醋渣高溫堆肥利用研究*

馮瑞章，魏琴，周萬海，王濤，李陽波

1(宜賓學院發(fā)酵資源與應用四川省高校重點實驗室，四川宜賓，644000)2(宜賓學院生命科學與食品工程學院，四川宜賓，644000)

食醋是日常生活不可缺少的大宗調味品，在釀造食醋的生產(chǎn)過程中因其用料和生產(chǎn)工藝特點，導致釀造后產(chǎn)生大量醋渣。研究表明，每生產(chǎn)1t標準的固態(tài)發(fā)酵二級食醋，就有600～700 kg醋渣產(chǎn)生［1］。由于醋渣具有含水量大、酸度高、腐爛慢等特點，簡單處理無法提高其附加值，直接作為飼料營養(yǎng)價值不高，作為垃圾處理則既污染環(huán)境，又造成一定程度的浪費。目前，對醋渣生產(chǎn)飼料蛋白［2-3］、醬油原料［4］、鮮味劑原料及循環(huán)回用［5］、栽培基質［6］、沼氣發(fā)酵［7］等資源化利用方面有一定的研究，而將醋渣進行高溫堆置生產(chǎn)有機肥的研究很少。

醋渣養(yǎng)分含量低，難分解的纖維素、半纖維素及木質素含量較高，通透性強［6］，而作為植物油品加工廠副產(chǎn)品的油菜籽粕，其顆粒較細，通透性較差，但養(yǎng)分含量高［8］。本研究以醋渣為主原料，添加一定量的油菜籽粕為輔料，高溫堆置生產(chǎn)有機肥料，爭取得到具有應用價值的生產(chǎn)方法和工藝，為醋渣綜合利用開辟新途徑。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

醋渣收集于四川省宜賓市天工釀造廠，油菜籽粕購自植物油品加工廠。供試材料理化性狀見表1。

表1 堆肥原料的基本性質Table 1 Properties of materials in the compost

1.2 堆置方法

試驗于2012年5～6月在宜賓學院發(fā)酵資源與應用四川省高校重點實驗室外進行，醋渣與油菜籽粕以質量比4∶1混合，調節(jié)混合物料的總含水率在59%～61%，尿素調節(jié)C/N為25左右，用生石灰調節(jié)pH值為7．0～7．1，將所有物料混合均勻后堆成高為1 m，體積約1．5 m3的錐體，設3次重復。

1.3 試驗管理及樣品采集

堆肥開始后前2周，每3天翻堆1次，以后每7天翻堆1次，觀察其顏色和氣味變化。每天上午10∶00和下午15∶00分別測定堆肥溫度和環(huán)境溫度。堆肥溫度為堆體表面、中部和底部溫度平均值，環(huán)境溫度為堆肥裝置周圍1 m處溫度平均值。堆肥周期為56天，每7天采樣1次，采樣方式為五點采樣法，即在中心及四角部位采集樣品共約400～500 g，充分混合后，分成2份，即新鮮樣品(貯存于4℃的冰箱中備用)和待風干樣品。風干樣品磨碎后過0．25 mm篩，用于總有機碳、全氮和纖維素含量的測定，鮮樣用于測定含水量、pH值和種子發(fā)芽指數(shù)(germination index，GI)。

1.4 測定方法

總有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測定;全氮采用凱氏定氮法;粗纖維含量采用自動纖維素分析儀測定;含水量采用烘干法測定;pH值采用電極法測定。所有測定項目均設3次重復。

種子發(fā)芽指數(shù)測定:堆肥新鮮樣品與水按1∶10(質量比)比例混合振蕩1 h，浸提液經(jīng)濾紙過濾后待用。把2片直徑為9 cm的濾紙放入干凈無菌的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿中均勻播入25粒飽滿露白的小麥種子，用移液槍吸取10．0 mL上述堆肥濾液于培養(yǎng)皿中，同時以超純水為對照，每個樣品重復3次。將所有的培養(yǎng)皿放置于25℃培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)48 h，統(tǒng)計發(fā)芽率并測定根長，然后計算堆肥浸提液的種子發(fā)芽指數(shù) GI［9］。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有實驗數(shù)據(jù)為3次重復的平均值和標準差，采用SPSS(13．0)軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 堆肥的外觀變化

