利用香蕉菠蘿莖葉工廠化生產(chǎn)復(fù)合生物有機(jī)肥關(guān)鍵技術(shù)研究

匡石滋 田世堯 肖維強(qiáng) 劉傳和 李春雨

農(nóng)業(yè)部南亞熱帶果樹生物學(xué)與遺傳資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東廣州 510640）

摘 要 探討現(xiàn)階段以香蕉菠蘿莖葉為原料生產(chǎn)復(fù)合生物有機(jī)肥的工廠化生產(chǎn)技術(shù)，重點(diǎn)研究以生物發(fā)酵為核心的生物有機(jī)肥的生產(chǎn)工藝及關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，并提出工廠化生產(chǎn)生物有機(jī)肥的工藝流程、工藝參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)，利用自主開發(fā)研制的復(fù)合發(fā)酵菌劑和發(fā)酵設(shè)備，并結(jié)合造粒技術(shù)的應(yīng)用，可構(gòu)成流水工藝，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)。優(yōu)化工藝條件下，香蕉菠蘿廢棄莖葉經(jīng)生物發(fā)酵處理生產(chǎn)出的有機(jī)肥產(chǎn)品符合國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞 香蕉 ；菠蘿 ；莖葉；復(fù)合生物有機(jī)肥；工廠化生產(chǎn)；工藝技術(shù)

分類號(hào) X712 ；S141.4 Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.02.009

Industrialized Production Technology of Complex Bio-organic

Fertilizer by Using the Stem and Leaf of Banana and Pineapple

KUANG Shizi TIAN Shiyao XIAO Weiqiang LIU Chuanhe LI Chunyu

（Institute of Fruit Tree Research / Ministry of Agriculture Key Laboratory

of South Subtropical Fruit Biology and Genetic Resource Utilization，

Guangdong Academy of Agricultural Sciences， Guangzhou， Guangdong 510640）

Abstract This paper discussed the industrialized production technology of the complex bio-organic fertilizer by using the stem leaf of banana and pineapple as raw materials， mainly studied the production process and key technical points of bio-organic fertilizer based on biological fermentation， and put forward the technological process， parameter and technical indicator of the industrialized production of bio-organic fertilizer， applied the independently developed complex microbial agents， fermentation equipments and granulated technology to make up the flow process technology and achieve industrial continuous production. Under these optimum technology conditions， the organic fertilizer produced by the fermentation treatment of banana and pineapple stem leaf qualified with the national industry standards.

Keywords banana and pineapple stem leaf ； complex bio-organic fertilizer ； industrialized production ； processing technology

香蕉、菠蘿是我國大宗熱帶經(jīng)濟(jì)作物，每年產(chǎn)生大量的廢棄莖葉，這些莖葉含有豐富的氮、磷、鉀等元素和有機(jī)質(zhì)，經(jīng)過生物發(fā)酵處理，可以成為很好的肥料資源[1-2]。然而，實(shí)際生產(chǎn)中香蕉菠蘿莖葉處理一般是就地堆放或簡單粉碎還田，既浪費(fèi)資源，又造成農(nóng)業(yè)環(huán)境污染。傳統(tǒng)的自然堆肥存在發(fā)酵周期長、產(chǎn)品肥效低等問題。如果采用生物發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行工廠化生產(chǎn)，不僅可以快速有效地處理香蕉菠蘿莖葉，還可以生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的商品化有機(jī)肥料。

生物有機(jī)肥是以生物發(fā)酵為主要核心工藝的集約化產(chǎn)品，工廠化生產(chǎn)方面尚有諸多技術(shù)問題亟待研發(fā)[3-4]。目前，國內(nèi)對香蕉菠蘿莖葉發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥的研究，大多停留在試驗(yàn)設(shè)計(jì)和中試階段[5-7]，工廠化生產(chǎn)技術(shù)的研究未見報(bào)道。為此，在廣東省科技計(jì)劃等項(xiàng)目的支持下，項(xiàng)目組通過與肥料生產(chǎn)企業(yè)合作，開展了利用香蕉菠蘿莖葉工廠化生產(chǎn)生物有機(jī)肥關(guān)鍵技術(shù)的研究，初步得出工廠化生產(chǎn)的關(guān)鍵性技術(shù)參數(shù)，并提出以香蕉菠蘿莖葉為主要原料的大規(guī)模生產(chǎn)有機(jī)肥的工藝標(biāo)準(zhǔn)，以期為香蕉菠蘿莖葉的資源化利用提供參考依據(jù)。

