碳酸法濾泥和木薯渣堆肥發酵的研究

王淑培等

摘 要 研究了碳酸法濾泥和木薯渣的配比、C/N、水分含量、發酵劑的添加量等4個影響因素對碳酸法濾泥和木薯渣堆肥發酵的影響。確定最佳的初始工藝參數為：碳酸法濾泥和木薯渣干重比為2 ∶ 1，C/N為30，水分含量為60%～65%，發酵劑的添加量為2%，并選取KH2PO4作為氮素的保留劑，探索其添加量對堆肥的影響，確定合適的添加量為0.18%。

關鍵詞 碳酸法濾泥；木薯渣；堆肥

中圖分類號 S141.4 文獻標識碼 A

Abstract The effects of the ratio of carbonation filter mud and cassava residue， C/N， the moisture content， the quantity of inoculation on carbonation filter mud and cassava residue high-tempreture compost were studied. Results showed that the optimum condition was： carbonation filter mud：cassava residue=2 ∶ 1（dry weight ratio）； carbon to nitrogen ratio 30 ∶ 1， the quantity of inoculation 2%； moisture content 60%～65%. KH2P04 was selected as the nitrogen retention agent and to explore the impact of the addition amount on the compost， and the appropriate addition amount was 0.18%.

Key words Carbonation filter mud； Cassva residues； Compost

碳酸法濾泥是糖廠采用碳酸法澄清工藝而排放的濾泥。碳酸法制糖工藝過程，需要加入大量的Ca（OH）2和CO2，產生的CaCO3沉淀以吸附蔗汁中的雜質、膠體等非糖物質。該工藝的優點是生產的白糖質量較高，但其產生的固體廢棄物——濾泥的排放量大（濕濾泥對蔗比約9%）、有機物含量低、鈣含量高、堿性強，新鮮濾泥的pH值達到9.47。中國現有碳酸法甘蔗糖廠每年榨蔗量約300萬t，濕濾泥產量約為30萬t。對碳酸法濾泥的治理和利用，國內外糖業界進行了大量的探索和研究，主要有：（1）工業上利用碳酸法濾泥生產水泥、玻璃、空心砌磚、碳酸鈣、拒水粉、燒石灰等產品[1]；（2）黃颯等[2]將碳酸法糖廠濾泥與酸性土壤混合后用于甘蔗種植；（3）溫韜等[3]研究了將碳酸法糖廠的碳濾泥進行活化后，與石灰乳混合用來對蔗汁進行亞硫酸法澄清，提高了清凈效果。（4）梁洪等[4]采用生物工程技術進行碳酸法制糖濾泥、酒精廢液、蔗髓以及粉煤灰好氧發酵處理研究，制生物有機肥。碳酸法濾泥的研究和利用方法大多還處于試驗室研究階段或因技術存在成本高等難題，一直以來沒能得到較好的處 理，國內外碳酸法糖廠的濾泥基本上都是采用濕排或干排處理，造成嚴重的環境污染。木薯渣是木薯生產加工淀粉或乙醇后的固體殘料，主要是由木質纖維素組成，還含有少量的淀粉和蛋白質。木薯渣的pH大約在3.5～4.5之間，有機物含量較高，但由于蛋白含量少，粗纖維含量高，且含有一定量的氰苷類物質，適口性差，不適用直接飼喂家畜。中國每年因加工木薯淀粉和乙醇等其他物質產生的木薯渣的量達到150 t。

