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      糖廠濾泥發(fā)酵制成生物有機肥

      2017-05-30 10:48:04譚宏偉
      南方農(nóng)業(yè)學(xué)報 2017年3期
      關(guān)鍵詞:肥效生物有機肥發(fā)酵

      摘要:【目的】掌握采用糖廠濾泥經(jīng)功能菌發(fā)酵制成生物有機肥的特點和規(guī)律,為促進(jìn)廣西蔗區(qū)糖料蔗產(chǎn)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)提供技術(shù)支持,同時為政府制定農(nóng)業(yè)種植環(huán)境保護(hù)相關(guān)政策提供決策參考。【方法】在廣西重要蔗糖生產(chǎn)區(qū)(來賓市興賓區(qū)和崇左市大新縣)開展以糖廠濾泥為原料、發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥的田間試驗,研究糖廠濾泥發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥的特征及肥效?!窘Y(jié)果】采用功能菌發(fā)酵糖廠濾泥生產(chǎn)生物有機肥的腐熟速度快,受環(huán)境因素影響較小,發(fā)酵效果穩(wěn)定,發(fā)酵溫度最高達(dá)77.2 ℃,且70.0~77.2 ℃的維持時間長達(dá)12 d;發(fā)酵后的有機質(zhì)含量和有機酸轉(zhuǎn)化率優(yōu)勢明顯,分別較傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵提高30.2%和12.3%(絕對值)。功能菌發(fā)酵生物有機肥對水稻、黃瓜和甘蔗有明顯的增產(chǎn)作用,對應(yīng)的平均產(chǎn)量分別為5971.5、76705.5和118780.5 kg/ha,較施等量傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵生物有機肥處理分別增產(chǎn)7.83%、41.19%和6.91%。施用功能菌發(fā)酵生物有機肥的土壤理化性狀指標(biāo)均高于施用傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵生物有機肥處理,其中土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀的含量分別為15.75 g/kg、67 mg/kg、14 mg/kg和69 mg/kg,而氮、磷和鉀利用率分別為39.3%、12.8%和52.8%?!窘Y(jié)論】采用功能菌發(fā)酵糖廠濾泥生產(chǎn)生物有機肥較傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵糖廠濾泥生產(chǎn)生物有機肥更具優(yōu)勢,具體表現(xiàn)為腐熟速度快、發(fā)酵溫度高且保持時間長、發(fā)酵后有機質(zhì)含量和有機酸轉(zhuǎn)化率優(yōu)勢明顯,同時具有增產(chǎn)、提高土壤肥力和肥料利用率的作用,生產(chǎn)上可大面積推廣應(yīng)用。

      關(guān)鍵詞: 糖廠濾泥;發(fā)酵;生物有機肥;肥效;特征

      中圖分類號: S141.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:2095-1191(2017)03-0428-05

