基于糖厂废醪液的复合微生物液体滴灌肥的制备

秦艳 ，张兵 ，罗煦栋 ，刘晓双 ，管自海 ，刘志勇 ，吴建宁 *

（1石河子大学化学化工学院/材料化工新疆维吾尔自治区重点实验室/兵团材料化工工程技术研究中心，新疆 石河子832000；2新疆绿原糖业有限公司，新疆 焉耆 841100；3新疆华祥农业科技有限公司，新疆 石河子 832000）

复合微生物液体滴灌肥具有见效快、水肥利用率高[1-4]、生产费用低、养分含量高、功能多样、易于施放、节省劳动力等优点，同时大量元素全营养液体滴灌肥具有改良土壤、增强植物吸收能力、提高农产品质量和品质[5-7]的作用。复合微生物赋予肥料多种功能，使肥料具有促进农作物生长等方面的作用，适用于棉花、西瓜、大田蔬菜等多种大田作物。目前市场上的液体滴灌肥种类较少，主要以清液肥和单一功能液体肥[8]为主，此类肥料存在总养分低、耗水量大、易沉淀结晶、易堵塞滴头及利用率低等问题；市场上的复合微生物液体滴灌肥主要以微生物为主，作为液体菌肥使用，大量元素含量少，不能提供农作物生长所需的大部分营养。因此，研制高浓度、多功能、全营养的液体滴灌肥是目前液体肥料发展的主要方向。

糖厂废醪液是糖厂制糖后产生的糖蜜通过发酵提取出酒精后的废液。新疆制糖主要以甜菜为原料，但在甜菜制糖的过程中会产生大量的废弃物，主要是甜菜废丝渣和废蜜等。目前废蜜主要是用来发酵生产酒精，每生产一吨酒精就会产生13-15 t废醪液[9]。废醪液为高浓度有机废液，含水量大，直接排放会严重污染水环境，并浪费资源。经调研发现，糖厂废醪液含有一部分农作物生长所需营养物质，经处理后可施放于农作物。目前，国内外对废醪液处理方式主要有农灌法[10]、发酵法[11-13]、PSB生化法和燃烧法等[14]。经过比较，从资源节约考虑，采用富含大量水资源的废醪液作为液体滴灌肥的原料，为液体滴灌肥提供水来源，同时废醪液中的有机物为后期添加的微生物提供养分。枯草芽孢杆菌具有很强的营养竞争和氧气竞争优势，繁殖快，无毒，用作农作物上可以起到杀菌防病、解盐促生的作用。

本文研究利用膨润土悬浮剂，以甜菜糖厂废醪液、普通化肥和枯草芽孢杆菌为原料，设计生产出一种具有高浓度、大量元素、多功能液体滴灌大田主肥，解决液体滴灌肥总养分低和沉淀结晶等问题，起到促进农作物生长、减少病原菌侵害、节约大量水资源的作用。

1 实验部分

1.1 实验试剂

甜菜糖厂废醪液，新疆绿原糖业有限公司。UAN溶液，32%N，新疆化肥厂；磷酸一铵（NH4H2PO4），腐殖酸钾、七水合硫酸锌（ZnSO4·7H2O）、焦磷酸钾（K4P2O7）、一水硫酸锰（MnSO4·H2O）、硼酸（H3BO3），均为分析纯，阿拉丁；焦磷酸钠（Na4P2O7）、尿素（CN2H4O）、硫酸钾（K2SO4）、葡萄糖，均为分析纯，天津市盛奥化学试剂有限公司；蛋白胨、酵母浸粉、琼脂粉，均为分析纯，北京澳博星生物技术有限责任公司；枯草芽孢杆菌，活菌浓度 5×1010cfu/g，湖北启明生物工程有限公司；膨润土悬浮剂，自制[15]。

