我国是白酒生产和消费大国，年产白酒1 300万t[1]，其中浓香白酒占白酒总产量的75%[2]。每产1 t白酒产生3 t左右的酒糟，6～7 t废水[3]。酒糟含水量约80%，稻壳含量超过60%(干基计)，pH 4.0～4.5，主要成分为纤维素、二氧化硅和少量蛋白质，营养价值低，适口性差，不宜做饲料[4]。处理酿酒废水产生污泥，其主要成分为死亡的微生物残体、变性淀粉和植素磷酸盐等[5-6]，P2O5含量高达10%。目前，焚烧是无害化处理酒糟和污泥的主要方式，能耗大，成本高，资源化利用率低。但值得注意的是，酒糟和污泥富含有机质和植物营养元素，是潜在的有机肥源[2]。以酒糟和污泥为原料生产有机肥，可充分利用有机质和养分资源，将无害化处理与资源化利用充分结合。

在微生物高温发酵生产有机肥过程中，堆肥物料的碳氮比、pH值、通气、温度和水分等至关重要，显著影响微生物活动和堆肥质量[8-12]。根据酒糟疏松透气、养分含量低、酸度大(pH 4.0～4.5)，污泥富含氮磷(合计>14%)、质地细腻等性质，将二者适量混合后进行高温堆肥可优劣互补，相得益彰。为此，本文以酒糟和污泥为原料，添加腐熟菌剂，研究了无能耗高温发酵自然腐熟脱水生产有机肥的工艺技术，通过测定有关指标判断堆肥质量，田间试验验证酒糟-污泥有机肥(有机肥，下同)对高粱的肥效，实现酿酒废弃物无害化处理和资源化循环利用，有益于保持白酒生产的健康可持续发展。

1 材料与方法

1.1 供试材料

污泥和酒糟，泸州老窖股份有限公司。污泥pH 7.31，水分、有机质，N、P2O5和K2O含量分别为81.63%、70.09%、4.70%、9.44%和0.37%(以干重计，全文同)；酒糟pH 4.1，含水量、有机质，N、P2O5和K2O含量依次为48.19%，90.30%、2.12%、0.60%和0.43%。

腐熟剂：内含高温纤维芽孢杆菌，最高生长温度约72 ℃，最适生长和产酶温度 52～55 ℃，由西南大学资源环境学院微生物实验室分离获得。腐熟剂含有效活菌数为2.1×1010 cfu/g。

高粱品种：“青壳洋”高粱，由四川省泸州市农业科学研究院提供。

化肥：尿素(N 46%)、过磷酸钙 (P2O5 12%)、K2SO4(K2O 50%)，农资市场购置。

1.2 试验处理

有机肥生产：污泥质地细腻，微碱性，富含氮磷(合计>14%)，碳氮(磷)比低，堆肥过程中通气困难，产生恶臭；酒糟疏松透气，强酸性，氮磷含量低(合计2.72%)，碳氮(磷)比较高，养分含量不足。预备试验表明，二者不宜单独堆肥，但适量混合可促进腐熟。因此，试验设置m(污泥)∶m(酒糟)=2∶1(T1)；m(污泥)∶m(酒糟)=1∶1 (T2)；m(污泥)∶m(酒糟)=1∶2(T3)。每堆原料为5 000 kg，加入腐熟菌剂5 kg，混合均匀，堆成长、宽、高约为6 m×2 m×1 m长条形状，重复3次。在堆制期间，若温度超过60 ℃，翻堆1次，促进水分散失，直至堆肥物料变为黑褐色，水分含量<30%。

肥效试验：于2019年高粱种植季节在四川省泸州市黄舣镇进行(28.91°N，105.58°E)。供试土壤为当地典型、代表性的微酸性紫色土，pH 6.53，有机质，全氮、磷、钾，碱解氮、有效磷和交换钾含量依次为36.06、0.84、0.89、18.15 g/kg和89.83、18.61、133.5 mg/kg。试验设置对照(CK，不施肥)；单施化肥(CF)；50%化肥+50%有机肥(OF50CF50)；30%化肥+70%有机肥(OF70CF30)。除对照外，施肥处理的用氮量均为14 kg N/667m2，m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=2∶1∶1，分别由有机肥、尿素、过磷酸钙和硫酸钾提供。其中，全部有机肥、磷肥、钾肥和60%化学氮肥做基肥，40%化学氮肥在高粱拔节期施用。小区面积30 m2，行株距0.75 m×0.3 m，随机区组排列，重复3次，田间管理同当地大田生产。

