碳酸法滤泥和木薯渣堆肥发酵的研究

王淑培等

摘 要 研究了碳酸法滤泥和木薯渣的配比、C/N、水分含量、发酵剂的添加量等4个影响因素对碳酸法滤泥和木薯渣堆肥发酵的影响。确定最佳的初始工艺参数为：碳酸法滤泥和木薯渣干重比为2 ∶ 1，C/N为30，水分含量为60%～65%，发酵剂的添加量为2%，并选取KH2PO4作为氮素的保留剂，探索其添加量对堆肥的影响，确定合适的添加量为0.18%。

关键词 碳酸法滤泥；木薯渣；堆肥

中图分类号 S141.4 文献标识码 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

碳酸法滤泥是糖厂采用碳酸法澄清工艺而排放的滤泥。碳酸法制糖工艺过程，需要加入大量的Ca（OH）2和CO2，产生的CaCO3沉淀以吸附蔗汁中的杂质、胶体等非糖物质。该工艺的优点是生产的白糖质量较高，但其产生的固体废弃物——滤泥的排放量大（湿滤泥对蔗比约9%）、有机物含量低、钙含量高、碱性强，新鲜滤泥的pH值达到9.47。中国现有碳酸法甘蔗糖厂每年榨蔗量约300万t，湿滤泥产量约为30万t。对碳酸法滤泥的治理和利用，国内外糖业界进行了大量的探索和研究，主要有：（1）工业上利用碳酸法滤泥生产水泥、玻璃、空心砌砖、碳酸钙、拒水粉、烧石灰等产品[1]；（2）黄飒等[2]将碳酸法糖厂滤泥与酸性土壤混合后用于甘蔗种植；（3）温韬等[3]研究了将碳酸法糖厂的碳滤泥进行活化后，与石灰乳混合用来对蔗汁进行亚硫酸法澄清，提高了清净效果。（4）梁洪等[4]采用生物工程技术进行碳酸法制糖滤泥、酒精废液、蔗髓以及粉煤灰好氧发酵处理研究，制生物有机肥。碳酸法滤泥的研究和利用方法大多还处于试验室研究阶段或因技术存在成本高等难题，一直以来没能得到较好的处 理，国内外碳酸法糖厂的滤泥基本上都是采用湿排或干排处理，造成严重的环境污染。木薯渣是木薯生产加工淀粉或乙醇后的固体残料，主要是由木质纤维素组成，还含有少量的淀粉和蛋白质。木薯渣的pH大约在3.5～4.5之间，有机物含量较高，但由于蛋白含量少，粗纤维含量高，且含有一定量的氰苷类物质，适口性差，不适用直接饲喂家畜。中国每年因加工木薯淀粉和乙醇等其他物质产生的木薯渣的量达到150 t。

目前，对木薯渣的利用主要有以下几方面：（1）刘平[5]研究了木薯渣的生物发酵处理制备动物饲料；（2）苏启苞[6]以木薯秆屑、木薯渣为主要原料按不同比例配制培养基栽培杏鲍菇，完全可以满足杏鲍菇菌丝生长和子实体发育的要求。（3）赵晓峰[7]等以木薯渣为原料，采用同步糖化发酵工艺，研究了将淀粉、纤维素、半纤维素水解糖分开或是共同发酵制乙醇过程。（5）厌氧发酵生产沼气。尽管对木薯渣的研究范围较为广泛，但当前对木薯渣的有效利用途径还相对较少，除了小部分直接用作饲料和生产沼气及培养食用菌外，大部分没有得到充分的利用，这不仅造成了资源的浪费，还导致了严重的环境污染。本研究针对碳酸法滤泥具有碱性，有机质含量较少，不能直接用于还田施用的特点，利用酸性的木薯渣中和其碱性，经过高温堆肥化处理，实现其资源化的应用，从而实现以废治废的目的。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 碳酸法滤泥 取自广西南宁伶俐糖厂，取风干2周后的样品用超微粉粹机粉碎后备用。

1.1.2 木薯渣 取自广西武鸣县安宁淀粉厂。

1.1.3 堆肥发酵剂 为市购堆肥快速腐熟剂，产自江西省宜春市宜春强微生物科技有限公司，主要由嗜热侧孢霉、芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌、有机螯合微量元素、助剂、载体等构成，其技术指标为：有效活菌数>8×109 cfu/g、纤维素酶活力>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 碳酸法滤泥和木薯渣的理化性质 如表1所示。

