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    碳酸法濾泥和木薯渣堆肥發(fā)酵的研究

    2015-05-30 10:48:04王淑培等
    熱帶作物學(xué)報 2015年6期
    關(guān)鍵詞:堆肥

    王淑培等

    摘 要 研究了碳酸法濾泥和木薯渣的配比、C/N、水分含量、發(fā)酵劑的添加量等4個影響因素對碳酸法濾泥和木薯渣堆肥發(fā)酵的影響。確定最佳的初始工藝參數(shù)為:碳酸法濾泥和木薯渣干重比為2 ∶ 1,C/N為30,水分含量為60%~65%,發(fā)酵劑的添加量為2%,并選取KH2PO4作為氮素的保留劑,探索其添加量對堆肥的影響,確定合適的添加量為0.18%。

    關(guān)鍵詞 碳酸法濾泥;木薯渣;堆肥

    中圖分類號 S141.4 文獻標(biāo)識碼 A

    Abstract The effects of the ratio of carbonation filter mud and cassava residue, C/N, the moisture content, the quantity of inoculation on carbonation filter mud and cassava residue high-tempreture compost were studied. Results showed that the optimum condition was: carbonation filter mud:cassava residue=2 ∶ 1(dry weight ratio); carbon to nitrogen ratio 30 ∶ 1, the quantity of inoculation 2%; moisture content 60%~65%. KH2P04 was selected as the nitrogen retention agent and to explore the impact of the addition amount on the compost, and the appropriate addition amount was 0.18%.

    Key words Carbonation filter mud; Cassva residues; Compost

    碳酸法濾泥是糖廠采用碳酸法澄清工藝而排放的濾泥。碳酸法制糖工藝過程,需要加入大量的Ca(OH)2和CO2,產(chǎn)生的CaCO3沉淀以吸附蔗汁中的雜質(zhì)、膠體等非糖物質(zhì)。該工藝的優(yōu)點是生產(chǎn)的白糖質(zhì)量較高,但其產(chǎn)生的固體廢棄物——濾泥的排放量大(濕濾泥對蔗比約9%)、有機物含量低、鈣含量高、堿性強,新鮮濾泥的pH值達到9.47。中國現(xiàn)有碳酸法甘蔗糖廠每年榨蔗量約300萬t,濕濾泥產(chǎn)量約為30萬t。對碳酸法濾泥的治理和利用,國內(nèi)外糖業(yè)界進行了大量的探索和研究,主要有:(1)工業(yè)上利用碳酸法濾泥生產(chǎn)水泥、玻璃、空心砌磚、碳酸鈣、拒水粉、燒石灰等產(chǎn)品[1];(2)黃颯等[2]將碳酸法糖廠濾泥與酸性土壤混合后用于甘蔗種植;(3)溫韜等[3]研究了將碳酸法糖廠的碳濾泥進行活化后,與石灰乳混合用來對蔗汁進行亞硫酸法澄清,提高了清凈效果。(4)梁洪等[4]采用生物工程技術(shù)進行碳酸法制糖濾泥、酒精廢液、蔗髓以及粉煤灰好氧發(fā)酵處理研究,制生物有機肥。碳酸法濾泥的研究和利用方法大多還處于試驗室研究階段或因技術(shù)存在成本高等難題,一直以來沒能得到較好的處 理,國內(nèi)外碳酸法糖廠的濾泥基本上都是采用濕排或干排處理,造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。木薯渣是木薯生產(chǎn)加工淀粉或乙醇后的固體殘料,主要是由木質(zhì)纖維素組成,還含有少量的淀粉和蛋白質(zhì)。木薯渣的pH大約在3.5~4.5之間,有機物含量較高,但由于蛋白含量少,粗纖維含量高,且含有一定量的氰苷類物質(zhì),適口性差,不適用直接飼喂家畜。中國每年因加工木薯淀粉和乙醇等其他物質(zhì)產(chǎn)生的木薯渣的量達到150 t。

