王建安, 許發(fā)華, 王新中, 孫軍偉, 劉國(guó)順

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利用田間不適用煙葉高溫發(fā)酵處理制成肥料

王建安1, 許發(fā)華2, 王新中2, 孫軍偉2, 劉國(guó)順1

(1. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院, 河南鄭州, 450002; 2. 云南省煙草公司大理州公司, 云南大理, 671000)

為了探索田間不適用煙葉的無(wú)公害化處理, 設(shè)計(jì)了一套集煙葉收集、粉碎、高溫殺毒和發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥的操作流程。針對(duì)煙葉的特點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)備的選型和研發(fā), 并在工程化高溫發(fā)酵處理煙葉生產(chǎn)肥料試驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益的分析。結(jié)果表明: 在對(duì)田間不適用煙葉物料粉碎時(shí), 利用大輥刀式粉碎機(jī)粉碎含水量為40%的煙葉, 粉碎后的物料顆粒均勻; 粉碎鮮煙葉時(shí), 使用集擠壓、切割和揉搓為一體的粉碎設(shè)備, 粉碎秸稈與鮮煙質(zhì)量比為3︰1時(shí), 能夠滿足高溫發(fā)酵的需求; 所使用的高溫AAT有效微生物菌劑活力在100～120 ℃之間時(shí), 發(fā)酵效果最佳; 發(fā)酵后得到有機(jī)肥料的有機(jī)質(zhì)含量為56.9%, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于如小麥、稻谷和玉米等一般秸稈的含量; 成品肥料中蟲卵的清除率為100%, 沒(méi)有檢測(cè)出病毒病害; 每個(gè)基地單元實(shí)施該工程后, 每年的直接效益38.99～43.38萬(wàn)元。

烤煙; 田間不適用煙葉處理; 高溫殺毒發(fā)酵; 有機(jī)肥料

為了優(yōu)化煙葉等級(jí)結(jié)構(gòu), 提高優(yōu)質(zhì)煙葉有效供給能力, 在2010年全國(guó)煙葉工作座談會(huì)上, 國(guó)家煙草專賣局決定采取經(jīng)濟(jì)、政策、科技等有效調(diào)控措施, 在烤煙生產(chǎn)的田間環(huán)節(jié), 摘除下部2～3片光照不好、營(yíng)養(yǎng)不良及頂部1～2片開片不好的不適宜烘烤的煙葉, 不進(jìn)入烤房?jī)?nèi)烘烤。優(yōu)化煙葉結(jié)構(gòu), 清除田間不適宜烘烤的煙葉, 每公頃烤煙面積的田間不適用煙葉的重量為1.8～2.7 t[1]。廢棄物中通常含有蛋白質(zhì)、淀粉、大量纖維素和脂肪等有機(jī)物質(zhì)[2], 腐爛后的降解物質(zhì)隨水流擴(kuò)散, 極易引起周圍煙田病蟲害的發(fā)生[3]。傳統(tǒng)的處理方式是把煙葉丟棄到田間地頭、挖坑掩埋或是集中銷毀, 會(huì)對(duì)規(guī)劃的基本煙田可持續(xù)耕作、土壤環(huán)境凈化產(chǎn)生不利影響, 甚至帶來(lái)一系列的生態(tài)問(wèn)題[4], 同時(shí)有機(jī)物的丟棄也是一種資源浪費(fèi)。雖然近幾年出現(xiàn)很多處理基本煙田廢棄物的研究[4–7], 但因?yàn)榕涮自O(shè)備的昂貴或是處理工藝的復(fù)雜, 制約了生產(chǎn)上大面積推廣應(yīng)用。

根據(jù)王建安等[1]提出的煙草田間不適用煙葉是一種很好有機(jī)物肥源的建議, 作者進(jìn)行了高溫發(fā)酵制成有機(jī)肥料還田的嘗試。并針對(duì)發(fā)酵過(guò)程中所需的專用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行研發(fā), 為優(yōu)化煙葉結(jié)構(gòu)政策下科學(xué)處理田間不適用煙葉提供借鑒。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

