时间：2022-07-15 11:32:47
摘要 从农业固体废弃物资源化利用角度出发，设计了以酒糟为原料，稻草秸秆、锯末粉和生石灰为填充料的高温堆肥体系，探索该堆肥体系的主要指标的动态变化。处理T3（酒糟+锯末粉+稻草秸秆+生石灰+菌种1）在第6天堆体温度达到56 ℃，持续12 d后温度降到55 ℃以下；在整个堆肥过程中，各处理的水分散失为13.82%～27.62%；处理T3 pH值在第9天达到最低，为5.1，随后缓慢上升且24 d后基本趋于7左右；处理T3碳含量在21 d后共减少10.15%，是未发酵前碳含量的21.39%；处理T3的全氮值在第6天达到最低，为2.51%，而后逐步增大至3.52%，处理T3 C/N最后稳定在10.58；处理T3在第4天后的发芽指数即达到50%以上，快速达到无害化腐熟标准。在本试验条件下处理T3有利于酒糟有机肥的快速腐熟进而达到安全无害化，是酒糟废弃物资源化生产有机肥的途径之一。
关键词 酒糟；有氧固态发酵；堆肥；腐熟指标
中图分类号 TQ92 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）19-0238-04
Abstract From agricultural solid waste resource of the view，taking vinasse as raw material，and rice straw，sawdust powder and quicklime as filling material，a high temperature composting system was designed to explore the dynamic changes of the main indicators of the composting system.The results showed that the temperature of T3 Treatment（vinasse +sawdust powder + straw + quicklime + Strain 1）raised rapidly to 56 ℃ on the sixth day，and lasted for more than 12 d over 55 ℃，the moisture losses of all treatments were between 13.82% and 27.62%，the pH values of the T3 Treatment decreased first with the lowest point 5.1 and increased afterwards，and stabilized at around 7.0 after 24 d，for the T3 Treatment，the C content decreased by 10.15% and was 21.39% of that before fermentation. The N content first decreased to 2.51% and then rose to 3.52%. The C/N ratio was kept to 10.58 after 21 d，furthermore，germination index of the T3 Treatment reached over 50% on the fourth day，meeting the standard of maturity of vinasse compost. Under our conditions，the T3 Treatment took advantages for the maturity of vinasse compost，thus becoming a new strategy of vinasse waste re-utilization.
Key words vinasse；aerobic solid-state fermentation；composting；composting index