目前，對木薯渣的利用主要有以下幾方面：（1）劉平[5]研究了木薯渣的生物發酵處理制備動物飼料；（2）蘇啟苞[6]以木薯稈屑、木薯渣為主要原料按不同比例配制培養基栽培杏鮑菇，完全可以滿足杏鮑菇菌絲生長和子實體發育的要求。（3）趙曉峰[7]等以木薯渣為原料，采用同步糖化發酵工藝，研究了將淀粉、纖維素、半纖維素水解糖分開或是共同發酵制乙醇過程。（5）厭氧發酵生產沼氣。盡管對木薯渣的研究范圍較為廣泛，但當前對木薯渣的有效利用途徑還相對較少，除了小部分直接用作飼料和生產沼氣及培養食用菌外，大部分沒有得到充分的利用，這不僅造成了資源的浪費，還導致了嚴重的環境污染。本研究針對碳酸法濾泥具有堿性，有機質含量較少，不能直接用于還田施用的特點，利用酸性的木薯渣中和其堿性，經過高溫堆肥化處理，實現其資源化的應用，從而實現以廢治廢的目的。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 碳酸法濾泥 取自廣西南寧伶俐糖廠，取風干2周后的樣品用超微粉粹機粉碎后備用。

1.1.2 木薯渣 取自廣西武鳴縣安寧淀粉廠。

1.1.3 堆肥發酵劑 為市購堆肥快速腐熟劑，產自江西省宜春市宜春強微生物科技有限公司，主要由嗜熱側孢霉、芽孢桿菌、乳酸菌、酵母菌、有機螯合微量元素、助劑、載體等構成，其技術指標為：有效活菌數>8×109 cfu/g、纖維素酶活力>600 u/g、蛋白酶活力>300 u/g、淀粉酶活力>300 u/g、水分含量<12%。

1.1.4 碳酸法濾泥和木薯渣的理化性質 如表1所示。

1.2 試驗方法

1.2.1 溫控方式 實驗采用階段溫控方式，進行好氧堆肥發酵，初始溫度為40 ℃（1 d）→50 ℃（1 d）→恒定溫度55 ℃（7 d）→50 ℃（1 d）→45 ℃（1 d）→40 ℃（1 d）→常溫。

1.2.2 通風供養方式 采用間歇通風和人工翻堆相結合的方式，通風量為：0.25 L/min·kg，每天早上（8 ： 00）和晚上（20 ： 00）各通風30 min。當堆溫超過65 ℃時，適當加大通風量。每天中午（12 ： 00）攪拌翻堆1次。堆體降溫到45 ℃以下時，停止通風供氧。

1.2.3 堆肥工藝參數的研究 影響堆肥效果的工藝參數相當復雜，本試驗選擇碳酸法濾泥和木薯渣的配比、C/N、水分含量、發酵劑的添加量4個主要因素進行實驗研究，以有機質含量為測定指標，確定最佳工藝參數。

碳酸法濾泥和木薯渣的配比：實驗設置A1（碳酸法濾泥：木薯渣為1 ∶ 1），A2（碳酸法濾泥：木薯渣為1 ∶ 15），A3（碳酸法濾泥：木薯渣為1 ∶ 2）3個配比，各配比均為干重比。調整各處理的水分含量為60%～65%，加入尿素，調整物料的C/N為30，之后加入2%（按木薯渣干重比）的堆肥發酵劑（為了便于菌種的接種均勻，在使用過程中，將發酵劑與等質量的玉米粉混合均勻），攪拌均勻后，置于發酵箱中進行好氧堆肥發酵，發酵15 d。

C/N：實驗設置B1（C/N為25），B2（C/N為30），B3（C/N為35），B4（C/N為40）4個C/N配比，對照組為CK（不進行C/N的調節）。將碳酸法濾泥和木薯渣按干重比1 ∶ 2進行配比，調整水分含量為調節水分為60%～65%，用尿素調整各處理的C/N之后加入2%（按木薯渣干重比）的堆肥發酵劑，攪拌均勻后，置于發酵箱中進行好氧堆肥發酵，發酵15 d。