香蕉菠蘿莖葉作為一類特殊的農(nóng)業(yè)資源，與其他農(nóng)作物副產(chǎn)品相比，含水量高，蛋白含量較低，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素是其干物質(zhì)主要組分[8]。在進(jìn)行生物發(fā)酵處理時(shí)，有機(jī)物的降解或轉(zhuǎn)化需要多種微生物的協(xié)同作用才能完成，人工加入高效微生物菌劑可以縮短發(fā)酵周期、提高堆肥效率[9]。影響生物發(fā)酵的另一關(guān)鍵因素是工藝和設(shè)備，露天堆制工藝不易控制，堆肥反應(yīng)器生產(chǎn)工藝能耗高，投資大，不易推廣。所以，工廠化生產(chǎn)必須具備以下條件：（1）適合香蕉菠蘿莖葉生物發(fā)酵的復(fù)合菌劑，且該菌劑纖維降解效率高；（2）適合香蕉菠蘿莖葉發(fā)酵的設(shè)備，且發(fā)酵工藝簡單易操作；（3）工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)路線成熟。

1 材料與方法

1.1 材料

香蕉菠蘿莖葉。自主開發(fā)研制的復(fù)合發(fā)酵菌劑和發(fā)酵設(shè)備。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)4因素3水平的正交試驗(yàn)（表1），每處理0.5 t，3次重復(fù)。堆肥條件：堆肥物料的C/N為30∶1，含水率70%，4 d翻堆1次，堆肥30 d。觀察復(fù)合發(fā)酵菌劑對堆料溫度變化的影響，堆料升溫速度快，最高溫度高，且高溫維持時(shí)間長的處理為菌種復(fù)配的最佳組合。

1.2.2 工藝流程

根據(jù)香蕉菠蘿莖葉特點(diǎn)，選擇并確定工藝技術(shù)方案時(shí)，項(xiàng)目組進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，并在小試、中試的基礎(chǔ)上，對實(shí)際運(yùn)行中存在的不足進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，最終優(yōu)化了香蕉菠蘿莖葉生產(chǎn)生物有機(jī)肥的工藝流程（圖1）。

香蕉菠蘿莖葉經(jīng)過粉碎、預(yù)處理，然后和雞糞混合攪拌均勻，在發(fā)酵系統(tǒng)中加入適量的復(fù)合菌劑，進(jìn)行生物發(fā)酵；堆料腐熟后，根據(jù)需要科學(xué)地配置所需元素和菌種后攪拌均勻，經(jīng)輸送裝置達(dá)制粒系統(tǒng)，晾干、包裝至成品。

2 結(jié)果與分析

2.1 工廠化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 復(fù)合發(fā)酵菌劑的篩選與組合

項(xiàng)目組將所篩選的木霉菌和枯草芽胞桿菌與實(shí)驗(yàn)室保藏的黑曲霉、熱紫鏈霉菌進(jìn)行復(fù)配，其中木霉菌有很強(qiáng)的纖維分解能力，枯草芽孢桿菌產(chǎn)生的抗生作用很強(qiáng)，黑曲霉不僅能分解纖維素，還能產(chǎn)生豐富的高活力糖化酶，熱紫鏈霉菌在纖維素上生長并分解纖維素。將上述各菌分別進(jìn)行單獨(dú)培養(yǎng)，生成的菌體經(jīng)烘干后按一定的比例混勻，通過正交試驗(yàn)確定菌株的最佳復(fù)配比例，制備成復(fù)合發(fā)酵菌劑。

從圖2可以看出，處理3最高溫65℃，高溫維持時(shí)間達(dá)7 d。極差分析結(jié)果（表2）表明，以最高溫度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，由極差大小可以判斷，各因素對溫度的影響次序?yàn)椋嚎莶菅挎邨U菌>黑曲霉>熱紫鏈霉菌>木霉菌。從平均值看， A1B3C3D3為最佳組合，即復(fù)合微生物菌劑中木霉菌：黑曲霉：枯草芽孢桿菌：熱紫鏈霉菌的最佳比例為1∶3∶3∶3。

