酒糟秸秆联合发酵制备有机肥的研究

刘丽秀，何爱江

（宜宾职业技术学院，四川宜宾 644003）

1 酒糟现状

白酒产业是宜宾的传统优势产业之一，宜宾产区目标是2025年实现白酒产量突破100万kL（约90万t）。宜宾白酒以浓香型白酒为主，酒糟为高粱、小麦、玉米等原料经酿酒微生物固态发酵、蒸馏出酒后的固废。产生量为3 t酒糟/白酒[1]，2025年预计产生酒糟270万t。酒糟含水率在60%左右，pH值3～5，含有较丰富的粗蛋白、粗淀粉、粗脂肪和粗纤维以及酿酒微生物发酵产生的一定量的醇类、酸类、酯类和少量醛类等有机物，还含有丰富的磷、钾等植物生长发育所需的矿物元素[2]。

2020年我国粮食产量6.69亿t，按粒秆比1：1.2估算，全国年生产秸秆超过8亿t。秸秆中含有大量的有机质、氮磷钾和微量元素。但是部分丘陵地区秸秆利用率不高，仍存在秸秆焚烧污染环境和秸秆丢弃导致农作物减产等问题。本文以当地酒糟和秸秆为原料，研究堆肥生产有机肥的影响因素。

2 实验仪器设备及方法

2.1 实验原料

本项目主要的原辅料（表1）。

表1 项目所需主要原辅料情况

2.2 实验设备仪器

有机肥的制备采用堆肥方式进行。堆肥实验装置采用塑料桶作为堆肥反应器，配备温度测量系统、通气系统和废气处理系统。

堆肥反应器是1个带保温层的200 L塑料容器。塑料桶开设有3个孔，底部开孔作为空气输入孔，中部开孔安装Pt100热电阻测温元件，上部开孔作为废气排出口。空气由氧气泵以恒定速率（4.0 L/min）向反应器内通入，距底部15 cm放置筛板，用于支撑原料和分布空气。温度通过传感器由温度检测系统自动检测。产生的废气通过废气处理系统处理后排放（图1）。

图1 堆肥实验装置示意图

3 实验结果讨论

3.1 试验产品

原材料的质量比在酒糟∶秸秆（高粱）∶油菜枯=30∶10∶1条件下得到的堆肥产品。

3.2 温度变化及影响

3.2.1 升温阶段

微生物降解酒糟和秸秆中的有机物会产生热量，堆体温度也会产生变化。堆体中层温度变化（图2）。快速升温：将原辅料加入反应器中，开始后堆体温度迅速上升，在1天之内上部温度增加37.3℃，达到62.3℃。该阶段腐熟剂内酵母菌、乳酸菌、地衣芽孢杆菌与水溶性总有机碳快速生化反应，放出热量使得固态发酵体系温度快速升高，微生物细菌快速繁殖[3]。快速升温过程，主要是糖类和蛋白质（最容易分解的有机物）被分解，活跃的微生物是细菌、丝状菌（白色菌丝）等。

图2 固态发酵时间与温度的关系

缓慢升温：第2～5天，温度从62.3℃逐渐升温至75.3℃。该阶段水溶性总有机碳逐渐减少，微生物细菌逐渐分解其他有机碳，微生物总量缓慢增加。接下来的高温阶段，主要是粗纤维被分解，此时活跃的微生物是真菌、放线菌等。固态发酵产生60℃以上的高温，持续几小时即可杀死病虫卵，持续2天即可杀死杂草种子。固态发酵温度达到65℃时持续时间20～30天，对大肠菌和粪大肠菌杀灭率达100%[4]。

3.2.2 降温和平稳阶段

随着水溶性有机物快速耗尽，高温会抑制微生物生长活动，产生的热量减少导致堆体温度逐渐下降。随着堆肥发酵进行，酒糟和秸秆中易降解物质逐渐被消耗，微生物逐渐失活产热减少，接近室温，表明堆肥发酵基本完成[5]。