1.2 试验方法

1.2.1 温控方式 实验采用阶段温控方式，进行好氧堆肥发酵，初始温度为40 ℃（1 d）→50 ℃（1 d）→恒定温度55 ℃（7 d）→50 ℃（1 d）→45 ℃（1 d）→40 ℃（1 d）→常温。

1.2.2 通风供养方式 采用间歇通风和人工翻堆相结合的方式，通风量为：0.25 L/min·kg，每天早上（8 ： 00）和晚上（20 ： 00）各通风30 min。当堆温超过65 ℃时，适当加大通风量。每天中午（12 ： 00）搅拌翻堆1次。堆体降温到45 ℃以下时，停止通风供氧。

1.2.3 堆肥工艺参数的研究 影响堆肥效果的工艺参数相当复杂，本试验选择碳酸法滤泥和木薯渣的配比、C/N、水分含量、发酵剂的添加量4个主要因素进行实验研究，以有机质含量为测定指标，确定最佳工艺参数。

碳酸法滤泥和木薯渣的配比：实验设置A1（碳酸法滤泥：木薯渣为1 ∶ 1），A2（碳酸法滤泥：木薯渣为1 ∶ 15），A3（碳酸法滤泥：木薯渣为1 ∶ 2）3个配比，各配比均为干重比。调整各处理的水分含量为60%～65%，加入尿素，调整物料的C/N为30，之后加入2%（按木薯渣干重比）的堆肥发酵剂（为了便于菌种的接种均匀，在使用过程中，将发酵剂与等质量的玉米粉混合均匀），搅拌均匀后，置于发酵箱中进行好氧堆肥发酵，发酵15 d。

C/N：实验设置B1（C/N为25），B2（C/N为30），B3（C/N为35），B4（C/N为40）4个C/N配比，对照组为CK（不进行C/N的调节）。将碳酸法滤泥和木薯渣按干重比1 ∶ 2进行配比，调整水分含量为调节水分为60%～65%，用尿素调整各处理的C/N之后加入2%（按木薯渣干重比）的堆肥发酵剂，搅拌均匀后，置于发酵箱中进行好氧堆肥发酵，发酵15 d。

水分含量：实验设置C1（50%），C2（60%），C3（65%），C4（70%）4个初始水分含量水平，对照组CK为不进行初始水分的调节。将碳酸法滤泥和木薯渣按干重比1 ∶ 2进行配比，调整各处理的水分含量，添加尿素原料C/N为30，之后加入2%（按木薯渣干重比加入）堆肥发酵剂，搅拌均匀后，置于发酵箱中进行好氧堆肥发酵，发酵15 d。

发酵剂的添加量：实验设置D1（1%），D2（2%），D3（3%）3个发酵剂接种水平，对照组CK为不接种处理。发酵剂与同等量的玉米粉混合均匀，便于菌种的接种均匀。将碳酸法滤泥和木薯渣按干重比1 ∶ 2进行配比，调整水分含量为65%，加入尿素调整C/N为30，搅拌均匀后，置于发酵箱中进行好氧堆肥发酵，发酵15 d。

1.2.4 保氮剂对堆肥发酵的影响 在最佳的初始工艺参数的基础上，探索保氮剂--磷酸二氢钾（KH2PO4）的添加量对堆肥发酵的影响。测定指标为有机质含量、pH值、EC、TN、TP、TK和总氮损失量NT-L[8]，有机质含量、pH值、EC、TN、TP、TK的测定参照NY525-2012[9]。实验设置3个KH2PO4的添加水平，即E1（0.06%），E2（0.12%），E3（0.18%），各处理KH2PO4的添加量均是对原料干重的质量分数，对照组CK为不进行KH2PO4的调节。将碳酸法滤泥和木薯渣按干重比1 ∶ 2进行配比，调整各处理的水分含量为65%，添加尿素原料C/N为30，各处理加入相应的KH2PO4量，之后加入2%（按木薯渣干重比加入）堆肥发酵剂（为了便于菌种的接种均匀，在使用过程中，将发酵剂与等质量的玉米粉混合均匀），搅拌均匀后，置于发酵箱中进行好氧堆肥发酵，发酵15 d。NT-L的计算如下式所示：

