利用香蕉菠萝茎叶工厂化生产复合生物有机肥关键技术研究

匡石滋 田世尧 肖维强 刘传和 李春雨

农业部南亚热带果树生物学与遗传资源利用重点实验室 广东广州 510640）

摘 要 探讨现阶段以香蕉菠萝茎叶为原料生产复合生物有机肥的工厂化生产技术，重点研究以生物发酵为核心的生物有机肥的生产工艺及关键技术要点，并提出工厂化生产生物有机肥的工艺流程、工艺参数和技术指标，利用自主开发研制的复合发酵菌剂和发酵设备，并结合造粒技术的应用，可构成流水工艺，实现工业化连续生产。优化工艺条件下，香蕉菠萝废弃茎叶经生物发酵处理生产出的有机肥产品符合国家行业标准。

关键词 香蕉 ；菠萝 ；茎叶；复合生物有机肥；工厂化生产；工艺技术

分类号 X712 ；S141.4 Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.02.009

Industrialized Production Technology of Complex Bio-organic

Fertilizer by Using the Stem and Leaf of Banana and Pineapple

KUANG Shizi TIAN Shiyao XIAO Weiqiang LIU Chuanhe LI Chunyu

（Institute of Fruit Tree Research / Ministry of Agriculture Key Laboratory

of South Subtropical Fruit Biology and Genetic Resource Utilization，

Guangdong Academy of Agricultural Sciences， Guangzhou， Guangdong 510640）

Abstract This paper discussed the industrialized production technology of the complex bio-organic fertilizer by using the stem leaf of banana and pineapple as raw materials， mainly studied the production process and key technical points of bio-organic fertilizer based on biological fermentation， and put forward the technological process， parameter and technical indicator of the industrialized production of bio-organic fertilizer， applied the independently developed complex microbial agents， fermentation equipments and granulated technology to make up the flow process technology and achieve industrial continuous production. Under these optimum technology conditions， the organic fertilizer produced by the fermentation treatment of banana and pineapple stem leaf qualified with the national industry standards.

Keywords banana and pineapple stem leaf ； complex bio-organic fertilizer ； industrialized production ； processing technology

香蕉、菠萝是我国大宗热带经济作物，每年产生大量的废弃茎叶，这些茎叶含有丰富的氮、磷、钾等元素和有机质，经过生物发酵处理，可以成为很好的肥料资源[1-2]。然而，实际生产中香蕉菠萝茎叶处理一般是就地堆放或简单粉碎还田，既浪费资源，又造成农业环境污染。传统的自然堆肥存在发酵周期长、产品肥效低等问题。如果采用生物发酵技术进行工厂化生产，不仅可以快速有效地处理香蕉菠萝茎叶，还可以生产出优质的商品化有机肥料。

生物有机肥是以生物发酵为主要核心工艺的集约化产品，工厂化生产方面尚有诸多技术问题亟待研发[3-4]。目前，国内对香蕉菠萝茎叶发酵生产有机肥的研究，大多停留在试验设计和中试阶段[5-7]，工厂化生产技术的研究未见报道。为此，在广东省科技计划等项目的支持下，项目组通过与肥料生产企业合作，开展了利用香蕉菠萝茎叶工厂化生产生物有机肥关键技术的研究，初步得出工厂化生产的关键性技术参数，并提出以香蕉菠萝茎叶为主要原料的大规模生产有机肥的工艺标准，以期为香蕉菠萝茎叶的资源化利用提供参考依据。

香蕉菠萝茎叶作为一类特殊的农业资源，与其他农作物副产品相比，含水量高，蛋白含量较低，纤维素、半纤维素和木质素是其干物质主要组分[8]。在进行生物发酵处理时，有机物的降解或转化需要多种微生物的协同作用才能完成，人工加入高效微生物菌剂可以缩短发酵周期、提高堆肥效率[9]。影响生物发酵的另一关键因素是工艺和设备，露天堆制工艺不易控制，堆肥反应器生产工艺能耗高，投资大，不易推广。所以，工厂化生产必须具备以下条件：（1）适合香蕉菠萝茎叶生物发酵的复合菌剂，且该菌剂纤维降解效率高；（2）适合香蕉菠萝茎叶发酵的设备，且发酵工艺简单易操作；（3）工业化生产的技术路线成熟。

