糖厂滤泥发酵制成生物有机肥

摘要：【目的】掌握采用糖厂滤泥经功能菌发酵制成生物有机肥的特点和规律，为促进广西蔗区糖料蔗产业可持续生产提供技术支持，同时为政府制定农业种植环境保护相关政策提供决策參考。【方法】在广西重要蔗糖生产区（来宾市兴宾区和崇左市大新县）开展以糖厂滤泥为原料、发酵生产生物有机肥的田间试验，研究糖厂滤泥发酵生产生物有机肥的特征及肥效。【结果】采用功能菌发酵糖厂滤泥生产生物有机肥的腐熟速度快，受环境因素影响较小，发酵效果稳定，发酵温度最高达77.2 ℃，且70.0～77.2 ℃的维持时间长达12 d；发酵后的有机质含量和有机酸转化率优势明显，分别较传统（自然）发酵提高30.2%和12.3%（绝对值）。功能菌发酵生物有机肥对水稻、黄瓜和甘蔗有明显的增产作用，对应的平均产量分别为5971.5、76705.5和118780.5 kg/ha，较施等量传统（自然）发酵生物有机肥处理分别增产7.83%、41.19%和6.91%。施用功能菌发酵生物有机肥的土壤理化性状指标均高于施用传统（自然）发酵生物有机肥处理，其中土壤有机质、速效氮、速效磷和速效钾的含量分别为15.75 g/kg、67 mg/kg、14 mg/kg和69 mg/kg，而氮、磷和钾利用率分别为39.3%、12.8%和52.8%。【结论】采用功能菌发酵糖厂滤泥生产生物有机肥较传统（自然）发酵糖厂滤泥生产生物有机肥更具优势，具体表现为腐熟速度快、发酵温度高且保持时间长、发酵后有机质含量和有机酸转化率优势明显，同时具有增产、提高土壤肥力和肥料利用率的作用，生产上可大面积推广应用。

关键词： 糖厂滤泥；发酵；生物有机肥；肥效；特征

中图分类号： S141.5 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2017）03-0428-05

0 引言

【研究意义】广西是我国最大的糖业基地，蔗糖产量约占全国的70%（李杨瑞等，2014；覃泽林等，2015；谭芳等，2016）。蔗糖是广西的重要经济支柱产业，在榨糖过程中每吨甘蔗将产生3.5%～4.8%的滤泥，平均约4.2%。据统计，广西年均产原料蔗5600万t，榨糖产生的滤泥约235.2万t，但长期以来亚硫酸法糖厂滤泥被随意排放，造成严重的环境污染。亚硫酸法糖厂滤泥的主要成分是甘蔗从土壤中吸收的各种营养物质及其体内合成的各种有机物质，包括农作物生长所必需的氮、磷、钾及其他大量、微量元素等（罗为群等，2009）。因此，利用亚硫酸法糖厂滤泥发酵制成富含腐殖酸的生物有机肥，并在农业生产上进行资源化推广应用，既能解决亚硫酸法糖厂滤泥对环境的污染问题，又能缓解农业生产中土壤肥力下降的问题，变废为宝，促进蔗糖产业持续健康发展。【前人研究进展】亚硫酸法甘蔗制糖滤泥中含有大量有机物、氮、磷和微量金属元素等微生物生长所必需的营养物质（鞠然等，2011），直接用于农业生产已有较多报道。傅显华等（1992）研究发现，采用蔗渣和滤泥作花卉栽培基质时，蔗渣需通过自然堆沤或加氮处理再与滤泥配合使用，其最佳组合方式视蔗渣堆沤腐熟程度及滤泥含盐量而定；邢世和和周碧青（2003）研究证实，施用20%粉煤灰+80%糖厂滤泥的混合物对供试土壤的改良和大麦的增产效果显著；谭宏伟等（2016）研究表明，全部施用滤泥和酒精废液于蔗田，蔗区每年可节省化肥150万～200万t，并增加土壤有机质120万～165万t，对提高蔗区的土壤肥力发挥积极作用。在以糖厂滤泥制备有机肥方面，林天木（1997）以蔗糖滤泥为主要原料，配以无机化肥研制成有机─无机高效复合肥；虎玉森和王兴民（1998）研究表明，合理利用滤泥制备成不同用途的滤泥复合肥是改善土壤理化性质、减少环境污染及提高糖厂综合效益的有效途径；梁洪（2005）通过碳酸法制糖滤泥资源化利用中试研究证实，采用生物工程技术进行碳酸法制糖滤泥、酒精废液、蔗髓及粉煤灰好氧发酵处理而制备生物有机肥，是实现碳酸法糖厂固体废弃物资源化利用的有效途径；王淑培等（2013）研究表明，木薯渣与碳法糖厂滤泥干重比为1∶1或2∶1，经过20 d的堆肥发酵后均能达到无害化的腐熟标准，有机质降解率在50%以上，可用作土壤底肥或是添加氮、磷、钾等营养元素制成高质量的有机肥。【本研究切入点】制糖滤泥是长期困扰糖厂的最大污染源，直接排放极易造成严重的环境污染。在其资源化利用方面，主要是以制糖滤泥为原料、配以无机化肥研制成有机—无机高效复合肥或作为充填料，而针对糖厂滤泥采用功能菌发酵制成生物有机肥的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】掌握采用糖厂滤泥经功能菌发酵制成生物有机肥的特点和规律，为促进广西蔗区糖料蔗产业可持续生产提供技术支持，同时为政府制定农业种植环境保护相关政策提供决策参考。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

