酒糟秸稈聯(lián)合發(fā)酵制備有機(jī)肥的研究

劉麗秀，何愛江

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川宜賓 644003）

1 酒糟現(xiàn)狀

白酒產(chǎn)業(yè)是宜賓的傳統(tǒng)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一，宜賓產(chǎn)區(qū)目標(biāo)是2025年實(shí)現(xiàn)白酒產(chǎn)量突破100萬kL（約90萬t）。宜賓白酒以濃香型白酒為主，酒糟為高粱、小麥、玉米等原料經(jīng)釀酒微生物固態(tài)發(fā)酵、蒸餾出酒后的固廢。產(chǎn)生量為3 t酒糟/白酒[1]，2025年預(yù)計產(chǎn)生酒糟270萬t。酒糟含水率在60%左右，pH值3～5，含有較豐富的粗蛋白、粗淀粉、粗脂肪和粗纖維以及釀酒微生物發(fā)酵產(chǎn)生的一定量的醇類、酸類、酯類和少量醛類等有機(jī)物，還含有豐富的磷、鉀等植物生長發(fā)育所需的礦物元素[2]。

2020年我國糧食產(chǎn)量6.69億t，按粒稈比1：1.2估算，全國年生產(chǎn)秸稈超過8億t。秸稈中含有大量的有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀和微量元素。但是部分丘陵地區(qū)秸稈利用率不高，仍存在秸稈焚燒污染環(huán)境和秸稈丟棄導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)等問題。本文以當(dāng)?shù)鼐圃愫徒斩挒樵?，研究堆肥生產(chǎn)有機(jī)肥的影響因素。

2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本項(xiàng)目主要的原輔料（表1）。

表1 項(xiàng)目所需主要原輔料情況

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器

有機(jī)肥的制備采用堆肥方式進(jìn)行。堆肥實(shí)驗(yàn)裝置采用塑料桶作為堆肥反應(yīng)器，配備溫度測量系統(tǒng)、通氣系統(tǒng)和廢氣處理系統(tǒng)。

堆肥反應(yīng)器是1個帶保溫層的200 L塑料容器。塑料桶開設(shè)有3個孔，底部開孔作為空氣輸入孔，中部開孔安裝Pt100熱電阻測溫元件，上部開孔作為廢氣排出口?？諝庥裳鯕獗靡院愣ㄋ俾剩?.0 L/min）向反應(yīng)器內(nèi)通入，距底部15 cm放置篩板，用于支撐原料和分布空氣。溫度通過傳感器由溫度檢測系統(tǒng)自動檢測。產(chǎn)生的廢氣通過廢氣處理系統(tǒng)處理后排放（圖1）。

圖1 堆肥實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 試驗(yàn)產(chǎn)品

原材料的質(zhì)量比在酒糟∶秸稈（高粱）∶油菜枯=30∶10∶1條件下得到的堆肥產(chǎn)品。

3.2 溫度變化及影響

3.2.1 升溫階段

微生物降解酒糟和秸稈中的有機(jī)物會產(chǎn)生熱量，堆體溫度也會產(chǎn)生變化。堆體中層溫度變化（圖2）。快速升溫：將原輔料加入反應(yīng)器中，開始后堆體溫度迅速上升，在1天之內(nèi)上部溫度增加37.3℃，達(dá)到62.3℃。該階段腐熟劑內(nèi)酵母菌、乳酸菌、地衣芽孢桿菌與水溶性總有機(jī)碳快速生化反應(yīng)，放出熱量使得固態(tài)發(fā)酵體系溫度快速升高，微生物細(xì)菌快速繁殖[3]。快速升溫過程，主要是糖類和蛋白質(zhì)（最容易分解的有機(jī)物）被分解，活躍的微生物是細(xì)菌、絲狀菌（白色菌絲）等。

圖2 固態(tài)發(fā)酵時間與溫度的關(guān)系

緩慢升溫：第2～5天，溫度從62.3℃逐漸升溫至75.3℃。該階段水溶性總有機(jī)碳逐漸減少，微生物細(xì)菌逐漸分解其他有機(jī)碳，微生物總量緩慢增加。接下來的高溫階段，主要是粗纖維被分解，此時活躍的微生物是真菌、放線菌等。固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)生60℃以上的高溫，持續(xù)幾小時即可殺死病蟲卵，持續(xù)2天即可殺死雜草種子。固態(tài)發(fā)酵溫度達(dá)到65℃時持續(xù)時間20～30天，對大腸菌和糞大腸菌殺滅率達(dá)100%[4]。

3.2.2 降溫和平穩(wěn)階段

隨著水溶性有機(jī)物快速耗盡，高溫會抑制微生物生長活動，產(chǎn)生的熱量減少導(dǎo)致堆體溫度逐漸下降。隨著堆肥發(fā)酵進(jìn)行，酒糟和秸稈中易降解物質(zhì)逐漸被消耗，微生物逐漸失活產(chǎn)熱減少，接近室溫，表明堆肥發(fā)酵基本完成[5]。

