利用玉米秸秆制备有机肥的工艺研究

李 敬，刘安荣，王振杰，刘洪波，彭 伟，陈肖虎

（1. 贵州省贵福生态肥业有限公司，贵州 玉屏 554000；2. 贵州省冶金化工研究所，贵州 贵阳 550016；3. 贵州大学，贵州 贵阳 550025）

我国是农业大国，平均每年产生农作物秸秆上亿吨。农作物秸秆富含大量有机质、氮、磷、钾等植物生长所需的营养元素。将农作物秸秆还田，能提升土壤的有机质水平，减少化学肥料使用量，改善土壤退化现状。但是目前我国农作物秸秆处理仍然使用最原始的焚烧法，造成了大量资源浪费和环境污染［1-3］。

目前，比较有效的科学处理农作物秸秆的方法有物理法、化学法和生物法［4-7］。物理法常作为其他方法的预处理方法，以提高秸秆的适口性，增加采食量，但秸秆中的木质素软化或水解需要在温度较高的环境下进行，需要特定的设备输送热量并控制温度，使得该方法成本较高；化学法包括碱化处理、氨化处理两种，对设备要求也很高，同样具有生产成本高的问题；生物法是将秸秆炭吸附腐熟、微生物发酵，使其中各种微量元素重归农田，该方法可实现资源的循环利用，且对环境较为友好。秸秆堆肥法是常用的生物处理法，但该方法存在微生物很难在短时间内获取适合于它们生长的营养，不能快速分解秸秆，致使效率低下，影响了堆肥法的大规模工业应用［8-11］。笔者对微生物快速分解玉米秸秆生产有机肥进行了研究，以期为农作物秸秆循环利用生产有机肥提供借鉴。

1 实验部分

1.1 实验原料与设备

实验原料：玉米秸秆，纤维素酶，硝酸钠，水，酵母粉，硫酸铵，磷酸二氢铵，磷酸氢二钾，磷酸二氢钾，葡萄糖。

实验设备：电子天平，磅秤，粉碎机，发酵罐，空气净化器。

1.2 芽孢杆菌培养基

芽孢杆菌种子培养基：酵母粉1.5 g/L，硫酸铵4 g/L，磷酸氢二钾1 g/L，磷酸二氢铵1.5 g/L，磷酸二氢钾1 g/L，葡萄糖300 g/L。

1.3 实验方法

将玉米秸秆在阳光下晾晒干，粉碎至实验所需的粒度。将粉碎后的玉米秸秆颗粒20 kg、纤维素酶60 U、硝酸钠2 kg、水80 kg 配制成混合物，搅拌均匀后放入发酵罐中调节至合适的温度进行发酵，发酵完成后向混合物中接种芽孢杆菌（以下实验所接种均为芽孢杆菌），接种量为玉米秸秆质量的2%，调节至合适的发酵温度、搅拌转速后培养一段时间，将发酵好的发酵液浓缩、干燥后得到有机肥。对产品进行分析测定，计算有机质含量。

2 结果与讨论

2.1 玉米秸秆粒度对有机肥中有机质的影响

在发酵时间为36 h、发酵温度为50 ℃、接种量为玉米秸秆质量的2%、接种后通入无菌空气、控制温度不变、搅拌转速为350 r/min、培养时间为7 d 条件下，考察玉米秸秆粒度对有机肥中有机质含量的影响，结果见图1。

图1 秸秆粒度对有机肥中有机质的影响

由图1可以看出，玉米秸秆颗粒粒度越小，所生产的有机肥中有机质含量越高，当粒径≤0.074 mm的颗粒占比大于87.31%以后，有机质含量增加较慢，基本趋于稳定。出现这一现象的原因可能是玉米秸秆粒度越小，比表面积越大，越容易发酵，因此有机质含量越高。综合考虑，确定玉米秸秆粒径≤0.074 mm的颗粒占比为87.31%最为适宜，此时有机肥中w（有机质）为54.65%。