水分含量：實驗設置C1（50%），C2（60%），C3（65%），C4（70%）4個初始水分含量水平，對照組CK為不進行初始水分的調節。將碳酸法濾泥和木薯渣按干重比1 ∶ 2進行配比，調整各處理的水分含量，添加尿素原料C/N為30，之后加入2%（按木薯渣干重比加入）堆肥發酵劑，攪拌均勻后，置于發酵箱中進行好氧堆肥發酵，發酵15 d。

發酵劑的添加量：實驗設置D1（1%），D2（2%），D3（3%）3個發酵劑接種水平，對照組CK為不接種處理。發酵劑與同等量的玉米粉混合均勻，便于菌種的接種均勻。將碳酸法濾泥和木薯渣按干重比1 ∶ 2進行配比，調整水分含量為65%，加入尿素調整C/N為30，攪拌均勻后，置于發酵箱中進行好氧堆肥發酵，發酵15 d。

1.2.4 保氮劑對堆肥發酵的影響 在最佳的初始工藝參數的基礎上，探索保氮劑--磷酸二氫鉀（KH2PO4）的添加量對堆肥發酵的影響。測定指標為有機質含量、pH值、EC、TN、TP、TK和總氮損失量NT-L[8]，有機質含量、pH值、EC、TN、TP、TK的測定參照NY525-2012[9]。實驗設置3個KH2PO4的添加水平，即E1（0.06%），E2（0.12%），E3（0.18%），各處理KH2PO4的添加量均是對原料干重的質量分數，對照組CK為不進行KH2PO4的調節。將碳酸法濾泥和木薯渣按干重比1 ∶ 2進行配比，調整各處理的水分含量為65%，添加尿素原料C/N為30，各處理加入相應的KH2PO4量，之后加入2%（按木薯渣干重比加入）堆肥發酵劑（為了便于菌種的接種均勻，在使用過程中，將發酵劑與等質量的玉米粉混合均勻），攪拌均勻后，置于發酵箱中進行好氧堆肥發酵，發酵15 d。NT-L的計算如下式所示：

NT-L/%=100-100×

1.3 統計分析

實驗數據使用Origin8.0和SPSS16.0進行作圖和分析。

2 結果與分析

2.1 原料配比的確定

不同配比的實驗設計和性質如表2所示。堆肥原料中的有機質含量直接關系著堆肥產品的質量。有機質含量較少時，堆肥環境不能為微生物提供足夠的碳源，導致微生物生長繁殖受到抑制，表現在堆體不能維持高溫堆肥狀態，有機質降解不充分，腐殖化程度較淺，合適的堆肥有機質的含量為20%～80%。而圖1所示為各配比的有機質變化趨勢圖，各配比的有機質降解率在前9 d的高溫期內降解速度較快，在第12～15天的常溫條件下降解速度較慢，并逐漸趨于穩定。至發酵結束時，A1（1 ∶ 1）、A2（1.5 ∶ 1）、A3（2 ∶ 1）的有機質含量分別為：27.05%、31.45%、36.96%，有機質的降解量分別為：29.68%、31.53%和35.28%，降解量最高的是A3，即碳酸法濾泥和木薯渣以1 ∶ 2配比的堆料。考慮到廣西區內碳酸法濾泥與木薯渣產量比例在1 ∶ 1.3～2（干重比）之間，實際操作中，可選擇的原料配比為1 ∶ 1.5～2，本實驗采用1 ∶ 2的比例進行進一步的實驗。

2.2 最佳C/N的確定

不同C/N的實驗設計和堆體性質如表3所示。不同C/N的物料在堆肥過程中的有機質的變化如圖2所示。從圖2中可以看出，各C/N水平的有機質的含量變化與對照組相比有明顯的差異。堆肥結束時，B1、B2、B3、B4和CK的有機質降解量分別為：36.21%、34.01%、32.62%、30.70%和19.97%，其中C/N為25的有機質的降解量最高，且與C/N為30的處理差異不大，降解量最低的是C/N為40的堆體。堆體中的C/N過低時，有機質降解速度較快，堆體溫度較高，氮素損失較多[10]；而C/N過高時，微生物生長代謝的氮源相對缺乏，有機質的降解速度減緩，發酵周期較長。因此綜合考慮下，選定C/N為30作為最優的堆肥調節因素。