贵州省据不完全统计年产白酒酒糟约200万t，白酒酒糟经过“九蒸九烤”工艺后含水量大，极易发生发酵腐败，散发恶臭易对环境造成污染[1]。白酒酒糟含有大量粗脂肪、粗淀粉、粗蛋白等营养成分，同时含有丰富的氮磷钾和多糖等成分，是极好的有机肥源[2]。由于白酒酒糟稻壳含量较高，适口性很差，只能作为动物饲料的添加料，不能充分利用酒糟废弃资源，而利用酒糟原料制作有机肥料，既能解决环保问题，变废为宝，又可以为绿色农业生产提供优质有机肥料，减少化肥的使用量，具有较高的经济效益、环保效益和社会效益[3]。
有氧固态发酵（Aerobic Solid-State Fermentation）是指一类使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过程，在有一定湿度的水不溶性固态基质中，用一种或多种微生物发酵的一个生物反应过程[4]。固体发酵过程中不同的控制参数（温度、水分、pH值、碳、氮含量）是固态发酵中的关键因素，如何成功控制不同的发酵参数是有氧固态发酵的关键[5]。将有机废弃物转化为有利于作物生长的有机肥的有氧固态发酵过程就是堆肥过程，其中物理、化学和生物学指标变化可以表征堆肥的具体发酵过程，堆肥升温阶段、高温阶段和降温阶段的各项指标的动态变化，可反映堆肥中物质降解的主要时间段及降解的具体过程[6]。前人对堆肥过程的各项指标变化研究主要集中在猪粪、牛粪、鸡粪、秸秆等有机废弃物上[7-10]，而酒糟堆肥过程中的各项指标却鲜有报道。本文研究了不同处理下酒糟堆肥过程中主要物质变化的影响，从而优化堆肥发酵参数，改善堆肥产品的质量，为酒糟堆肥快速发酵最佳工艺参数提供理论依据和技术支撑，现将研究结果总结如下。
1 材料与方法
1.1 堆肥材料
酒糟原料、稻草取自当地金沙回沙酒厂，砻糠、生石灰（pH=14）购置于当地。腐熟菌剂1主要为枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis），最适生长pH值为5～7，含量为1.03×108 cfu/g。腐熟菌剂2主要为真菌烟曲霉（Aspergillus fumigatus），含量为1.27×108 cfu/g，最适生长pH值为3～5；稻草采用农用粉碎机切割成大小4 cm的草条备用。各物料主要养分含量见表1。
1.2 试验设计
试验共设5个处理：酒糟自然堆置（T1）；酒糟+锯末粉+稻草秸秆（T2）；酒糟+锯末粉+稻草秸秆+生石灰+菌种1（T3）；酒糟+锯末粉+稻草秸秆+菌种1（T4）；酒糟+锯末粉+稻草秸秆+菌种2（T5）。每处理按2 t建堆，每处理3次重复。用稻草、锯末粉和砻糠调节堆肥水分和条垛的孔隙度。菌剂接种浓度为0.2%，菌剂与砻糠按1.0∶2.5混合，稻草秸秆、锯末粉和生石灰添加量分别为3%、1%和2%。
1.3 试验方法
1.3.1 建堆。试验于2013年10月13日至11月14日在贵州省毕节市金沙县五里坡复烤厂（北纬27.46°，东经106.22°）进行。将新鲜的酒糟、菌剂、砻糠、稻草、锯末粉及生石灰称重，运送到混料区后，用铲车进行初次混匀。将混匀的物料转运于发酵塑料大棚中，采用翻抛机翻堆，堆制成半径为1.5 m的锥形堆体，并分别于6、9、12、15、18、21 d用人工进行堆体的翻抛。
1.3.2 样品采集与保存。分别于建堆后第2、5、8、11、13、15、17、21 d采集堆体的混合样。样品采集的具体操作方法如下：按高度将堆体平均分为3段，即上段、中段和下段。在各个段中分别挖取1个剖面，取每个剖面的全部样品。将3个剖面的样品集中混匀后，采用四分法取2次样品，以保证样品的代表性。将2次取得的样品混匀后储存于4 ℃冰箱以测定含水量、总碳、总氮、发芽指数等指标。
1.4 指标测定
采用水银温度计分别测定堆体表层下20 cm处温度值。每个堆体测定4次，取平均温度记录为堆体实际温度。水分采用马溪曼等[11]的方法测定。pH值测定：将新鲜堆肥样品与去离子水按1∶10（质量比）混匀，于水平摇床上振荡2 h，静置30 min后用pH计（Orion Star A1型）测定。样品的全碳及全氮含量：重铬酸钾法测定有机碳[12]，全氮采用凯氏定氮测定[13]。发芽指数的测定[14]：将堆肥样品含水量均调至75%后备用，并将此样品与去离子水按1∶10（质量比）混匀，水平摇床上振荡2 h，静置30 min后用滤纸过滤，滤液备用，将5 mL的滤液加入到直径为9 cm并铺有滤纸的培养皿中，每个培养皿中放入20粒大小相等、籽粒饱满的独行菜（Lepidium sativum L.）种子。将其放置在（25±2）℃的培养箱中，避光培养3 d，同时以去离子水为对照，每个样品重复3次。计算公式如下：
