利用釀酒廢棄物生產有機肥及肥效研究

李哲，張宿義，楊紅軍，秦輝，袁玲*，楊平，敖宗華，宋攀

1(西南大學 資源環境學院，重慶，400716)2(瀘州老窖股份有限公司，四川 瀘州，646000)

我國是白酒生產和消費大國，年產白酒1 300萬t[1]，其中濃香白酒占白酒總產量的75%[2]。每產1 t白酒產生3 t左右的酒糟，6～7 t廢水[3]。酒糟含水量約80%，稻殼含量超過60%(干基計)，pH 4.0～4.5，主要成分為纖維素、二氧化硅和少量蛋白質，營養價值低，適口性差，不宜做飼料[4]。處理釀酒廢水產生污泥，其主要成分為死亡的微生物殘體、變性淀粉和植素磷酸鹽等[5-6]，P2O5含量高達10%。目前，焚燒是無害化處理酒糟和污泥的主要方式，能耗大，成本高，資源化利用率低。但值得注意的是，酒糟和污泥富含有機質和植物營養元素，是潛在的有機肥源[2]。以酒糟和污泥為原料生產有機肥，可充分利用有機質和養分資源，將無害化處理與資源化利用充分結合。

在微生物高溫發酵生產有機肥過程中，堆肥物料的碳氮比、pH值、通氣、溫度和水分等至關重要，顯著影響微生物活動和堆肥質量[8-12]。根據酒糟疏松透氣、養分含量低、酸度大(pH 4.0～4.5)，污泥富含氮磷(合計>14%)、質地細膩等性質，將二者適量混合后進行高溫堆肥可優劣互補，相得益彰。為此，本文以酒糟和污泥為原料，添加腐熟菌劑，研究了無能耗高溫發酵自然腐熟脫水生產有機肥的工藝技術，通過測定有關指標判斷堆肥質量，田間試驗驗證酒糟-污泥有機肥(有機肥，下同)對高粱的肥效，實現釀酒廢棄物無害化處理和資源化循環利用，有益于保持白酒生產的健康可持續發展。

1 材料與方法

1.1 供試材料

污泥和酒糟，瀘州老窖股份有限公司。污泥pH 7.31，水分、有機質，N、P2O5和K2O含量分別為81.63%、70.09%、4.70%、9.44%和0.37%(以干重計，全文同)；酒糟pH 4.1，含水量、有機質，N、P2O5和K2O含量依次為48.19%，90.30%、2.12%、0.60%和0.43%。

腐熟劑：內含高溫纖維芽孢桿菌，最高生長溫度約72 ℃，最適生長和產酶溫度 52～55 ℃，由西南大學資源環境學院微生物實驗室分離獲得。腐熟劑含有效活菌數為2.1×1010cfu/g。

高粱品種：“青殼洋”高粱，由四川省瀘州市農業科學研究院提供。

化肥：尿素(N 46%)、過磷酸鈣 (P2O512%)、K2SO4(K2O 50%)，農資市場購置。

1.2 試驗處理

有機肥生產：污泥質地細膩，微堿性，富含氮磷(合計>14%)，碳氮(磷)比低，堆肥過程中通氣困難，產生惡臭；酒糟疏松透氣，強酸性，氮磷含量低(合計2.72%)，碳氮(磷)比較高，養分含量不足。預備試驗表明，二者不宜單獨堆肥，但適量混合可促進腐熟。因此，試驗設置m(污泥)∶m(酒糟)=2∶1(T1)；m(污泥)∶m(酒糟)=1∶1 (T2)；m(污泥)∶m(酒糟)=1∶2(T3)。每堆原料為5 000 kg，加入腐熟菌劑5 kg，混合均勻，堆成長、寬、高約為6 m×2 m×1 m長條形狀，重復3次。在堆制期間，若溫度超過60 ℃，翻堆1次，促進水分散失，直至堆肥物料變為黑褐色，水分含量<30%。

