酒糟秸稈聯合發酵制備有機肥的研究

劉麗秀，何愛江

（宜賓職業技術學院，四川宜賓 644003）

1 酒糟現狀

白酒產業是宜賓的傳統優勢產業之一，宜賓產區目標是2025年實現白酒產量突破100萬kL（約90萬t）。宜賓白酒以濃香型白酒為主，酒糟為高粱、小麥、玉米等原料經釀酒微生物固態發酵、蒸餾出酒后的固廢。產生量為3 t酒糟/白酒[1]，2025年預計產生酒糟270萬t。酒糟含水率在60%左右，pH值3～5，含有較豐富的粗蛋白、粗淀粉、粗脂肪和粗纖維以及釀酒微生物發酵產生的一定量的醇類、酸類、酯類和少量醛類等有機物，還含有豐富的磷、鉀等植物生長發育所需的礦物元素[2]。

2020年我國糧食產量6.69億t，按粒稈比1：1.2估算，全國年生產秸稈超過8億t。秸稈中含有大量的有機質、氮磷鉀和微量元素。但是部分丘陵地區秸稈利用率不高，仍存在秸稈焚燒污染環境和秸稈丟棄導致農作物減產等問題。本文以當地酒糟和秸稈為原料，研究堆肥生產有機肥的影響因素。

2 實驗儀器設備及方法

2.1 實驗原料

本項目主要的原輔料（表1）。

表1 項目所需主要原輔料情況

2.2 實驗設備儀器

有機肥的制備采用堆肥方式進行。堆肥實驗裝置采用塑料桶作為堆肥反應器，配備溫度測量系統、通氣系統和廢氣處理系統。

堆肥反應器是1個帶保溫層的200 L塑料容器。塑料桶開設有3個孔，底部開孔作為空氣輸入孔，中部開孔安裝Pt100熱電阻測溫元件，上部開孔作為廢氣排出口。空氣由氧氣泵以恒定速率（4.0 L/min）向反應器內通入，距底部15 cm放置篩板，用于支撐原料和分布空氣。溫度通過傳感器由溫度檢測系統自動檢測。產生的廢氣通過廢氣處理系統處理后排放（圖1）。

圖1 堆肥實驗裝置示意圖

3 實驗結果討論

3.1 試驗產品

原材料的質量比在酒糟∶秸稈（高粱）∶油菜枯=30∶10∶1條件下得到的堆肥產品。

3.2 溫度變化及影響

3.2.1 升溫階段

微生物降解酒糟和秸稈中的有機物會產生熱量，堆體溫度也會產生變化。堆體中層溫度變化（圖2）。快速升溫：將原輔料加入反應器中，開始后堆體溫度迅速上升，在1天之內上部溫度增加37.3℃，達到62.3℃。該階段腐熟劑內酵母菌、乳酸菌、地衣芽孢桿菌與水溶性總有機碳快速生化反應，放出熱量使得固態發酵體系溫度快速升高，微生物細菌快速繁殖[3]。快速升溫過程，主要是糖類和蛋白質（最容易分解的有機物）被分解，活躍的微生物是細菌、絲狀菌（白色菌絲）等。

圖2 固態發酵時間與溫度的關系

緩慢升溫：第2～5天，溫度從62.3℃逐漸升溫至75.3℃。該階段水溶性總有機碳逐漸減少，微生物細菌逐漸分解其他有機碳，微生物總量緩慢增加。接下來的高溫階段，主要是粗纖維被分解，此時活躍的微生物是真菌、放線菌等。固態發酵產生60℃以上的高溫，持續幾小時即可殺死病蟲卵，持續2天即可殺死雜草種子。固態發酵溫度達到65℃時持續時間20～30天，對大腸菌和糞大腸菌殺滅率達100%[4]。

3.2.2 降溫和平穩階段

隨著水溶性有機物快速耗盡，高溫會抑制微生物生長活動，產生的熱量減少導致堆體溫度逐漸下降。隨著堆肥發酵進行，酒糟和秸稈中易降解物質逐漸被消耗，微生物逐漸失活產熱減少，接近室溫，表明堆肥發酵基本完成[5]。