2.3 最佳水分含量的確定

不同水分含量的實驗設計和堆體性質如表4所示。而圖3是不同初始水分含量的堆肥在發酵過程中有機質的變化情況。從圖3中可以看出，各處理的有機質含量在發酵期內，均呈下降趨勢。50%的初始水分含量下，有機質的降解速率較慢，明顯低于60%和65%初始水分含量的處理。說明50%的水分含量下，微生物的活性不高，對碳酸法濾泥和木薯渣的堆肥化處理不利；而70%水分含量相對較高，在0～6 d內，對有機質的降解率也較低，主要是高水分含量會影響空氣的擴散，甚至會造成局部厭氧發酵；在6 d后，由于水分的蒸發，降解率迅速升高。發酵結束時，C1、C2、C3、C4和CK的有機質降解量分別為：28.86%、33.29%、33.39%、30.55%和32.95%。其中C2、C3與CK組有機質的降解量差異不顯著，適當高的水分含量則有利于抑制NH3的擴散和NH4+的積累[11]，可以采用60%～65%的初始水分含量來進行堆肥發酵。而且在原料水分含量浮動不大時，碳酸法濾泥和木薯渣以干重比1 ∶ 2進行配比堆肥時，可以不進行水分的調節。

2.4 最佳發酵劑接種量的確定

不同水分含量的實驗設計和堆體性質如表5所示。圖4所示為接種不同量的堆肥發酵劑對堆肥中有機質降解量變化圖。從圖4中可以看出，與對照組相比，接種發酵劑能明顯地加快有機質的降解，主要是因為接種外源發酵劑能增加堆肥中微生物的數量，豐富微生物的群體多樣性，促進堆肥的菌落演替，縮短堆肥周期，增加肥效成分的含量[12]。一般情況下，接種量越大，有機質的降解的速度越快，堆肥化處理的時間越短。至發酵結束時，D1、D2、D3、CK的有機質降解量的大小順序為D3>D2>D1>CK分別為：33.16%、35.50%、35.77%和16.98%，其中D2與D3的有機質變化量差異不顯著（p>0.05），為節省成本，實驗采用2%的接種量進行堆肥發酵。

2.5 磷酸二氫鉀（KH2PO4）添加量的確定

碳酸法濾泥和木薯渣的高溫好氧堆肥中，氮素的損失比較嚴重，主要是pH值的升高和堆體較高的溫度造成的氨氣揮發所致。控制氮素損失的方法可以通過調整堆體的pH值[13]、C/N，加入高碳類物質，如草炭、秸稈、蚯蚓等，添加物理吸附性的沸石、硫酸亞鐵等；也可以添加化學物質，如氫氧化鎂和磷酸混合物[14]、硫酸鹽和氯化物[15]、磷酸鹽類[16]、尿酶抑制劑[17]等。

2.5.1 pH值和有機質含量的變化 圖5和圖6分別為是不同KH2PO4添加量對堆肥pH值和有機質含量的影響，由圖可知，添加KH2PO4后堆肥處理的pH值較空白處理的pH值稍低，這是因為磷酸二氫鉀中氫離子的影響，與此同時有機質的降解量也高于空白處理，是因為KH2PO4為堆料提供了磷素，磷是微生物合生細胞物質的必需元素，由表1中原料性質可知，原料中磷和鉀素相對缺乏，加入KH2PO4后，有效地調整了堆肥的C/P比，促進了微生物的增殖，表現在有機質的降解量較高。反應在pH值的變化上，堆肥0～4 d內，E1、E2、E3的pH值由于小分子有機酸的積累低于CK，堆肥6 d之后，由于氨氮在堆體中的保留效應，高于CK。發酵結束后，E1、E2、E3和CK的pH值分別為：8.55、8.62、8.72和8.47，有機質的降解量分別為：33.09%、34.62%、34.47%和32.84%，其中E2、E3和CK的有機質變化量有極顯著差異（p<0.01），E2、E3之間差異不顯著（p>0.05）。從pH值及有機質的降解量這兩方綜合考慮，0.18%的KH2PO4的添加量較為合理。