1.3 实验方法

堆肥试验：每天8点和20点测定环境和堆肥中心温度。间隔5 d取样，按NY/525—2012方法[13]测定堆肥水分、pH、有机质、N、P2O5、K2O、铅、铬、镉、汞、砷含量；用GB/T 11 957—2001方法[14]测定腐殖酸含量(以干重计，下同)。

肥效试验：于高粱成熟期，每个小区单收称重，并在各小区采集具有代表性的10株高粱及根际土壤(抖根法)制成混合样品，测定株高和鲜重后，植株样品105 ℃杀青，65 ℃烘干，粉碎过1 mm筛。土壤样品过2 mm筛，部分保存于-18 ℃冰箱，测定土壤脱氢酶(氯化三苯四氮唑比色法)、脲酶(苯酚钠—次氯酸钠比色法)和磷酸酶活性(磷酸苯二钠比色法)[16]。将另一部分土样风干，磨细过1 mm筛，常规分析碱解氮、有效磷和速效钾，以及植株氮、磷、钾[15]。用酸水解-伯川-碘量法测定高粱籽粒淀粉含量。

1.4 数据处理

采用Excel进行基础数据计算和作图，SPSS 21.0进行统计分析，处理间的多重比较为Duncan法，显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中有机物料的理化性质变化

2.1.1 温度

由图1可知，3种处理的堆肥均有明显的升温期、高温期和降温期。T3、T2和T1分别在在5、8、7 d达到最高温度，依次为76、70.5、65 ℃，即T3升温速率最快，最高温度T3>T2>T1。高温期(50～80 ℃)的持续时间T3(14 d)> T2(11 d)> T1(9 d)。堆肥过程中，温度超过60 ℃翻堆， 故T1 在堆肥后第6天，T2在第4、6天，T3在第2、4、6天分别翻堆，此后翻堆时间相同，均在第8、10、12、14、16、18、22天进行。随时间延长，堆肥温度逐渐降低，堆肥至26 d，T2降温幅度最大，其次为T1和T3；堆肥至34 d后，各处理的温度逐渐接近于室温。

2.1.2 水分

T1、T2、T3的初始含水量依次为69.14%、72.85%、64.87%(图1-b)。堆肥过程中，物料的水分呈持续降低趋势。堆肥至41 d， T1、T2、T3的含水量依次为43.80%、40.50%、21.19%，比初始含水量依次降低36.65%、44.41%、67.33%，即水分散失速率T3>T2>T1，T3处理的含水量降速最快。

2.1.3 pH值

酒糟pH值约4.0，污泥pH值为7.0～8.0。3种处理原料混均后pH值在6.51～6.81变化。在堆制过程中，T1的pH值在6.38～6.65变化，T2和T3的pH值先降后升，T2变幅为6.52～7.01，T3的pH值变化幅度较大，在6.45～7.66，3种处理的pH值均适合微生物繁殖生长(图1-c)。

2.1.4 养分

在堆肥过程中，3种处理的物料磷钾含量整体呈增加趋势，氮含量先降后增(图2)。其中，含磷量最高，氮次之，钾最低。堆肥至第6天，T3的氮和钾含量最高，由于污泥含磷量高于酒糟，T3添加的污泥低于T1高于T2，导致堆肥含磷量T1>T3>T2。堆肥至第41天，T3的总养分(N+P2O5+K2O)质量分数最高(7.05%)，T1次之(6.19%)，T2最低(5.38%)，均达到国家标准(≥5%)。

2.1.5 外观气味和腐殖酸的变化

在堆肥过程中，T3无臭味，T1和T2产生恶臭；3种处理的堆肥物料体积逐渐缩小。随堆肥时间延长，T1和T3的堆肥物料均由褐色变为黑褐色，再变为黑色，T2由黄褐色变为褐色。堆肥至第41天，T3堆肥呈黑色，质地均匀松散，完全腐熟；T1和T2内部潮湿，呈块状，尚未完全腐熟。由图2-d可知，随堆肥时间延长，物料腐殖酸含量逐渐增加。堆肥至第6天，T1、T2、T3的腐殖酸含量依次为38.01、34.43、54.08 g/kg，比初始含量增加25.60%、14.56%、67.17%；堆肥至第41天，3种处理的腐殖酸含量均增加，在65.74～81.06 g/kg变化，T3最高。

