豆制品行业废弃物转化生物有机肥的探索性研究

瞿虞珍

（上海清美绿色食品（集团）有限公司，上海 201300）

豆渣和黄浆水是我国豆制品生产过程中的主要副产品，在我国产量巨大。1 kg泡豆水产出的豆渣超过30%，豆渣富含丰富的有机物，是一笔可回收利用的宝贵资源[1]。豆渣中含有3种抗营养因子，即胰蛋白酶抑制素、致甲状腺肿素和凝血素，特别是胰蛋白酶抑制因子会阻碍动物体内胰蛋白酶对豆类蛋白质的消化吸收，不能直接用于畜禽养殖，且豆渣含水量高（85%），蛋白质、脂肪含量丰富，极易发霉、腐败、变质，限制了其高效再利用。黄浆水脱水后的污泥中有机物含量丰富，直接废弃不仅会造成有益营养大量流失，同时也会造成环境的可生化污染[2]。

本研究着眼于豆制品行业废弃物豆渣和黄浆水，采用好氧发酵方式将其转化为生物有机肥，并将堆肥成品施用于一般植物中，力求开发一套简便易行且安全高效的豆制品行业废弃物处理方案，解决豆制品行业废弃物对环境造成的污染问题，实现豆制品行业环境零污染，有序形成豆制品行业绿色循环产业链，为实现豆制品副产物高附加值再利用的开发研究提供理论依据，探索出一条豆制品行业废弃物处理的新思路。

1 材料和方法

1.1 试验材料

豆渣，上海清美集团生产车间副产物；黄浆水污泥，上海清美集团提供；稻壳和秸秆，清美集团公司附近农户提供；EM发酵菌剂，上海创博生态工程有限公司提供；污泥疏水试剂，上海清美集团技术中心开发；上海青蔬菜种子，来源于绿亨科技股份有限公司。

1.2 主要试剂与仪器

调pH试剂Na2CO3溶液，水分测定仪、温度计、弹性软框高压压滤机、通气管、渗滤液收集管、TOC测定仪、螺旋挤压脱水生产线设备。

1.3 原料预处理方法

1.3.1 豆渣脱水处理方法

豆渣的脱水采用螺旋挤压脱水生产线设备，含有机质高湿物料的浓缩：当螺旋推动轴转动时，设在推动轴外围的多重固活叠片相对移动，在重力作用下，水从相对移动的叠片间隙中滤出，实现快速浓缩，可达到豆渣含水率为50%～55%的效果。

1.3.2 黄浆水污泥预处理方法

取清美公司豆制品废弃的黄浆水污泥（含水量80%左右），按相应比例加入生石灰粉末和污泥疏水试剂，采用弹性软框高压压滤机压榨脱水，脱水后含水率60%左右。脱水污泥经调理压滤后，污泥泥饼坚实紧密，硬度较高。

1.4 试验方法

影响豆渣与黄浆水污泥共堆肥效果的工艺参数很多，也相当复杂。本试验首先将预处理的黄浆水污泥与豆渣按照1∶4质量比例混合均匀，形成污泥豆渣混合物，然后添加不同物料配比的调理剂：稻壳和秸秆粉[4]，按照表1所示的物料配比，调试形成4个不同C/N比（总有机碳/全氮）的堆体来进行试验研究，由此确定豆渣与黄浆水共堆肥工艺的技术参数。

测定指标选定为堆肥温度和有机碳（TOC）含量。具体试验方法为：（1）接种：采用EM接种方法，加入堆肥物料干质量的1%EM菌，再加入少量麸皮作为菌剂的吸附材料，混合均匀，进行堆肥。（2）堆肥方式：建造底面半径为80 cm，高50 cm的直立式反应槽4个，有效容积约1 m3。于槽上、中、下3处分别设置开孔用以测量温度。（3）通风方式：采用抽气的方式通风，堆肥开始后第1周每天抽气通风1次，之后每周通风3次。每天测定堆体温度。（4）取样：每隔2 d取样，设固定采样点，采样部位为堆肥表层以下10～20 cm。

表1 以稻壳和秸秆粉为调理剂添加的不同物料配比

1.5 测定项目及方法

1.5.1 含水率

取样2～3 g，精确至0.000 1 g，采用105 ℃恒温干燥法进行测定。

1.5.2 有机质

取样2.0 g，精确到0.000 1 g，然后置于瓷坩埚中（已经恒质量），将坩埚置于马弗炉中，于600 ℃下恒温6～8 h后移入干燥器，冷却称质量，再重新将坩埚置于马弗炉中，同样温度下灼烧10 min，冷却后称质量，直至恒质量。

1.5.3 总有机碳和全氮

总有机碳（TOC）的测定：取风干样5 g，用KCl（1 mol/L）溶液浸提，浸提比为1∶20，震荡20 min后过滤，稀释100倍后用TOC测定仪进行测定。全氮的测定：凯氏定氮法。

1.5.4 发芽率

以上海青蔬菜种子作为试验对象，首先准备2个培养皿，分别放入1张滤纸，编号1号、2号。在1号培养皿中倒入豆渣与黄浆水污泥发酵有机肥浸提液30 mL，2号培养皿中倒入30 mL清水。每个培养皿中均匀撒入20粒种子，21 ℃下恒温培养2 d。记录1号、2号培养皿中发芽种子数（分别为a、b）、种子平均根长（分别为c、d）。