2.2 发酵时间对有机肥中有机质的影响

在玉米秸秆粒径≤0.074 mm 的颗粒占比为87.31%、发酵温度为50 ℃、接种量为玉米秸秆质量的2%、接种后通入无菌空气、控制温度不变、搅拌转速为350 r/min、培养时间为7 d 条件下，考察发酵时间对有机肥中有机质含量的影响，结果见图2。

图2 发酵时间对有机肥中有机质的影响

由图2 可以看出，发酵时间在8 ～16 h 时，有机质含量增长较慢，16 ～24 h时有机质含量增长较快，当发酵时间大于24 h 后，有机质含量基本趋于稳定。因此，考虑时间成本，选定发酵时间为24 h，此时该有机肥中的w（有机质）为54.89%。

2.3 发酵温度对有机肥中有机质的影响

温度是影响有机体生长繁殖的重要因素，生物化学中的酶促反应与温度变化有着紧密关系，在发酵过程中，温度的影响是多方面的，表现在发酵液的物理性质、细胞生长、生物合成和产物合成等方面。因此，在玉米秸秆粒径≤0.074 mm的颗粒占比为87.31%、发酵时间为24 h、接种量为玉米秸秆质量的2%、接种后通入无菌空气、控制温度不变、搅拌转速为350 r/min、培养时间为7 d 条件下，考察发酵温度对有机肥中有机质含量的影响，结果见图3。

图3 发酵温度对有机肥中有机质的影响

由图3可以看出，随着发酵温度的升高，产品中有机质含量先增加后减少，当发酵温度达到50 ℃时，产品中有机质含量达到最大值。造成这一趋势的可能原因是温度过低不适宜芽孢杆菌的繁殖，温度过高又会杀死菌种。因此，确定适宜的发酵温度为50 ℃，此时该有机肥中w（有机质）为55.24%。

2.4 培养时间对有机肥中有机质的影响

在玉米秸秆粒径≤0.074 mm 的颗粒占比为87.31%、发酵时间为24 h、发酵温度为50 ℃、接种量为玉米秸秆质量的2%、接种后通入无菌空气、控制温度不变、搅拌转速为350 r/min 条件下，考察培养时间对有机肥中有机质含量的影响，结果见图4。

图4 培养时间对有机肥中有机质的影响

由图4可以看出，随着培养时间的延长，产品中有机质含量逐渐增加，当培养时间达到5 d 以上时，有机质含量不再随时间延长继续增大。考虑时间成本和产品指标，确定培养时间为5 d，此时产品中w（有机质）为55.16%。

2.5 搅拌转速对有机肥中有机质的影响

在玉米秸秆粒径≤0.074 mm 的颗粒占比为87.31%、发酵时间为24 h、发酵温度为50 ℃、接种量为玉米秸秆质量的2%、接种后通入无菌空气、控制温度不变、培养时间为5 d 条件下，考察了搅拌转速对有机肥中有机质含量的影响，结果见图5。

图5 搅拌转速对有机肥中有机质的影响

由图5可以看出，随着搅拌转速增加，产品中有机质含量先增加后减少。搅拌转速过慢时因搅拌不均匀使得反应不完全因而有机质含量低，过快时因来不及反应使得有机质含量低。因此，搅拌转速以350 r/min 最合适，此时产品中w（有机质）为54.87%。

2.6 有机肥质量检测

对所得有机肥进行质量检测，结果见表1。

表1 有机肥产品检测结果

由表1可知，该有机肥w（有机质）达到54.86%，w（N+P2O5+K2O）达到6.5%，pH 为6.8，w（H2O）为25%，均符合NY 525—2012《有机肥料》标准要求。

3 结论

研究以玉米秸秆为原料生产有机肥工艺，在玉米秸秆粒径≤0.074 mm的颗粒占比为87.31%、发酵时间为24 h、发酵温度为50°C、接种量为玉米秸秆质量的2%、接种后通入无菌空气、控制温度不变、搅拌转速为350 r/min、培养时间为5 d的条件下，获得了w（有机质）54.86%、w（N+P2O5+K2O）6.5%、pH 6.8、w（H2O）25%、蛔虫卵死亡率100%、粪大肠菌群数为3 个/g 的有机肥产品，产品指标符合《有机肥料》标准要求。