糖廠濾泥發(fā)酵制成生物有機肥

摘要：【目的】掌握采用糖廠濾泥經(jīng)功能菌發(fā)酵制成生物有機肥的特點和規(guī)律，為促進(jìn)廣西蔗區(qū)糖料蔗產(chǎn)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)提供技術(shù)支持，同時為政府制定農(nóng)業(yè)種植環(huán)境保護(hù)相關(guān)政策提供決策參考。【方法】在廣西重要蔗糖生產(chǎn)區(qū)（來賓市興賓區(qū)和崇左市大新縣）開展以糖廠濾泥為原料、發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥的田間試驗，研究糖廠濾泥發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥的特征及肥效?！窘Y(jié)果】采用功能菌發(fā)酵糖廠濾泥生產(chǎn)生物有機肥的腐熟速度快，受環(huán)境因素影響較小，發(fā)酵效果穩(wěn)定，發(fā)酵溫度最高達(dá)77.2 ℃，且70.0～77.2 ℃的維持時間長達(dá)12 d；發(fā)酵后的有機質(zhì)含量和有機酸轉(zhuǎn)化率優(yōu)勢明顯，分別較傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵提高30.2%和12.3%（絕對值）。功能菌發(fā)酵生物有機肥對水稻、黃瓜和甘蔗有明顯的增產(chǎn)作用，對應(yīng)的平均產(chǎn)量分別為5971.5、76705.5和118780.5 kg/ha，較施等量傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵生物有機肥處理分別增產(chǎn)7.83%、41.19%和6.91%。施用功能菌發(fā)酵生物有機肥的土壤理化性狀指標(biāo)均高于施用傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵生物有機肥處理，其中土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀的含量分別為15.75 g/kg、67 mg/kg、14 mg/kg和69 mg/kg，而氮、磷和鉀利用率分別為39.3%、12.8%和52.8%?！窘Y(jié)論】采用功能菌發(fā)酵糖廠濾泥生產(chǎn)生物有機肥較傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵糖廠濾泥生產(chǎn)生物有機肥更具優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為腐熟速度快、發(fā)酵溫度高且保持時間長、發(fā)酵后有機質(zhì)含量和有機酸轉(zhuǎn)化率優(yōu)勢明顯，同時具有增產(chǎn)、提高土壤肥力和肥料利用率的作用，生產(chǎn)上可大面積推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 糖廠濾泥；發(fā)酵；生物有機肥；肥效；特征

中圖分類號： S141.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）03-0428-05

0 引言

【研究意義】廣西是我國最大的糖業(yè)基地，蔗糖產(chǎn)量約占全國的70%（李楊瑞等，2014；覃澤林等，2015；譚芳等，2016）。蔗糖是廣西的重要經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，在榨糖過程中每噸甘蔗將產(chǎn)生3.5%～4.8%的濾泥，平均約4.2%。據(jù)統(tǒng)計，廣西年均產(chǎn)原料蔗5600萬t，榨糖產(chǎn)生的濾泥約235.2萬t，但長期以來亞硫酸法糖廠濾泥被隨意排放，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。亞硫酸法糖廠濾泥的主要成分是甘蔗從土壤中吸收的各種營養(yǎng)物質(zhì)及其體內(nèi)合成的各種有機物質(zhì)，包括農(nóng)作物生長所必需的氮、磷、鉀及其他大量、微量元素等（羅為群等，2009）。因此，利用亞硫酸法糖廠濾泥發(fā)酵制成富含腐殖酸的生物有機肥，并在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上進(jìn)行資源化推廣應(yīng)用，既能解決亞硫酸法糖廠濾泥對環(huán)境的污染問題，又能緩解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤肥力下降的問題，變廢為寶，促進(jìn)蔗糖產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】亞硫酸法甘蔗制糖濾泥中含有大量有機物、氮、磷和微量金屬元素等微生物生長所必需的營養(yǎng)物質(zhì)（鞠然等，2011），直接用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已有較多報道。傅顯華等（1992）研究發(fā)現(xiàn)，采用蔗渣和濾泥作花卉栽培基質(zhì)時，蔗渣需通過自然堆漚或加氮處理再與濾泥配合使用，其最佳組合方式視蔗渣堆漚腐熟程度及濾泥含鹽量而定；邢世和和周碧青（2003）研究證實，施用20%粉煤灰+80%糖廠濾泥的混合物對供試土壤的改良和大麥的增產(chǎn)效果顯著；譚宏偉等（2016）研究表明，全部施用濾泥和酒精廢液于蔗田，蔗區(qū)每年可節(jié)省化肥150萬～200萬t，并增加土壤有機質(zhì)120萬～165萬t，對提高蔗區(qū)的土壤肥力發(fā)揮積極作用。在以糖廠濾泥制備有機肥方面，林天木（1997）以蔗糖濾泥為主要原料，配以無機化肥研制成有機─無機高效復(fù)合肥；虎玉森和王興民（1998）研究表明，合理利用濾泥制備成不同用途的濾泥復(fù)合肥是改善土壤理化性質(zhì)、減少環(huán)境污染及提高糖廠綜合效益的有效途徑；梁洪（2005）通過碳酸法制糖濾泥資源化利用中試研究證實，采用生物工程技術(shù)進(jìn)行碳酸法制糖濾泥、酒精廢液、蔗髓及粉煤灰好氧發(fā)酵處理而制備生物有機肥，是實現(xiàn)碳酸法糖廠固體廢棄物資源化利用的有效途徑；王淑培等（2013）研究表明，木薯渣與碳法糖廠濾泥干重比為1∶1或2∶1，經(jīng)過20 d的堆肥發(fā)酵后均能達(dá)到無害化的腐熟標(biāo)準(zhǔn)，有機質(zhì)降解率在50%以上，可用作土壤底肥或是添加氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素制成高質(zhì)量的有機肥?！颈狙芯壳腥朦c】制糖濾泥是長期困擾糖廠的最大污染源，直接排放極易造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。在其資源化利用方面，主要是以制糖濾泥為原料、配以無機化肥研制成有機—無機高效復(fù)合肥或作為充填料，而針對糖廠濾泥采用功能菌發(fā)酵制成生物有機肥的研究鮮見報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】掌握采用糖廠濾泥經(jīng)功能菌發(fā)酵制成生物有機肥的特點和規(guī)律，為促進(jìn)廣西蔗區(qū)糖料蔗產(chǎn)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)提供技術(shù)支持，同時為政府制定農(nóng)業(yè)種植環(huán)境保護(hù)相關(guān)政策提供決策參考。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