堆肥前醋渣為褐色，油菜籽粕為黃褐色，混合堆體顏色為黃褐色，氣味呈醋渣的酸味與油菜籽粕的混合味，堆肥7 d以后，氣味逐漸減輕;隨著堆肥發(fā)酵過程的進行，堆體顏色呈現(xiàn)由淺到深的變化，并從內層開始逐漸發(fā)黑;到14 d時，堆體出現(xiàn)白色菌絲，堆料有不同程度的結塊現(xiàn)象，堆體質量明顯變輕，體積縮小;堆肥結束時，堆體體積縮小到原體積的1/2左右，堆肥成品呈深褐色，無臭味，有較明顯的腐殖氣息，不吸引蚊蠅，呈疏松的團粒結構。

2.2 堆肥的溫度變化

堆肥過程中微生物的活動與溫度密切相關，在一定溫度范圍內，溫度每升高10℃，有機體的生化反應速率提高一倍，微生物的種群結構和代謝活力也會隨之發(fā)生改變［10-11］，尤其是堆肥的高溫階段，不僅能夠殺死堆料中所含致病微生物，而且能分解其中的有毒物質，保證堆肥無害化和腐熟［12］。因此，溫度是衡量堆肥質量和腐熟程度的重要指標。由圖1可知，醋渣堆肥過程呈現(xiàn)4個典型的溫度階段，即升溫期、高溫期、降溫期和穩(wěn)定期。在堆肥的初始階段，隨著堆置時間的延長，堆體溫度逐漸上升，堆肥第11天堆體溫度達到50．6℃，第19天達到最高溫度64．2℃，隨后溫度雖然逐漸下降，但堆溫高于50℃的時間一直持續(xù)到第24天，從堆肥第33天開始，堆體溫度基本與環(huán)境溫度接近，直至堆肥結束。堆肥高溫期堆體內部溫度在50～55℃持續(xù)5～7 d或大于55℃的時間達到3d以上才能有效地殺滅物料中含有的致病微生物，從而保證堆肥的衛(wèi)生學指標合格，實現(xiàn)有機物轉化為穩(wěn)定的腐殖質［13-14］。本實驗中醋渣堆肥的最高溫度為64．2℃，高于50℃的時間為13 d，完全能實現(xiàn)《糞便無害化衛(wèi)生標準 (GB7959，87)6》［14］的要求。

圖1 堆肥過程溫度變化Fig．1 Changes of temperature during composting

2.3 堆肥水分含量和pH值變化

由圖2可知，在整個醋渣堆置過程中堆體水分含量呈下降趨勢，堆肥初期含水率為61．2%，到堆肥結束時降為27．8%，水分含量降低了33．4%，堆肥過程中堆肥物料含水率的下降，與堆體溫度和高溫維持時間有關，也與堆體的透氣性有關［15］。

適宜的pH值是微生物有效降解有機質的重要環(huán)境因素，pH的變化可以有效反映堆體中微生物的降解活動，pH值過高或過低都會影響微生物的降解活動，進而影響堆肥產(chǎn)品的質量和腐熟度。由圖2看出，醋渣堆肥初期pH值隨著堆制過程的進行而逐漸升高，到第21天時，pH值由最初的7．0升高到8．2，這可能是由于在堆肥前期微生物活動使物料中含氮化合物水解和氨化作用，及高溫使有機酸揮發(fā)造成氨的積累和氫氧根的產(chǎn)生;隨后由于后期微生物活動和氨化作用減弱、銨態(tài)氮逐漸轉化為亞硝態(tài)氮及硝態(tài)氮、硝化作用增強，釋放的H+不斷增多等原因，堆體pH值開始下降［16］，到堆肥結束時，堆體pH值降至7．3。