利用田間不適用煙葉生產(chǎn)有機(jī)肥系統(tǒng)由煙葉的收集、粉碎、高溫發(fā)酵和輔助機(jī)械設(shè)備4大部分組成, 系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖1。

由于煙草殘?bào)w中極易攜帶花葉病、黑莖病和根黑腐等常見(jiàn)病害, 所產(chǎn)生的肥料必須徹底清除病害。因此, 在上述系統(tǒng)中, 高溫殺毒系統(tǒng)是重點(diǎn)研究部分。

1.1 煙葉的收集

不適用煙葉摘除后根據(jù)含水量分為2種: 一是經(jīng)過(guò)晾曬, 煙葉中含水量較少, 可以就地粉碎后運(yùn)輸?shù)焦S集中處理; 二是剛剛采收, 煙葉含水量較大, 不適合就地粉碎, 利用農(nóng)用運(yùn)輸車輛把鮮煙葉直接運(yùn)輸?shù)教幚砉S。針對(duì)上述的第一種情況, 開發(fā)了2種粉碎設(shè)備。

圖2(a)是針對(duì)距離處理工廠較近地區(qū)設(shè)計(jì)的粉碎和收集為一體的設(shè)備。在動(dòng)力帶動(dòng)下, 煙葉從進(jìn)料口進(jìn)入粉碎設(shè)備, 經(jīng)過(guò)粉碎, 在風(fēng)壓的驅(qū)動(dòng)下從出料口進(jìn)入到收集箱內(nèi), 最后被運(yùn)送到處理工廠。圖2(b)是對(duì)于距離工廠較遠(yuǎn)、交通不便的地區(qū)設(shè)計(jì)的粉碎裝置。煙葉從上面進(jìn)入, 經(jīng)過(guò)粉碎, 從尾部自然落到地面上, 然后人工把粉碎后的物料裝袋, 最后運(yùn)輸?shù)教幚砉S。

移動(dòng)式粉碎設(shè)備的核心部件是粉碎零件的構(gòu)造設(shè)計(jì)。根據(jù)有機(jī)肥發(fā)酵對(duì)物料顆粒大小的需求和不適用煙葉的特點(diǎn), 采取固定橫刀(圖3(a))和旋轉(zhuǎn)的縱刀相疊加的切割粉碎方式進(jìn)行, 旋轉(zhuǎn)縱刀設(shè)置了圓錐體式敲碎、小輥刀式切割、大輥刀式切割3種處理方式(圖3(b), (c), (d))。

1.2 固定式粉碎設(shè)備

設(shè)計(jì)的固定粉碎設(shè)備具有連續(xù)工作的高效機(jī)械性能, 能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大量積壓含水量大不適用煙葉混配干燥農(nóng)作物秸稈粉碎。設(shè)備由物料傳送、擠壓、切割、揉碎和出料5部分組成(圖4)。

傳送部分: 鏈條式傳送, 便于操作, 可以滿足大量的煙葉廢棄物傳送。

擠壓部分: 采用一對(duì)空滾壓輪, 相互轉(zhuǎn)動(dòng)壓劈進(jìn)入保護(hù)口的物料。使粗料莖稈在徑直方向進(jìn)行劈裂, 為下一步物料粉碎的預(yù)處理。

切割部分: 該部分是粉碎物料的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的刀片把被擠壓后的物料切割。

揉碎部分: 該設(shè)備的核心部分, 在進(jìn)一步粉碎物料的同時(shí), 使物料的水分得到平衡。被切割后的物料在滾筒內(nèi)旋轉(zhuǎn), 碰到圓柱型中滾筒上運(yùn)動(dòng)的“Y”型鋼件, 由于鋼件敲打, 物料進(jìn)一步細(xì)化。