糖廠濾泥由來賓市興賓區(qū)華糖永鑫糖廠和崇左市大新縣雷平糖廠提供，菌曲（由枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌和膠凍樣芽孢桿菌制成）購自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物菌種保藏中心。糖廠濾泥pH 4.6～6.3，有機質(zhì)含量30.3%～67.2%，N、P2O5、K2O、CaO和MgO含量分別為0.9%～1.3%、0.6%～1.4%、0.4%～0.7%、4.9%～5.9%和0.9%～1.2%，蔗糖分含量0.35%～1.21%，主要有害元素Pb（未檢出）、Cr（17～38 mg/kg）、Cd（2.4～3.9 mg/kg）、Hg（0.5～1.9 mg/kg）、As（3.5～7.7 mg/kg）均低于國家生物有機肥料的限定含量標(biāo)準(zhǔn)。試驗點分別設(shè)在來賓市興賓區(qū)和崇左市大新縣，均為廣西的重要蔗糖生產(chǎn)區(qū)。

1. 2 發(fā)酵制成生物有機肥方案

方案1[傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥]：采用濾泥發(fā)酵（堆漚）條垛式，將水分含量50%～55%的濾泥堆成寬1.5～2.0 m、高0.5 m的條形發(fā)酵堆，每隔7～9 d翻堆1次。

方案2（功能菌發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥）：同樣采用濾泥發(fā)酵（堆漚）條垛式，將水分含量50%～55%的濾泥與菌曲混合均勻，然后堆成寬1.5～2.0 m、高0.5 m的條形發(fā)酵堆，每隔4～5 d翻堆1次。

1. 3 發(fā)酵生物有機肥內(nèi)含物測定

1. 3. 1 細(xì)菌蛋白酶活力（PA） 采用紫外分光光度計法進(jìn)行測定，PA計算公式為：

PA（U/g）=△A/W×100

式中，△A為樣品與空白吸光度差值（A1-A2），W為反應(yīng)中酶用量（g）。

1. 3. 2 蔗糖含量（X） 采用滴定法進(jìn)行測定，計算公式為：

X（%）=（R2-R1）×0.95

式中，R1為未經(jīng)水解處理的還原糖含量（%），R2為水解處理后的還原糖含量（%），0.95為還原糖（以葡萄糖計）換算為蔗糖的系數(shù)。

1. 3. 3 有機酸含量（ω） 采用滴定法，根據(jù)NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度（C）和消耗體積（V）計算有機酸含量：

式中，C為NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度（%），V為NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液消耗體積（mL），M為有機酸摩爾質(zhì)量（mol/L），m為稱取有機酸樣品質(zhì)量（mg）。

1. 4 土壤肥力及養(yǎng)分利用率分析

作物收獲后采集耕層土樣測定有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷和速效鉀含量，具體測定方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》（魯如坤，2000）。其中，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定，速效氮采用堿解擴散法測定，速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提、鉬藍(lán)比色法測定，速效鉀采用1.0 mol/L中性NH4OAC浸提、火焰光度法測定，全氮采用半微量凱氏定氮法測定，全磷采用NaOH熔融鉬銻抗比色測定；全鉀采用NaOH熔融火焰光度法測定。

