利用田间不适用烟叶高温发酵处理制成肥料

王建安, 许发华, 王新中, 孙军伟, 刘国顺



利用田间不适用烟叶高温发酵处理制成肥料

王建安1, 许发华2, 王新中2, 孙军伟2, 刘国顺1

(1. 河南农业大学烟草学院, 河南郑州, 450002; 2. 云南省烟草公司大理州公司, 云南大理, 671000)

为了探索田间不适用烟叶的无公害化处理, 设计了一套集烟叶收集、粉碎、高温杀毒和发酵生产有机肥的操作流程。针对烟叶的特点进行了设备的选型和研发, 并在工程化高温发酵处理烟叶生产肥料试验的基础上, 进行了经济效益的分析。结果表明: 在对田间不适用烟叶物料粉碎时, 利用大辊刀式粉碎机粉碎含水量为40%的烟叶, 粉碎后的物料颗粒均匀; 粉碎鲜烟叶时, 使用集挤压、切割和揉搓为一体的粉碎设备, 粉碎秸秆与鲜烟质量比为3︰1时, 能够满足高温发酵的需求; 所使用的高温AAT有效微生物菌剂活力在100～120 ℃之间时, 发酵效果最佳; 发酵后得到有机肥料的有机质含量为56.9%, 远远高于如小麦、稻谷和玉米等一般秸秆的含量; 成品肥料中虫卵的清除率为100%, 没有检测出病毒病害; 每个基地单元实施该工程后, 每年的直接效益38.99～43.38万元。

烤烟; 田间不适用烟叶处理; 高温杀毒发酵; 有机肥料

为了优化烟叶等级结构, 提高优质烟叶有效供给能力, 在2010年全国烟叶工作座谈会上, 国家烟草专卖局决定采取经济、政策、科技等有效调控措施, 在烤烟生产的田间环节, 摘除下部2～3片光照不好、营养不良及顶部1～2片开片不好的不适宜烘烤的烟叶, 不进入烤房内烘烤。优化烟叶结构, 清除田间不适宜烘烤的烟叶, 每公顷烤烟面积的田间不适用烟叶的重量为1.8～2.7 t[1]。废弃物中通常含有蛋白质、淀粉、大量纤维素和脂肪等有机物质[2], 腐烂后的降解物质随水流扩散, 极易引起周围烟田病虫害的发生[3]。传统的处理方式是把烟叶丢弃到田间地头、挖坑掩埋或是集中销毁, 会对规划的基本烟田可持续耕作、土壤环境净化产生不利影响, 甚至带来一系列的生态问题[4], 同时有机物的丢弃也是一种资源浪费。虽然近几年出现很多处理基本烟田废弃物的研究[4–7], 但因为配套设备的昂贵或是处理工艺的复杂, 制约了生产上大面积推广应用。

根据王建安等[1]提出的烟草田间不适用烟叶是一种很好有机物肥源的建议, 作者进行了高温发酵制成有机肥料还田的尝试。并针对发酵过程中所需的专用机械设备进行研发, 为优化烟叶结构政策下科学处理田间不适用烟叶提供借鉴。

1 系统设计及工作原理

利用田间不适用烟叶生产有机肥系统由烟叶的收集、粉碎、高温发酵和辅助机械设备4大部分组成, 系统工艺流程见图1。

由于烟草残体中极易携带花叶病、黑茎病和根黑腐等常见病害, 所产生的肥料必须彻底清除病害。因此, 在上述系统中, 高温杀毒系统是重点研究部分。

1.1 烟叶的收集

不适用烟叶摘除后根据含水量分为2种: 一是经过晾晒, 烟叶中含水量较少, 可以就地粉碎后运输到工厂集中处理; 二是刚刚采收, 烟叶含水量较大, 不适合就地粉碎, 利用农用运输车辆把鲜烟叶直接运输到处理工厂。针对上述的第一种情况, 开发了2种粉碎设备。

图2(a)是针对距离处理工厂较近地区设计的粉碎和收集为一体的设备。在动力带动下, 烟叶从进料口进入粉碎设备, 经过粉碎, 在风压的驱动下从出料口进入到收集箱内, 最后被运送到处理工厂。图2(b)是对于距离工厂较远、交通不便的地区设计的粉碎装置。烟叶从上面进入, 经过粉碎, 从尾部自然落到地面上, 然后人工把粉碎后的物料装袋, 最后运输到处理工厂。