1 材料与方法

1.1 材料

香蕉菠萝茎叶。自主开发研制的复合发酵菌剂和发酵设备。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

设计4因素3水平的正交试验（表1），每处理0.5 t，3次重复。堆肥条件：堆肥物料的C/N为30∶1，含水率70%，4 d翻堆1次，堆肥30 d。观察复合发酵菌剂对堆料温度变化的影响，堆料升温速度快，最高温度高，且高温维持时间长的处理为菌种复配的最佳组合。

1.2.2 工艺流程

根据香蕉菠萝茎叶特点，选择并确定工艺技术方案时，项目组进行了大量的试验研究，并在小试、中试的基础上，对实际运行中存在的不足进行设计改进，最终优化了香蕉菠萝茎叶生产生物有机肥的工艺流程（图1）。

香蕉菠萝茎叶经过粉碎、预处理，然后和鸡粪混合搅拌均匀，在发酵系统中加入适量的复合菌剂，进行生物发酵；堆料腐熟后，根据需要科学地配置所需元素和菌种后搅拌均匀，经输送装置达制粒系统，晾干、包装至成品。

2 结果与分析

2.1 工厂化生产关键技术

2.1.1 复合发酵菌剂的筛选与组合

项目组将所筛选的木霉菌和枯草芽胞杆菌与实验室保藏的黑曲霉、热紫链霉菌进行复配，其中木霉菌有很强的纤维分解能力，枯草芽孢杆菌产生的抗生作用很强，黑曲霉不仅能分解纤维素，还能产生丰富的高活力糖化酶，热紫链霉菌在纤维素上生长并分解纤维素。将上述各菌分别进行单独培养，生成的菌体经烘干后按一定的比例混匀，通过正交试验确定菌株的最佳复配比例，制备成复合发酵菌剂。

从图2可以看出，处理3最高温65℃，高温维持时间达7 d。极差分析结果（表2）表明，以最高温度为评价指标，由极差大小可以判断，各因素对温度的影响次序为：枯草芽孢杆菌>黑曲霉>热紫链霉菌>木霉菌。从平均值看， A1B3C3D3为最佳组合，即复合微生物菌剂中木霉菌：黑曲霉：枯草芽孢杆菌：热紫链霉菌的最佳比例为1∶3∶3∶3。

2.1.2 工厂化生产工艺参数优化

生物有机肥产品质量的关键指标是产品的有效活菌数，而生产工艺又是影响产品指标的重要环节。在生物有机肥的发酵过程中，菌剂的投入量、C/N、水分、翻堆次数等为主要的发酵参数，根据单因素试验所得各因素的最适作用范围，再设计4因素3水平的正交试验（表3），每处理0.5 t，3次重复。

极差分析结果（表4）表明，以有益菌数为评价指标，由极差大小可以判断，各因素对有益菌数的影响次序为：菌剂加入量>C/N>水分含量>翻堆次数。从平均值看，A3B2C2D1为最佳组合，即复合菌剂最佳用量为0.2%，C/N比最佳比例为25，堆肥水分含量为70%左右，翻堆1次的生产工艺参数为最佳组合。由于所选的处理组合不在正交试验表中，因此对A3B2C2D1组合进行验证试验。结果表明，在此条件下，物料可以顺利实现升温，第3天温度上升至55℃，并维持10 d，满足了堆肥卫生学和堆肥腐熟的要求，活菌数达8.35×108个。表明该组合可以应用于香蕉堆肥工业化生产。

2.1.3 高效纤维素分解菌在香蕉茎杆堆肥中的应用

项目组将从蕉园不同根际土壤和香蕉茎杆堆沤发酵物中筛选、分离、纯化并保存的3株绿色木霉菌，按1∶1∶1比例进行配制。接种纤维素分解菌处理中粗纤维素的含量由初始的27.6%降低到堆制后的18.3%，总降解率达33.69%；比对照增加了15.58%。说明接种纤维素分解菌有利于堆肥中纤维素类大分子物质的转化，提高了堆肥中可溶性小分子有机物质的含量，促进了碳素循环，提高了堆肥品质。因此，接种纤维素分解菌用于香蕉茎杆堆肥处理，是促进香蕉茎杆堆肥工业化生产有机肥的一条有效途径[10]。