    目前,對木薯渣的利用主要有以下幾方面:(1)劉平[5]研究了木薯渣的生物發(fā)酵處理制備動物飼料;(2)蘇啟苞[6]以木薯稈屑、木薯渣為主要原料按不同比例配制培養(yǎng)基栽培杏鮑菇,完全可以滿足杏鮑菇菌絲生長和子實體發(fā)育的要求。(3)趙曉峰[7]等以木薯渣為原料,采用同步糖化發(fā)酵工藝,研究了將淀粉、纖維素、半纖維素水解糖分開或是共同發(fā)酵制乙醇過程。(5)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣。盡管對木薯渣的研究范圍較為廣泛,但當(dāng)前對木薯渣的有效利用途徑還相對較少,除了小部分直接用作飼料和生產(chǎn)沼氣及培養(yǎng)食用菌外,大部分沒有得到充分的利用,這不僅造成了資源的浪費,還導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染。本研究針對碳酸法濾泥具有堿性,有機質(zhì)含量較少,不能直接用于還田施用的特點,利用酸性的木薯渣中和其堿性,經(jīng)過高溫堆肥化處理,實現(xiàn)其資源化的應(yīng)用,從而實現(xiàn)以廢治廢的目的。

    1 材料與方法

    1.1 材料

    1.1.1 碳酸法濾泥 取自廣西南寧伶俐糖廠,取風(fēng)干2周后的樣品用超微粉粹機粉碎后備用。

    1.1.2 木薯渣 取自廣西武鳴縣安寧淀粉廠。

    1.1.3 堆肥發(fā)酵劑 為市購堆肥快速腐熟劑,產(chǎn)自江西省宜春市宜春強微生物科技有限公司,主要由嗜熱側(cè)孢霉、芽孢桿菌、乳酸菌、酵母菌、有機螯合微量元素、助劑、載體等構(gòu)成,其技術(shù)指標(biāo)為:有效活菌數(shù)>8×109 cfu/g、纖維素酶活力>600 u/g、蛋白酶活力>300 u/g、淀粉酶活力>300 u/g、水分含量<12%。

    1.1.4 碳酸法濾泥和木薯渣的理化性質(zhì) 如表1所示。

    1.2 試驗方法

    1.2.1 溫控方式 實驗采用階段溫控方式,進行好氧堆肥發(fā)酵,初始溫度為40 ℃(1 d)→50 ℃(1 d)→恒定溫度55 ℃(7 d)→50 ℃(1 d)→45 ℃(1 d)→40 ℃(1 d)→常溫。

    1.2.2 通風(fēng)供養(yǎng)方式 采用間歇通風(fēng)和人工翻堆相結(jié)合的方式,通風(fēng)量為:0.25 L/min·kg,每天早上(8 : 00)和晚上(20 : 00)各通風(fēng)30 min。當(dāng)堆溫超過65 ℃時,適當(dāng)加大通風(fēng)量。每天中午(12 : 00)攪拌翻堆1次。堆體降溫到45 ℃以下時,停止通風(fēng)供氧。

    1.2.3 堆肥工藝參數(shù)的研究 影響堆肥效果的工藝參數(shù)相當(dāng)復(fù)雜,本試驗選擇碳酸法濾泥和木薯渣的配比、C/N、水分含量、發(fā)酵劑的添加量4個主要因素進行實驗研究,以有機質(zhì)含量為測定指標(biāo),確定最佳工藝參數(shù)。

    碳酸法濾泥和木薯渣的配比:實驗設(shè)置A1(碳酸法濾泥:木薯渣為1 ∶ 1),A2(碳酸法濾泥:木薯渣為1 ∶ 15),A3(碳酸法濾泥:木薯渣為1 ∶ 2)3個配比,各配比均為干重比。調(diào)整各處理的水分含量為60%~65%,加入尿素,調(diào)整物料的C/N為30,之后加入2%(按木薯渣干重比)的堆肥發(fā)酵劑(為了便于菌種的接種均勻,在使用過程中,將發(fā)酵劑與等質(zhì)量的玉米粉混合均勻),攪拌均勻后,置于發(fā)酵箱中進行好氧堆肥發(fā)酵,發(fā)酵15 d。

    C/N:實驗設(shè)置B1(C/N為25),B2(C/N為30),B3(C/N為35),B4(C/N為40)4個C/N配比,對照組為CK(不進行C/N的調(diào)節(jié))。將碳酸法濾泥和木薯渣按干重比1 ∶ 2進行配比,調(diào)整水分含量為調(diào)節(jié)水分為60%~65%,用尿素調(diào)整各處理的C/N之后加入2%(按木薯渣干重比)的堆肥發(fā)酵劑,攪拌均勻后,置于發(fā)酵箱中進行好氧堆肥發(fā)酵,發(fā)酵15 d。

