好氧堆肥法處置釀酒丟糟與廢水污泥的原料配比

劉陽，安明哲*，張富勇，蘇建，茍梓希，周俊輝，劉莉，李芹

1(宜賓五糧液股份有限公司，四川 宜賓，644007) 2(宜賓市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，四川 宜賓，644007)

釀酒丟糟是固態(tài)白酒釀造生產(chǎn)中的主要固態(tài)廢棄物之一[1]。丟糟中含有多種促進(jìn)生長類物質(zhì)[2-3]，制作生物有機(jī)肥具有很大的潛力[4]。但丟糟中所含的有機(jī)物未經(jīng)腐熟，大多不穩(wěn)定。若將其直接施用于田間，會產(chǎn)生發(fā)熱、臭氣、滲濾液、滋生病蟲害等一系列問題。釀酒廢水污泥也是白酒生產(chǎn)中的重要固態(tài)廢棄物之一[5]，與丟糟類似，污泥中也含有大量未腐熟、不穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)[6]。隨著白酒生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)張，釀酒丟糟與釀酒廢水污泥的排放規(guī)模亦越來越大，這給白酒企業(yè)的治廢帶來了日益加重的負(fù)擔(dān)[7]。

好氧堆肥法是一種經(jīng)濟(jì)有效且社會可接受的固體廢棄物處置方法。好氧堆肥技術(shù)可通過中、高溫微生物降解有機(jī)質(zhì)，將有機(jī)質(zhì)最終轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)，達(dá)到無害化、穩(wěn)定化、減量化的效果[8]。因此使用好氧堆肥法可同時處置釀酒丟糟與污泥，將其轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定無毒害的丟糟生物有機(jī)肥，變廢為寶。

然而，使用好氧堆肥法同時處置釀酒丟糟與釀酒廢水污泥以生產(chǎn)丟糟有機(jī)肥的研究尚未見報道。由于白酒丟糟與釀酒廢水污泥具備高含水、高含氮的特點(diǎn)[6]，且丟糟初始pH明顯偏酸性，致使初始含水率、初始pH、初始碳氮比(C/N)很難調(diào)節(jié)至適宜范圍，與好氧堆肥法通常所使用的初始物料特性有一定差距[9]，以其為原料進(jìn)行好氧堆肥理論上具有一定困難。若大規(guī)模添加調(diào)節(jié)材料，則會增加工藝復(fù)雜性、增加大量成本，不利于日后在白酒企業(yè)大規(guī)模推廣。

為解決上述困難，本文在不添加配劑的前提下，設(shè)計了2種物料的多個配比，對不同配比下發(fā)酵堆體各參數(shù)的變化情況進(jìn)行研究，以尋找丟糟污泥好氧堆肥的最適配比，為進(jìn)一步的研究運(yùn)用提供依據(jù)。同時，本文還設(shè)計了一種自主研發(fā)的自動反饋控制通風(fēng)式好氧堆肥裝置，以優(yōu)化這2種原料的堆肥發(fā)酵過程。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

如圖1所示，堆肥設(shè)備由控制系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)與發(fā)酵倉組成。發(fā)酵倉總處理體積約為2.5 m3，底部配有通風(fēng)入口、滲濾液排出口，以及相連接的尾氣吸引裝置。倉體內(nèi)設(shè)有溶氧、溫度、濕度信號探頭各3組，分別位于堆體的上、中、下部。中控系統(tǒng)是自主開發(fā)的自動化通風(fēng)控制設(shè)備，上述發(fā)酵倉一共4組，每組3套，均連接至中控系統(tǒng)，由其控制運(yùn)行。

1.2 材料

本試驗以丟糟、污泥為主要原料。丟糟來源于五糧液公司釀酒車間，污泥來源于五糧液公司釀酒廢水處理站所排放的脫水污泥。堆肥原料的基本性質(zhì)見表1。

圖1 好氧堆肥發(fā)酵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the aerobic compostingfermentation equipment

表1 堆肥原料基本特性表Table 1 The basic characteristics of compost materials

材料含水率/%有機(jī)質(zhì)/%含氮量/%C/N丟糟6091.83.89.6污泥9269.73.28.5

1.3 實驗方法

1.4 分析方法

1.4.1 測試方法

總碳含量采用島津TOC(V-CPN+ssm-5000A固體測定模塊)儀器測定；總氮采用凱氏定氮法測定；含水率采用烘干法測定；VS含量通過烘干樣品于馬弗爐中550 ℃燃燒測定。所有測定項目均設(shè)3次重復(fù)。

VS降解率可通過利用物料守恒所推出的公式(1)計算[12]：

(1)

式中：Xvs是t時刻的VS降解率(與初始值相比)，W1是初始時刻的VS百分比含量，Wt是t時刻的VS百分比含量。

1.4.2 操作關(guān)鍵步驟

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Origin 2018作圖，SPSS 22.0對試驗結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥周期中pH值的變化