2.1.2 工廠化生產(chǎn)工藝參數(shù)優(yōu)化

生物有機(jī)肥產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)是產(chǎn)品的有效活菌數(shù)，而生產(chǎn)工藝又是影響產(chǎn)品指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。在生物有機(jī)肥的發(fā)酵過程中，菌劑的投入量、C/N、水分、翻堆次數(shù)等為主要的發(fā)酵參數(shù)，根據(jù)單因素試驗(yàn)所得各因素的最適作用范圍，再設(shè)計(jì)4因素3水平的正交試驗(yàn)（表3），每處理0.5 t，3次重復(fù)。

極差分析結(jié)果（表4）表明，以有益菌數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，由極差大小可以判斷，各因素對有益菌數(shù)的影響次序?yàn)椋壕鷦┘尤肓?C/N>水分含量>翻堆次數(shù)。從平均值看，A3B2C2D1為最佳組合，即復(fù)合菌劑最佳用量為0.2%，C/N比最佳比例為25，堆肥水分含量為70%左右，翻堆1次的生產(chǎn)工藝參數(shù)為最佳組合。由于所選的處理組合不在正交試驗(yàn)表中，因此對A3B2C2D1組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，在此條件下，物料可以順利實(shí)現(xiàn)升溫，第3天溫度上升至55℃，并維持10 d，滿足了堆肥衛(wèi)生學(xué)和堆肥腐熟的要求，活菌數(shù)達(dá)8.35×108個(gè)。表明該組合可以應(yīng)用于香蕉堆肥工業(yè)化生產(chǎn)。

2.1.3 高效纖維素分解菌在香蕉莖桿堆肥中的應(yīng)用

項(xiàng)目組將從蕉園不同根際土壤和香蕉莖桿堆漚發(fā)酵物中篩選、分離、純化并保存的3株綠色木霉菌，按1∶1∶1比例進(jìn)行配制。接種纖維素分解菌處理中粗纖維素的含量由初始的27.6%降低到堆制后的18.3%，總降解率達(dá)33.69%；比對照增加了15.58%。說明接種纖維素分解菌有利于堆肥中纖維素類大分子物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，提高了堆肥中可溶性小分子有機(jī)物質(zhì)的含量，促進(jìn)了碳素循環(huán)，提高了堆肥品質(zhì)。因此，接種纖維素分解菌用于香蕉莖桿堆肥處理，是促進(jìn)香蕉莖桿堆肥工業(yè)化生產(chǎn)有機(jī)肥的一條有效途徑[10]。

2.1.4 藥肥兩用復(fù)合生物有機(jī)肥的研制

生物有機(jī)肥是吸附生防菌劑的良好載體[11]。項(xiàng)目組在香蕉菠蘿莖葉生物發(fā)酵腐熟物料中，添加自主篩選的枯草芽胞桿菌和木霉菌等生防菌劑，使之成為藥肥兩用的復(fù)合生物有機(jī)肥。將2種生防菌與腐熟的生物有機(jī)肥結(jié)合，吸附量為10%（體積∶質(zhì)量）制成藥肥兩用復(fù)合生物有機(jī)肥，施用到接種香蕉枯萎病菌的土壤中。試驗(yàn)結(jié)果表明，該生物有機(jī)肥能顯著降低香蕉枯萎病的發(fā)病率，減少土壤中病原菌數(shù)量，同時(shí)能提高相關(guān)防御性酶的活性，起到防病、抑病作用[12]。施肥防病、藥肥結(jié)合是近幾年發(fā)展起來的前沿技術(shù)[13]，它改變了傳統(tǒng)的生物防治方法，將單純的生防菌以有機(jī)肥為載體，更充分發(fā)揮生防菌的功效，為土傳病害的防治提供了一種新的途徑。

2.1.5 生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)和選擇

2.1.5.1 發(fā)酵裝置

香蕉菠蘿莖葉的發(fā)酵裝置是由課題組自主研發(fā)的發(fā)酵設(shè)備——發(fā)酵倉（圖3），已獲得國家專利（ZL201020674400.8）。該發(fā)酵倉規(guī)格為2.0 m×1.5 m×1.2 m，底板為多孔隔板構(gòu)件，并稍向外傾斜，便于發(fā)酵過程中大量水分可以從底板和橫隔板的孔隙流走，從而不會(huì)因水分的累積而影響發(fā)酵溫度，同時(shí)也便于底部通風(fēng)通氣，有利提高堆肥效率。倉體側(cè)板由若干條可抽取的橫隔板組成，便于堆料和取料。采用倉式好氧發(fā)酵工藝，具有發(fā)酵周期短，操作簡便，對環(huán)境和生產(chǎn)條件無特殊要求等特點(diǎn)。發(fā)酵倉可由多個(gè)小倉組成，每個(gè)小倉都是一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，方便對發(fā)酵過程中物料的水分、C/N、溫度等的調(diào)控。腐熟好的堆料連續(xù)地從出口處排出，構(gòu)成流水工藝，便于實(shí)現(xiàn)工廠化連續(xù)生產(chǎn)。