    水分含量:實驗設(shè)置C1(50%),C2(60%),C3(65%),C4(70%)4個初始水分含量水平,對照組CK為不進行初始水分的調(diào)節(jié)。將碳酸法濾泥和木薯渣按干重比1 ∶ 2進行配比,調(diào)整各處理的水分含量,添加尿素原料C/N為30,之后加入2%(按木薯渣干重比加入)堆肥發(fā)酵劑,攪拌均勻后,置于發(fā)酵箱中進行好氧堆肥發(fā)酵,發(fā)酵15 d。

    發(fā)酵劑的添加量:實驗設(shè)置D1(1%),D2(2%),D3(3%)3個發(fā)酵劑接種水平,對照組CK為不接種處理。發(fā)酵劑與同等量的玉米粉混合均勻,便于菌種的接種均勻。將碳酸法濾泥和木薯渣按干重比1 ∶ 2進行配比,調(diào)整水分含量為65%,加入尿素調(diào)整C/N為30,攪拌均勻后,置于發(fā)酵箱中進行好氧堆肥發(fā)酵,發(fā)酵15 d。

    1.2.4 保氮劑對堆肥發(fā)酵的影響 在最佳的初始工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上,探索保氮劑--磷酸二氫鉀(KH2PO4)的添加量對堆肥發(fā)酵的影響。測定指標(biāo)為有機質(zhì)含量、pH值、EC、TN、TP、TK和總氮損失量NT-L[8],有機質(zhì)含量、pH值、EC、TN、TP、TK的測定參照NY525-2012[9]。實驗設(shè)置3個KH2PO4的添加水平,即E1(0.06%),E2(0.12%),E3(0.18%),各處理KH2PO4的添加量均是對原料干重的質(zhì)量分?jǐn)?shù),對照組CK為不進行KH2PO4的調(diào)節(jié)。將碳酸法濾泥和木薯渣按干重比1 ∶ 2進行配比,調(diào)整各處理的水分含量為65%,添加尿素原料C/N為30,各處理加入相應(yīng)的KH2PO4量,之后加入2%(按木薯渣干重比加入)堆肥發(fā)酵劑(為了便于菌種的接種均勻,在使用過程中,將發(fā)酵劑與等質(zhì)量的玉米粉混合均勻),攪拌均勻后,置于發(fā)酵箱中進行好氧堆肥發(fā)酵,發(fā)酵15 d。NT-L的計算如下式所示:

    NT-L/%=100-100×

    1.3 統(tǒng)計分析

    實驗數(shù)據(jù)使用Origin8.0和SPSS16.0進行作圖和分析。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 原料配比的確定

    不同配比的實驗設(shè)計和性質(zhì)如表2所示。堆肥原料中的有機質(zhì)含量直接關(guān)系著堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量。有機質(zhì)含量較少時,堆肥環(huán)境不能為微生物提供足夠的碳源,導(dǎo)致微生物生長繁殖受到抑制,表現(xiàn)在堆體不能維持高溫堆肥狀態(tài),有機質(zhì)降解不充分,腐殖化程度較淺,合適的堆肥有機質(zhì)的含量為20%~80%。而圖1所示為各配比的有機質(zhì)變化趨勢圖,各配比的有機質(zhì)降解率在前9 d的高溫期內(nèi)降解速度較快,在第12~15天的常溫條件下降解速度較慢,并逐漸趨于穩(wěn)定。至發(fā)酵結(jié)束時,A1(1 ∶ 1)、A2(1.5 ∶ 1)、A3(2 ∶ 1)的有機質(zhì)含量分別為:27.05%、31.45%、36.96%,有機質(zhì)的降解量分別為:29.68%、31.53%和35.28%,降解量最高的是A3,即碳酸法濾泥和木薯渣以1 ∶ 2配比的堆料??紤]到廣西區(qū)內(nèi)碳酸法濾泥與木薯渣產(chǎn)量比例在1 ∶ 1.3~2(干重比)之間,實際操作中,可選擇的原料配比為1 ∶ 1.5~2,本實驗采用1 ∶ 2的比例進行進一步的實驗。

    2.2 最佳C/N的確定

    不同C/N的實驗設(shè)計和堆體性質(zhì)如表3所示。不同C/N的物料在堆肥過程中的有機質(zhì)的變化如圖2所示。從圖2中可以看出,各C/N水平的有機質(zhì)的含量變化與對照組相比有明顯的差異。堆肥結(jié)束時,B1、B2、B3、B4和CK的有機質(zhì)降解量分別為:36.21%、34.01%、32.62%、30.70%和19.97%,其中C/N為25的有機質(zhì)的降解量最高,且與C/N為30的處理差異不大,降解量最低的是C/N為40的堆體。堆體中的C/N過低時,有機質(zhì)降解速度較快,堆體溫度較高,氮素?fù)p失較多[10];而C/N過高時,微生物生長代謝的氮源相對缺乏,有機質(zhì)的降解速度減緩,發(fā)酵周期較長。因此綜合考慮下,選定C/N為30作為最優(yōu)的堆肥調(diào)節(jié)因素。