种子发芽率计算公式为：[（a/20）×c]/[（b/20）×d]×100%。

1.5.5 堆肥腐熟度评定

堆肥腐熟度是指堆肥产品的稳定程度。判断堆肥腐熟度的指标包括物理学指标、化学指标（包括腐殖质）和生物学指标。判断堆肥腐熟的评估参数如表2所示。

1.5.6 堆肥肥效检测

肥效检测方法参照国家标准NY 525—2002规定进行检测记录，主要检测指标有全氮、铵态氮、全磷、有效磷、全钾、有效钾。

表2 堆肥腐熟度评估参数

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度和时间参数检测结果评价

在堆肥过程中，堆体发酵温度是关键参数，也是判断堆肥能否成功，实现无害化的重要指标之一。结合表3数据分析及图1所示，4个堆体堆肥过程中温度变化趋势基本相同，均经历了4个阶段：快速升温期、缓慢升温期、高温持续期、降温期。堆肥初期，堆料中易分解的有机质在菌剂作用下分解，堆体产生大量热量导致温度升高，各堆体几乎均在24 h内完成快速升温。计算各堆体从环境温度（10 ℃）至第1波峰时升温速率（以2#堆体为例：（34 ℃－10 ℃）/6 h＝4 ℃/h），依次计算出2#堆体升温速率最高为4 ℃/h，4#和3#堆体次之，分别为2.75、2.3 ℃/h，1#最低为1.61 ℃/h。虽然4个堆体高温温度均达到50 ℃以上，但高温温度不同，高温持续时间也有很大差异。其中2#堆体最快达到50 ℃以上，但高温持续时间较短，持续23 h，而后进入降温期，降至36.7 ℃。4#堆体高温温度为53 ℃，高温持续24 h，＜2 d。1#堆体达到高温（51 ℃）最慢，仅持续20 h，故1#、2#和4#堆体均不符合无害化卫生标准（国家有机肥验收标准）。3#堆体在高温持续期和最高温方面均最佳，高温温度可达57 ℃，整个发酵过程中，发酵温度＞50 ℃的持续时间为130 h，可有效消灭有害细菌，符合卫生标准，综合数据考虑，3#堆体最优。

2.2 确定调理剂添加量及碳氮比

堆肥腐熟度是反应有机物降解和生物化学稳定度的指标。腐熟度判定对堆肥工艺、堆肥产品的质量控制以及堆肥使用后对环境的影响都具有重要意义。表4展现了不同碳氮比（C/N）和调理剂添加量组合的不同配比产生的堆肥腐熟度参数的测定结果，综合来看：pH均呈碱性，含水率都控制在44%以内，C/N比＜20。堆肥的腐熟水平可以用施用后对植物的生物效应来判定，种子发芽率是植物重要的生物量之一。表5展现了不同堆体的发芽率及平均发芽时间，可以看出施用浸提液处理种子后，平均发芽时间2.7 d，发芽率均在90%左右，其中3#堆体发芽时间最短（2 d），发芽率达到96.6%。综合考虑各项参数结果及发芽率，最佳配比是3#堆体，即堆肥工艺调理剂为秸秆粉，投加量为15 kg，C/N＝25∶1。

2.3 不同堆体堆肥成品肥效评价结果

由于黄浆水污泥/豆渣共堆肥发酵工艺原料为黄浆水污泥、豆渣、秸秆粉/稻壳，在整个发酵过程中也未添加任何有害污染成分，从源头上做到安全无害，故堆肥成品无重金属有害成分。由表6检测结果可知，堆肥成品各理化指标均符合国家有机肥标准，堆肥成品呈棕褐色，结构松散，透气性强，物理性状好，无不愉快异味。其中3#堆体各肥效指标效果最佳，堆肥成品肥效中等，可作为一般植物的耕种肥料。

表3 堆体堆肥过程参数

表4 不同堆体堆肥腐熟度参数

表5 不同堆体种子发芽率及发芽时间

3 结论与讨论

黄浆水污泥与豆渣共堆肥技术的研究采用生物好氧发酵技术，对脱水后的黄浆水污泥和豆渣进行共堆肥化处理。试验结果显示：选用秸秆粉为调理剂，投加量为15 kg，调试堆体碳氮比为25∶1时，堆肥化时间较短且堆肥成品质量较好，堆肥过程中臭度较小，浸提液上海青种子发芽率＞95%。堆肥的肥效符合一般植物的耕种肥料，堆肥达到国家关于污泥用作土壤改良剂和有机肥料的标准。本研究实现了豆制品行业黄浆水污泥、豆渣的零排放，减轻环境污染，避免有效资源浪费。下一步的深入研究方向以目前研发的生物有机肥作为基本原料，添加不同种类变质腐烂蔬菜（含有各种微量营养元素）和腐败遭丢弃的海鲜产品如虾、蟹（含磷较多）等作为堆肥的营养成分，进而细化有机肥成品肥效等级，研发出可适宜不同生长基地（如：蔬菜基地、城市绿化带及花卉等），多种植物生长的各种复合肥料产品。同时依托清美集团蔬菜基地，进一步做肥料施用方法、使用量及肥效持续时间等方面的研究。将最初发酵产品转化成多种高附加值产品，技术成熟后通过示范向全国的豆制品企业进行推广，将取得长远的经济、社会效益。

表6 堆肥成品肥效检测