发芽指数（%）=（滤液组种子发芽率×滤液组种子发芽根长）/（对照组种子发芽率×对照组种子发芽根长）×100
1.5 数据分析
试验所得的数据采用Microsoft Excel 2003进行处理，显著性分析采用SPSS Base Ver.13.0统计软件（SPSS，IL，Chicago，USA）进行，LSD、Duncan′s新复极差进行多重比较（P≤0.05）。
2 结果与分析
2.1 酒糟堆肥过程中温度动态变化
由图1可知，各处理达到40 ℃的时间分别为15 d（处理T1）、9 d（处理T2）、3 d（处理T3）、6 d（处理T4）和6 d（处理T5）；处理T3在第6天温度达到56 ℃，持续12 d后温度降到55 ℃以下，在第12天达到最高温度69 ℃，随后温度逐渐下降，其他处理整个堆肥过程中温度没有超过55 ℃，其中处理T4、T5分别在15、12 d达到最高温度，分别为53、52 ℃，处理T1、T2分别在15、12 d达到最高温度，仅为42、43 ℃。
2.2 酒糟堆肥过程中水分含量动态变化
由图2可知，在整个堆肥过程中，5个堆体中水分含量均呈逐渐下降的趋势，其中水分的损失主要发生在升温期和高温期（0～21 d），而降温期的水分损失较少；堆肥结束时，有机肥料中的含水量维持在26.17%～46.12%；在整个堆肥过程中，5个处理的水分散失量分别为13.82%（处理T1）、15.63%（处理T2）、27.62%（处理T3）、22.81%（处理T4）和19.18%（处理T5）；其中处理T3在6～15 d内水分散失最为明显（17.06%），占整个水分散失量的33.23%，处理T1、T2整个发酵过程水分散失很缓慢，发酵27 d时水分含量仍在40%以上，分别为46.12%、42.34%（处理T2）。
2.3 酒糟堆肥过程中pH值动态变化
各处理起始pH值有所不同（图3），处理T1、T2的pH值呈现缓慢逐渐上升，第27天时处理T1、T2的pH值分别为4.47和5.03；处理T3在0～9 d内pH值迅速降低，在9 d达到最低为5.1，随后缓慢上升至6.78（21 d）后基本趋于平稳；处理T4、T5的pH值也存在相似的变化趋势，但9 d后pH值上升较处理T3缓慢；21 d后所有处理pH值趋于平稳，波动较小。
2.4 酒糟堆肥过程中碳、氮动态变化
2.4.1 酒糟堆肥过程中全碳动态变化。不同处理的全碳含量均成下降趋势（图4）。处理T1、T2的全碳含量21 d后分别减少2.52、4.79个百分点，仅是未发酵前碳含量的5.14%和9.53%。处理T3碳含量在前6 d减少量为6.81个百分点，在21 d后共减少10.15个百分点，是未发酵前碳含量的21.39%；处理T4和T5全碳含量21 d后减少量为9.81、7.32个百分点，是未发酵前碳含量的20.74%和15.53%。
2.4.2 酒糟堆肥过程中全氮动态变化。由图5可知，随着堆肥的进行，处理T3、T4和T5堆体的全氮总体趋势是先减少后逐步升高。处理T3的全氮值6 d达到最低（2.51%），而后逐步增大至3.52%；处理T4的全氮值12 d达到最低（2.52%），而后逐步增大至3.03%；处理T5 15 d达到最低（2.34%），而后逐步增大至2.98%；处理T1、T2全氮含量一直呈下降趋势，21 d后全氮含量均为2.31%。
2.4.3 酒糟堆肥过程中碳氮比动态变化。由图6可知，处理T3、T4和T5堆体的C/N均呈先逐渐上升后逐渐减小的趋势，并最终维持稳定。建堆时各堆体的碳氮比分别为13.49（处理T1）、12.41（处理T2）、15.32（处理T3）、14.46（处理T4）和12.77（处理T5），堆肥结束时5个堆体的碳氮比分别为20.55、18.65、10.58、12.54和13.35；其中处理T3在0～6 d期间缓慢上升，6 d后C/N逐渐下降；处理T4 C/N变化趋势发生在第15天而处理T5则在第18天。
2.5 酒糟堆肥过程中发芽指数动态变化