    2.3 最佳水分含量的確定

    不同水分含量的實驗設(shè)計和堆體性質(zhì)如表4所示。而圖3是不同初始水分含量的堆肥在發(fā)酵過程中有機質(zhì)的變化情況。從圖3中可以看出,各處理的有機質(zhì)含量在發(fā)酵期內(nèi),均呈下降趨勢。50%的初始水分含量下,有機質(zhì)的降解速率較慢,明顯低于60%和65%初始水分含量的處理。說明50%的水分含量下,微生物的活性不高,對碳酸法濾泥和木薯渣的堆肥化處理不利;而70%水分含量相對較高,在0~6 d內(nèi),對有機質(zhì)的降解率也較低,主要是高水分含量會影響空氣的擴散,甚至?xí)斐删植繀捬醢l(fā)酵;在6 d后,由于水分的蒸發(fā),降解率迅速升高。發(fā)酵結(jié)束時,C1、C2、C3、C4和CK的有機質(zhì)降解量分別為:28.86%、33.29%、33.39%、30.55%和32.95%。其中C2、C3與CK組有機質(zhì)的降解量差異不顯著,適當(dāng)高的水分含量則有利于抑制NH3的擴散和NH4+的積累[11],可以采用60%~65%的初始水分含量來進行堆肥發(fā)酵。而且在原料水分含量浮動不大時,碳酸法濾泥和木薯渣以干重比1 ∶ 2進行配比堆肥時,可以不進行水分的調(diào)節(jié)。

    2.4 最佳發(fā)酵劑接種量的確定

    不同水分含量的實驗設(shè)計和堆體性質(zhì)如表5所示。圖4所示為接種不同量的堆肥發(fā)酵劑對堆肥中有機質(zhì)降解量變化圖。從圖4中可以看出,與對照組相比,接種發(fā)酵劑能明顯地加快有機質(zhì)的降解,主要是因為接種外源發(fā)酵劑能增加堆肥中微生物的數(shù)量,豐富微生物的群體多樣性,促進堆肥的菌落演替,縮短堆肥周期,增加肥效成分的含量[12]。一般情況下,接種量越大,有機質(zhì)的降解的速度越快,堆肥化處理的時間越短。至發(fā)酵結(jié)束時,D1、D2、D3、CK的有機質(zhì)降解量的大小順序為D3>D2>D1>CK分別為:33.16%、35.50%、35.77%和16.98%,其中D2與D3的有機質(zhì)變化量差異不顯著(p>0.05),為節(jié)省成本,實驗采用2%的接種量進行堆肥發(fā)酵。

    2.5 磷酸二氫鉀(KH2PO4)添加量的確定

    碳酸法濾泥和木薯渣的高溫好氧堆肥中,氮素的損失比較嚴(yán)重,主要是pH值的升高和堆體較高的溫度造成的氨氣揮發(fā)所致??刂频?fù)p失的方法可以通過調(diào)整堆體的pH值[13]、C/N,加入高碳類物質(zhì),如草炭、秸稈、蚯蚓等,添加物理吸附性的沸石、硫酸亞鐵等;也可以添加化學(xué)物質(zhì),如氫氧化鎂和磷酸混合物[14]、硫酸鹽和氯化物[15]、磷酸鹽類[16]、尿酶抑制劑[17]等。

    2.5.1 pH值和有機質(zhì)含量的變化 圖5和圖6分別為是不同KH2PO4添加量對堆肥pH值和有機質(zhì)含量的影響,由圖可知,添加KH2PO4后堆肥處理的pH值較空白處理的pH值稍低,這是因為磷酸二氫鉀中氫離子的影響,與此同時有機質(zhì)的降解量也高于空白處理,是因為KH2PO4為堆料提供了磷素,磷是微生物合生細胞物質(zhì)的必需元素,由表1中原料性質(zhì)可知,原料中磷和鉀素相對缺乏,加入KH2PO4后,有效地調(diào)整了堆肥的C/P比,促進了微生物的增殖,表現(xiàn)在有機質(zhì)的降解量較高。反應(yīng)在pH值的變化上,堆肥0~4 d內(nèi),E1、E2、E3的pH值由于小分子有機酸的積累低于CK,堆肥6 d之后,由于氨氮在堆體中的保留效應(yīng),高于CK。發(fā)酵結(jié)束后,E1、E2、E3和CK的pH值分別為:8.55、8.62、8.72和8.47,有機質(zhì)的降解量分別為:33.09%、34.62%、34.47%和32.84%,其中E2、E3和CK的有機質(zhì)變化量有極顯著差異(p<0.01),E2、E3之間差異不顯著(p>0.05)。從pH值及有機質(zhì)的降解量這兩方綜合考慮,0.18%的KH2PO4的添加量較為合理。