2.1.4 药肥两用复合生物有机肥的研制

生物有机肥是吸附生防菌剂的良好载体[11]。项目组在香蕉菠萝茎叶生物发酵腐熟物料中，添加自主筛选的枯草芽胞杆菌和木霉菌等生防菌剂，使之成为药肥两用的复合生物有机肥。将2种生防菌与腐熟的生物有机肥结合，吸附量为10%（体积∶质量）制成药肥两用复合生物有机肥，施用到接种香蕉枯萎病菌的土壤中。试验结果表明，该生物有机肥能显著降低香蕉枯萎病的发病率，减少土壤中病原菌数量，同时能提高相关防御性酶的活性，起到防病、抑病作用[12]。施肥防病、药肥结合是近几年发展起来的前沿技术[13]，它改变了传统的生物防治方法，将单纯的生防菌以有机肥为载体，更充分发挥生防菌的功效，为土传病害的防治提供了一种新的途径。

2.1.5 生产设备的研发和选择

2.1.5.1 发酵装置

香蕉菠萝茎叶的发酵装置是由课题组自主研发的发酵设备——发酵仓（图3），已获得国家专利（ZL201020674400.8）。该发酵仓规格为2.0 m×1.5 m×1.2 m，底板为多孔隔板构件，并稍向外倾斜，便于发酵过程中大量水分可以从底板和横隔板的孔隙流走，从而不会因水分的累积而影响发酵温度，同时也便于底部通风通气，有利提高堆肥效率。仓体侧板由若干条可抽取的横隔板组成，便于堆料和取料。采用仓式好氧发酵工艺，具有发酵周期短，操作简便，对环境和生产条件无特殊要求等特点。发酵仓可由多个小仓组成，每个小仓都是一个独立的个体，方便对发酵过程中物料的水分、C/N、温度等的调控。腐熟好的堆料连续地从出口处排出，构成流水工艺，便于实现工厂化连续生产。

2.1.5.2 造粒设备选择

有机肥造粒可分为圆盘造粒和挤压造粒。挤压造粒生产能力偏低，成本较高，颗粒为长柱型。圆盘造粒生产量大，所需动力小，成粒率高，粒型好。本项目生物有机肥的生产需添加功能菌、无机养分等，所使用的粘合剂为液体有机粘合剂，故采用圆盘机（图4）喷雾造粒，操作方便，用料可控，适宜颗粒有机肥的工厂化生产。

2.1.5.3 生产线设计

生产线设计以发酵仓为主体，每条生产线由3个发酵仓和粉碎机、搅拌机、筛分机和造粒机等配套机械组成，设计的规格为日处理量13.5 m3，每条生产线年产1 000～2 000 t 有机肥。该生产线具有耗能低、投资少、效率高、操作方便的特点。

2.1.6 造粒技术研究

将粉状有机肥进行颗粒化，可使有机肥具有良好的商品性状、稳定的养分含量和肥效，也便于运输、贮存、销售和施用[14]。香蕉菠萝茎叶的腐熟物料一般质地较粗，粘结性差，造粒比较困难，这也是利用农作物茎秆生产颗粒有机肥的共性问题，长期以来造粒技术成为有机肥生产的瓶颈[15]。采用无机粘土类粘结剂，不仅添加量大，造成有机肥的有效成分降低，而且返料率高[16]。为此，项目组采用酵母废水浓缩液、玉米淀粉和聚乙烯醇等3种有机粘结剂进行造粒试验研究，结果表明，3种有机粘结剂在添加量适宜的情况下，都能将有机肥粉料团成颗粒，且成粒率高、返料率低、粒径分布均匀、抗压强度大、颗粒崩解率低。

