吹糠灰及剩余污泥协同白酒丢糟快速共堆肥工艺研究

刘林培， 管秀琼， 王 洪， 李 俊， 刘 春， 胡海军

(1.四川轻化工大学a.生物工程学院；b.机械工程学院， 四川 自贡 643000；2.宜宾五粮液股份有限公司， 四川 宜宾 644000)

引 言

丢糟是白酒固态酿造生产中的主要固体废弃物之一[1]。利用白酒丢糟制作有机肥，具有较高的环保、经济和社会效益[2]。但白酒丢糟本身的碳氮比和营养条件等均不适合直接堆肥[3]，需补充营养元素和微量元素或采用厌氧干发酵等方式进行预处理[4]，而这会不同程度增加生产成本，制约传统白酒丢糟堆肥化处理的发展[5]。

吹糠灰和污水处理厂剩余污泥也是白酒固态酿造生产中的主要固体废弃物。吹糠灰富含纤维素、木质素、二氧化硅以及低量的脂肪和蛋白质等，目前多采用外运填埋方式处理，资源化利用程度较差；废水处理厂剩余污泥有机质含量较高，且含有氮、磷、钾等营养元素，直接土地利用容易导致烧苗和病虫害，但污泥发酵肥料的速效肥分又较低，限制了污泥肥的推广应用[6]。

共堆肥方法可以同时处理两种或两种以上的有机废弃物，综合利用不同废弃物的特性，为堆肥过程提供条件，提高堆肥的速率和质量[7]，这为白酒生产过程多种固废的协同处理提供了参考。刘阳等[1]采用共堆肥的方法协同处理丢糟和剩余污泥，得出丢糟与污泥体积比为2∶1时堆肥效果最好。本课题组在丢糟和食用菌菌渣共堆肥研究中，发现食用菌菌渣的最佳添加比例为20%～30%[5]。唐波等[8]将自身开发出的微生物促腐剂应用于丢糟和污泥共堆肥中，以GI>80%为腐熟判断依据，其腐熟时间达到24天。然而，在丢糟为主的好氧共堆肥研究中，资源化协同利用吹糠灰和剩余污泥实现快速共堆肥的研究尚未见报道。鉴于此，本研究基于自主研发的堆肥反应器，探究白酒酿造过程多种固废快速高质的共堆肥处理工艺，以期为白酒企业的“治废”提供参考，实现白酒企业的绿色可持续发展。

1 材料与方法

1.1 堆肥材料

试验所用白酒丢糟、吹糠灰和剩余污泥均取自四川宜宾某酒厂；复合发酵菌剂为自购市售，有效菌种主要为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、绿色木霉和酿酒酵母等，有效活菌数≥200亿个/g。堆肥原料的物化指标见表1。

表1 堆肥原料的物化指标

注：数值为测量三次重复的平均值±标准偏差。

1.2 堆肥反应器

本试验所用自制智能堆肥反应器如图1所示。反应器物料容量为32 L，底部装有多孔透气物料垫层、通气管道和曝气装置，外接充氧装置，提供物料支撑和系统通风；反应器主体由内筒和外筒两部分组成，其间填充保温材料，达到保温效果；反应器顶部的尾气管道，可保证废气的无害化排放；温度传感器、氧气泵连接PLC控制器和监控电脑，实现堆体温度的自动监测和风量调节。

1.氧气泵；2.plc控制器；3.电脑；4.转子流量计；5废气处理； 6.保温材料隔层；7.堆肥物料；8.温度传感器；9.物料垫层； 10.通气管道；11.曝气装置；12.内壁；13.外壁
图1 堆肥反应器示意图

1.3 试验与分析方法

将堆肥试验设计为对照组(C)和试验组(T)，进行为期30天的试验。其中C组为丢糟自然堆肥，除初始含水率外，无工艺参数控制；根据前期试验结果，T组以丢糟和吹糠灰为主料，脱水剩余污泥为添加料，堆肥过程中自动控制温度和通风速率参数，其中物料绝干质量配比为丢糟∶吹糠灰∶脱水污泥=44∶55∶1，连续通风量为1.5 L/min，初始C/N为26。调节C和T组的初始含水率(60%)相同，均以物料绝干重量的3%接种复合发酵菌剂。根据前期试验结果，堆肥过程大致会经历高温期和降温腐熟稳定期。因此，分别在堆肥后0天(初始)、6天(高温末期)、18天(降温期间)和30天(堆肥结束)对堆体进行人工翻堆，同时从每个堆体的下部、中央和上部均匀混合采集新鲜样品(200 g左右)，并将其分成2等份，1份鲜样放置在4 ℃处保存，用于含水率、pH、电导率(EC)、硝态氮和种子萌发指数(GI)的分析；1份风干样粉碎后过0.25 mm筛网，用于凯氏氮、总磷、总钾和有机质含量的分析。