3.3 水分变化

固态发酵过程中水分变化（图3）。固态发酵初始水分含量为65.3%，固态发酵结束时水分含量为29.5%，水分减少了35.8%。固态发酵的水分损失与固态发酵温度存在关系，固态发酵温度越高，水分蒸发越快。主要原因是温度升高，水蒸气的分压增加，空气中的含水量增加，随着进入空气带走的水分增加。固态发酵过程中，通透性即物料的供氧状况是通过温度和气味来反映的。工业化固态发酵采取一般翻堆方式进行辅助增氧。固态发酵过程同时也是水分逐渐减少的过程，可降低成品的干燥成本。

图3 固态发酵时间与水分的关系

3.4 pH值变化

酒糟有丙酸、丁酸、庚酸、辛酸等多种有机弱酸物质[6]，酒糟与秸秆混合后pH值约5.5～6。随着固态发酵过程进行，pH逐渐升高。主要是有机弱酸物质等的快速分解和含氮物质降解产生一定量的氨，从而引起pH值升高。堆肥温度降低后，pH值在6.1～6.5波动，最后稳定在6.4左右。这可能是因为固态发酵产生了高级脂肪酸等弱酸物质（图4）。

图4 固态发酵过程中pH值的变化

3.5 水溶性总有机碳和无机碳的变化

水溶性总有机碳（STOC）是固态发酵微生物生长所能利用的直接碳源。非水溶性总有机碳需要通过微生物分解才能转化水溶性总有机碳。水溶性总有机碳是评价固态发酵腐熟的重要指标，水溶性总有机碳越低，发酵效果越好。固态发酵过程中水溶性总有机碳含量的变化。固态发酵混合原料中，水溶性总有机碳含量高达20.1 g/kg（干重）。主要是由于原料酒糟中含有大量的可溶性有机物，且可溶性有机物的可生化性很好，被微生物快速降解，其含量下降非常快。15天后，水溶性总有机碳含量缓慢下降，水溶性总有机碳含量限制了微生物的数量，有少部分非水溶性总有机碳转变为水溶性总有机碳。固态发酵结束时，水溶性总有机碳含量高达3.2 g/kg。

项目水溶性无机碳（SIC）采用产生二氧化碳作为评价指标，水溶性无机碳的变化。固态发酵前5天，水溶性无机碳从1.8 g/kg快速升至2.4 g/kg，该阶段生化反应活跃，水溶性总有机碳分解为水溶性无机碳。随后固态发酵体系的SIC逐渐下降，15天后SIC基本稳定在0.4 g/kg左右。这可能是由于有机物分解产生的CO2与固态发酵过程释放的CO2（图5）。

图5 水溶性总有机碳和无机碳含量的变化

4 固态发酵产品质量评价

将得到的产品进行分析，得到的结果（表2）。

表2 固态发酵产品质量

可以看出，两个固态发酵产品均符合有机肥料NY/T525-2021表1的技术指标的限值要求。酒糟：高粱秸秆：油菜枯=30：10：1的成品A中有机质为50.6%，是有机肥料NY/T525-2021标准限值的169%。对固态发酵中添加油菜枯，可以提高产品中的氮含量，从而使得总养分（N+P2O5+K2O）的含量符合有机肥料NY/T525-2021标准限值（≥4%）。

5 结论

原料水溶性总有机碳含量属于易降解有机物，接种微生物后快速分解产生CO2，微生物增殖，发酵堆体温度快速升高。随着水溶性总有机碳消耗减少，微生物分解反应降低，造成堆体温度逐渐下降。发酵堆体升温有利于原料中水分的挥发，可降低成品的干燥成本。原料中多种有机弱酸等被微生物分解是pH值升高的主要原因。堆肥发酵制备产品符合有机肥料NY/T525-2021表1的技术指标的限值要求。实验中发现，只有酒糟和秸秆为原料生产的有机肥的总养分（N+P2O5+K2O）的质量分数较低，不符合NY/T525-2021的标准限值。建议适当添加养殖粪便等高含氮量的养殖固废，提高产品的有机肥含氮量。