2.1.5.2 造粒設(shè)備選擇

有機(jī)肥造?？煞譃閳A盤造粒和擠壓造粒。擠壓造粒生產(chǎn)能力偏低，成本較高，顆粒為長柱型。圓盤造粒生產(chǎn)量大，所需動(dòng)力小，成粒率高，粒型好。本項(xiàng)目生物有機(jī)肥的生產(chǎn)需添加功能菌、無機(jī)養(yǎng)分等，所使用的粘合劑為液體有機(jī)粘合劑，故采用圓盤機(jī)（圖4）噴霧造粒，操作方便，用料可控，適宜顆粒有機(jī)肥的工廠化生產(chǎn)。

2.1.5.3 生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

生產(chǎn)線設(shè)計(jì)以發(fā)酵倉為主體，每條生產(chǎn)線由3個(gè)發(fā)酵倉和粉碎機(jī)、攪拌機(jī)、篩分機(jī)和造粒機(jī)等配套機(jī)械組成，設(shè)計(jì)的規(guī)格為日處理量13.5 m3，每條生產(chǎn)線年產(chǎn)1 000～2 000 t 有機(jī)肥。該生產(chǎn)線具有耗能低、投資少、效率高、操作方便的特點(diǎn)。

2.1.6 造粒技術(shù)研究

將粉狀有機(jī)肥進(jìn)行顆?；?，可使有機(jī)肥具有良好的商品性狀、穩(wěn)定的養(yǎng)分含量和肥效，也便于運(yùn)輸、貯存、銷售和施用[14]。香蕉菠蘿莖葉的腐熟物料一般質(zhì)地較粗，粘結(jié)性差，造粒比較困難，這也是利用農(nóng)作物莖稈生產(chǎn)顆粒有機(jī)肥的共性問題，長期以來造粒技術(shù)成為有機(jī)肥生產(chǎn)的瓶頸[15]。采用無機(jī)粘土類粘結(jié)劑，不僅添加量大，造成有機(jī)肥的有效成分降低，而且返料率高[16]。為此，項(xiàng)目組采用酵母廢水濃縮液、玉米淀粉和聚乙烯醇等3種有機(jī)粘結(jié)劑進(jìn)行造粒試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，3種有機(jī)粘結(jié)劑在添加量適宜的情況下，都能將有機(jī)肥粉料團(tuán)成顆粒，且成粒率高、返料率低、粒徑分布均勻、抗壓強(qiáng)度大、顆粒崩解率低。

2.2 工廠化生產(chǎn)的主要技術(shù)指標(biāo)

2.2.1 原輔料配比技術(shù)

將收集的香蕉菠蘿莖葉用粉碎機(jī)或青貯鍘草機(jī)切斷，長度以2～3 cm為宜，以便更快、更充分地進(jìn)行氧發(fā)酵。然后將粉碎好的香蕉菠蘿莖葉與雞糞等輔料進(jìn)行混合堆制。一般香蕉菠蘿莖葉和雞糞的配制比例為10∶1，C/N為（20～30）∶1，含水率為70%。對原輔料的配比和用量也可根據(jù)物料的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2.2.2 生物發(fā)酵技術(shù)

按原料與菌劑的質(zhì)量比（1 000∶2）加入復(fù)合發(fā)酵菌劑。在添加菌劑時(shí)，先將菌劑與花生麩或谷糠粉按1∶5的比例混合均勻，再分層添加至堆體中。香蕉菠蘿莖葉與雞糞混合堆肥的初始C/N控制在20～30為宜，以25.5為最佳；當(dāng)堆料的C/N比降到18左右時(shí)，可認(rèn)為堆肥已達(dá)腐熟。堆料的含水量在發(fā)酵全過程中減少20%～30%，堆體高度也會(huì)下降1/3以上；發(fā)酵3～5 d為堆體升溫階段；6～15 d為高溫階段，此期要及時(shí)進(jìn)行翻堆，以調(diào)節(jié)堆體的溫度和通風(fēng)量，并使堆體溫度控制在70℃以下；堆料的pH值從初始到堆肥結(jié)束變化不大，在7.5～8.5，不需進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2.3 生物有機(jī)肥造粒技術(shù)