1.2 实验部分

1.2.1 液体滴灌肥的制备

采用张宇的厌氧发酵法[16]对甜菜糖厂废醪液进行发酵处理，得到发酵后废醪液；取发酵后废醪液、膨润土胶体、Na4P2O7按照一定比例加入到反应釜中，90℃恒温加热搅拌，对膨润土胶体进行预分散；加入计量的 ZnSO4·7H2O、MnSO4·H2O、H3BO3、UAN溶液，90℃恒温搅拌进行原位螯合一定时间；然后称取腐殖酸钾缓慢加入反应釜中，继续加热搅拌，螯合反应一定时间，冷却至70℃，得到预制料A。

取计量的过筛NH4H2PO4和发酵后废醪液加入另一反应釜中，在90℃恒温搅拌至NH4H2PO4完全溶解后加入一定量的K4P2O7，继续搅拌一定时间，得预制料B。

将预制料A与预制料B进行混合，充分搅拌均匀，冷却至25℃后，加入枯草芽孢杆菌混匀。

1.2.2 微生物的复配及调控

称取一定量的葡萄糖、琼脂粉、酵母浸粉、蛋白胨于250 mL广口锥形瓶中，加入一定量的蒸馏水，摇匀，用封口膜封住锥形瓶，与玻璃器皿等进行灭菌处理，冷却后保存。

取适量复合液体滴灌肥，加入枯草芽孢杆菌，配制成一定浓度的枯草芽孢杆菌液，振荡摇匀，在超净台上进行稀释接种。恒温培养9 h。平行3组实验，并做空白对照。

对菌液进行定期取样培养，实验步骤同上，并计算细菌在肥料和水中随时间变化的生长情况。

2 结果与讨论

本文的所有分析均与新疆华祥农业科技有限公司的复合微生物肥料进行对比分析，该复合微生物肥料为液体悬浮肥，所含有效菌种为枯草芽孢杆菌，有效活菌数≥0.50×108cfu/mL。

2.1 液体滴灌肥成分分析

对新疆绿原糖业有限公司提供的酒精废醪液进行成分分析，结果（表 1）显示：废醪液中 P、K、Zn、Mn元素含量极低，有机质含量低，主要成分为水，可以用做液体滴灌肥原料。

表1 100 g糖厂废醪液中各成分含量Tab.1 The content of each component in 100 g waste liquor of sugar refinery

依据国标 GB/T17767-2008[17-19]、GB/T14540-2003[20]，对制备的液体滴灌肥进行测定，测定结果如表2。将液体滴灌肥与新疆华祥农业科技有限公司生产的复合微生物肥料进行比较，结果如表3。

表2 液体滴灌肥中各有效成分浓度Tab.2 The concentration of active components in liquid drip fertilizer

表3 液体滴灌肥和复合微生物肥料的各成分含量Tab.3 The content of liquid drip irrigation fertilizer and compound microbial fertilizer

从表3可知：液体滴灌肥的大量元素为新疆华祥农业科技有限公司所生产的复合微生物肥料的4倍，远优于复合微生物肥料；微量元素和水不溶物含量略优于复合微生物肥料。

2.2 液体滴灌肥悬浮率分析

依据国标GB/T 14825-2006[21]，对制备的液体滴灌肥进行悬浮率 (%)的测定，并与复合微生物肥料进行比较。悬浮率 (%)按下式进行计算：

上式中：1是配制悬浮液所取试样中有效成分质量，g；2是留在量筒底部25 mL悬浮液中有效成分质量，g；换算系数为

得到液体滴灌肥悬浮率结果如表4所示。由表4可知：

（1）液体滴灌肥的悬浮率为93.58%，满足液体滴灌肥的悬浮要求。

（2）与复合微生物肥料相比，液体滴灌肥的悬浮率较低。这是由于液体滴灌肥的浓度远高于复合微生物肥料浓度，从而导致液体滴灌肥的悬浮率低于复合微生物肥料。

表4 液体滴灌肥悬浮率Tab.4 The suspension rate of liquid drip fertilizer

2.3 液体滴灌肥pH分析

分别取制备好的液体滴灌肥和复合微生物肥料1 mL加入到500 mL烧杯中，稀释至250 mL，测定未稀释肥料和稀释250倍肥料pH值，分别平行3次，数据如表5所示。由表5可知：未稀释液体滴灌肥平均pH值为5.21，稀释250倍后平均pH值为6.75，与复合微生物肥料pH值相近，表明该液体滴灌肥属于酸性肥料，适用于大部分土壤为碱性土壤的新疆地区。