1—傳送部分, 2—擠壓部分, 3—切割部分, 4—揉碎部分, 5—出料部分。

1.3 高溫發(fā)酵系統(tǒng)

1.3.1 高溫消毒發(fā)酵塔

發(fā)酵罐(高溫發(fā)酵場(chǎng)所)是為粉碎后的物料進(jìn)行高溫殺毒和發(fā)酵的裝置, 由增氧空氣壓縮機(jī)、排濕風(fēng)機(jī)、輔助加熱和物料攪拌系統(tǒng)組成(圖5(a))。

攪拌系統(tǒng): 增氧空氣壓縮機(jī)提供物料在菌劑繁育分解有機(jī)質(zhì)過(guò)程需要的氧氣; 排濕風(fēng)機(jī)安裝在罐的頂部, 在發(fā)酵的過(guò)程中根據(jù)工藝的需求自動(dòng)排除罐內(nèi)多余的濕氣; 輔助加熱管道沿發(fā)酵罐裝置內(nèi)壁以網(wǎng)狀形式布列, 在發(fā)酵開始階段進(jìn)行高溫殺毒除病; 為了使物料高溫殺毒后利于發(fā)酵, 并使物料和發(fā)酵菌劑充分接觸, 發(fā)酵罐中心和沿圓周方向利用電動(dòng)馬達(dá)提供動(dòng)力進(jìn)行物料攪拌(圖5(b))。

1.3.2 發(fā)酵菌劑

發(fā)酵菌劑“AAT嗜高溫菌群”是由鏈球菌、胞桿菌等20多個(gè)(好氣性和兼性好氧菌)有效微生物菌構(gòu)成的組群, 它們?cè)诟邷丨h(huán)境下活躍生長(zhǎng)和繁衍, 其產(chǎn)生的有益物質(zhì)及分泌物質(zhì)成為各自或相互生長(zhǎng)的基質(zhì)。

1.4 輔助機(jī)械設(shè)備

為了便于機(jī)械化操作及工廠化生產(chǎn)肥料, 處理廠內(nèi)配備了1臺(tái)JL800–8型電動(dòng)篩用于上料; 1臺(tái)DCS–50P型(電子稱)自動(dòng)打包機(jī)及其相關(guān)電動(dòng)(強(qiáng)電、弱電)配套設(shè)備, 用于自動(dòng)稱重和打包成品物料; 1臺(tái)Lugong–926型裝載機(jī), 用于發(fā)酵塔上料和二次發(fā)酵翻堆; 1臺(tái)Lonking FD30釵車, 主要用于二次常溫發(fā)酵翻堆、成品碼垛, 或用于搬運(yùn)附屬設(shè)備的臨時(shí)調(diào)位; 2臺(tái)傳送帶。

2 材料與方法

試驗(yàn)于2011和2012年在大理州彌渡縣紅大科技示范園內(nèi)進(jìn)行, 按照?qǐng)D1的工藝流程, 利用田間不適用煙葉、干燥的稻米秸稈和煙稈為原料, 采用移動(dòng)式粉碎機(jī)和固定粉碎設(shè)備進(jìn)行物料粉碎, 再進(jìn)行高溫殺毒發(fā)酵生產(chǎn)肥料。

發(fā)酵工藝流程: 經(jīng)過(guò)粉碎后含有一定量水分的物料與發(fā)酵菌劑一起通過(guò)傳送裝置從發(fā)酵罐的上部送入到罐體中, 在頂部攪拌機(jī)械的作用下, 二者混合均勻; 開啟輔助加熱系統(tǒng)加熱罐內(nèi)物料, 使溫度升到100～120 ℃, 同時(shí)通過(guò)空氣壓縮機(jī)向罐內(nèi)輸送氧氣, 以滿足菌劑需氧。經(jīng)過(guò)16 h罐內(nèi)高溫殺毒發(fā)酵, 物料從罐的底部脫落到傳送帶上, 再輸送到空置的場(chǎng)地, 進(jìn)行24 h左右的二次常溫發(fā)酵。常溫發(fā)酵過(guò)程中, 鏟車對(duì)物料進(jìn)行2～3次翻堆, 完成自然通氧后, 即完成整個(gè)發(fā)酵過(guò)程。