3.3 水分變化

固態發酵過程中水分變化（圖3）。固態發酵初始水分含量為65.3%，固態發酵結束時水分含量為29.5%，水分減少了35.8%。固態發酵的水分損失與固態發酵溫度存在關系，固態發酵溫度越高，水分蒸發越快。主要原因是溫度升高，水蒸氣的分壓增加，空氣中的含水量增加，隨著進入空氣帶走的水分增加。固態發酵過程中，通透性即物料的供氧狀況是通過溫度和氣味來反映的。工業化固態發酵采取一般翻堆方式進行輔助增氧。固態發酵過程同時也是水分逐漸減少的過程，可降低成品的干燥成本。

圖3 固態發酵時間與水分的關系

3.4 pH值變化

酒糟有丙酸、丁酸、庚酸、辛酸等多種有機弱酸物質[6]，酒糟與秸稈混合后pH值約5.5～6。隨著固態發酵過程進行，pH逐漸升高。主要是有機弱酸物質等的快速分解和含氮物質降解產生一定量的氨，從而引起pH值升高。堆肥溫度降低后，pH值在6.1～6.5波動，最后穩定在6.4左右。這可能是因為固態發酵產生了高級脂肪酸等弱酸物質（圖4）。

圖4 固態發酵過程中pH值的變化

3.5 水溶性總有機碳和無機碳的變化

水溶性總有機碳（STOC）是固態發酵微生物生長所能利用的直接碳源。非水溶性總有機碳需要通過微生物分解才能轉化水溶性總有機碳。水溶性總有機碳是評價固態發酵腐熟的重要指標，水溶性總有機碳越低，發酵效果越好。固態發酵過程中水溶性總有機碳含量的變化。固態發酵混合原料中，水溶性總有機碳含量高達20.1 g/kg（干重）。主要是由于原料酒糟中含有大量的可溶性有機物，且可溶性有機物的可生化性很好，被微生物快速降解，其含量下降非常快。15天后，水溶性總有機碳含量緩慢下降，水溶性總有機碳含量限制了微生物的數量，有少部分非水溶性總有機碳轉變為水溶性總有機碳。固態發酵結束時，水溶性總有機碳含量高達3.2 g/kg。

項目水溶性無機碳（SIC）采用產生二氧化碳作為評價指標，水溶性無機碳的變化。固態發酵前5天，水溶性無機碳從1.8 g/kg快速升至2.4 g/kg，該階段生化反應活躍，水溶性總有機碳分解為水溶性無機碳。隨后固態發酵體系的SIC逐漸下降，15天后SIC基本穩定在0.4 g/kg左右。這可能是由于有機物分解產生的CO2與固態發酵過程釋放的CO2（圖5）。

圖5 水溶性總有機碳和無機碳含量的變化

4 固態發酵產品質量評價

將得到的產品進行分析，得到的結果（表2）。

表2 固態發酵產品質量

可以看出，兩個固態發酵產品均符合有機肥料NY/T525-2021表1的技術指標的限值要求。酒糟：高粱秸稈：油菜枯=30：10：1的成品A中有機質為50.6%，是有機肥料NY/T525-2021標準限值的169%。對固態發酵中添加油菜枯，可以提高產品中的氮含量，從而使得總養分（N+P2O5+K2O）的含量符合有機肥料NY/T525-2021標準限值（≥4%）。

5 結論

原料水溶性總有機碳含量屬于易降解有機物，接種微生物后快速分解產生CO2，微生物增殖，發酵堆體溫度快速升高。隨著水溶性總有機碳消耗減少，微生物分解反應降低，造成堆體溫度逐漸下降。發酵堆體升溫有利于原料中水分的揮發，可降低成品的干燥成本。原料中多種有機弱酸等被微生物分解是pH值升高的主要原因。堆肥發酵制備產品符合有機肥料NY/T525-2021表1的技術指標的限值要求。實驗中發現，只有酒糟和秸稈為原料生產的有機肥的總養分（N+P2O5+K2O）的質量分數較低，不符合NY/T525-2021的標準限值。建議適當添加養殖糞便等高含氮量的養殖固廢，提高產品的有機肥含氮量。