将去离子水与堆肥鲜样在10∶1(mL·g)，30 ℃和200 r/min的条件下水平振荡1 h，得到样品悬浮液。将悬浮液在10 000 r/min情况下离心30 min后通过0.45 μm水系滤膜，得到堆肥浸提液[9]，进行pH、EC和GI分析。pH和EC用雷磁PHS-3C型酸度计和雷磁DDS-307A电导率仪分别测定；GI按照Meng等[10]的方法进行测定；凯氏氮用凯氏定氮法测定；硝态氮按照NY/T1116—2014《硝态氮、铵态氮、酰胺态氮含量的测定》进行测定；总氮等于凯氏氮加硝态氮[2]；总磷、总钾和总养分按照NY/525—2012《有机肥料》进行测定；含水率采用105 ℃干燥24 h后测定[11]；灰分是在样品经过马弗炉550 ℃炉温并保温24 h后测定[11]；有机质是灰分与绝干质量之差[11]；有机碳由灰分含量按公式(1)计算：

(1)

1.4 数据处理与分析

使用EXCEL 2010和IBM SPSS 20统计软件对堆肥过程数据进行分析，采用Origin 8.5进行图形绘制。

2 结果与讨论

2.1 温度的变化

堆肥过程中温度的变化反映了堆体内微生物活性的变化，决定了堆肥的速率和质量[12]。图2表示堆体在堆肥过程中温度的变化如图2所示，其对应环境温度的变化范围为23.88 ℃～28.99 ℃。由图2可以看出，C和T组均在堆肥后第3天达最高温，相对于C组(最高温度51.84 ℃)，T组的最高温度(72.57 ℃)有着明显的提升，提升率达39.99%。同时，C和T组的高温期(50 ℃以上)维持时间亦不同。C组的高温期维持了4天，未符合好氧堆肥无害化处理的卫生标准。而T组高温期维持天数相对于C组增加了2天，并达到好氧堆肥无害化处理的卫生标准(50 ℃以上超过5天)。从堆肥第8天开始至堆肥结束，C和T组的温度均进入低温缓慢下降，堆体进入后腐熟期。由温度变化可以判断，T组提升了堆肥的卫生质量。

图2 堆体在堆肥过程中温度的变化

2.2 pH和EC的变化

pH和EC的变化是探究堆肥过程与质量的重要参数。堆体在堆肥过程中pH和EC的变化如图3所示。由图3可以看出，C组和T组的pH变化趋势一致，均呈现先升高后略有降低的过程。这可能是由于微生物在堆肥早中期将有机氮转化为氨态氮，氨态氮溶于水呈碱性，使pH值逐渐升高[2]。随后，由于微生物活性使堆体中的有机物分解而产生低分子量酸以及硝化作用的形成，pH值略有下降。C组和T组的pH值下降过程略有差别，T组的pH值初始值高于C组，进行到第6天与C组差距变小，18天后低于C组，因此，可以认为T组比C组提前形成硝化作用。到堆肥结束时，C组和T组的pH均符合有机肥料NY525-2012。由pH值变化可以判断，T组提升了堆肥的速率。

图3 堆体在堆肥过程中pH和EC的变化

同样，由图3可以看出，C组和T组的EC变化趋势保持一致，均呈逐步上升。这可能是两个方面的原因造成的。一方面，有机物降解过程中释放出的矿物盐会导致EC增加；另一方面，堆体干质量的不断净损失，EC也会不断增加[13]。整个堆肥过程中T组的EC均高于C组，这可能是由于T组含有少量脱水污泥，其富含大量的无机盐离子。堆肥结束时，C组和T组的EC均远未达到中等敏感植物忍受的阈值(EC<4 ms·cm-1)[14]。

2.3 有机质及其降解率的变化

有机质作为微生物赖以生存与繁殖的物质基础，其含量的变化可以反映堆肥的进程，根据其降解程度也可以判断堆肥的质量。堆体在堆肥过程中有机质及其降解率的变化如图4所示。显然，由于堆体微生物的生命活动使C组和T组的有机质含量均不断下降，但T组的有机质在堆肥后18天至堆肥结束已无明显差别，可以认为可能是发酵过程的稳定与结束，T组可能已达到腐熟标准。但由于堆肥是一个极其复杂的系统，任何单一参数对腐熟度的判断都不完全可靠与准确。因此，对于堆体的腐熟需结合其他参数进行综合判定。在整个堆肥过程中，T组的有机质降解率均远高于C组，表明T组的微生物生命活动比C组更剧烈，T组更有利于有机质的降解。到本次堆肥试验结束(30天)时，T组的有机质降解率高达14.10%，相比较于C组(9.04%)，提高了5.06%。由有机质及其降解率的变化可以判断，T组提升了堆肥的速率和质量。