主要考查內(nèi)容包括: 粉碎機(jī)對(duì)不同物料粉碎效果的對(duì)比; 通氧量和溫度對(duì)發(fā)酵菌劑活力的影響; 高溫殺毒成品肥料的檢測(cè); 高溫發(fā)酵工廠化運(yùn)作效益分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同縱刀結(jié)構(gòu)粉碎效果

不同縱刀結(jié)構(gòu)粉碎效果見(jiàn)圖6。圖6(a)是圓錐體式粉碎的物料, 該方法的優(yōu)點(diǎn)是工作效率高, 耗能少, 缺點(diǎn)是物料整體較為粗糙, 有大片(5 cm以上)殘留, 且切割不均勻。圖6(b)是小輥刀式切割粉碎的物料, 其優(yōu)點(diǎn)是切割較為均勻, 缺點(diǎn)是工作效率較低, 物料太細(xì)。圖6(c)為大輥刀式切割粉碎的物料, 特點(diǎn)是切割較為不均勻, 工作效率高, 粉碎的物料顆粒在0.5～1 cm間, 能夠滿足有機(jī)物發(fā)酵的需求。

(a) 圓錐體式粉碎的物料??? (b) 小輥刀式粉碎的物料??? (c) 大輥刀式粉碎的物料

3.2 煙葉不同含水量及不同種類物料配比對(duì)粉碎效果的影響

表1為不同含水量煙葉的粉碎效果, 粉碎后的煙葉含水量與煙葉的含水量呈正相關(guān), 含水量越多, 物料顆粒越不成形, 不利于機(jī)械操作與傳送。相反, 含水量越少, 產(chǎn)生大量的粉塵, 容易被風(fēng)吹散, 而且不能滿足菌劑發(fā)酵對(duì)水分的要求。煙葉含水量在40%時(shí), 粉碎較為理想, 片間分開, 小片分離, 能夠滿足粉碎和發(fā)酵的要求。

表1 不同含水量煙葉的粉碎效果

為了直接用鮮煙葉進(jìn)行發(fā)酵處理, 使用干燥的不同質(zhì)量的農(nóng)作物秸稈(煙稈)配比鮮煙葉平衡發(fā)酵物料中的水分。表2顯示了植物秸稈(煙稈)和田間不適用鮮煙葉配比粉碎后物料的狀態(tài)。隨著混合物中鮮煙葉比重的減少, 物料粉碎后, 從不同物料分離, 煙葉呈現(xiàn)泥狀集結(jié)狀態(tài), 到混配均勻, 最后到大量粉塵產(chǎn)生, 物料再次分離狀態(tài)。當(dāng)植物秸稈(煙稈)與鮮煙葉質(zhì)量比為3︰1時(shí), 粉碎后物料混合均勻, 手握濕潤(rùn), 符合有機(jī)物發(fā)酵要求。

表2 不同干燥煙稈與鮮煙葉配比的粉碎效果

3.3 通氧量與溫度對(duì)發(fā)酵菌劑活力的影響

高溫AAT有效微生物菌劑采用篩選出來(lái)的適應(yīng)煙田廢棄物發(fā)酵的微生物群落。圖7顯示了菌劑活性、溫度、菌劑濃度(lgb)和氧氣濃度(lgO)之間的關(guān)系。菌群分為2類: 一類是兼性好氧菌, 另一類是好氧菌。兼性好氧菌活性在一定范圍內(nèi)隨著氧氣濃度增加而增加, 當(dāng)氧氣濃度(lgO)超過(guò)-1.5 mg/L時(shí), 隨著氧氣濃度的增加而降低。2種菌劑的活性隨著菌劑濃度的增加顯示先增加后降低的趨勢(shì)。綜合發(fā)酵溫度、通氧濃度和菌劑濃度, 菌劑活力在100～120 ℃之間發(fā)酵效果最佳, 較低的溫度不能有效發(fā)揮菌劑的微生物繁殖和煙草病毒殺除。

