吹糠灰及剩余污泥協(xié)同白酒丟糟快速共堆肥工藝研究

劉林培， 管秀瓊， 王 洪， 李 俊， 劉 春， 胡海軍

(1.四川輕化工大學(xué)a.生物工程學(xué)院；b.機(jī)械工程學(xué)院， 四川 自貢 643000；2.宜賓五糧液股份有限公司， 四川 宜賓 644000)

引 言

丟糟是白酒固態(tài)釀造生產(chǎn)中的主要固體廢棄物之一[1]。利用白酒丟糟制作有機(jī)肥，具有較高的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和社會效益[2]。但白酒丟糟本身的碳氮比和營養(yǎng)條件等均不適合直接堆肥[3]，需補(bǔ)充營養(yǎng)元素和微量元素或采用厭氧干發(fā)酵等方式進(jìn)行預(yù)處理[4]，而這會不同程度增加生產(chǎn)成本，制約傳統(tǒng)白酒丟糟堆肥化處理的發(fā)展[5]。

吹糠灰和污水處理廠剩余污泥也是白酒固態(tài)釀造生產(chǎn)中的主要固體廢棄物。吹糠灰富含纖維素、木質(zhì)素、二氧化硅以及低量的脂肪和蛋白質(zhì)等，目前多采用外運填埋方式處理，資源化利用程度較差；廢水處理廠剩余污泥有機(jī)質(zhì)含量較高，且含有氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，直接土地利用容易導(dǎo)致燒苗和病蟲害，但污泥發(fā)酵肥料的速效肥分又較低，限制了污泥肥的推廣應(yīng)用[6]。

共堆肥方法可以同時處理兩種或兩種以上的有機(jī)廢棄物，綜合利用不同廢棄物的特性，為堆肥過程提供條件，提高堆肥的速率和質(zhì)量[7]，這為白酒生產(chǎn)過程多種固廢的協(xié)同處理提供了參考。劉陽等[1]采用共堆肥的方法協(xié)同處理丟糟和剩余污泥，得出丟糟與污泥體積比為2∶1時堆肥效果最好。本課題組在丟糟和食用菌菌渣共堆肥研究中，發(fā)現(xiàn)食用菌菌渣的最佳添加比例為20%～30%[5]。唐波等[8]將自身開發(fā)出的微生物促腐劑應(yīng)用于丟糟和污泥共堆肥中，以GI>80%為腐熟判斷依據(jù)，其腐熟時間達(dá)到24天。然而，在丟糟為主的好氧共堆肥研究中，資源化協(xié)同利用吹糠灰和剩余污泥實現(xiàn)快速共堆肥的研究尚未見報道。鑒于此，本研究基于自主研發(fā)的堆肥反應(yīng)器，探究白酒釀造過程多種固廢快速高質(zhì)的共堆肥處理工藝，以期為白酒企業(yè)的“治廢”提供參考，實現(xiàn)白酒企業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 堆肥材料

試驗所用白酒丟糟、吹糠灰和剩余污泥均取自四川宜賓某酒廠；復(fù)合發(fā)酵菌劑為自購市售，有效菌種主要為枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、綠色木霉和釀酒酵母等，有效活菌數(shù)≥200億個/g。堆肥原料的物化指標(biāo)見表1。

表1 堆肥原料的物化指標(biāo)

注：數(shù)值為測量三次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

1.2 堆肥反應(yīng)器

本試驗所用自制智能堆肥反應(yīng)器如圖1所示。反應(yīng)器物料容量為32 L，底部裝有多孔透氣物料墊層、通氣管道和曝氣裝置，外接充氧裝置，提供物料支撐和系統(tǒng)通風(fēng)；反應(yīng)器主體由內(nèi)筒和外筒兩部分組成，其間填充保溫材料，達(dá)到保溫效果；反應(yīng)器頂部的尾氣管道，可保證廢氣的無害化排放；溫度傳感器、氧氣泵連接PLC控制器和監(jiān)控電腦，實現(xiàn)堆體溫度的自動監(jiān)測和風(fēng)量調(diào)節(jié)。

1.氧氣泵；2.plc控制器；3.電腦；4.轉(zhuǎn)子流量計；5廢氣處理； 6.保溫材料隔層；7.堆肥物料；8.溫度傳感器；9.物料墊層； 10.通氣管道；11.曝氣裝置；12.內(nèi)壁；13.外壁
圖1 堆肥反應(yīng)器示意圖