圖2 好氧堆肥發(fā)酵過程中pH值變化Fig.2 Changes in pH during fermentation ofaerobic composting fermentation注：A、B、C、D表示丟糟與污泥體積比分為1 ∶1、2 ∶1、3 ∶1、4 ∶1。下同。

pH值是判斷堆肥腐熟度的重要指標(biāo)之一[20]，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)NY 525—2012《有機(jī)肥料》，有機(jī)肥最終pH值應(yīng)在5.5～8.5。從本次試驗可知，丟糟與污泥堆肥的4個實驗組最終pH均在此范圍。

2.2 堆肥周期中電導(dǎo)率的變化

電導(dǎo)率(electrical conductivity,EC)反映了堆肥中可溶性鹽的含量，可溶性鹽是對作物產(chǎn)生毒害作用的重要因素之一；根據(jù)魯如坤等[21]的研究，若堆肥EC值>9.0 ms/cm，會對作物產(chǎn)生不利影響。由圖3可以看出，4個實驗組EC值最終均<2.0 ms/cm，對作物生長的毒害作用可以基本排除。4個實驗組的EC值變化均是先快速升高，而后逐漸趨于穩(wěn)定，這可能是因為在堆肥初期微生物快速繁殖、代謝旺盛，各種小分子有機(jī)酸與各種離子含量上升較快[19]；在不穩(wěn)定的有機(jī)物分解完畢后，各種可溶性的小分子物質(zhì)與離子增長停止，因此中后期EC值趨于穩(wěn)定。

圖3 好氧堆肥發(fā)酵過程中EC值變化Fig.3 Changes in EC during fermentation ofaerobic composting fermentation

2.3 堆肥周期中含水率的變化

因受污泥原料較高含水率的影響，4組含水率均高于通常好氧堆肥適宜的初始值[22]。由圖4可以看出，含水率均是總體呈下降趨勢。其中B、C、D組的下降曲線比較接近，最終含水率在32%～35%；僅有A組總體含水率均偏高，最終含水率也高達(dá)45.5%。這可能是因為A組所含的污泥比例最高，堆體初始含水率過高，透氣性較差，影響了整個堆肥發(fā)酵過程中水分的散失。作為定性判斷堆肥腐熟度的指標(biāo)之一，腐熟堆肥含水率通常在45%以下[19]；除A組外，B、C、D組含水率最終都達(dá)到了此要求。

圖4 好氧堆肥發(fā)酵過程中含水率值變化Fig.4 Changes in moisture content duringfermentation of aerobic composting fermentation

2.4 堆肥周期中的有機(jī)質(zhì)百分比(VS)及其降解率的變化

揮發(fā)性固體(VS)含量反映了堆肥原料中有機(jī)質(zhì)的含量[23]，堆肥干物質(zhì)的減量即來自于有機(jī)物的降解[24]。VS降解率是VS含量相對于初始值所下降的比例，可更直觀地反應(yīng)出有機(jī)物降解百分比的變化。

由圖5可以看出，在堆肥1～10 d，有機(jī)物降解速率很高；在10 d以后，堆肥降解速率趨于平緩。最終VS含量(占干重百分比)下降13%～15%，這與報道結(jié)果[13, 25-26]接近。VS降解率則在55%～60%。VS降解率可作為堆肥腐熟判斷的指標(biāo)之一[27-28]，降解率達(dá)50%左右可視為腐熟[19]，從數(shù)據(jù)結(jié)果來看，A、B、C、D四組在有機(jī)物降解上均能符合腐熟要求的范圍。

a-揮發(fā)性固體含量;b-揮發(fā)性固體降解率圖5 好氧堆肥發(fā)酵過程中VS及VS降解率變化Fig.5 Changes in VS and degradation rate ofVS during fermentation of aerobic composting fermentation

2.5 堆肥周期中總碳、總氮含量的變化

總碳含量的變化如圖6-a所示。因本研究中所用原料皆來源于白酒生產(chǎn)過程中的有機(jī)物，故總碳含量可視為總有機(jī)碳含量。從圖中可以看出，總碳的含量最終下降5%～7%，這與前文VS的含量變化具相同趨勢，也與鄧小墾等[29]的研究相接近。4個實驗組中，A組降解情況最差，這可能也是因為A組過高的初始含水率影響了部分堆肥反應(yīng)的速率致使有機(jī)碳分解受到影響。

總氮的含量變化取決于2個方面：一是堆肥過程中以氨氣形式散失掉的氮素，二是反應(yīng)過程中隨著堆體有機(jī)物降解，“濃縮效應(yīng)”所帶來的提升[30]。如圖6-b所示本含量中總氮含量最終略有上升，表明在堆體過程中有機(jī)物降解帶來的氮素濃縮作用大于氨氮的揮發(fā)作用，這與研究結(jié)果[29-30]一致。

a-總碳含量;b-總氮含量圖6 好氧堆肥發(fā)酵過程中總碳含量及總氮含量變化Fig.6 Changes in TC and TN during fermentationof aerobic composting fermentation