      0 引言

      【研究意義】廣西是我國最大的糖業(yè)基地,蔗糖產(chǎn)量約占全國的70%(李楊瑞等,2014;覃澤林等,2015;譚芳等,2016)。蔗糖是廣西的重要經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè),在榨糖過程中每噸甘蔗將產(chǎn)生3.5%~4.8%的濾泥,平均約4.2%。據(jù)統(tǒng)計,廣西年均產(chǎn)原料蔗5600萬t,榨糖產(chǎn)生的濾泥約235.2萬t,但長期以來亞硫酸法糖廠濾泥被隨意排放,造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。亞硫酸法糖廠濾泥的主要成分是甘蔗從土壤中吸收的各種營養(yǎng)物質(zhì)及其體內(nèi)合成的各種有機物質(zhì),包括農(nóng)作物生長所必需的氮、磷、鉀及其他大量、微量元素等(羅為群等,2009)。因此,利用亞硫酸法糖廠濾泥發(fā)酵制成富含腐殖酸的生物有機肥,并在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上進(jìn)行資源化推廣應(yīng)用,既能解決亞硫酸法糖廠濾泥對環(huán)境的污染問題,又能緩解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤肥力下降的問題,變廢為寶,促進(jìn)蔗糖產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】亞硫酸法甘蔗制糖濾泥中含有大量有機物、氮、磷和微量金屬元素等微生物生長所必需的營養(yǎng)物質(zhì)(鞠然等,2011),直接用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已有較多報道。傅顯華等(1992)研究發(fā)現(xiàn),采用蔗渣和濾泥作花卉栽培基質(zhì)時,蔗渣需通過自然堆漚或加氮處理再與濾泥配合使用,其最佳組合方式視蔗渣堆漚腐熟程度及濾泥含鹽量而定;邢世和和周碧青(2003)研究證實,施用20%粉煤灰+80%糖廠濾泥的混合物對供試土壤的改良和大麥的增產(chǎn)效果顯著;譚宏偉等(2016)研究表明,全部施用濾泥和酒精廢液于蔗田,蔗區(qū)每年可節(jié)省化肥150萬~200萬t,并增加土壤有機質(zhì)120萬~165萬t,對提高蔗區(qū)的土壤肥力發(fā)揮積極作用。在以糖廠濾泥制備有機肥方面,林天木(1997)以蔗糖濾泥為主要原料,配以無機化肥研制成有機─無機高效復(fù)合肥;虎玉森和王興民(1998)研究表明,合理利用濾泥制備成不同用途的濾泥復(fù)合肥是改善土壤理化性質(zhì)、減少環(huán)境污染及提高糖廠綜合效益的有效途徑;梁洪(2005)通過碳酸法制糖濾泥資源化利用中試研究證實,采用生物工程技術(shù)進(jìn)行碳酸法制糖濾泥、酒精廢液、蔗髓及粉煤灰好氧發(fā)酵處理而制備生物有機肥,是實現(xiàn)碳酸法糖廠固體廢棄物資源化利用的有效途徑;王淑培等(2013)研究表明,木薯渣與碳法糖廠濾泥干重比為1∶1或2∶1,經(jīng)過20 d的堆肥發(fā)酵后均能達(dá)到無害化的腐熟標(biāo)準(zhǔn),有機質(zhì)降解率在50%以上,可用作土壤底肥或是添加氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素制成高質(zhì)量的有機肥?!颈狙芯壳腥朦c】制糖濾泥是長期困擾糖廠的最大污染源,直接排放極易造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。在其資源化利用方面,主要是以制糖濾泥為原料、配以無機化肥研制成有機—無機高效復(fù)合肥或作為充填料,而針對糖廠濾泥采用功能菌發(fā)酵制成生物有機肥的研究鮮見報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】掌握采用糖廠濾泥經(jīng)功能菌發(fā)酵制成生物有機肥的特點和規(guī)律,為促進(jìn)廣西蔗區(qū)糖料蔗產(chǎn)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)提供技術(shù)支持,同時為政府制定農(nóng)業(yè)種植環(huán)境保護(hù)相關(guān)政策提供決策參考。

      1 材料與方法

      1. 1 試驗材料

      糖廠濾泥由來賓市興賓區(qū)華糖永鑫糖廠和崇左市大新縣雷平糖廠提供,菌曲(由枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌和膠凍樣芽孢桿菌制成)購自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物菌種保藏中心。糖廠濾泥pH 4.6~6.3,有機質(zhì)含量30.3%~67.2%,N、P2O5、K2O、CaO和MgO含量分別為0.9%~1.3%、0.6%~1.4%、0.4%~0.7%、4.9%~5.9%和0.9%~1.2%,蔗糖分含量0.35%~1.21%,主要有害元素Pb(未檢出)、Cr(17~38 mg/kg)、Cd(2.4~3.9 mg/kg)、Hg(0.5~1.9 mg/kg)、As(3.5~7.7 mg/kg)均低于國家生物有機肥料的限定含量標(biāo)準(zhǔn)。試驗點分別設(shè)在來賓市興賓區(qū)和崇左市大新縣,均為廣西的重要蔗糖生產(chǎn)區(qū)。