NT-L/%=100-100×

1.3 统计分析

实验数据使用Origin8.0和SPSS16.0进行作图和分析。

2 结果与分析

2.1 原料配比的确定

不同配比的实验设计和性质如表2所示。堆肥原料中的有机质含量直接关系着堆肥产品的质量。有机质含量较少时，堆肥环境不能为微生物提供足够的碳源，导致微生物生长繁殖受到抑制，表现在堆体不能维持高温堆肥状态，有机质降解不充分，腐殖化程度较浅，合适的堆肥有机质的含量为20%～80%。而图1所示为各配比的有机质变化趋势图，各配比的有机质降解率在前9 d的高温期内降解速度较快，在第12～15天的常温条件下降解速度较慢，并逐渐趋于稳定。至发酵结束时，A1（1 ∶ 1）、A2（1.5 ∶ 1）、A3（2 ∶ 1）的有机质含量分别为：27.05%、31.45%、36.96%，有机质的降解量分别为：29.68%、31.53%和35.28%，降解量最高的是A3，即碳酸法滤泥和木薯渣以1 ∶ 2配比的堆料。考虑到广西区内碳酸法滤泥与木薯渣产量比例在1 ∶ 1.3～2（干重比）之间，实际操作中，可选择的原料配比为1 ∶ 1.5～2，本实验采用1 ∶ 2的比例进行进一步的实验。

2.2 最佳C/N的确定

不同C/N的实验设计和堆体性质如表3所示。不同C/N的物料在堆肥过程中的有机质的变化如图2所示。从图2中可以看出，各C/N水平的有机质的含量变化与对照组相比有明显的差异。堆肥结束时，B1、B2、B3、B4和CK的有机质降解量分别为：36.21%、34.01%、32.62%、30.70%和19.97%，其中C/N为25的有机质的降解量最高，且与C/N为30的处理差异不大，降解量最低的是C/N为40的堆体。堆体中的C/N过低时，有机质降解速度较快，堆体温度较高，氮素损失较多[10]；而C/N过高时，微生物生长代谢的氮源相对缺乏，有机质的降解速度减缓，发酵周期较长。因此综合考虑下，选定C/N为30作为最优的堆肥调节因素。

2.3 最佳水分含量的确定

不同水分含量的实验设计和堆体性质如表4所示。而图3是不同初始水分含量的堆肥在发酵过程中有机质的变化情况。从图3中可以看出，各处理的有机质含量在发酵期内，均呈下降趋势。50%的初始水分含量下，有机质的降解速率较慢，明显低于60%和65%初始水分含量的处理。说明50%的水分含量下，微生物的活性不高，对碳酸法滤泥和木薯渣的堆肥化处理不利；而70%水分含量相对较高，在0～6 d内，对有机质的降解率也较低，主要是高水分含量会影响空气的扩散，甚至会造成局部厌氧发酵；在6 d后，由于水分的蒸发，降解率迅速升高。发酵结束时，C1、C2、C3、C4和CK的有机质降解量分别为：28.86%、33.29%、33.39%、30.55%和32.95%。其中C2、C3与CK组有机质的降解量差异不显著，适当高的水分含量则有利于抑制NH3的扩散和NH4+的积累[11]，可以采用60%～65%的初始水分含量来进行堆肥发酵。而且在原料水分含量浮动不大时，碳酸法滤泥和木薯渣以干重比1 ∶ 2进行配比堆肥时，可以不进行水分的调节。

2.4 最佳发酵剂接种量的确定

不同水分含量的实验设计和堆体性质如表5所示。图4所示为接种不同量的堆肥发酵剂对堆肥中有机质降解量变化图。从图4中可以看出，与对照组相比，接种发酵剂能明显地加快有机质的降解，主要是因为接种外源发酵剂能增加堆肥中微生物的数量，丰富微生物的群体多样性，促进堆肥的菌落演替，缩短堆肥周期，增加肥效成分的含量[12]。一般情况下，接种量越大，有机质的降解的速度越快，堆肥化处理的时间越短。至发酵结束时，D1、D2、D3、CK的有机质降解量的大小顺序为D3>D2>D1>CK分别为：33.16%、35.50%、35.77%和16.98%，其中D2与D3的有机质变化量差异不显著（p>0.05），为节省成本，实验采用2%的接种量进行堆肥发酵。

2.5 磷酸二氢钾（KH2PO4）添加量的确定

碳酸法滤泥和木薯渣的高温好氧堆肥中，氮素的损失比较严重，主要是pH值的升高和堆体较高的温度造成的氨气挥发所致。控制氮素损失的方法可以通过调整堆体的pH值[13]、C/N，加入高碳类物质，如草炭、秸秆、蚯蚓等，添加物理吸附性的沸石、硫酸亚铁等；也可以添加化学物质，如氢氧化镁和磷酸混合物[14]、硫酸盐和氯化物[15]、磷酸盐类[16]、尿酶抑制剂[17]等。