肥效試驗：于2019年高粱種植季節在四川省瀘州市黃艤鎮進行(28.91°N，105.58°E)。供試土壤為當地典型、代表性的微酸性紫色土，pH 6.53，有機質，全氮、磷、鉀，堿解氮、有效磷和交換鉀含量依次為36.06、0.84、0.89、18.15 g/kg和89.83、18.61、133.5 mg/kg。試驗設置對照(CK，不施肥)；單施化肥(CF)；50%化肥+50%有機肥(OF50CF50)；30%化肥+70%有機肥(OF70CF30)。除對照外，施肥處理的用氮量均為14 kg N/667m2，m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=2∶1∶1，分別由有機肥、尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀提供。其中，全部有機肥、磷肥、鉀肥和60%化學氮肥做基肥，40%化學氮肥在高粱拔節期施用。小區面積30 m2，行株距0.75 m×0.3 m，隨機區組排列，重復3次，田間管理同當地大田生產。

1.3 實驗方法

堆肥試驗：每天8點和20點測定環境和堆肥中心溫度。間隔5 d取樣，按NY/525—2012方法[13]測定堆肥水分、pH、有機質、N、P2O5、K2O、鉛、鉻、鎘、汞、砷含量；用GB/T 11 957—2001方法[14]測定腐殖酸含量(以干重計，下同)。

肥效試驗：于高粱成熟期，每個小區單收稱重，并在各小區采集具有代表性的10株高粱及根際土壤(抖根法)制成混合樣品，測定株高和鮮重后，植株樣品105 ℃殺青，65 ℃烘干，粉碎過1 mm篩。土壤樣品過2 mm篩，部分保存于-18 ℃冰箱，測定土壤脫氫酶(氯化三苯四氮唑比色法)、脲酶(苯酚鈉—次氯酸鈉比色法)和磷酸酶活性(磷酸苯二鈉比色法)[16]。將另一部分土樣風干，磨細過1 mm篩，常規分析堿解氮、有效磷和速效鉀，以及植株氮、磷、鉀[15]。用酸水解-伯川-碘量法測定高粱籽粒淀粉含量。

1.4 數據處理

采用Excel進行基礎數據計算和作圖，SPSS 21.0進行統計分析，處理間的多重比較為Duncan法，顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中有機物料的理化性質變化

2.1.1 溫度

由圖1可知，3種處理的堆肥均有明顯的升溫期、高溫期和降溫期。T3、T2和T1分別在在5、8、7 d達到最高溫度，依次為76、70.5、65 ℃，即T3升溫速率最快，最高溫度T3>T2>T1。高溫期(50～80 ℃)的持續時間T3(14 d)> T2(11 d)> T1(9 d)。堆肥過程中，溫度超過60 ℃翻堆， 故T1 在堆肥后第6天，T2在第4、6天，T3在第2、4、6天分別翻堆，此后翻堆時間相同，均在第8、10、12、14、16、18、22天進行。隨時間延長，堆肥溫度逐漸降低，堆肥至26 d，T2降溫幅度最大，其次為T1和T3；堆肥至34 d后，各處理的溫度逐漸接近于室溫。

2.1.2 水分

T1、T2、T3的初始含水量依次為69.14%、72.85%、64.87%(圖1-b)。堆肥過程中，物料的水分呈持續降低趨勢。堆肥至41 d， T1、T2、T3的含水量依次為43.80%、40.50%、21.19%，比初始含水量依次降低36.65%、44.41%、67.33%，即水分散失速率T3>T2>T1，T3處理的含水量降速最快。

2.1.3 pH值

酒糟pH值約4.0，污泥pH值為7.0～8.0。3種處理原料混均后pH值在6.51～6.81變化。在堆制過程中，T1的pH值在6.38～6.65變化，T2和T3的pH值先降后升，T2變幅為6.52～7.01，T3的pH值變化幅度較大，在6.45～7.66，3種處理的pH值均適合微生物繁殖生長(圖1-c)。

2.1.4 養分

在堆肥過程中，3種處理的物料磷鉀含量整體呈增加趨勢，氮含量先降后增(圖2)。其中，含磷量最高，氮次之，鉀最低。堆肥至第6天，T3的氮和鉀含量最高，由于污泥含磷量高于酒糟，T3添加的污泥低于T1高于T2，導致堆肥含磷量T1>T3>T2。堆肥至第41天，T3的總養分(N+P2O5+K2O)質量分數最高(7.05%)，T1次之(6.19%)，T2最低(5.38%)，均達到國家標準(≥5%)。