1.3 試驗與分析方法

將堆肥試驗設(shè)計為對照組(C)和試驗組(T)，進(jìn)行為期30天的試驗。其中C組為丟糟自然堆肥，除初始含水率外，無工藝參數(shù)控制；根據(jù)前期試驗結(jié)果，T組以丟糟和吹糠灰為主料，脫水剩余污泥為添加料，堆肥過程中自動控制溫度和通風(fēng)速率參數(shù)，其中物料絕干質(zhì)量配比為丟糟∶吹糠灰∶脫水污泥=44∶55∶1，連續(xù)通風(fēng)量為1.5 L/min，初始C/N為26。調(diào)節(jié)C和T組的初始含水率(60%)相同，均以物料絕干重量的3%接種復(fù)合發(fā)酵菌劑。根據(jù)前期試驗結(jié)果，堆肥過程大致會經(jīng)歷高溫期和降溫腐熟穩(wěn)定期。因此，分別在堆肥后0天(初始)、6天(高溫末期)、18天(降溫期間)和30天(堆肥結(jié)束)對堆體進(jìn)行人工翻堆，同時從每個堆體的下部、中央和上部均勻混合采集新鮮樣品(200 g左右)，并將其分成2等份，1份鮮樣放置在4 ℃處保存，用于含水率、pH、電導(dǎo)率(EC)、硝態(tài)氮和種子萌發(fā)指數(shù)(GI)的分析；1份風(fēng)干樣粉碎后過0.25 mm篩網(wǎng)，用于凱氏氮、總磷、總鉀和有機(jī)質(zhì)含量的分析。

將去離子水與堆肥鮮樣在10∶1(mL·g)，30 ℃和200 r/min的條件下水平振蕩1 h，得到樣品懸浮液。將懸浮液在10 000 r/min情況下離心30 min后通過0.45 μm水系濾膜，得到堆肥浸提液[9]，進(jìn)行pH、EC和GI分析。pH和EC用雷磁PHS-3C型酸度計和雷磁DDS-307A電導(dǎo)率儀分別測定；GI按照Meng等[10]的方法進(jìn)行測定；凱氏氮用凱氏定氮法測定；硝態(tài)氮按照NY/T1116—2014《硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、酰胺態(tài)氮含量的測定》進(jìn)行測定；總氮等于凱氏氮加硝態(tài)氮[2]；總磷、總鉀和總養(yǎng)分按照NY/525—2012《有機(jī)肥料》進(jìn)行測定；含水率采用105 ℃干燥24 h后測定[11]；灰分是在樣品經(jīng)過馬弗爐550 ℃爐溫并保溫24 h后測定[11]；有機(jī)質(zhì)是灰分與絕干質(zhì)量之差[11]；有機(jī)碳由灰分含量按公式(1)計算：

(1)

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用EXCEL 2010和IBM SPSS 20統(tǒng)計軟件對堆肥過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用Origin 8.5進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度的變化

堆肥過程中溫度的變化反映了堆體內(nèi)微生物活性的變化，決定了堆肥的速率和質(zhì)量[12]。圖2表示堆體在堆肥過程中溫度的變化如圖2所示，其對應(yīng)環(huán)境溫度的變化范圍為23.88 ℃～28.99 ℃。由圖2可以看出，C和T組均在堆肥后第3天達(dá)最高溫，相對于C組(最高溫度51.84 ℃)，T組的最高溫度(72.57 ℃)有著明顯的提升，提升率達(dá)39.99%。同時，C和T組的高溫期(50 ℃以上)維持時間亦不同。C組的高溫期維持了4天，未符合好氧堆肥無害化處理的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。而T組高溫期維持天數(shù)相對于C組增加了2天，并達(dá)到好氧堆肥無害化處理的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(50 ℃以上超過5天)。從堆肥第8天開始至堆肥結(jié)束，C和T組的溫度均進(jìn)入低溫緩慢下降，堆體進(jìn)入后腐熟期。由溫度變化可以判斷，T組提升了堆肥的衛(wèi)生質(zhì)量。

圖2 堆體在堆肥過程中溫度的變化

2.2 pH和EC的變化

pH和EC的變化是探究堆肥過程與質(zhì)量的重要參數(shù)。堆體在堆肥過程中pH和EC的變化如圖3所示。由圖3可以看出，C組和T組的pH變化趨勢一致，均呈現(xiàn)先升高后略有降低的過程。這可能是由于微生物在堆肥早中期將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，氨態(tài)氮溶于水呈堿性，使pH值逐漸升高[2]。隨后，由于微生物活性使堆體中的有機(jī)物分解而產(chǎn)生低分子量酸以及硝化作用的形成，pH值略有下降。C組和T組的pH值下降過程略有差別，T組的pH值初始值高于C組，進(jìn)行到第6天與C組差距變小，18天后低于C組，因此，可以認(rèn)為T組比C組提前形成硝化作用。到堆肥結(jié)束時，C組和T組的pH均符合有機(jī)肥料NY525-2012。由pH值變化可以判斷，T組提升了堆肥的速率。