2.5.1 pH值和有机质含量的变化 图5和图6分别为是不同KH2PO4添加量对堆肥pH值和有机质含量的影响，由图可知，添加KH2PO4后堆肥处理的pH值较空白处理的pH值稍低，这是因为磷酸二氢钾中氢离子的影响，与此同时有机质的降解量也高于空白处理，是因为KH2PO4为堆料提供了磷素，磷是微生物合生细胞物质的必需元素，由表1中原料性质可知，原料中磷和钾素相对缺乏，加入KH2PO4后，有效地调整了堆肥的C/P比，促进了微生物的增殖，表现在有机质的降解量较高。反应在pH值的变化上，堆肥0～4 d内，E1、E2、E3的pH值由于小分子有机酸的积累低于CK，堆肥6 d之后，由于氨氮在堆体中的保留效应，高于CK。发酵结束后，E1、E2、E3和CK的pH值分别为：8.55、8.62、8.72和8.47，有机质的降解量分别为：33.09%、34.62%、34.47%和32.84%，其中E2、E3和CK的有机质变化量有极显著差异（p<0.01），E2、E3之间差异不显著（p>0.05）。从pH值及有机质的降解量这两方综合考虑，0.18%的KH2PO4的添加量较为合理。

2.5.2 总氮含量的变化及总氮损失量NT-L 图7是堆肥过程中总氮含量的变化趋势图，各处理的总氮含量总体上都呈现增加的趋势，且添加KH2PO4的处理增加幅度比空白的高，15 d时，E1、E2、E3和CK的总氮含量值分别为1.57%、1.63%、1.68%和1.38%，总氮的损失量如图8所示，E3的氮损失量最低，为40.14%，E2和E3差异不显著，均高于不添加KH2PO4的空白处理49.56%，表明KH2PO4能在一定程度上抑制尿素型氮源的挥发。好氧堆肥处理中，向堆肥原料中添加一定量的磷酸盐和镁盐，可以形成磷酸镁铵结晶体，该结晶体可以将氨固定在内部，从而有效地抑制了氮素的损失[18]。

2.5.3 总磷和总钾含量的变化 图9和图10是堆肥过程发酵过程中总磷（P2O5）和总钾（K2O）的变化趋势图。各处理总磷和总钾在堆肥前9 d增加量较为明显，主要是堆肥过程中堆体体积变小，质量减轻，使总磷和总钾的相对含量比初始值高。发酵9 d后含量开始趋于稳定。堆肥结束，E1、E2、E3和CK的总养分（N+P2O5+K2O）分别为：2.74%、3.19%、3.56%和2.25%，其中E1、E2、E3较空白处理总养分分别增加了17.97%、29.42%和36.84%，增加量显著，主要是堆体体积变小，质量减轻，使总磷和总钾的相对含量比初始值高。从氮素的保留作用和增加肥效成分含量方面考虑，选择0.18%的KH2PO4添加量作为碳酸法滤泥和木薯渣的初始发酵参数。

3 讨论与结论

邹璇[19]研究了木薯渣的堆肥条件及过程，表明木薯渣是一种优质的生物质堆肥原料，但由于堆肥周期过长，基本未被木薯淀粉厂采用。梁洪[4]采用生物工程技术进行碳酸法制糖滤泥、酒精废液、蔗髓、粉煤灰好氧发酵处理研究，制生物有机肥，由于原料pH值较高，且物料组成的主要原料碳酸法滤泥煤灰的有机质含量较低，而所加入的蔗髓量又少，发酵物料中的有机质主要来自酒精废液，物料中的有机质容易被微生物分解转化为二氧化碳和水蒸汽导致发酵物料有机质含量较难提高，未能很好地推广。王淑培[20]探讨碳酸法滤泥和木薯渣快速资源化利用的可行性，试验表明碳酸法滤泥提供了弱碱性的环境，更利于堆肥微生物的生长代谢，同时碱性的滤泥使得木薯渣中的纤维素成分易于软化，从而添加碳酸法滤泥能明显缩短堆肥周期。本文利用两者的酸碱互补优势及有机质含量互补优势，从影响微生物活性的角度选择了原料配比、C/N、水分含量、发酵剂添加量4个因素研究了利用碳酸法滤泥和木薯渣进行高温堆肥试验，以有机质的降解率为参考指标，得到的优化参数为：碳酸法滤泥和木薯渣干重比为2 ∶ 1，C/N为30，水分含量为60%～65%，发酵剂的添加量为2%，此时有机质的降解率达到35.5%。该优化参数条件下，KH2PO4添加量为0.18%时，氮素的损失量达到最低值40.14%。

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