      1. 2 發(fā)酵制成生物有機肥方案

      方案1[傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥]:采用濾泥發(fā)酵(堆漚)條垛式,將水分含量50%~55%的濾泥堆成寬1.5~2.0 m、高0.5 m的條形發(fā)酵堆,每隔7~9 d翻堆1次。

      方案2(功能菌發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥):同樣采用濾泥發(fā)酵(堆漚)條垛式,將水分含量50%~55%的濾泥與菌曲混合均勻,然后堆成寬1.5~2.0 m、高0.5 m的條形發(fā)酵堆,每隔4~5 d翻堆1次。

      1. 3 發(fā)酵生物有機肥內(nèi)含物測定

      1. 3. 1 細(xì)菌蛋白酶活力(PA) 采用紫外分光光度計法進(jìn)行測定,PA計算公式為:

      PA(U/g)=△A/W×100

      式中,△A為樣品與空白吸光度差值(A1-A2),W為反應(yīng)中酶用量(g)。

      1. 3. 2 蔗糖含量(X) 采用滴定法進(jìn)行測定,計算公式為:

      X(%)=(R2-R1)×0.95

      式中,R1為未經(jīng)水解處理的還原糖含量(%),R2為水解處理后的還原糖含量(%),0.95為還原糖(以葡萄糖計)換算為蔗糖的系數(shù)。

      1. 3. 3 有機酸含量(ω) 采用滴定法,根據(jù)NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度(C)和消耗體積(V)計算有機酸含量:

      式中,C為NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度(%),V為NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液消耗體積(mL),M為有機酸摩爾質(zhì)量(mol/L),m為稱取有機酸樣品質(zhì)量(mg)。

      1. 4 土壤肥力及養(yǎng)分利用率分析

      作物收獲后采集耕層土樣測定有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷和速效鉀含量,具體測定方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》(魯如坤,2000)。其中,有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定,速效氮采用堿解擴散法測定,速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提、鉬藍(lán)比色法測定,速效鉀采用1.0 mol/L中性NH4OAC浸提、火焰光度法測定,全氮采用半微量凱氏定氮法測定,全磷采用NaOH熔融鉬銻抗比色測定;全鉀采用NaOH熔融火焰光度法測定。

      2 結(jié)果與分析

      2. 1 糖廠濾泥發(fā)酵生物有機肥的升溫變化特征

      以糖廠濾泥為原料、功能菌發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥時,堆漚第3 d的堆肥溫度可達(dá)45.0~54.0 ℃,第7 d升至70.0 ℃以上,維持在70.0~77.2 ℃的時間長達(dá)12 d,從第19 d后迅速降低,直至與傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥的一致。在整個堆肥過程中,傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥的溫度變化幅度相對平緩,堆漚第6 d的堆肥溫度才40.0 ℃,最高溫度僅為63.0 ℃,保持在60.0 ℃以上的時間僅有5 d,明顯低于功能菌發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥。

      2. 2 糖廠濾泥發(fā)酵生物有機肥的組分分析結(jié)果

      有益微生物的代謝產(chǎn)物均在發(fā)酵階段產(chǎn)生,主要包括三類代謝物:第一類是酶,如纖維素酶群、蛋白酶群、氧化酶、糖化酶、水解酶和?;被崦傅?;第二類是有機酸,如腐植酸、吲哚乙酸、赤霉乙酸和檸檬酸等;第三類是生物素,如赤霉素、各種抗生素及酮類物質(zhì)。細(xì)菌蛋白酶活力測定結(jié)果顯示,傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵生物有機肥的細(xì)菌蛋白酶活力為1.023×104 U/g,遠(yuǎn)低于功能菌發(fā)酵生物有機肥的細(xì)菌蛋白酶活力(1.793×106 U/g)。功能菌的發(fā)酵作用能有效分解糖廠濾泥中的蔗糖分(表1),使其蔗糖分含量由0.39%~1.21%(平均為0.99%)降至0.05%~0.13%(平均為0.07%),對糖廠濾泥發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥十分有利。