2.4 堆肥的總有機碳、全氮及纖維素含量變化

堆肥腐熟是有機物的降解過程，表現(xiàn)為堆肥物料有機質含量的降低，由表2可知，在堆肥初期，堆體總有機質含量為775．2 g/kg，到第35天時，有機質含量降低至602．4 g/kg，較初期降低了22．5%，堆肥結束時，堆體有機質含量較初堆時降低了32．3%，說明在醋渣堆肥的過程中堆體的有機質含量呈明顯的下降趨勢，且表現(xiàn)為前期(35 d前)降低較快，后期相對較慢。這可能是因為在堆肥前期微生物主要利用可溶性糖和有機酸、淀粉等易分解的有機質，而中后期隨著易降解物質的減少，微生物需利用較難降解的有機物質(如纖維素、半纖維素和木質素等)作為碳源，這些纖維素、半纖維素的利用，導致堆體的纖維素含量在堆肥后較堆肥前降低了約28．1%，且堆體中纖維素含量降低的速率在堆肥前期(35 d前)明顯低于堆肥后期。

圖2 堆肥過程水分含量和pH值變化Fig．2 Changes of water content and pH value during composting

表2 堆肥過程中總有機碳、全氮及纖維素含量變化Table 2 Changes of total organic carbon，total nitrogen and coarse fibers during composting

堆肥過程中的氨氮損失和微生物的同化作用同時存在，共同影響堆肥中全氮的含量，由表2可知，在醋渣堆肥的過程中，堆體全氮含量有一定升高，堆肥結束時堆體的全氮含量較初堆時增加了10．0%，雖然全氮的增幅不是很大，但C/N值的變化較大，由堆置初期的25．1降至結束時的15．3。一般認為腐熟的堆肥C/N值應小于20［17］，但由于不同物料的初始和終點C/N值的差異很大，而且許多堆肥原料的初始C/N值較低，從而影響了這一參數(shù)的廣泛應用［18］。Morel等認為C/N值小于20只是堆肥腐熟的必要條件，建議采用T=(終點C/N)/(初始C/N)來評價腐熟度，并提出當T小于0．6時堆肥達到腐熟［19］。也有人認為腐熟的堆肥T值應在0．53～0．72或者 0．49～0．59［20-21］，本研究的 T 值為 0．61，達到堆肥腐熟要求。

2.5 堆肥的種子發(fā)芽指數(shù)

隨著醋渣堆肥時間的延長，種子發(fā)芽指數(shù)(GI)呈現(xiàn)先降低再上升的趨勢，在堆置初期，浸提液處理種子后小麥種子發(fā)芽率約為16%，堆肥開始以后，由于堆肥前期產(chǎn)生的高濃度氨、小分子有機酸及多酚、胺類等有害物質對種子發(fā)芽產(chǎn)生抑制，到堆肥的第7天和14天GI分別降至7%和3%，達到最低值;隨后GI值逐漸上升，堆肥結束時GI為81%，達到堆肥沒有植物毒性或堆肥已經(jīng)腐熟的要求［22］。

圖3 堆肥過程種子發(fā)芽指數(shù)變化Fig．3 Changes of germination index during composting

3 結論

以醋渣為主要原料，與油菜籽粕以4∶1的質量比混合，調節(jié)混合物料的總含水率、C/N和pH值，然后將混合物料進行好氧堆肥。堆肥結束后，堆體的體積變小、質量變輕、顏色變深，團粒結構疏松，且有明顯的腐殖氣息。堆肥過程中，堆體的最高溫度達到64．2℃，且大于50℃的高溫持續(xù)時間達到13 d;堆肥過程中物料的水分含量持續(xù)降低，堆肥結束時的水分含量較堆置前降低了33．4%;pH值呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢，在第21天使達到最高值8．2，隨后逐漸降低，到堆肥結束時，堆體pH值降至7．3;堆肥結束后物料的總有機碳、粗纖維含量分別較堆肥前降低了32．3%和 28．1%，全氮含量較堆置前增加了10．1%，C/N 由 25．1 降低到 15．3;堆肥結束時種子發(fā)芽率指數(shù)達到81%，符合堆肥腐熟標準。由此可見，醋渣具有較好的高溫堆肥潛力，利用好氧高溫堆肥技術處理醋渣既能變廢為寶，又有利于環(huán)境保護。

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