移动式粉碎设备的核心部件是粉碎零件的构造设计。根据有机肥发酵对物料颗粒大小的需求和不适用烟叶的特点, 采取固定横刀(图3(a))和旋转的纵刀相叠加的切割粉碎方式进行, 旋转纵刀设置了圆锥体式敲碎、小辊刀式切割、大辊刀式切割3种处理方式(图3(b), (c), (d))。

1.2 固定式粉碎设备

设计的固定粉碎设备具有连续工作的高效机械性能, 能在短时间内对大量积压含水量大不适用烟叶混配干燥农作物秸秆粉碎。设备由物料传送、挤压、切割、揉碎和出料5部分组成(图4)。

传送部分: 链条式传送, 便于操作, 可以满足大量的烟叶废弃物传送。

挤压部分: 采用一对空滚压轮, 相互转动压劈进入保护口的物料。使粗料茎秆在径直方向进行劈裂, 为下一步物料粉碎的预处理。

切割部分: 该部分是粉碎物料的重要环节。通过高速旋转的刀片把被挤压后的物料切割。

揉碎部分: 该设备的核心部分, 在进一步粉碎物料的同时, 使物料的水分得到平衡。被切割后的物料在滚筒内旋转, 碰到圆柱型中滚筒上运动的“Y”型钢件, 由于钢件敲打, 物料进一步细化。

1—传送部分, 2—挤压部分, 3—切割部分, 4—揉碎部分, 5—出料部分。

1.3 高温发酵系统

1.3.1 高温消毒发酵塔

发酵罐(高温发酵场所)是为粉碎后的物料进行高温杀毒和发酵的装置, 由增氧空气压缩机、排湿风机、辅助加热和物料搅拌系统组成(图5(a))。

搅拌系统: 增氧空气压缩机提供物料在菌剂繁育分解有机质过程需要的氧气; 排湿风机安装在罐的顶部, 在发酵的过程中根据工艺的需求自动排除罐内多余的湿气; 辅助加热管道沿发酵罐装置内壁以网状形式布列, 在发酵开始阶段进行高温杀毒除病; 为了使物料高温杀毒后利于发酵, 并使物料和发酵菌剂充分接触, 发酵罐中心和沿圆周方向利用电动马达提供动力进行物料搅拌(图5(b))。

1.3.2 发酵菌剂

发酵菌剂“AAT嗜高温菌群”是由链球菌、胞杆菌等20多个(好气性和兼性好氧菌)有效微生物菌构成的组群, 它们在高温环境下活跃生长和繁衍, 其产生的有益物质及分泌物质成为各自或相互生长的基质。

1.4 辅助机械设备

为了便于机械化操作及工厂化生产肥料, 处理厂内配备了1台JL800–8型电动筛用于上料; 1台DCS–50P型(电子称)自动打包机及其相关电动(强电、弱电)配套设备, 用于自动称重和打包成品物料; 1台Lugong–926型装载机, 用于发酵塔上料和二次发酵翻堆; 1台Lonking FD30钗车, 主要用于二次常温发酵翻堆、成品码垛, 或用于搬运附属设备的临时调位; 2台传送带。

2 材料与方法

试验于2011和2012年在大理州弥渡县红大科技示范园内进行, 按照图1的工艺流程, 利用田间不适用烟叶、干燥的稻米秸秆和烟秆为原料, 采用移动式粉碎机和固定粉碎设备进行物料粉碎, 再进行高温杀毒发酵生产肥料。

发酵工艺流程: 经过粉碎后含有一定量水分的物料与发酵菌剂一起通过传送装置从发酵罐的上部送入到罐体中, 在顶部搅拌机械的作用下, 二者混合均匀; 开启辅助加热系统加热罐内物料, 使温度升到100～120 ℃, 同时通过空气压缩机向罐内输送氧气, 以满足菌剂需氧。经过16 h罐内高温杀毒发酵, 物料从罐的底部脱落到传送带上, 再输送到空置的场地, 进行24 h左右的二次常温发酵。常温发酵过程中, 铲车对物料进行2～3次翻堆, 完成自然通氧后, 即完成整个发酵过程。

主要考查内容包括: 粉碎机对不同物料粉碎效果的对比; 通氧量和温度对发酵菌剂活力的影响; 高温杀毒成品肥料的检测; 高温发酵工厂化运作效益分析。

3 结果与分析

3.1 不同纵刀结构粉碎效果

不同纵刀结构粉碎效果见图6。图6(a)是圆锥体式粉碎的物料, 该方法的优点是工作效率高, 耗能少, 缺点是物料整体较为粗糙, 有大片(5 cm以上)残留, 且切割不均匀。图6(b)是小辊刀式切割粉碎的物料, 其优点是切割较为均匀, 缺点是工作效率较低, 物料太细。图6(c)为大辊刀式切割粉碎的物料, 特点是切割较为不均匀, 工作效率高, 粉碎的物料颗粒在0.5～1 cm间, 能够满足有机物发酵的需求。