发芽指数（Gi）是用来评价有机肥的毒性和腐熟度的重要指标，一般认为发芽指数达到50%以上，被认为是已消除有机肥毒性。由图7可知，5个处理在发酵结束后均全部达到腐熟的标准（Gi>50%），处理T3、T4、T5 6 d后的发芽指数均可达到50%以上，均达到腐熟标准，13 d后均超过100%，具有优秀的促生作用；而处理T1堆肥进行13 d发芽指数超过50%，21 d后达到87.5%。处理T2堆肥进行11 d发芽指数超过50%，21 d达到95.5%。
3 结论与讨论
试验结果表明，本试验条件下处理T3（酒糟+锯末粉+稻草秸秆+生石灰+菌种1）堆肥起始阶段的温度之所以上升较快可能是由于在适宜条件下堆肥原材料中容易被腐熟菌种1利用的物质较多，进而腐熟菌株1繁殖加快新陈代谢产生大量的热量[15]，同时本堆肥体系中的纤维素、木质素均为热的不良导体，产生的热量不能被及时释放到环境中去，致使堆肥初期温度迅速上升达55 ℃以上并长期维持高温状态[16]，同时处理T3的温度在第6天超过55 ℃，持续12 d下降到55 ℃以下，进而表明该处理堆肥病菌基本被杀死[17]，而其他堆肥温度均没有达到55 ℃。在本试验中，各处理堆体水分损失主要在高温期，因而在堆肥前期的翻堆不仅可以改善堆肥条垛的通风条件以达到堆体供氧气的目的[18]，而且还可以促进堆体中水分的有效散失，其中处理T3在6～15 d水分下降最为明显（17.06%），表现出良好的有氧发酵水分变化趋势[19]。
本试验中处理T3在前期pH值迅速降低，在第9天达到最低后缓慢上升至24 d后基本趋于平稳，pH值为7左右；处理T4（酒糟+锯末粉+稻草秸秆+菌种1）、T5（酒糟+锯末粉+稻草秸秆+菌种2）的pH值也存在相似的变化趋势，但9 d后pH值上升较处理T3缓慢；21 d后各处理pH趋于平稳，波动较小，这可能由于酒糟有氧发酵前期堆体粘性较大导致通风不畅，致使微生物进行无氧呼吸将堆体内的营养物质转化为有机酸[20]，同时随着堆肥有氧发酵翻抛过后，有机酸被微生物利用而大量减少[21]，同时脱氨基作用产生大量的氨气[22-23]释放到堆体中，进而使堆肥中的pH值缓慢上升[6]。
本试验条件下不同处理的全碳含量均成下降趋势。处理T3减少量明显高于其他处理，处理T3的全碳含量是未发酵前碳含量的78.61%，这是由于在腐熟菌株的作用下，有机质不断被分解为二氧化碳和水通过翻抛而被散失，同时有机质被微生物利用转化为腐殖酸等稳定的物质，因此在堆肥过程中，堆体的全碳含量将不断减少。本试验中的处理T3的全氮值均在第6天达到最低（2.51%），而后逐步增大至3.52%，这是由于腐熟菌种1降解蛋白质类物质产生大量的氨，同时频繁的翻抛作用，加大了堆体与外界环境的接触面，使部分氮以氨的形式挥发而使堆体全氮含量不断减少，6 d后虽然堆体全氮含量仍然不断减少，但由于堆体中水分的减少和有机质不断分解，致使堆体干重下降幅度明显大于全氮下降幅度，从而导致堆肥中全氮含量的相对增加[24]。
C/N是一个重要的腐熟度指标，因为有机物质组成的C/N对其分解速率影响很大[25]。所有处理的起始C/N均在最适的有机废弃物发酵范围内[26]，处理T1（自然堆置）和T2（酒糟+锯末粉+稻草秸秆）的C/N逐渐上升，这可能由于处理T1和T2有氧发酵进行不理想，有机质分解速度慢，同时会有氮的挥发，进而导致C/N逐渐上升，而处理T3有氧发酵激烈，其中在0～6 d期间C/N上升，6 d后C/N逐渐下降。
堆肥腐熟度可以通过堆肥产品浸提液对种子发芽及植物生长的抑制程度进行评价[27]，不同物料堆肥的发芽指数略有不同。废弃烟沫堆肥的种子发芽指数在第31天可以达到50%[28]；添加生物菌剂处理的猪粪堆肥处理种子发芽指数上升速度均高于常规腐熟处理在第28天达到安全施用要求[29]；油菜秸秆堆肥氮源采用鸡粪的处理发芽指数最高，不同粒径长度、含水量、C/N对油菜秸秆发酵后产品浸提液的发芽指数也达显著水平。
本试验的有机物料为酒糟，处理T3的发芽指数第5天即能达到50%以上，显著快于其他物料发酵达到发芽指数安全标准的时间，这可能由于酒糟在T3处理下发酵过程中产生的毒性物质较少同时该处理发酵充分，堆肥水分散失较快，堆肥中NH3、多酚含量较少有关。
综上所述，在有氧固态发酵方式的条件下，调节酒糟原料pH值、碳氮比以及通风量，添加1%锯末粉、3%稻草秸秆、2%生石灰以及对应的优良腐熟菌剂的发酵方式有利于酒糟原料的快速腐熟进而达到安全无害化，是酒糟废弃物资源化利用的途径之一。
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