2 結(jié)果與分析

2. 1 糖廠濾泥發(fā)酵生物有機肥的升溫變化特征

以糖廠濾泥為原料、功能菌發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥時，堆漚第3 d的堆肥溫度可達(dá)45.0～54.0 ℃，第7 d升至70.0 ℃以上，維持在70.0～77.2 ℃的時間長達(dá)12 d，從第19 d后迅速降低，直至與傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥的一致。在整個堆肥過程中，傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥的溫度變化幅度相對平緩，堆漚第6 d的堆肥溫度才40.0 ℃，最高溫度僅為63.0 ℃，保持在60.0 ℃以上的時間僅有5 d，明顯低于功能菌發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥。

2. 2 糖廠濾泥發(fā)酵生物有機肥的組分分析結(jié)果

有益微生物的代謝產(chǎn)物均在發(fā)酵階段產(chǎn)生，主要包括三類代謝物：第一類是酶，如纖維素酶群、蛋白酶群、氧化酶、糖化酶、水解酶和?；被崦傅?；第二類是有機酸，如腐植酸、吲哚乙酸、赤霉乙酸和檸檬酸等；第三類是生物素，如赤霉素、各種抗生素及酮類物質(zhì)。細(xì)菌蛋白酶活力測定結(jié)果顯示，傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵生物有機肥的細(xì)菌蛋白酶活力為1.023×104 U/g，遠(yuǎn)低于功能菌發(fā)酵生物有機肥的細(xì)菌蛋白酶活力（1.793×106 U/g）。功能菌的發(fā)酵作用能有效分解糖廠濾泥中的蔗糖分（表1），使其蔗糖分含量由0.39%～1.21%（平均為0.99%）降至0.05%～0.13%（平均為0.07%），對糖廠濾泥發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥十分有利。

在以傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵糖廠濾泥生產(chǎn)生物有機肥的過程中，有機物料轉(zhuǎn)化為有機酸的轉(zhuǎn)化率為59.7%，而采用功能菌發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥的轉(zhuǎn)化率達(dá)89.9%，較傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥高出30.2%（絕對值，下同）。在糖廠濾泥發(fā)酵制備生物有機肥的有機質(zhì)含量方面，采用功能菌發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥的有機質(zhì)含量為45.7%，較采用傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵生物有機肥（33.4%）高出12.3%。

2. 3 糖廠濾泥發(fā)酵生物有機肥的肥效

糖廠濾泥發(fā)酵生物有機肥對水稻、黃瓜和甘蔗產(chǎn)量影響的田間試驗結(jié)果（表2）表明，施用功能菌發(fā)酵生物有機肥的平均水稻產(chǎn)量為5971.5 kg/ha，較施等量傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵生物有機肥的處理增產(chǎn)433.5 kg/ha，增幅達(dá)7.83%；施用功能菌發(fā)酵生物有機肥的平均黃瓜產(chǎn)量達(dá)76705.5 kg/ha，較施等量傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵生物有機肥的處理增產(chǎn)22378.5 kg/ha，增幅達(dá)41.19%；施用功能菌發(fā)酵生物有機肥的平均甘蔗產(chǎn)量為118780.5 kg/ha，較施等量傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵生物有機肥的處理增產(chǎn)7675.5 kg/ha，增幅為6.91%。

2. 4 糖廠濾泥發(fā)酵生物有機肥對土壤肥力及養(yǎng)分利用率的影響

以蔗區(qū)土壤有機質(zhì)及連續(xù)5年施用糖廠濾泥發(fā)酵生物有機肥的效應(yīng)研究為例，探討施用糖廠濾泥發(fā)酵生物有機肥對土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀含量等理化性狀的影響，結(jié)果顯示，施用功能菌發(fā)酵生物有機肥的土壤理化性狀指標(biāo)均高于施用傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵生物有機肥的處理（表3），其中土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀的含量分別為15.75 g/kg、67 mg/kg、14 mg/kg和69 mg/kg。

由表4可知，施用功能菌發(fā)酵生物有機肥處理的氮、磷和鉀利用率分別為39.3%、12.8%和52.8%，較施傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵生物有機肥處理的氮、磷和鉀利用率提高18.3%、2.2%和21.6%，比僅施用化肥的處理提高15.0%、4.5%和30.8%；與僅施用化肥的處理相比，施用傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵生物有機肥處理的氮利用率降低3.3%，而磷、鉀利用率提高了2.3%和9.2%。