圖3 堆體在堆肥過程中pH和EC的變化

同樣，由圖3可以看出，C組和T組的EC變化趨勢保持一致，均呈逐步上升。這可能是兩個方面的原因造成的。一方面，有機(jī)物降解過程中釋放出的礦物鹽會導(dǎo)致EC增加；另一方面，堆體干質(zhì)量的不斷凈損失，EC也會不斷增加[13]。整個堆肥過程中T組的EC均高于C組，這可能是由于T組含有少量脫水污泥，其富含大量的無機(jī)鹽離子。堆肥結(jié)束時，C組和T組的EC均遠(yuǎn)未達(dá)到中等敏感植物忍受的閾值(EC<4 ms·cm-1)[14]。

2.3 有機(jī)質(zhì)及其降解率的變化

有機(jī)質(zhì)作為微生物賴以生存與繁殖的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量的變化可以反映堆肥的進(jìn)程，根據(jù)其降解程度也可以判斷堆肥的質(zhì)量。堆體在堆肥過程中有機(jī)質(zhì)及其降解率的變化如圖4所示。顯然，由于堆體微生物的生命活動使C組和T組的有機(jī)質(zhì)含量均不斷下降，但T組的有機(jī)質(zhì)在堆肥后18天至堆肥結(jié)束已無明顯差別，可以認(rèn)為可能是發(fā)酵過程的穩(wěn)定與結(jié)束，T組可能已達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。但由于堆肥是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)，任何單一參數(shù)對腐熟度的判斷都不完全可靠與準(zhǔn)確。因此，對于堆體的腐熟需結(jié)合其他參數(shù)進(jìn)行綜合判定。在整個堆肥過程中，T組的有機(jī)質(zhì)降解率均遠(yuǎn)高于C組，表明T組的微生物生命活動比C組更劇烈，T組更有利于有機(jī)質(zhì)的降解。到本次堆肥試驗結(jié)束(30天)時，T組的有機(jī)質(zhì)降解率高達(dá)14.10%，相比較于C組(9.04%)，提高了5.06%。由有機(jī)質(zhì)及其降解率的變化可以判斷，T組提升了堆肥的速率和質(zhì)量。

2.4 C/N和T值的變化

圖4 堆體在堆肥過程中有機(jī)質(zhì)及其降解率的變化

C/N常用作堆肥過程中判斷速率和質(zhì)量的指標(biāo)。堆體在堆肥過程中C/N和T值的指標(biāo)變化見表2。由表2可知，C組和T組的C/N分別從初始的20.16和26.13不斷下降，到堆肥結(jié)束時為15.94和18.01， C/N下降率分別對應(yīng)達(dá)到了20.93%和31.08%。有研究者[15]認(rèn)為C/N小于20為堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)，但由于本研究C組和T組的初始C/N不同以及C組的初始C/N本身處于20附近，所以僅采用C/N作為堆肥過程質(zhì)量和腐熟的指標(biāo)顯然已不合適。同時，將C/N作為堆肥質(zhì)量和腐熟度的指標(biāo)爭議一直存在，有學(xué)者認(rèn)為C/N與堆肥原料有關(guān)，提出采用堆肥終點C/N與初始C/N的比值(T值)來評價堆肥的質(zhì)量和腐熟度[16]。C組和T組的T值均呈不斷降低的趨勢，在整個堆肥過程中，T組的T值均明顯低于C組。盧秉林等[17]認(rèn)為腐熟堆肥的T值應(yīng)低于0.72，按此標(biāo)準(zhǔn)T組在堆肥后18天為0.71，達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。不同的是，C組的T值直到堆肥結(jié)束也未達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。由C/N和T值變化可以判斷，T組提升了堆肥的速率和質(zhì)量。

表2 堆肥過程中部分指標(biāo)的變化

注：結(jié)果是三次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.5 種子萌發(fā)指數(shù)的變化