(a) 圆锥体式粉碎的物料    (b) 小辊刀式粉碎的物料    (c) 大辊刀式粉碎的物料

3.2 烟叶不同含水量及不同种类物料配比对粉碎效果的影响

表1为不同含水量烟叶的粉碎效果, 粉碎后的烟叶含水量与烟叶的含水量呈正相关, 含水量越多, 物料颗粒越不成形, 不利于机械操作与传送。相反, 含水量越少, 产生大量的粉尘, 容易被风吹散, 而且不能满足菌剂发酵对水分的要求。烟叶含水量在40%时, 粉碎较为理想, 片间分开, 小片分离, 能够满足粉碎和发酵的要求。

表1 不同含水量烟叶的粉碎效果

为了直接用鲜烟叶进行发酵处理, 使用干燥的不同质量的农作物秸秆(烟秆)配比鲜烟叶平衡发酵物料中的水分。表2显示了植物秸秆(烟秆)和田间不适用鲜烟叶配比粉碎后物料的状态。随着混合物中鲜烟叶比重的减少, 物料粉碎后, 从不同物料分离, 烟叶呈现泥状集结状态, 到混配均匀, 最后到大量粉尘产生, 物料再次分离状态。当植物秸秆(烟秆)与鲜烟叶质量比为3︰1时, 粉碎后物料混合均匀, 手握湿润, 符合有机物发酵要求。

表2 不同干燥烟秆与鲜烟叶配比的粉碎效果

3.3 通氧量与温度对发酵菌剂活力的影响

高温AAT有效微生物菌剂采用筛选出来的适应烟田废弃物发酵的微生物群落。图7显示了菌剂活性、温度、菌剂浓度(lgb)和氧气浓度(lgO)之间的关系。菌群分为2类: 一类是兼性好氧菌, 另一类是好氧菌。兼性好氧菌活性在一定范围内随着氧气浓度增加而增加, 当氧气浓度(lgO)超过-1.5 mg/L时, 随着氧气浓度的增加而降低。2种菌剂的活性随着菌剂浓度的增加显示先增加后降低的趋势。综合发酵温度、通氧浓度和菌剂浓度, 菌剂活力在100～120 ℃之间发酵效果最佳, 较低的温度不能有效发挥菌剂的微生物繁殖和烟草病毒杀除。

3.4 成品肥料检测

肥料检测结果见表3。从表3可知, 纯净的田间不适用烟叶做成的肥料有机含量较高, 56.1%, 氮素营养为1.7%, 远远高于一般秸秆如小麦、稻谷和玉米的含量[8]。在烟草常见病虫害检测方面, 虫卵的死亡率为100%, 在百万分之一的级别上没有发现花叶病、黑茎病和根黑腐病病毒, 说明本项目通过100 ℃以上的高温杀毒, 对于清除病虫害有很好的效果。

表3 不适用烟叶高温发酵产生肥料检测

注: 数据来源于农业部农产品质量监督检验测试中心(郑州)。

3.5 经济效益分析

田间不适用烟叶按照正常下部叶2片, 上部叶1片计算, 每公顷烟田产生的不适用烟叶情况见表4。在规范化种植密度16 500株/hm2的情况下, 每公顷烟田能够产生2 640 kg左右的不适用烟叶, 大约451.85 kg的干物质。

表4 每公顷烟田田间不适用烟叶产出情况

表5显示了利用废弃烟叶生产有机肥的费用分配情况, 按照有机物发酵过程中10%损耗, 生产1 t有机肥需要配套2.52 hm2烟田。按鲜烟0.9元/kg价格收购, 根据运输距离长短不同, 工程化处理工厂每吨烟叶分别获得290.57元或210.57元的间接效益。

表5 生产1 t有机肥配套费用分配

注: 按照2013年国家烟草专卖局的补贴计算。

按照每个基地单元1 333 hm2的烟田规划, 基地单元内田间不适用烟叶高温发酵生产有机肥的效益分析见表6。每个基地单元内的烟田废弃物能够生产有机肥料548.7 t, 每吨按照500元计算, 直接效益是38.99～43.38万元。