糖厂滤泥由来宾市兴宾区华糖永鑫糖厂和崇左市大新县雷平糖厂提供，菌曲（由枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌和胶冻样芽孢杆菌制成）购自中国农业科学院微生物菌种保藏中心。糖厂滤泥pH 4.6～6.3，有机质含量30.3%～67.2%，N、P2O5、K2O、CaO和MgO含量分别为0.9%～1.3%、0.6%～1.4%、0.4%～0.7%、4.9%～5.9%和0.9%～1.2%，蔗糖分含量0.35%～1.21%，主要有害元素Pb（未检出）、Cr（17～38 mg/kg）、Cd（2.4～3.9 mg/kg）、Hg（0.5～1.9 mg/kg）、As（3.5～7.7 mg/kg）均低于国家生物有机肥料的限定含量标准。试验点分别设在来宾市兴宾区和崇左市大新县，均为广西的重要蔗糖生产区。

1. 2 发酵制成生物有机肥方案

方案1[传统（自然）发酵生产生物有机肥]：采用滤泥发酵（堆沤）条垛式，将水分含量50%～55%的滤泥堆成宽1.5～2.0 m、高0.5 m的条形发酵堆，每隔7～9 d翻堆1次。

方案2（功能菌发酵生产生物有机肥）：同样采用滤泥发酵（堆沤）条垛式，将水分含量50%～55%的滤泥与菌曲混合均匀，然后堆成宽1.5～2.0 m、高0.5 m的条形发酵堆，每隔4～5 d翻堆1次。

1. 3 发酵生物有机肥内含物测定

1. 3. 1 细菌蛋白酶活力（PA） 采用紫外分光光度计法进行测定，PA计算公式为：

PA（U/g）=△A/W×100

式中，△A为样品与空白吸光度差值（A1-A2），W为反应中酶用量（g）。

1. 3. 2 蔗糖含量（X） 采用滴定法进行测定，计算公式为：

X（%）=（R2-R1）×0.95

式中，R1为未经水解处理的还原糖含量（%），R2为水解处理后的还原糖含量（%），0.95为还原糖（以葡萄糖计）换算为蔗糖的系数。

1. 3. 3 有机酸含量（ω） 采用滴定法，根据NaOH标准溶液的浓度（C）和消耗体积（V）计算有机酸含量：

式中，C为NaOH标准溶液浓度（%），V为NaOH标准溶液消耗体积（mL），M为有机酸摩尔质量（mol/L），m为称取有机酸样品质量（mg）。

1. 4 土壤肥力及养分利用率分析

作物收获后采集耕层土样测定有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷和速效钾含量，具体测定方法参考《土壤农业化学分析方法》（鲁如坤，2000）。其中，有机质采用重铬酸钾外加热法测定，速效氮采用碱解扩散法测定，速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提、钼蓝比色法测定，速效钾采用1.0 mol/L中性NH4OAC浸提、火焰光度法测定，全氮采用半微量凯氏定氮法测定，全磷采用NaOH熔融钼锑抗比色测定；全钾采用NaOH熔融火焰光度法测定。