表5 液体滴灌肥pH值Tab.5 The pH of liquid drip fertilizer

2.4 液体滴灌肥触变性分析

将制备好的液体滴灌肥分别装入4 mL的样品管中，固定在阴暗处静置，观察液体滴灌肥分层情况。静置5个月后，取2支样品管进行摇晃处理和对照。

图1 液体滴灌肥静置稳定性和触变再分散性：静置5个月（a）和经震荡分散后肥料（b）Fig.1 The static stability and thixotropy of liquid drip fertilizer：after 5 months(a)and after shock dispersal of liquid drip fertilizer(b)

如图1可知：液体滴灌肥在静置5个月后，分层明显，上层清液呈透亮酒红色，下层沉积物呈灰棕色，沉积物细密紧致（图1a）。将静置5个月后的液体滴灌肥上下摇晃，下层沉积物重新与上层清液混合均匀，形态与初制备液体滴灌肥一致，混合均匀（图1b）。同时将制备的液体滴灌肥置于-20℃下，静置40天，并未出现结晶现象。

2.5 液体滴灌肥颗粒物粒径分析

图2为液体滴灌肥和复合微生物肥料粒径分布图。从图2可知：液体滴灌肥颗粒物粒径范围在13-27 μm，远小于滴灌带滴头1 mm的孔径，不易造成滴头堵塞。复合微生物的粒径范围在10-20 μm，液体滴灌肥的粒径略大于复合微生物肥料，这是由于液体滴灌肥的浓度远高于复合微生物肥料，液体滴灌肥中的颗粒物更容易聚集成团，从而导致液体滴灌肥的粒径变大。

图2 液体滴灌肥（a）复合微生物肥料（b）的粒径分布图Fig.2 The particle size distribution：liquid drip fertilizer(a)compound microbial fertilizer(b)

2.6 枯草芽孢杆菌生长趋势分析

考察枯草芽孢杆菌在新疆盐碱地的存活情况，利用液体滴灌肥模拟高盐环境。按一定比例在液体滴灌肥中复配枯草芽孢杆菌，随着时间增加，考察枯草芽孢杆菌在肥料中生长情况。实验中对液体滴灌肥和水中枯草芽孢杆菌进行了连续10天培养实验，枯草芽孢杆菌生长情况如图3所示。

图 3 液体滴灌肥中枯草芽孢杆菌生长情况：第 1天（a）、第 2天（b）、第 3天（c）、第 5天（d）、第 7天（e）、第 10天（f）Fig.3.The growth of bacillus subtilis in liquid drip fertilizer:day 1(a),day 2(b),day 3(c),day 5(d),day 7(e),day 10(f)

通过3次平行实验数据计算，得到枯草芽孢杆菌随时间增加在肥料和水中的活菌浓度，如表6所示。

表6 枯草芽孢杆菌在液体滴灌肥和超纯水中的活菌浓度随时间变化情况Tab.6 The bacillus subtilis density in liquid drip fertilizer and purified water over time

枯草芽孢杆菌在液体滴灌肥和超纯水中活菌浓度变化如图4所示。

图4 枯草芽孢杆菌活菌浓度在液体滴灌肥和超纯水中变化对比Fig.4 The concentration of bacillus subtilis was compared with that of liquid drip fertilizer and ultra pure water