      在以傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵糖廠濾泥生產(chǎn)生物有機肥的過程中,有機物料轉(zhuǎn)化為有機酸的轉(zhuǎn)化率為59.7%,而采用功能菌發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥的轉(zhuǎn)化率達(dá)89.9%,較傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥高出30.2%(絕對值,下同)。在糖廠濾泥發(fā)酵制備生物有機肥的有機質(zhì)含量方面,采用功能菌發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥的有機質(zhì)含量為45.7%,較采用傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵生物有機肥(33.4%)高出12.3%。

      2. 3 糖廠濾泥發(fā)酵生物有機肥的肥效

      糖廠濾泥發(fā)酵生物有機肥對水稻、黃瓜和甘蔗產(chǎn)量影響的田間試驗結(jié)果(表2)表明,施用功能菌發(fā)酵生物有機肥的平均水稻產(chǎn)量為5971.5 kg/ha,較施等量傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵生物有機肥的處理增產(chǎn)433.5 kg/ha,增幅達(dá)7.83%;施用功能菌發(fā)酵生物有機肥的平均黃瓜產(chǎn)量達(dá)76705.5 kg/ha,較施等量傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵生物有機肥的處理增產(chǎn)22378.5 kg/ha,增幅達(dá)41.19%;施用功能菌發(fā)酵生物有機肥的平均甘蔗產(chǎn)量為118780.5 kg/ha,較施等量傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵生物有機肥的處理增產(chǎn)7675.5 kg/ha,增幅為6.91%。

      2. 4 糖廠濾泥發(fā)酵生物有機肥對土壤肥力及養(yǎng)分利用率的影響

      以蔗區(qū)土壤有機質(zhì)及連續(xù)5年施用糖廠濾泥發(fā)酵生物有機肥的效應(yīng)研究為例,探討施用糖廠濾泥發(fā)酵生物有機肥對土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀含量等理化性狀的影響,結(jié)果顯示,施用功能菌發(fā)酵生物有機肥的土壤理化性狀指標(biāo)均高于施用傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵生物有機肥的處理(表3),其中土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀的含量分別為15.75 g/kg、67 mg/kg、14 mg/kg和69 mg/kg。

      由表4可知,施用功能菌發(fā)酵生物有機肥處理的氮、磷和鉀利用率分別為39.3%、12.8%和52.8%,較施傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵生物有機肥處理的氮、磷和鉀利用率提高18.3%、2.2%和21.6%,比僅施用化肥的處理提高15.0%、4.5%和30.8%;與僅施用化肥的處理相比,施用傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵生物有機肥處理的氮利用率降低3.3%,而磷、鉀利用率提高了2.3%和9.2%。

      3 討論

      目前,糖廠濾泥的綜合利用可概括為濾泥生產(chǎn)復(fù)合肥、加工成動物飼料、提取蔗蠟及植物固醇、制備材料以添加劑及作為生物質(zhì)燃料等5個方面(左見軍等,2014)。林天木(1997)、虎玉森和王興民(1998)、梁洪(2005)、王淑培等(2013)先后以糖廠濾泥為主要原料制成有機—無機高效復(fù)合肥,并證實是實現(xiàn)碳酸法糖廠固體廢棄物資源化利用的有效途徑。本研究應(yīng)用微生物技術(shù)結(jié)合功能菌發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥,結(jié)果表明,采用功能菌發(fā)酵糖廠濾泥生產(chǎn)生物有機肥較傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵方式的腐熟速度快,發(fā)酵溫度最高達(dá)77.2 ℃,且70.0~77.2 ℃的維持時間長達(dá)12 d;功能菌發(fā)酵生物有機肥的有機質(zhì)含量和有機酸轉(zhuǎn)化率優(yōu)勢明顯,分別較傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵生物有機肥提高30.2%和12.3%。施用功能菌發(fā)酵生物有機肥對水稻、黃瓜和甘蔗有明顯的增產(chǎn)效果,較施等量傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵生物有機肥分別增產(chǎn)7.83%、41.19%和6.91%;對土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀含量也有明顯影響,均高于施用傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵生物有機肥的處理,含量分別為15.75 g/kg、67 mg/kg、14 mg/kg和69 mg/kg;在氮、磷和鉀利用率方面分別為39.3%、12.8%和52.8%,較施傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵生物有機肥處理的氮、磷和鉀利用率分別提高18.3%、2.2%和21.6%,比僅施用化肥的處理提高15.0%、4.5%和30.8%??梢?,采用功能菌發(fā)酵糖廠濾泥生產(chǎn)生物有機肥較傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵糖廠濾泥生產(chǎn)生物有機肥更具優(yōu)勢,可大面積推廣應(yīng)用。