3.4 成品肥料檢測(cè)

肥料檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可知, 純凈的田間不適用煙葉做成的肥料有機(jī)含量較高, 56.1%, 氮素營(yíng)養(yǎng)為1.7%, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般秸稈如小麥、稻谷和玉米的含量[8]。在煙草常見(jiàn)病蟲害檢測(cè)方面, 蟲卵的死亡率為100%, 在百萬(wàn)分之一的級(jí)別上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)花葉病、黑莖病和根黑腐病病毒, 說(shuō)明本項(xiàng)目通過(guò)100 ℃以上的高溫殺毒, 對(duì)于清除病蟲害有很好的效果。

表3 不適用煙葉高溫發(fā)酵產(chǎn)生肥料檢測(cè)

注: 數(shù)據(jù)來(lái)源于農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心(鄭州)。

3.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

田間不適用煙葉按照正常下部葉2片, 上部葉1片計(jì)算, 每公頃煙田產(chǎn)生的不適用煙葉情況見(jiàn)表4。在規(guī)范化種植密度16 500株/hm2的情況下, 每公頃煙田能夠產(chǎn)生2 640 kg左右的不適用煙葉, 大約451.85 kg的干物質(zhì)。

表4 每公頃煙田田間不適用煙葉產(chǎn)出情況

表5顯示了利用廢棄煙葉生產(chǎn)有機(jī)肥的費(fèi)用分配情況, 按照有機(jī)物發(fā)酵過(guò)程中10%損耗, 生產(chǎn)1 t有機(jī)肥需要配套2.52 hm2煙田。按鮮煙0.9元/kg價(jià)格收購(gòu), 根據(jù)運(yùn)輸距離長(zhǎng)短不同, 工程化處理工廠每噸煙葉分別獲得290.57元或210.57元的間接效益。

表5 生產(chǎn)1 t有機(jī)肥配套費(fèi)用分配

注: 按照2013年國(guó)家煙草專賣局的補(bǔ)貼計(jì)算。

按照每個(gè)基地單元1 333 hm2的煙田規(guī)劃, 基地單元內(nèi)田間不適用煙葉高溫發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥的效益分析見(jiàn)表6。每個(gè)基地單元內(nèi)的煙田廢棄物能夠生產(chǎn)有機(jī)肥料548.7 t, 每噸按照500元計(jì)算, 直接效益是38.99～43.38萬(wàn)元。

表6 每個(gè)基地單元不適用煙葉高溫處理生產(chǎn)有機(jī)肥效益

4 討論與結(jié)論

4.1 肥料中病毒情況分析

煙草殘?bào)w中極易攜帶花葉病、黑莖病和根黑腐病等常見(jiàn)病毒, 如果高溫發(fā)酵生產(chǎn)出來(lái)的肥料不徹底將其清除, 會(huì)給后季煙草生產(chǎn)帶來(lái)潛在的威脅。吳剛[9]研究了溫度對(duì)TMV滅活作用, 在100 ℃, 1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下, 水體環(huán)境中的TMV己經(jīng)難以存活, 滅活率接近100%。有報(bào)道稱煙株殘?bào)w必須經(jīng)過(guò)90 ℃以上的高溫殺毒, 才能徹底清除。本實(shí)驗(yàn)高溫發(fā)酵采用溫度100～120 ℃, 高于100 ℃, 在成品肥料檢測(cè)中也未發(fā)現(xiàn)病毒的存在, 但其是否能夠施用于煙田, 還需要進(jìn)行大田試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