2.1.5 外觀氣味和腐殖酸的變化

在堆肥過程中，T3無臭味，T1和T2產生惡臭；3種處理的堆肥物料體積逐漸縮小。隨堆肥時間延長，T1和T3的堆肥物料均由褐色變為黑褐色，再變為黑色，T2由黃褐色變為褐色。堆肥至第41天，T3堆肥呈黑色，質地均勻松散，完全腐熟；T1和T2內部潮濕，呈塊狀，尚未完全腐熟。由圖2-d可知，隨堆肥時間延長，物料腐殖酸含量逐漸增加。堆肥至第6天，T1、T2、T3的腐殖酸含量依次為38.01、34.43、54.08 g/kg，比初始含量增加25.60%、14.56%、67.17%；堆肥至第41天，3種處理的腐殖酸含量均增加，在65.74～81.06 g/kg變化，T3最高。

a-溫度變化；b-水分變化；c-pH變化

a-總氮變化;b-總磷變化;c-總鉀變化;d-腐殖酸變化

2.2 堆肥成品質量評價

綜上所述，T3處理的堆肥成品水分、pH值、氮、磷、鉀及腐殖酸含量最優。因此，選擇T3的樣品進行堆肥質量評價。T3堆肥的水分、pH值、有機質和總養分依次為21.19%、7.66、82.74%、7.05%；鉛、鎘、鉻、汞、砷的含量和糞大腸菌群分別是11.61、0.41、20.38、0.06、1.11 mg/kg和 43個/g，未檢測到活蛔蟲卵，各項指標均符合國家標準(表1)。

表1 堆肥原料和成品的pH、水分、養分、有機質及重金屬含量(干重計)

2.3 有機肥對高粱的肥效

2.3.1 株高、生物量、產量及品質

在50%有機肥+50%化肥(OF50CF50)的處理中，株高、生物量及產量比不施肥對照(CK)分別增加33.68%、55.94%、74.12%，比單施化肥(CF)分別增加15.98%、21.92%、12.55%；單施化肥(CF)與70%有機肥+30%化肥(OF70CF30)處理間上述指標無顯著差異，但顯著高于CK處理(表2)。

表2 有機肥對高粱生長和產量的影響

OF50CF50處理的高粱籽粒氮、單寧和可溶性蛋白含量分別比CK增加25.21%、5.56%、15.56%。在各處理之間，籽粒中的磷、鉀、直(支)鏈淀粉無顯著差異；在CF、OF50CF50和OF70CF30之間，籽粒可溶性蛋白無顯著差異；在CF和OF50CF50之間，籽粒單寧含量也無顯著差異(表3)。

表3 有機肥對高粱籽粒的養分及品質的影響

2.3.2 植株養分吸收

由表4可知， 植株含氮量施用有機肥的最低，含磷量施用有機肥和化肥相似，含鉀量OF50CF50顯著高于CF，OF70CF30與CF無顯著差異。在施用有機肥的處理中，植株氮吸收量與CF無顯著差異，磷鉀吸收量分別比CF增加約22%和17%以上。

2.3.3 土壤有效養分與酶活

盡管OF50CF50和OF70CF30的堿解氮無顯著差異，但顯著高于CK和CF；CF的有效磷鉀顯著高于OF50CF50和OF70CF30(有效磷除外，CF與OF50CF50無顯著差異)。在OF50CF50和OF70CF30的有效磷超過20 mg/kg, 有效鉀>135 mg/kg。與CF相比，OF50CF50和OF70CF30顯著提高土壤酸性磷酸酶、脲酶和脫氫酶活性，其增幅依次為31.22%～44.68%、11.94～25.40%和37.94%～52.07%(表5)。