3.3 水分變化

固態(tài)發(fā)酵過程中水分變化（圖3）。固態(tài)發(fā)酵初始水分含量為65.3%，固態(tài)發(fā)酵結(jié)束時水分含量為29.5%，水分減少了35.8%。固態(tài)發(fā)酵的水分損失與固態(tài)發(fā)酵溫度存在關(guān)系，固態(tài)發(fā)酵溫度越高，水分蒸發(fā)越快。主要原因是溫度升高，水蒸氣的分壓增加，空氣中的含水量增加，隨著進(jìn)入空氣帶走的水分增加。固態(tài)發(fā)酵過程中，通透性即物料的供氧狀況是通過溫度和氣味來反映的。工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵采取一般翻堆方式進(jìn)行輔助增氧。固態(tài)發(fā)酵過程同時也是水分逐漸減少的過程，可降低成品的干燥成本。

圖3 固態(tài)發(fā)酵時間與水分的關(guān)系

3.4 pH值變化

酒糟有丙酸、丁酸、庚酸、辛酸等多種有機(jī)弱酸物質(zhì)[6]，酒糟與秸稈混合后pH值約5.5～6。隨著固態(tài)發(fā)酵過程進(jìn)行，pH逐漸升高。主要是有機(jī)弱酸物質(zhì)等的快速分解和含氮物質(zhì)降解產(chǎn)生一定量的氨，從而引起pH值升高。堆肥溫度降低后，pH值在6.1～6.5波動，最后穩(wěn)定在6.4左右。這可能是因?yàn)楣虘B(tài)發(fā)酵產(chǎn)生了高級脂肪酸等弱酸物質(zhì)（圖4）。

圖4 固態(tài)發(fā)酵過程中pH值的變化

3.5 水溶性總有機(jī)碳和無機(jī)碳的變化

水溶性總有機(jī)碳（STOC）是固態(tài)發(fā)酵微生物生長所能利用的直接碳源。非水溶性總有機(jī)碳需要通過微生物分解才能轉(zhuǎn)化水溶性總有機(jī)碳。水溶性總有機(jī)碳是評價固態(tài)發(fā)酵腐熟的重要指標(biāo)，水溶性總有機(jī)碳越低，發(fā)酵效果越好。固態(tài)發(fā)酵過程中水溶性總有機(jī)碳含量的變化。固態(tài)發(fā)酵混合原料中，水溶性總有機(jī)碳含量高達(dá)20.1 g/kg（干重）。主要是由于原料酒糟中含有大量的可溶性有機(jī)物，且可溶性有機(jī)物的可生化性很好，被微生物快速降解，其含量下降非?？?。15天后，水溶性總有機(jī)碳含量緩慢下降，水溶性總有機(jī)碳含量限制了微生物的數(shù)量，有少部分非水溶性總有機(jī)碳轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄钥傆袡C(jī)碳。固態(tài)發(fā)酵結(jié)束時，水溶性總有機(jī)碳含量高達(dá)3.2 g/kg。

項(xiàng)目水溶性無機(jī)碳（SIC）采用產(chǎn)生二氧化碳作為評價指標(biāo)，水溶性無機(jī)碳的變化。固態(tài)發(fā)酵前5天，水溶性無機(jī)碳從1.8 g/kg快速升至2.4 g/kg，該階段生化反應(yīng)活躍，水溶性總有機(jī)碳分解為水溶性無機(jī)碳。隨后固態(tài)發(fā)酵體系的SIC逐漸下降，15天后SIC基本穩(wěn)定在0.4 g/kg左右。這可能是由于有機(jī)物分解產(chǎn)生的CO2與固態(tài)發(fā)酵過程釋放的CO2（圖5）。

圖5 水溶性總有機(jī)碳和無機(jī)碳含量的變化

4 固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)品質(zhì)量評價

將得到的產(chǎn)品進(jìn)行分析，得到的結(jié)果（表2）。

表2 固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)品質(zhì)量

可以看出，兩個固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)品均符合有機(jī)肥料NY/T525-2021表1的技術(shù)指標(biāo)的限值要求。酒糟：高粱秸稈：油菜枯=30：10：1的成品A中有機(jī)質(zhì)為50.6%，是有機(jī)肥料NY/T525-2021標(biāo)準(zhǔn)限值的169%。對固態(tài)發(fā)酵中添加油菜枯，可以提高產(chǎn)品中的氮含量，從而使得總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）的含量符合有機(jī)肥料NY/T525-2021標(biāo)準(zhǔn)限值（≥4%）。

5 結(jié)論

原料水溶性總有機(jī)碳含量屬于易降解有機(jī)物，接種微生物后快速分解產(chǎn)生CO2，微生物增殖，發(fā)酵堆體溫度快速升高。隨著水溶性總有機(jī)碳消耗減少，微生物分解反應(yīng)降低，造成堆體溫度逐漸下降。發(fā)酵堆體升溫有利于原料中水分的揮發(fā)，可降低成品的干燥成本。原料中多種有機(jī)弱酸等被微生物分解是pH值升高的主要原因。堆肥發(fā)酵制備產(chǎn)品符合有機(jī)肥料NY/T525-2021表1的技術(shù)指標(biāo)的限值要求。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，只有酒糟和秸稈為原料生產(chǎn)的有機(jī)肥的總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，不符合NY/T525-2021的標(biāo)準(zhǔn)限值。建議適當(dāng)添加養(yǎng)殖糞便等高含氮量的養(yǎng)殖固廢，提高產(chǎn)品的有機(jī)肥含氮量。