2.4 C/N和T值的变化

图4 堆体在堆肥过程中有机质及其降解率的变化

C/N常用作堆肥过程中判断速率和质量的指标。堆体在堆肥过程中C/N和T值的指标变化见表2。由表2可知，C组和T组的C/N分别从初始的20.16和26.13不断下降，到堆肥结束时为15.94和18.01， C/N下降率分别对应达到了20.93%和31.08%。有研究者[15]认为C/N小于20为堆肥腐熟标准，但由于本研究C组和T组的初始C/N不同以及C组的初始C/N本身处于20附近，所以仅采用C/N作为堆肥过程质量和腐熟的指标显然已不合适。同时，将C/N作为堆肥质量和腐熟度的指标争议一直存在，有学者认为C/N与堆肥原料有关，提出采用堆肥终点C/N与初始C/N的比值(T值)来评价堆肥的质量和腐熟度[16]。C组和T组的T值均呈不断降低的趋势，在整个堆肥过程中，T组的T值均明显低于C组。卢秉林等[17]认为腐熟堆肥的T值应低于0.72，按此标准T组在堆肥后18天为0.71，达到腐熟标准。不同的是，C组的T值直到堆肥结束也未达到腐熟标准。由C/N和T值变化可以判断，T组提升了堆肥的速率和质量。

表2 堆肥过程中部分指标的变化

注：结果是三次重复的平均值±标准偏差。

2.5 种子萌发指数的变化

种子萌发指数(GI)一般用于评价堆肥的毒性和腐熟度，根据其值的大小可以判断堆肥的速率和质量。当GI>80%表示对植物无毒害，堆肥完全腐熟[18]。由表2可知，C组和T组的GI变化趋势一致，均先略有降低后逐渐升高。在堆肥初中期GI略有下降，可能是由于体系中产生了氨和有机酸，随后由于有毒物质的分解以及养分的富集，GI逐渐上升。在堆肥第18天T组的GI为81.54%，已达到完全腐熟，而C组的GI为26.53%，远低于T组，且直到堆肥结束时，C组的GI也未达到腐熟标准。相对于同样采用丢糟为主要原料的堆肥工艺，以GI>80%为腐熟判断依据，T组腐熟时间分别提高了32天、4天和6天[1-2,8]。由种子萌发指数的变化可以判断，T组提升了堆肥的速率和质量。

2.6 养分含量的变化

养分含量的高低也是探究堆肥效果的重要依据，根据其富集率的大小可以判断堆肥质量。表3统计了堆体在堆肥前后养分含量的变化。由表3可知，C组和T组的总氮、总磷、总钾和总养分均达到了富集的目的，但其富集程度差异明显。到本次堆肥试验结束(30天)时，T组的总氮、总磷、总钾和总养分含量分别为2.33%、5.10%、0.81%和15.01%，除总氮以外，T组的各养分含量均明显高于C组。其总氮、总磷和总钾高于唐波等[8]用白酒丢糟和污泥共堆肥结束时的1.6%、1.04%和1.41%；总氮指标远高于焦常锋等[19]以剩余污泥为原料堆肥结束时的0.49%。同时，T组的总氮富集率、总磷富集率、总钾富集率和总养分富集率分别达到了23.28%、75.86%、55.77%和63.86%，相比较于C组，分别提高了7.87%、10.8%、10.31%和15.26%。由养分含量、富集所耗时间以及养分富集率可以判断，T组提升了堆肥的效率和质量。

表3 堆肥养分指标的对比

注：结果是三次重复的平均值±标准偏差。

3 结 论

(1) C组和T组均在堆肥第3天达到最高温度，T组相对于C组，最高温度提升率达39.99%，高温期(50 ℃以上)维持时间增加了2天。T组符合高温堆肥无害化处理的卫生标准。

(2) T组比C组pH下降更快，提前进入硝化反应。到堆肥结束时，C组和T组的pH均符合有机肥料NY525-2012。由pH值变化可以判断，T组提升了堆肥的速率。到堆肥结束时，C组和T组的EC均远未达到中等敏感植物忍受的阈值(EC<4 ms·cm-1)。

(3) 在整个堆肥过程中，T组的有机质降解率均远高于C组。T组相对于C组，到堆肥结束时，有机质降解率提高了5.06%。

(4) C组和T组的C/N下降率分别达到了20.93%和31.08%。在整个堆肥过程中，T组的T值均明显低于C组，其T值在堆肥后18天为0.71，达到腐熟标准，而C组直到堆肥结束也未符合腐熟标准。

(5) 堆肥后18天T组的GI为81.54%，达到完全腐熟，而C组直到堆肥结束时，其GI也未达到腐熟标准。

(6) 到堆肥结束时，T组除总氮以外，总磷、总钾和总养分含量均明显高于C组。T组相对于C组，到堆肥结束时，总氮富集率、总磷富集率、总钾富集率和总养分富集率分别提高了7.87%、10.8%、10.31%和15.26%。

综上所述，由各参数综合判定，T组的腐熟时间约为18天，而C组直到堆肥结束也未符合腐熟标准。由高温期的维持时间及温度，有机质及其降解率，C/N和T值变化，种子萌发指数，养分含量及其富集率等指标可以判断，相对于C组和其他堆肥工艺，T组提升了堆肥的速率和质量。由此说明，利用自制智能堆肥装置，采用白酒酿造多固废共堆肥技术可以提高白酒丢糟制备有机肥的速率和质量，其产品腐熟时间约为18天左右。同时，到本次堆肥试验结束(30天)时，总养分达到了富集的目的，其含量高达15 %左右。