    2.5.2 總氮含量的變化及總氮損失量NT-L 圖7是堆肥過程中總氮含量的變化趨勢圖,各處理的總氮含量總體上都呈現(xiàn)增加的趨勢,且添加KH2PO4的處理增加幅度比空白的高,15 d時,E1、E2、E3和CK的總氮含量值分別為1.57%、1.63%、1.68%和1.38%,總氮的損失量如圖8所示,E3的氮損失量最低,為40.14%,E2和E3差異不顯著,均高于不添加KH2PO4的空白處理49.56%,表明KH2PO4能在一定程度上抑制尿素型氮源的揮發(fā)。好氧堆肥處理中,向堆肥原料中添加一定量的磷酸鹽和鎂鹽,可以形成磷酸鎂銨結(jié)晶體,該結(jié)晶體可以將氨固定在內(nèi)部,從而有效地抑制了氮素的損失[18]。

    2.5.3 總磷和總鉀含量的變化 圖9和圖10是堆肥過程發(fā)酵過程中總磷(P2O5)和總鉀(K2O)的變化趨勢圖。各處理總磷和總鉀在堆肥前9 d增加量較為明顯,主要是堆肥過程中堆體體積變小,質(zhì)量減輕,使總磷和總鉀的相對含量比初始值高。發(fā)酵9 d后含量開始趨于穩(wěn)定。堆肥結(jié)束,E1、E2、E3和CK的總養(yǎng)分(N+P2O5+K2O)分別為:2.74%、3.19%、3.56%和2.25%,其中E1、E2、E3較空白處理總養(yǎng)分分別增加了17.97%、29.42%和36.84%,增加量顯著,主要是堆體體積變小,質(zhì)量減輕,使總磷和總鉀的相對含量比初始值高。從氮素的保留作用和增加肥效成分含量方面考慮,選擇0.18%的KH2PO4添加量作為碳酸法濾泥和木薯渣的初始發(fā)酵參數(shù)。

    3 討論與結(jié)論

    鄒璇[19]研究了木薯渣的堆肥條件及過程,表明木薯渣是一種優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)堆肥原料,但由于堆肥周期過長,基本未被木薯淀粉廠采用。梁洪[4]采用生物工程技術(shù)進行碳酸法制糖濾泥、酒精廢液、蔗髓、粉煤灰好氧發(fā)酵處理研究,制生物有機肥,由于原料pH值較高,且物料組成的主要原料碳酸法濾泥煤灰的有機質(zhì)含量較低,而所加入的蔗髓量又少,發(fā)酵物料中的有機質(zhì)主要來自酒精廢液,物料中的有機質(zhì)容易被微生物分解轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水蒸汽導(dǎo)致發(fā)酵物料有機質(zhì)含量較難提高,未能很好地推廣。王淑培[20]探討碳酸法濾泥和木薯渣快速資源化利用的可行性,試驗表明碳酸法濾泥提供了弱堿性的環(huán)境,更利于堆肥微生物的生長代謝,同時堿性的濾泥使得木薯渣中的纖維素成分易于軟化,從而添加碳酸法濾泥能明顯縮短堆肥周期。本文利用兩者的酸堿互補優(yōu)勢及有機質(zhì)含量互補優(yōu)勢,從影響微生物活性的角度選擇了原料配比、C/N、水分含量、發(fā)酵劑添加量4個因素研究了利用碳酸法濾泥和木薯渣進行高溫堆肥試驗,以有機質(zhì)的降解率為參考指標(biāo),得到的優(yōu)化參數(shù)為:碳酸法濾泥和木薯渣干重比為2 ∶ 1,C/N為30,水分含量為60%~65%,發(fā)酵劑的添加量為2%,此時有機質(zhì)的降解率達到35.5%。該優(yōu)化參數(shù)條件下,KH2PO4添加量為0.18%時,氮素的損失量達到最低值40.14%。

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