2 结果与分析

2. 1 糖厂滤泥发酵生物有机肥的升温变化特征

以糖厂滤泥为原料、功能菌发酵生产生物有机肥时，堆沤第3 d的堆肥温度可达45.0～54.0 ℃，第7 d升至70.0 ℃以上，维持在70.0～77.2 ℃的时间长达12 d，从第19 d后迅速降低，直至与传统（自然）发酵生产生物有机肥的一致。在整个堆肥过程中，传统（自然）发酵生产生物有机肥的温度变化幅度相对平缓，堆沤第6 d的堆肥温度才40.0 ℃，最高温度仅为63.0 ℃，保持在60.0 ℃以上的时间仅有5 d，明显低于功能菌发酵生产生物有机肥。

2. 2 糖厂滤泥发酵生物有机肥的组分分析结果

有益微生物的代谢产物均在发酵阶段产生，主要包括三类代谢物：第一类是酶，如纤维素酶群、蛋白酶群、氧化酶、糖化酶、水解酶和酰化氨基酸酶等；第二类是有机酸，如腐植酸、吲哚乙酸、赤霉乙酸和柠檬酸等；第三类是生物素，如赤霉素、各种抗生素及酮类物质。细菌蛋白酶活力测定结果显示，传统（自然）发酵生物有機肥的细菌蛋白酶活力为1.023×104 U/g，远低于功能菌发酵生物有机肥的细菌蛋白酶活力（1.793×106 U/g）。功能菌的发酵作用能有效分解糖厂滤泥中的蔗糖分（表1），使其蔗糖分含量由0.39%～1.21%（平均为0.99%）降至0.05%～0.13%（平均为0.07%），对糖厂滤泥发酵生产生物有机肥十分有利。

在以传统（自然）发酵糖厂滤泥生产生物有机肥的过程中，有机物料转化为有机酸的转化率为59.7%，而采用功能菌发酵生产生物有机肥的转化率达89.9%，较传统（自然）发酵生产生物有机肥高出30.2%（绝对值，下同）。在糖厂滤泥发酵制备生物有机肥的有机质含量方面，采用功能菌发酵生产生物有机肥的有机质含量为45.7%，较采用传统（自然）发酵生物有机肥（33.4%）高出12.3%。

2. 3 糖厂滤泥发酵生物有机肥的肥效

糖厂滤泥发酵生物有机肥对水稻、黄瓜和甘蔗产量影响的田间试验结果（表2）表明，施用功能菌发酵生物有机肥的平均水稻产量为5971.5 kg/ha，较施等量传统（自然）发酵生物有机肥的处理增产433.5 kg/ha，增幅达7.83%；施用功能菌发酵生物有机肥的平均黄瓜产量达76705.5 kg/ha，较施等量传统（自然）发酵生物有机肥的处理增产22378.5 kg/ha，增幅达41.19%；施用功能菌发酵生物有机肥的平均甘蔗产量为118780.5 kg/ha，较施等量传统（自然）发酵生物有机肥的处理增产7675.5 kg/ha，增幅为6.91%。

2. 4 糖厂滤泥发酵生物有机肥对土壤肥力及养分利用率的影响

以蔗区土壤有机质及连续5年施用糖厂滤泥发酵生物有机肥的效应研究为例，探讨施用糖厂滤泥发酵生物有机肥对土壤有机质、速效氮、速效磷和速效钾含量等理化性状的影响，结果显示，施用功能菌发酵生物有机肥的土壤理化性状指标均高于施用传统（自然）发酵生物有机肥的处理（表3），其中土壤有机质、速效氮、速效磷和速效钾的含量分别为15.75 g/kg、67 mg/kg、14 mg/kg和69 mg/kg。

由表4可知，施用功能菌发酵生物有机肥处理的氮、磷和钾利用率分别为39.3%、12.8%和52.8%，较施传统（自然）发酵生物有机肥处理的氮、磷和钾利用率提高18.3%、2.2%和21.6%，比仅施用化肥的处理提高15.0%、4.5%和30.8%；与仅施用化肥的处理相比，施用传统（自然）发酵生物有机肥处理的氮利用率降低3.3%，而磷、钾利用率提高了2.3%和9.2%。