2.2 工厂化生产的主要技术指标

2.2.1 原辅料配比技术

将收集的香蕉菠萝茎叶用粉碎机或青贮铡草机切断，长度以2～3 cm为宜，以便更快、更充分地进行氧发酵。然后将粉碎好的香蕉菠萝茎叶与鸡粪等辅料进行混合堆制。一般香蕉菠萝茎叶和鸡粪的配制比例为10∶1，C/N为（20～30）∶1，含水率为70%。对原辅料的配比和用量也可根据物料的实际情况进行适当调整。

2.2.2 生物发酵技术

按原料与菌剂的质量比（1 000∶2）加入复合发酵菌剂。在添加菌剂时，先将菌剂与花生麸或谷糠粉按1∶5的比例混合均匀，再分层添加至堆体中。香蕉菠萝茎叶与鸡粪混合堆肥的初始C/N控制在20～30为宜，以25.5为最佳；当堆料的C/N比降到18左右时，可认为堆肥已达腐熟。堆料的含水量在发酵全过程中减少20%～30%，堆体高度也会下降1/3以上；发酵3～5 d为堆体升温阶段；6～15 d为高温阶段，此期要及时进行翻堆，以调节堆体的温度和通风量，并使堆体温度控制在70℃以下；堆料的pH值从初始到堆肥结束变化不大，在7.5～8.5，不需进行调节。

2.2.3 生物有机肥造粒技术

将香蕉菠萝茎叶的腐熟物料粉碎过50目筛，采用70%酵母废水浓缩液或微生物多糖浓缩液、6%玉米淀粉和2%聚乙烯醇粘结剂进行喷雾造粒。液体粘合剂用量为250 mL/kg，成粒率可大于90%，颗粒粒径分布均匀、抗压强度达6.0 N以上。也可根据产品类型选择不同粘结剂，生物有机肥可使用酵母废水浓缩液或微生物多糖浓缩液进行喷雾造粒，由于该粘合剂富含有机营养，即有利复合生物有机肥中有益菌的存活和繁殖，而且粘合性强，工序简单， 操作方便。复合生物有机肥造粒可使用玉米淀粉和聚乙烯醇粘合剂，能使其中的营养成分缓慢释放，起到缓释肥的功效。

2.2.4 有机复混肥及养分配比技术

根据土壤特性和作物需肥特点，在有机肥中加入无机养分和微量元素，不仅可提高有机肥料中的养分浓度，弥补有机肥中速效养分不足的缺点，同时结合造粒技术，使其营养成分含有率及释放过程既符合作物对养分的吸收规律，又可减少亚硝酸盐在农产品中的积累，提高农产品品质。

2.2.5 产品质量标准

采用生物发酵技术工业化生产的生物有机肥产品符合以下质量指标：有益菌>0.2 亿/g；有机质>47%；总养分（N、P2O5、K2O，干基）≥5.4%；水分<15%；各产品主要技术指标参照NY525-2012《有机肥料》、NY 884-2012《生物有机肥》、GB18877-2009《有机-无机复混肥料》等技术标准执行。

2.3 经济效益分析

根据实际生产计算，生产1 t生物有机肥所需成本为480元，包括香蕉菠萝废弃茎叶的收集及预处理费用180元；设备能耗30元；人工成本70元，辅料（鸡粪、花生麸或谷糠粉）90元；包装编织袋55元；复合发酵菌剂25元；设备折旧及不可预见费30元；以目前生物有机肥市场平均价1 000元算，利润可达520元，企业可获得较好的经济效益和社会效益。

3 讨论与结论

以香蕉菠萝废弃茎叶为原料、鸡粪为辅料，添加复合生物发酵菌剂，采用生物发酵技术，进行深度生物氧化处理，可转化为无害化高活性的生物有机肥。自主研发的复合发酵菌剂不仅缩短了发酵周期，提高了堆肥效率，而且提高了有机肥的产品质量；利用自主开发研制的发酵设备并结合造粒技术的应用，可构成流水工艺，实现工业化连续生产。在本研究得到的优化工艺条件下，香蕉菠萝废弃茎叶经生物发酵处理生产出的有机肥产品达到国家行业标准。综上所述，利用香蕉菠萝茎叶工厂化生产复合生物有机肥关键技术的研究对生物有机肥行业的技术进步起到一定推动作用，具有良好的推广应用价值。

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