表6 每个基地单元不适用烟叶高温处理生产有机肥效益

4 讨论与结论

4.1 肥料中病毒情况分析

烟草残体中极易携带花叶病、黑茎病和根黑腐病等常见病毒, 如果高温发酵生产出来的肥料不彻底将其清除, 会给后季烟草生产带来潜在的威胁。吴刚[9]研究了温度对TMV灭活作用, 在100 ℃, 1个标准大气压下, 水体环境中的TMV己经难以存活, 灭活率接近100%。有报道称烟株残体必须经过90 ℃以上的高温杀毒, 才能彻底清除。本实验高温发酵采用温度100～120 ℃, 高于100 ℃, 在成品肥料检测中也未发现病毒的存在, 但其是否能够施用于烟田, 还需要进行大田试验进行进一步验证。

4.2 深层次经济效益的挖掘

市场上单纯的有机肥料售价较低, 烤烟生产所需的专用复合肥由有机质和无机质组成, 两者比值为1︰4的有复合肥市场售价在每吨3 000元左右。用田间不适用烟叶高温发酵生产有机肥, 通过添加生物制剂和N, P, K, 提高产品的附加值, 势必收到很好的生态、社会和经济效益。

参考文献：

[1] 王建安, 翟欣, 徐华发, 等. 浅谈烤烟基本烟田废弃物的综合利用[J]. 中国农学通报, 2012, 28(34): 138–142.

[2] Liu Wen-Hui, Yong Guo-Ping, Li Fang, et al. Free and conjugated phytosterols in cured tobacco leaves: influence of genotype, growing region, and stalk position [J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2008, 56(1): 185–189.

[3] Alonso J M, GÓrzny M Ł, Bittner A M. The physics of tobacco mosaic virus and virus-based devices in biotechnology [J]. Trends in Biotechnology, 2013, 31(9): 530–538.

[4] 赵瑾, 王超杰. 低次烟叶的综合开发与利用[J]. 烟草科技, 1997(2): 26–27.

[5] 洛阳, 沼陌宇. 烟草刨花板具有广阔的发展前景[J]. 烟草利技, 1998(12): 45–48.

[6] 郭俊成, 苏勇, 刘强, 等. 烟草叶蛋白利用价值研究进展[J]. 中国烟草科学, 2006, 27(1): 8–10.

[7] Lipshutz B H. Devising an especially efficient route to the “miracle” nutrient coenzyme Q10 [J]. Strategies and Tactics in Organic Synthesis, 2004(4): 269–292.

[8] 景家骅. 农家肥–肥料知识介绍[J]. 破与立: 自然科学版, 1975(2): 89–101.

[9] 吴刚. 烟草花叶病毒灭活因子的初步研究[D]. 福州: 福建农林大学, 2000: 19.

(责任编校: 江河)

Research of resource utilization about the disuse tobacco leaves of the field into organic fertilizers by high temperature fermentation

Wang Jianan1, Xu Fahua2, Wang Xinzhong2, Sun Junwei2, Liu Guoshun1

(1. College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. Dali Branch of Yunnan Tobacco Company, Dali 671000, China)

In order to study the harmless treatment style of the disuse tobacco leaves in the field, organic fertilizers by high temperature fermentation is developed, and that how to collect and smash by machinery and equipment is tested also. The results show that: when 40% moisture content of tobacco leaves is cut by big stick with cuter, or raw straw material to fresh tobacco is 3︰1 smashed by crusher integrated extrusion, cutting and grinding equipment, uniform particles after crushed will be able to meet the needs of high-temperature fermentation; effective temperature that AAT microbial fermentation has higher vigor is used between 100～120 ℃; content of organic matter of organic fertilizer made by disuse tobacco leaves through high-temperature fermentation processing is higher than the general straw such as wheat, rice and maize content, of which is reaching 56.9% with nitrogen of 2.63%; clearance rate of insect eggs in organic fertilizers is 100%, and disease virus for example TMV is not detected; if the project is utilized by each tobacco base unit in china, the annual direct benefits would be 389 900～433 800 RMB.

flue-cured tobacco; disuse tobacco leaves of the field; temperature fermentation; organic fertilizers

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.01.021

TS 41+3

1672–6146(2015)01–0086–06

王建安, wangja@henau.edu.cn; 孙军伟, sunjunwei518@163.com。

2014–07–28

大理州烟草公司与河南农业大学合作项目(云烟司[2011]173号(2011YN23))。