表4 有機肥對高粱植株養分含量和吸收量的影響

表5 有機肥對高粱根際土壤有效養分和酶活性的影響

3 結論

堆肥是微生物主導的生物化學過程，有機物料在堆制過程中發生礦質化和腐殖化[17]。溫度、水分、pH和碳氮比等是影響堆肥效率和質量的主要因素[18]。堆肥溫度提高是有機質礦化釋放熱量并逐漸積累的結果，是微生物活躍的重要表現，也是堆肥成功與否的重要標志之一[19]。本試驗表明，在接種高溫發酵菌劑之后，溫度迅速上升，3～5 d上升至最高(65～76 ℃)后進入降溫期，≥50 ℃的高溫期約維持在14 d。在高溫期，有機質發生礦化并迅速脫水，而且有效地殺害病原微生物，成品堆肥未檢測出活蛔蟲卵，糞大腸菌群數僅43 個/g。T3的高溫期溫度顯著高于T1和T2。在預備試驗中，未添加菌劑的處理升溫緩慢，最高溫度不超過55 ℃，且產生惡臭，說明在污泥和酒糟堆肥過程中，接種高溫發酵微生物能加速升溫，有效分解礦化堆肥原料中的有機質，縮短堆肥周期，類似先元華[21]、張隴利等[22]、黨秋玲等[23]的研究結果。堆肥降溫期主要進行腐殖化作用，形成腐殖質，2個時期均是無害化處理有機廢棄物生產有機肥的關鍵時期[20]。

堆肥原料水分含量直接影響微生物的生長[24]，關系到通氣好壞和好氧堆肥速度[25]，從而影響堆肥效果。一般認為，堆肥物料含水量在60%～65%時適宜發酵，含水量<40%或>65%時，微生物活性受到抑制[26]，這與本研究的結果一致。T3處理的初始水分在65%以內，物料顆粒大小兼顧，疏松透氣，微生物活動旺盛，堆肥溫度高，促進水分揮發。而T1的m(污泥)∶m(酒糟)=2∶1，水分含量過高，質地細膩的物料偏多，透氣性差，易發生厭氧發酵產生臭味。

堆肥物料的pH值變化是反映堆肥過程中微生物活性的另一個重要指標[27]。本堆肥發酵過程中，pH值先降后升，在6.38～7.66波動，與多數研究的適宜pH 6～8[28]范圍一致，pH變化可能與物料中微生物的優勢種群變化和代謝產物變化有關。在添加高溫發酵微生物菌劑后，隨著堆體溫度的升高，高溫微生物逐漸替代原微生物，成為優勢菌群，而不同微生物菌群產生的主要代謝產物酸堿性有所不同，從而導致pH值波動[29]。微生物分泌的漆酶、過氧化物酶、多酚氧化酶是木質素降解為醌類物質合成腐殖質的主要酶系，接種微生物尤其是高溫菌是促進有機質礦化和腐殖化的有效手段[30]。在堆制污泥-酒糟過程中，腐殖質的含量逐漸增加，低分子腐殖質—腐殖酸是植物生長活性物[31]。在T3處理中，污泥與酒糟按質量比1∶2混合，添加腐熟菌劑和輔助劑所生產的有機肥，其水分、pH、有機質、養分、重金屬等均符合國家標準NY 525—2012[13]。

OF50CF50促進高粱生長，提高產量和籽粒含氮量。OF50CF50和CF處理的養分施用量相等，意味著OF50CF50提高了肥料經濟效益(施用單位肥料獲得的經濟產量)。籽粒含氮量一般與蛋白質含量呈正相關，釀酒原料中的蛋白質含量影響微生物的生長和酶的合成，對于釀酒發酵和生產高品質白酒至關重要[32]，OF50CF50使籽粒含氮量增加，意味著蛋白質含量提高，有益于生產高品質白酒。值得注意的是，在OF50CF50和OF70CF30處理中，植株吸氮量與CF相似，磷鉀吸收量顯著高于CF，說明施用有機肥還可提高氮的農學效應(每吸收單位數量的氮所獲得的經濟產量)，改善植株磷鉀營養。此外，OF50CF50和OF70CF30提高土壤有效氮含量，有效磷超過20 mg/kg, 有效鉀大于135 mg/kg，故施用有機肥能較好地滿足植株氮、磷、鉀。此外，施用有機肥之后，土壤脫氫酶、脲酶和磷酸酶活性增強。其中，脫氫酶反應土壤氧化還原過程，是土壤微生物活性和有機質循環更新的重要標志[33]，脲酶與土壤氮轉化與供應密切相關[34]，推測施用有機肥提高土壤有效氮的原因可能是增強了脫氫酶和脲酶活性。

綜上，將污泥和酒糟按質量比1∶2混合，添加高溫發酵菌劑，經40 d左右的堆肥發酵可生產出質量合格的商品有機肥。在高粱種植中, 50%化肥和50%有機肥配施可增加高粱產量，改善植物營養和土壤酶活性質。