4.2 深層次經(jīng)濟(jì)效益的挖掘

市場(chǎng)上單純的有機(jī)肥料售價(jià)較低, 烤煙生產(chǎn)所需的專用復(fù)合肥由有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)質(zhì)組成, 兩者比值為1︰4的有復(fù)合肥市場(chǎng)售價(jià)在每噸3 000元左右。用田間不適用煙葉高溫發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥, 通過(guò)添加生物制劑和N, P, K, 提高產(chǎn)品的附加值, 勢(shì)必收到很好的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王建安, 翟欣, 徐華發(fā), 等. 淺談烤煙基本煙田廢棄物的綜合利用[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2012, 28(34): 138–142.

[2] Liu Wen-Hui, Yong Guo-Ping, Li Fang, et al. Free and conjugated phytosterols in cured tobacco leaves: influence of genotype, growing region, and stalk position [J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2008, 56(1): 185–189.

[3] Alonso J M, Górzny M ?, Bittner A M. The physics of tobacco mosaic virus and virus-based devices in biotechnology [J]. Trends in Biotechnology, 2013, 31(9): 530–538.

[4] 趙瑾, 王超杰. 低次煙葉的綜合開發(fā)與利用[J]. 煙草科技, 1997(2): 26–27.

[5] 洛陽(yáng), 沼陌宇. 煙草刨花板具有廣闊的發(fā)展前景[J]. 煙草利技, 1998(12): 45–48.

[6] 郭俊成, 蘇勇, 劉強(qiáng), 等. 煙草葉蛋白利用價(jià)值研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)煙草科學(xué), 2006, 27(1): 8–10.

[7] Lipshutz B H. Devising an especially efficient route to the “miracle” nutrient coenzyme Q10 [J]. Strategies and Tactics in Organic Synthesis, 2004(4): 269–292.

[8] 景家驊. 農(nóng)家肥–肥料知識(shí)介紹[J]. 破與立: 自然科學(xué)版, 1975(2): 89–101.

[9] 吳剛. 煙草花葉病毒滅活因子的初步研究[D]. 福州: 福建農(nóng)林大學(xué), 2000: 19.

(責(zé)任編校: 江河)

Research of resource utilization about the disuse tobacco leaves of the field into organic fertilizers by high temperature fermentation

Wang Jianan1, Xu Fahua2, Wang Xinzhong2, Sun Junwei2, Liu Guoshun1

(1. College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. Dali Branch of Yunnan Tobacco Company, Dali 671000, China)

In order to study the harmless treatment style of the disuse tobacco leaves in the field, organic fertilizers by high temperature fermentation is developed, and that how to collect and smash by machinery and equipment is tested also. The results show that: when 40% moisture content of tobacco leaves is cut by big stick with cuter, or raw straw material to fresh tobacco is 3︰1 smashed by crusher integrated extrusion, cutting and grinding equipment, uniform particles after crushed will be able to meet the needs of high-temperature fermentation; effective temperature that AAT microbial fermentation has higher vigor is used between 100～120 ℃; content of organic matter of organic fertilizer made by disuse tobacco leaves through high-temperature fermentation processing is higher than the general straw such as wheat, rice and maize content, of which is reaching 56.9% with nitrogen of 2.63%; clearance rate of insect eggs in organic fertilizers is 100%, and disease virus for example TMV is not detected; if the project is utilized by each tobacco base unit in china, the annual direct benefits would be 389 900～433 800 RMB.

flue-cured tobacco; disuse tobacco leaves of the field; temperature fermentation; organic fertilizers

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.01.021

TS 41+3

1672–6146(2015)01–0086–06

王建安, wangja@henau.edu.cn; 孫軍偉, sunjunwei518@163.com。

2014–07–28

大理州煙草公司與河南農(nóng)業(yè)大學(xué)合作項(xiàng)目(云煙司[2011]173號(hào)(2011YN23))。