將香蕉菠蘿莖葉的腐熟物料粉碎過50目篩，采用70%酵母廢水濃縮液或微生物多糖濃縮液、6%玉米淀粉和2%聚乙烯醇粘結(jié)劑進(jìn)行噴霧造粒。液體粘合劑用量為250 mL/kg，成粒率可大于90%，顆粒粒徑分布均勻、抗壓強(qiáng)度達(dá)6.0 N以上。也可根據(jù)產(chǎn)品類型選擇不同粘結(jié)劑，生物有機(jī)肥可使用酵母廢水濃縮液或微生物多糖濃縮液進(jìn)行噴霧造粒，由于該粘合劑富含有機(jī)營養(yǎng)，即有利復(fù)合生物有機(jī)肥中有益菌的存活和繁殖，而且粘合性強(qiáng)，工序簡單， 操作方便。復(fù)合生物有機(jī)肥造粒可使用玉米淀粉和聚乙烯醇粘合劑，能使其中的營養(yǎng)成分緩慢釋放，起到緩釋肥的功效。

2.2.4 有機(jī)復(fù)混肥及養(yǎng)分配比技術(shù)

根據(jù)土壤特性和作物需肥特點(diǎn)，在有機(jī)肥中加入無機(jī)養(yǎng)分和微量元素，不僅可提高有機(jī)肥料中的養(yǎng)分濃度，彌補(bǔ)有機(jī)肥中速效養(yǎng)分不足的缺點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合造粒技術(shù)，使其營養(yǎng)成分含有率及釋放過程既符合作物對養(yǎng)分的吸收規(guī)律，又可減少亞硝酸鹽在農(nóng)產(chǎn)品中的積累，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。

2.2.5 產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

采用生物發(fā)酵技術(shù)工業(yè)化生產(chǎn)的生物有機(jī)肥產(chǎn)品符合以下質(zhì)量指標(biāo)：有益菌>0.2 億/g；有機(jī)質(zhì)>47%；總養(yǎng)分（N、P2O5、K2O，干基）≥5.4%；水分<15%；各產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)參照NY525-2012《有機(jī)肥料》、NY 884-2012《生物有機(jī)肥》、GB18877-2009《有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥料》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)計(jì)算，生產(chǎn)1 t生物有機(jī)肥所需成本為480元，包括香蕉菠蘿廢棄莖葉的收集及預(yù)處理費(fèi)用180元；設(shè)備能耗30元；人工成本70元，輔料（雞糞、花生麩或谷糠粉）90元；包裝編織袋55元；復(fù)合發(fā)酵菌劑25元；設(shè)備折舊及不可預(yù)見費(fèi)30元；以目前生物有機(jī)肥市場平均價(jià)1 000元算，利潤可達(dá)520元，企業(yè)可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3 討論與結(jié)論

以香蕉菠蘿廢棄莖葉為原料、雞糞為輔料，添加復(fù)合生物發(fā)酵菌劑，采用生物發(fā)酵技術(shù)，進(jìn)行深度生物氧化處理，可轉(zhuǎn)化為無害化高活性的生物有機(jī)肥。自主研發(fā)的復(fù)合發(fā)酵菌劑不僅縮短了發(fā)酵周期，提高了堆肥效率，而且提高了有機(jī)肥的產(chǎn)品質(zhì)量；利用自主開發(fā)研制的發(fā)酵設(shè)備并結(jié)合造粒技術(shù)的應(yīng)用，可構(gòu)成流水工藝，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)。在本研究得到的優(yōu)化工藝條件下，香蕉菠蘿廢棄莖葉經(jīng)生物發(fā)酵處理生產(chǎn)出的有機(jī)肥產(chǎn)品達(dá)到國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，利用香蕉菠蘿莖葉工廠化生產(chǎn)復(fù)合生物有機(jī)肥關(guān)鍵技術(shù)的研究對生物有機(jī)肥行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步起到一定推動(dòng)作用，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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