2.5.2 總氮含量的變化及總氮損失量NT-L 圖7是堆肥過程中總氮含量的變化趨勢圖，各處理的總氮含量總體上都呈現增加的趨勢，且添加KH2PO4的處理增加幅度比空白的高，15 d時，E1、E2、E3和CK的總氮含量值分別為1.57%、1.63%、1.68%和1.38%，總氮的損失量如圖8所示，E3的氮損失量最低，為40.14%，E2和E3差異不顯著，均高于不添加KH2PO4的空白處理49.56%，表明KH2PO4能在一定程度上抑制尿素型氮源的揮發。好氧堆肥處理中，向堆肥原料中添加一定量的磷酸鹽和鎂鹽，可以形成磷酸鎂銨結晶體，該結晶體可以將氨固定在內部，從而有效地抑制了氮素的損失[18]。

2.5.3 總磷和總鉀含量的變化 圖9和圖10是堆肥過程發酵過程中總磷（P2O5）和總鉀（K2O）的變化趨勢圖。各處理總磷和總鉀在堆肥前9 d增加量較為明顯，主要是堆肥過程中堆體體積變小，質量減輕，使總磷和總鉀的相對含量比初始值高。發酵9 d后含量開始趨于穩定。堆肥結束，E1、E2、E3和CK的總養分（N+P2O5+K2O）分別為：2.74%、3.19%、3.56%和2.25%，其中E1、E2、E3較空白處理總養分分別增加了17.97%、29.42%和36.84%，增加量顯著，主要是堆體體積變小，質量減輕，使總磷和總鉀的相對含量比初始值高。從氮素的保留作用和增加肥效成分含量方面考慮，選擇0.18%的KH2PO4添加量作為碳酸法濾泥和木薯渣的初始發酵參數。

3 討論與結論

鄒璇[19]研究了木薯渣的堆肥條件及過程，表明木薯渣是一種優質的生物質堆肥原料，但由于堆肥周期過長，基本未被木薯淀粉廠采用。梁洪[4]采用生物工程技術進行碳酸法制糖濾泥、酒精廢液、蔗髓、粉煤灰好氧發酵處理研究，制生物有機肥，由于原料pH值較高，且物料組成的主要原料碳酸法濾泥煤灰的有機質含量較低，而所加入的蔗髓量又少，發酵物料中的有機質主要來自酒精廢液，物料中的有機質容易被微生物分解轉化為二氧化碳和水蒸汽導致發酵物料有機質含量較難提高，未能很好地推廣。王淑培[20]探討碳酸法濾泥和木薯渣快速資源化利用的可行性，試驗表明碳酸法濾泥提供了弱堿性的環境，更利于堆肥微生物的生長代謝，同時堿性的濾泥使得木薯渣中的纖維素成分易于軟化，從而添加碳酸法濾泥能明顯縮短堆肥周期。本文利用兩者的酸堿互補優勢及有機質含量互補優勢，從影響微生物活性的角度選擇了原料配比、C/N、水分含量、發酵劑添加量4個因素研究了利用碳酸法濾泥和木薯渣進行高溫堆肥試驗，以有機質的降解率為參考指標，得到的優化參數為：碳酸法濾泥和木薯渣干重比為2 ∶ 1，C/N為30，水分含量為60%～65%，發酵劑的添加量為2%，此時有機質的降解率達到35.5%。該優化參數條件下，KH2PO4添加量為0.18%時，氮素的損失量達到最低值40.14%。

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