由图4可知：

在培养的第1天和第2天，枯草芽孢杆菌在液体滴灌肥和超纯水中生长繁殖良好，活菌浓度增加，约为 6.9×108cfu/mL。

在培养的第3-7天，活菌浓度大幅降低，分析为肥料和超纯水中有机质被大量消耗，环境不能提供足够的细菌生长繁殖所需的能量，造成活菌浓度下降。但由于液体滴灌肥中有机质含量比超纯水中高，在第3天后，液体滴灌肥中的活菌浓度下降趋势比超纯水中活菌浓度下降趋势缓慢。

第7天后，液体滴灌肥和超纯水中的枯草芽孢杆菌浓度减少更加缓慢，液体滴灌肥在第10天活菌浓度约为 2.97×108cfu/mL，且下降趋于平稳，其原因为枯草芽孢杆菌生长后期因缺少营养而形成芽孢进入休眠期。液体滴灌肥有效活菌数远大于复合微生物肥料的有效活菌数0.20×108cfu/mL。

2.7 棉田试验效果分析

试验地点为新疆兵团第八师121团4连和147团6连。土壤类型为灌耕灰漠土，农田土壤为轻粘土。供试作物为新陆早45号棉花。

试验设2个处理：处理1为液体滴灌肥30 kg/亩，含氮46.6%的国产尿素 450 kg/hm2，分 6次随水冲施滴入棉田土壤中；处理2为常规施肥尿素480 kg/hm2、一胺 300 kg/hm2、硫酸钾 75 kg/hm2，分 6 次随水冲施滴入棉田土壤中。

棉田试验结果如表7所示。由表7可知：

（1）121团4连处理1的株高比处理2高了5.50 cm，果枝数增加1台，单株铃数增加 0.5个，铃重增加 0.15 g，籽棉增加 570 kg/hm2，衣分提高 1.09%，处理1较处理2增产12.93%；147团6连处理 1的株高比处理2高4.00 cm，果枝数增加 0.5台，单株铃数增加0.4个，铃重增加0.12 g，籽棉增加540 kg/hm2，衣分提高 1.00%，处理 1较处理 2增产11.32%。

上述结果表明，在棉花滴施液体滴灌肥，有助于棉花的生长发育，提高了棉花的产量。

（2）121团4连棉花产量和增产率高于147团6连，其原因为原土壤营养存在差异，导致棉花的产量和增产率存在差异。

表7 棉花产量性状Tab.7 Cotton yield traits

121团4连每个试验处理小区滴施肥料后，对土壤pH值进行测定，并检测土壤中pH值的变化，所得结果如表8所示，表8中空白项为未施肥土壤。

表8 土壤pH值变化情况Tab.8 Soil pH changes

由表8可知：处理1的棉田pH值降低0.43，处理2的棉田pH值升高0.27，处理1与处理2相比降低了0.7。这说明棉田滴施液体滴灌肥后，改善了棉田的土壤环境，更利于棉花的正常生长和发育。

3 结论

本文研究通过对制备的液体滴灌肥及复合枯草芽孢杆菌进行分析，为甜菜糖厂废醪液再利用提供了一条解决途径，也为其它工农业有机废弃物再生提供借鉴，得到以下结论：

（1）制备的液体滴灌肥中的大量元素浓度达到341.3 g/L，单一大量元素浓度均超过40 g/L，水不溶物含量为47 g/L，悬浮率为93.58%，pH为5.21，属于酸性肥料，适用于新疆地区，达到液体肥国家相关标准。

（2）该液体滴灌肥粒径在 10-30 μm左右，其悬浮性能和稳定性良好。

（3）液体滴灌肥中存放10天后，枯草芽孢杆菌活菌浓度从5.48×108cfu/mL变为2.97×108cfu/mL，超过农用菌肥活菌浓度要求（0.2×108cfu/mL）。

（4）液体滴灌肥在棉花上施用后，增产效果显著，增产率达到11%以上，同时可降低土壤的pH值，改善土壤环境。