3 讨论

目前，糖厂滤泥的综合利用可概括为滤泥生产复合肥、加工成动物饲料、提取蔗蜡及植物固醇、制备材料以添加剂及作为生物质燃料等5个方面（左见军等，2014）。林天木（1997）、虎玉森和王兴民（1998）、梁洪（2005）、王淑培等（2013）先后以糖厂滤泥为主要原料制成有机—无机高效复合肥，并证实是实现碳酸法糖厂固体废弃物资源化利用的有效途径。本研究应用微生物技术结合功能菌发酵生产生物有机肥，结果表明，采用功能菌发酵糖厂滤泥生产生物有机肥较传统（自然）发酵方式的腐熟速度快，发酵温度最高达77.2 ℃，且70.0～77.2 ℃的维持时间长达12 d；功能菌发酵生物有机肥的有机质含量和有机酸转化率优势明显，分别较传统（自然）发酵生物有机肥提高30.2%和12.3%。施用功能菌发酵生物有机肥对水稻、黄瓜和甘蔗有明显的增产效果，较施等量传统（自然）发酵生物有机肥分别增产7.83%、41.19%和6.91%；对土壤有机质、速效氮、速效磷和速效钾含量也有明显影响，均高于施用传统（自然）发酵生物有机肥的处理，含量分别为15.75 g/kg、67 mg/kg、14 mg/kg和69 mg/kg；在氮、磷和钾利用率方面分别为39.3%、12.8%和52.8%，较施传统（自然）发酵生物有机肥处理的氮、磷和钾利用率分别提高18.3%、2.2%和21.6%，比仅施用化肥的处理提高15.0%、4.5%和30.8%。可见，采用功能菌发酵糖厂滤泥生产生物有机肥较传统（自然）发酵糖厂滤泥生产生物有机肥更具优势，可大面积推广应用。

肥料厂一般采用传统的条垛式堆沤、槽式堆沤发酵生产肥料，有的甚至采取露天堆沤，不仅占地面积大，易产生臭气和污水，影响周边环境，还受天气条件限制，质量不稳定，生产周期长，运行成本高（王怀利等，2010；廖青等，2013）。堆沤发酵过程的腐熟速度慢，受环境因素影响较大，发酵效果不稳定，通常需要35～45 d才能完成一次腐熟过程；而采用功能菌发酵生产生物有机肥的腐熟速度快，受环境因素影响较小，发酵效果稳定，仅需20～25 d就能完成一次腐熟过程。生产上的常用菌种有巨大芽孢杆菌、酿酒酵母、泾阳链霉菌、绿色木霉、白地霉、嗜热侧孢霉、热地假丝酵母、枯草芽孢杆菌、圆褐固氮菌、胶冻样芽孢杆菌、沼泽红假单胞菌等（王怀利等，2010；许永胜等，2015）。综合本研究结果可知，开展糖厂滤泥发酵制成生物有机肥已在以下几个方面取得突破：（1）解决菌群间拮抗干扰的突破。产品的生产工艺成功解决了菌群间拮抗干扰和平衡肥效的量变关系，有效提高了该技术在生产应用中的实用性与高效性。这些配组菌群能在土壤中形成强大的有益生物群体，通过接力式代谢和多层次分解与转化而产生各种活性基团，并不断产生腐植酸，促使土壤中的有机物转化为优良的植物养分。（2）组配菌种株数创新。组配菌种达10～11株，菌种数量越多其功能作用就广。（3）设计采用的菌株耐高温性。功能菌发酵温度最高达77.2 ℃，且70.0～77.2 ℃的维持时间长达12 d。此发酵温度不仅缩短有机质的腐熟分解周期，还能杀灭堆腐原料中的其他有害菌群。

4 结论

采用功能菌发酵糖厂滤泥生产生物有机肥较传统（自然）发酵糖厂滤泥生产生物有机肥更具优势，具体表现为腐熟速度快、发酵温度高且保持时间长、发酵后有机质含量和有机酸转化率优势明显，同时具有增产、提高土壤肥力和肥料利用率的作用，生产上可大面积推广应用。

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（责任编辑 兰宗宝）