉速為350 r/min、培養時間為7 d 條件下，考察發酵時間對有機肥中有機質含量的影響，結果見圖2。

圖2 發酵時間對有機肥中有機質的影響

由圖2 可以看出，發酵時間在8 ～16 h 時，有機質含量增長較慢，16 ～24 h時有機質含量增長較快，當發酵時間大于24 h 后，有機質含量基本趨于穩定。因此，考慮時間成本，選定發酵時間為24 h，此時該有機肥中的w（有機質）為54.89%。

2.3 發酵溫度對有機肥中有機質的影響

溫度是影響有機體生長繁殖的重要因素，生物化學中的酶促反應與溫度變化有著緊密關系，在發酵過程中，溫度的影響是多方面的，表現在發酵液的物理性質、細胞生長、生物合成和產物合成等方面。因此，在玉米秸稈粒徑≤0.074 mm的顆粒占比為87.31%、發酵時間為24 h、接種量為玉米秸稈質量的2%、接種后通入無菌空氣、控制溫度不變、攪拌轉速為350 r/min、培養時間為7 d 條件下，考察發酵溫度對有機肥中有機質含量的影響，結果見圖3。

圖3 發酵溫度對有機肥中有機質的影響

由圖3可以看出，隨著發酵溫度的升高，產品中有機質含量先增加后減少，當發酵溫度達到50 ℃時，產品中有機質含量達到最大值。造成這一趨勢的可能原因是溫度過低不適宜芽孢桿菌的繁殖，溫度過高又會殺死菌種。因此，確定適宜的發酵溫度為50 ℃，此時該有機肥中w（有機質）為55.24%。

2.4 培養時間對有機肥中有機質的影響

在玉米秸稈粒徑≤0.074 mm 的顆粒占比為87.31%、發酵時間為24 h、發酵溫度為50 ℃、接種量為玉米秸稈質量的2%、接種后通入無菌空氣、控制溫度不變、攪拌轉速為350 r/min 條件下，考察培養時間對有機肥中有機質含量的影響，結果見圖4。

圖4 培養時間對有機肥中有機質的影響

由圖4可以看出，隨著培養時間的延長，產品中有機質含量逐漸增加，當培養時間達到5 d 以上時，有機質含量不再隨時間延長繼續增大。考慮時間成本和產品指標，確定培養時間為5 d，此時產品中w（有機質）為55.16%。

2.5 攪拌轉速對有機肥中有機質的影響

在玉米秸稈粒徑≤0.074 mm 的顆粒占比為87.31%、發酵時間為24 h、發酵溫度為50 ℃、接種量為玉米秸稈質量的2%、接種后通入無菌空氣、控制溫度不變、培養時間為5 d 條件下，考察了攪拌轉速對有機肥中有機質含量的影響，結果見圖5。

圖5 攪拌轉速對有機肥中有機質的影響

由圖5可以看出，隨著攪拌轉速增加，產品中有機質含量先增加后減少。攪拌轉速過慢時因攪拌不均勻使得反應不完全因而有機質含量低，過快時因來不及反應使得有機質含量低。因此，攪拌轉速以350 r/min 最合適，此時產品中w（有機質）為54.87%。

2.6 有機肥質量檢測

對所得有機肥進行質量檢測，結果見表1。

表1 有機肥產品檢測結果

由表1可知，該有機肥w（有機質）達到54.86%，w（N+P2O5+K2O）達到6.5%，pH 為6.8，w（H2O）為25%，均符合NY 525—2012《有機肥料》標準要求。

3 結論

研究以玉米秸稈為原料生產有機肥工藝，在玉米秸稈粒徑≤0.074 mm的顆粒占比為87.31%、發酵時間為24 h、發酵溫度為50°C、接種量為玉米秸稈質量的2%、接種后通入無菌空氣、控制溫度不變、攪拌轉速為350 r/min、培養時間為5 d的條件下，獲得了w（有機質）54.86%、w（N+P2O5+K2O）6.5%、pH 6.8、w（H2O）25%、蛔蟲卵死亡率100%、糞大腸菌群數為3 個/g 的有機肥產品，產品指標符合《有機肥料》標準要求。