碳氮比也是堆肥發(fā)酵過程中評價的重要指標(biāo)之一。通常認(rèn)為，碳氮比從初始的25左右下降至15～20可視為堆肥基本腐熟[19,30]。但如前文所述，丟糟污泥原料初始碳氮比過低(<10)。根據(jù)鄧小墾等的研究[29]，對于初始碳氮比偏低的情況，不適用于使用碳氮比的絕對值來作為評價標(biāo)準(zhǔn)。但只要碳氮比在逐漸下降，也可表明堆肥在逐漸腐熟。從總碳、總氮的數(shù)據(jù)來看，本研究中碳氮比下降的趨勢(圖7)還是較為明顯的，可說明堆肥逐漸走向腐熟。

圖7 好氧堆肥發(fā)酵過程中碳氮比變化Fig.7 Changes in C/N during fermentationof aerobic composting fermentation

2.6 堆肥周期中速效磷含量的變化

速效磷的含量增長主要來自于2個方面，一是機(jī)質(zhì)降解帶來的濃縮效應(yīng)，二是微生物的降解作用使得部分磷轉(zhuǎn)化為速效磷[31]。其次，堆肥微生物的死亡釋放速效磷與腐殖酸對磷的絡(luò)合效應(yīng)也影響著速效磷的含量[32]。如圖8所示，4個試驗組的速效磷在堆肥前期(10～20 d)迅速增長。這可能是因為在堆肥10 d之前微生物繁殖旺盛，生物體吸收利用了大量不易提取的磷元素；而在10～20 d，反應(yīng)速率下降，微生物快速死亡，釋放出了大量易于提取的速效磷；在之后階段速效磷的緩慢增長則可能與堆肥有機(jī)質(zhì)的減量、微生物的死亡釋放及堆體內(nèi)部的各種生化反應(yīng)等多種因素有關(guān)。

圖8 好氧堆肥發(fā)酵過程中速效磷變化Fig.8 Changes in available phosphorus duringfermentation of aerobic composting fermentation

2.7 堆肥周期中NH4+-N含量的變化

圖9 好氧堆肥發(fā)酵過程中銨氮變化Fig.9 Changes in NH4+-N content duringfermentation of aerobic composting fermentation

2.8 堆肥周期中硝氮含量的變化

圖10 好氧堆肥發(fā)酵過程中硝氮變化Fig.10 Changes in content during fermentationof aerobic composting fermentation

2.9 堆肥周期中種子發(fā)芽指數(shù)(GI)的變化

GI被認(rèn)為是最敏感、最可靠、最有效和最能反映堆腐產(chǎn)品植物毒性大小的判斷堆腐無害化和腐熟度的重要參數(shù)[35]，是判斷堆肥是否順利進(jìn)行、堆肥最終是否無害、是否腐熟的一個根本性指標(biāo)[35,37]。

圖11 好氧堆肥發(fā)酵過程中種子發(fā)芽指數(shù)變化Fig.11 Changes in GI during fermentation ofaerobic composting fermentation

通常認(rèn)為，早熟5號白菜種子GI達(dá)到0.8以上則可認(rèn)為堆肥無植物毒性，視為基本腐熟。從本試驗的GI測量結(jié)果來看，B組的GI在第50天就達(dá)到了0.8以上，最終達(dá)到了0.88，顯著高于其他3組GI值(P< 0.05)，完全滿足通常認(rèn)為的腐熟要求；C、D組的GI最終分別達(dá)到0.72、0.66，距腐熟尚有一定差距；而A組GI變化趨勢總體均在低位，最終也僅達(dá)0.45，植物毒性非常大，完全未腐熟。

3 結(jié)論

采用白酒廠釀酒丟糟與釀酒廢水污泥進(jìn)行好氧堆肥，受限于原料初始含氮量、含水率偏高的特點(diǎn)，堆體難以調(diào)節(jié)至好氧堆肥的適宜初始物料特性，堆肥反應(yīng)存在一定的難度和未知性。本研究設(shè)計不同的物料比例，初步尋找丟糟物料堆肥的最適配比。結(jié)果表明，丟糟與污泥體積比為2∶1時效果最好，pH、EC、含水率、有機(jī)質(zhì)降解率、銨氮、硝氮、總碳、總氮等多項指標(biāo)均處于良好水平，最終GI達(dá)到0.88 (>0.8)，顯著高于其他3組GI值(P< 0.05)，完全滿足通常認(rèn)為的腐熟要求；丟糟與污泥體積比為3∶1、4∶1時效果一般，符合腐熟要求的指標(biāo)參半，最終GI分別達(dá)到0.72、0.66，與0.8有一定差距；而丟糟與污泥體積比為1∶1時效果較差，各項指標(biāo)均處于較差水平，最終GI僅達(dá)0.45，遠(yuǎn)小于0.8。

本研究使用自主設(shè)計的自動反饋通風(fēng)式好氧堆肥裝置，并首次使用好氧堆肥法同時處置白酒丟糟與釀酒廢水污泥以生產(chǎn)丟糟有機(jī)肥，變廢為寶；并研究出了丟糟與污泥的最佳比例，為切實解決白酒企業(yè)釀酒丟糟與污泥等固態(tài)廢棄物的問題提供了全新、有效的思路。