      肥料廠一般采用傳統(tǒng)的條垛式堆漚、槽式堆漚發(fā)酵生產(chǎn)肥料,有的甚至采取露天堆漚,不僅占地面積大,易產(chǎn)生臭氣和污水,影響周邊環(huán)境,還受天氣條件限制,質(zhì)量不穩(wěn)定,生產(chǎn)周期長,運行成本高(王懷利等,2010;廖青等,2013)。堆漚發(fā)酵過程的腐熟速度慢,受環(huán)境因素影響較大,發(fā)酵效果不穩(wěn)定,通常需要35~45 d才能完成一次腐熟過程;而采用功能菌發(fā)酵生產(chǎn)生物有機肥的腐熟速度快,受環(huán)境因素影響較小,發(fā)酵效果穩(wěn)定,僅需20~25 d就能完成一次腐熟過程。生產(chǎn)上的常用菌種有巨大芽孢桿菌、釀酒酵母、涇陽鏈霉菌、綠色木霉、白地霉、嗜熱側(cè)孢霉、熱地假絲酵母、枯草芽孢桿菌、圓褐固氮菌、膠凍樣芽孢桿菌、沼澤紅假單胞菌等(王懷利等,2010;許永勝等,2015)。綜合本研究結(jié)果可知,開展糖廠濾泥發(fā)酵制成生物有機肥已在以下幾個方面取得突破:(1)解決菌群間拮抗干擾的突破。產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝成功解決了菌群間拮抗干擾和平衡肥效的量變關(guān)系,有效提高了該技術(shù)在生產(chǎn)應(yīng)用中的實用性與高效性。這些配組菌群能在土壤中形成強大的有益生物群體,通過接力式代謝和多層次分解與轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生各種活性基團,并不斷產(chǎn)生腐植酸,促使土壤中的有機物轉(zhuǎn)化為優(yōu)良的植物養(yǎng)分。(2)組配菌種株數(shù)創(chuàng)新。組配菌種達(dá)10~11株,菌種數(shù)量越多其功能作用就廣。(3)設(shè)計采用的菌株耐高溫性。功能菌發(fā)酵溫度最高達(dá)77.2 ℃,且70.0~77.2 ℃的維持時間長達(dá)12 d。此發(fā)酵溫度不僅縮短有機質(zhì)的腐熟分解周期,還能殺滅堆腐原料中的其他有害菌群。

      4 結(jié)論

      采用功能菌發(fā)酵糖廠濾泥生產(chǎn)生物有機肥較傳統(tǒng)(自然)發(fā)酵糖廠濾泥生產(chǎn)生物有機肥更具優(yōu)勢,具體表現(xiàn)為腐熟速度快、發(fā)酵溫度高且保持時間長、發(fā)酵后有機質(zhì)含量和有機酸轉(zhuǎn)化率優(yōu)勢明顯,同時具有增產(chǎn)、提高土壤肥力和肥料利用率的作用,生產(chǎn)上可大面積推廣應(yīng)用。

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      (責(zé)任編輯 蘭宗寶)

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