3 討論

目前，糖廠濾泥的綜合利用可概括為濾泥生產(chǎn)復(fù)合肥、加工成動物飼料、提取蔗蠟及植物固醇、制備材料以添加劑及作為生物質(zhì)燃料等5個方面（左見軍等，2014）。林天木（1997）、虎玉森和王興民（1998）、梁洪（2005）、王淑培等（2013）先后以糖廠濾泥為主要原料制成有機—無機高效復(fù)合肥，并證實是實現(xiàn)碳酸法糖廠固體廢棄物資源化利用的有效途徑。本研究應(yīng)用微生物技術(shù)結(jié)合功能菌發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥，結(jié)果表明，采用功能菌發(fā)酵糖廠濾泥生產(chǎn)生物有機肥較傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵方式的腐熟速度快，發(fā)酵溫度最高達(dá)77.2 ℃，且70.0～77.2 ℃的維持時間長達(dá)12 d；功能菌發(fā)酵生物有機肥的有機質(zhì)含量和有機酸轉(zhuǎn)化率優(yōu)勢明顯，分別較傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵生物有機肥提高30.2%和12.3%。施用功能菌發(fā)酵生物有機肥對水稻、黃瓜和甘蔗有明顯的增產(chǎn)效果，較施等量傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵生物有機肥分別增產(chǎn)7.83%、41.19%和6.91%；對土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀含量也有明顯影響，均高于施用傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵生物有機肥的處理，含量分別為15.75 g/kg、67 mg/kg、14 mg/kg和69 mg/kg；在氮、磷和鉀利用率方面分別為39.3%、12.8%和52.8%，較施傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵生物有機肥處理的氮、磷和鉀利用率分別提高18.3%、2.2%和21.6%，比僅施用化肥的處理提高15.0%、4.5%和30.8%?？梢?，采用功能菌發(fā)酵糖廠濾泥生產(chǎn)生物有機肥較傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵糖廠濾泥生產(chǎn)生物有機肥更具優(yōu)勢，可大面積推廣應(yīng)用。

肥料廠一般采用傳統(tǒng)的條垛式堆漚、槽式堆漚發(fā)酵生產(chǎn)肥料，有的甚至采取露天堆漚，不僅占地面積大，易產(chǎn)生臭氣和污水，影響周邊環(huán)境，還受天氣條件限制，質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)周期長，運行成本高（王懷利等，2010；廖青等，2013）。堆漚發(fā)酵過程的腐熟速度慢，受環(huán)境因素影響較大，發(fā)酵效果不穩(wěn)定，通常需要35～45 d才能完成一次腐熟過程；而采用功能菌發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥的腐熟速度快，受環(huán)境因素影響較小，發(fā)酵效果穩(wěn)定，僅需20～25 d就能完成一次腐熟過程。生產(chǎn)上的常用菌種有巨大芽孢桿菌、釀酒酵母、涇陽鏈霉菌、綠色木霉、白地霉、嗜熱側(cè)孢霉、熱地假絲酵母、枯草芽孢桿菌、圓褐固氮菌、膠凍樣芽孢桿菌、沼澤紅假單胞菌等（王懷利等，2010；許永勝等，2015）。綜合本研究結(jié)果可知，開展糖廠濾泥發(fā)酵制成生物有機肥已在以下幾個方面取得突破：（1）解決菌群間拮抗干擾的突破。產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝成功解決了菌群間拮抗干擾和平衡肥效的量變關(guān)系，有效提高了該技術(shù)在生產(chǎn)應(yīng)用中的實用性與高效性。這些配組菌群能在土壤中形成強大的有益生物群體，通過接力式代謝和多層次分解與轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生各種活性基團，并不斷產(chǎn)生腐植酸，促使土壤中的有機物轉(zhuǎn)化為優(yōu)良的植物養(yǎng)分。（2）組配菌種株數(shù)創(chuàng)新。組配菌種達(dá)10～11株，菌種數(shù)量越多其功能作用就廣。（3）設(shè)計采用的菌株耐高溫性。功能菌發(fā)酵溫度最高達(dá)77.2 ℃，且70.0～77.2 ℃的維持時間長達(dá)12 d。此發(fā)酵溫度不僅縮短有機質(zhì)的腐熟分解周期，還能殺滅堆腐原料中的其他有害菌群。

4 結(jié)論

采用功能菌發(fā)酵糖廠濾泥生產(chǎn)生物有機肥較傳統(tǒng)（自然）發(fā)酵糖廠濾泥生產(chǎn)生物有機肥更具優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為腐熟速度快、發(fā)酵溫度高且保持時間長、發(fā)酵后有機質(zhì)含量和有機酸轉(zhuǎn)化率優(yōu)勢明顯，同時具有增產(chǎn)、提高土壤肥力和肥料利用率的作用，生產(chǎn)上可大面積推廣應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯 蘭宗寶）