種子萌發(fā)指數(shù)(GI)一般用于評價堆肥的毒性和腐熟度，根據(jù)其值的大小可以判斷堆肥的速率和質(zhì)量。當(dāng)GI>80%表示對植物無毒害，堆肥完全腐熟[18]。由表2可知，C組和T組的GI變化趨勢一致，均先略有降低后逐漸升高。在堆肥初中期GI略有下降，可能是由于體系中產(chǎn)生了氨和有機(jī)酸，隨后由于有毒物質(zhì)的分解以及養(yǎng)分的富集，GI逐漸上升。在堆肥第18天T組的GI為81.54%，已達(dá)到完全腐熟，而C組的GI為26.53%，遠(yuǎn)低于T組，且直到堆肥結(jié)束時，C組的GI也未達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。相對于同樣采用丟糟為主要原料的堆肥工藝，以GI>80%為腐熟判斷依據(jù)，T組腐熟時間分別提高了32天、4天和6天[1-2,8]。由種子萌發(fā)指數(shù)的變化可以判斷，T組提升了堆肥的速率和質(zhì)量。

2.6 養(yǎng)分含量的變化

養(yǎng)分含量的高低也是探究堆肥效果的重要依據(jù)，根據(jù)其富集率的大小可以判斷堆肥質(zhì)量。表3統(tǒng)計了堆體在堆肥前后養(yǎng)分含量的變化。由表3可知，C組和T組的總氮、總磷、總鉀和總養(yǎng)分均達(dá)到了富集的目的，但其富集程度差異明顯。到本次堆肥試驗結(jié)束(30天)時，T組的總氮、總磷、總鉀和總養(yǎng)分含量分別為2.33%、5.10%、0.81%和15.01%，除總氮以外，T組的各養(yǎng)分含量均明顯高于C組。其總氮、總磷和總鉀高于唐波等[8]用白酒丟糟和污泥共堆肥結(jié)束時的1.6%、1.04%和1.41%；總氮指標(biāo)遠(yuǎn)高于焦常鋒等[19]以剩余污泥為原料堆肥結(jié)束時的0.49%。同時，T組的總氮富集率、總磷富集率、總鉀富集率和總養(yǎng)分富集率分別達(dá)到了23.28%、75.86%、55.77%和63.86%，相比較于C組，分別提高了7.87%、10.8%、10.31%和15.26%。由養(yǎng)分含量、富集所耗時間以及養(yǎng)分富集率可以判斷，T組提升了堆肥的效率和質(zhì)量。

表3 堆肥養(yǎng)分指標(biāo)的對比

注：結(jié)果是三次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

3 結(jié) 論

(1) C組和T組均在堆肥第3天達(dá)到最高溫度，T組相對于C組，最高溫度提升率達(dá)39.99%，高溫期(50 ℃以上)維持時間增加了2天。T組符合高溫堆肥無害化處理的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

(2) T組比C組pH下降更快，提前進(jìn)入硝化反應(yīng)。到堆肥結(jié)束時，C組和T組的pH均符合有機(jī)肥料NY525-2012。由pH值變化可以判斷，T組提升了堆肥的速率。到堆肥結(jié)束時，C組和T組的EC均遠(yuǎn)未達(dá)到中等敏感植物忍受的閾值(EC<4 ms·cm-1)。

(3) 在整個堆肥過程中，T組的有機(jī)質(zhì)降解率均遠(yuǎn)高于C組。T組相對于C組，到堆肥結(jié)束時，有機(jī)質(zhì)降解率提高了5.06%。

(4) C組和T組的C/N下降率分別達(dá)到了20.93%和31.08%。在整個堆肥過程中，T組的T值均明顯低于C組，其T值在堆肥后18天為0.71，達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，而C組直到堆肥結(jié)束也未符合腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

(5) 堆肥后18天T組的GI為81.54%，達(dá)到完全腐熟，而C組直到堆肥結(jié)束時，其GI也未達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

(6) 到堆肥結(jié)束時，T組除總氮以外，總磷、總鉀和總養(yǎng)分含量均明顯高于C組。T組相對于C組，到堆肥結(jié)束時，總氮富集率、總磷富集率、總鉀富集率和總養(yǎng)分富集率分別提高了7.87%、10.8%、10.31%和15.26%。

綜上所述，由各參數(shù)綜合判定，T組的腐熟時間約為18天，而C組直到堆肥結(jié)束也未符合腐熟標(biāo)準(zhǔn)。由高溫期的維持時間及溫度，有機(jī)質(zhì)及其降解率，C/N和T值變化，種子萌發(fā)指數(shù)，養(yǎng)分含量及其富集率等指標(biāo)可以判斷，相對于C組和其他堆肥工藝，T組提升了堆肥的速率和質(zhì)量。由此說明，利用自制智能堆肥裝置，采用白酒釀造多固廢共堆肥技術(shù)可以提高白酒丟糟制備有機(jī)肥的速率和質(zhì)量，其產(chǎn)品腐熟時間約為18天左右。同時，到本次堆肥試驗結(jié)束(30天)時，總養(yǎng)分達(dá)到了富集的目的，其含量高達(dá)15 %左右。