2.2 堆肥成品质量评价

综上所述，T3处理的堆肥成品水分、pH值、氮、磷、钾及腐殖酸含量最优。因此，选择T3的样品进行堆肥质量评价。T3堆肥的水分、pH值、有机质和总养分依次为21.19%、7.66、82.74%、7.05%；铅、镉、铬、汞、砷的含量和粪大肠菌群分别是11.61、0.41、20.38、0.06、1.11 mg/kg和 43个/g，未检测到活蛔虫卵，各项指标均符合国家标准(表1)。

2.3 有机肥对高粱的肥效

2.3.1 株高、生物量、产量及品质

在50%有机肥+50%化肥(OF50CF50)的处理中，株高、生物量及产量比不施肥对照(CK)分别增加33.68%、55.94%、74.12%，比单施化肥(CF)分别增加15.98%、21.92%、12.55%；单施化肥(CF)与70%有机肥+30%化肥(OF70CF30)处理间上述指标无显著差异，但显著高于CK处理(表2)。

OF50CF50处理的高粱籽粒氮、单宁和可溶性蛋白含量分别比CK增加25.21%、5.56%、15.56%。在各处理之间，籽粒中的磷、钾、直(支)链淀粉无显著差异；在CF、OF50CF50和OF70CF30之间，籽粒可溶性蛋白无显著差异；在CF和OF50CF50之间，籽粒单宁含量也无显著差异(表3)。

2.3.2 植株养分吸收

由表4可知， 植株含氮量施用有机肥的最低，含磷量施用有机肥和化肥相似，含钾量OF50CF50显著高于CF，OF70CF30与CF无显著差异。在施用有机肥的处理中，植株氮吸收量与CF无显著差异，磷钾吸收量分别比CF增加约22%和17%以上。

2.3.3 土壤有效养分与酶活

尽管OF50CF50和OF70CF30的碱解氮无显著差异，但显著高于CK和CF；CF的有效磷钾显著高于OF50CF50和OF70CF30(有效磷除外，CF与OF50CF50无显著差异)。在OF50CF50和OF70CF30的有效磷超过20 mg/kg, 有效钾>135 mg/kg。与CF相比，OF50CF50和OF70CF30显著提高土壤酸性磷酸酶、脲酶和脱氢酶活性，其增幅依次为31.22%～44.68%、11.94～25.40%和37.94%～52.07%(表5)。

3 结论

堆肥是微生物主导的生物化学过程，有机物料在堆制过程中发生矿质化和腐殖化[17]。温度、水分、pH和碳氮比等是影响堆肥效率和质量的主要因素[18]。堆肥温度提高是有机质矿化释放热量并逐渐积累的结果，是微生物活跃的重要表现，也是堆肥成功与否的重要标志之一[19]。本试验表明，在接种高温发酵菌剂之后，温度迅速上升，3～5 d上升至最高(65～76 ℃)后进入降温期，≥50 ℃的高温期约维持在14 d。在高温期，有机质发生矿化并迅速脱水，而且有效地杀害病原微生物，成品堆肥未检测出活蛔虫卵，粪大肠菌群数仅43 个/g。T3的高温期温度显著高于T1和T2。在预备试验中，未添加菌剂的处理升温缓慢，最高温度不超过55 ℃，且产生恶臭，说明在污泥和酒糟堆肥过程中，接种高温发酵微生物能加速升温，有效分解矿化堆肥原料中的有机质，缩短堆肥周期，类似先元华[21]、张陇利等[22]、党秋玲等[23]的研究结果。堆肥降温期主要进行腐殖化作用，形成腐殖质，2个时期均是无害化处理有机废弃物生产有机肥的关键时期[20]。

堆肥原料水分含量直接影响微生物的生长[24]，关系到通气好坏和好氧堆肥速度[25]，从而影响堆肥效果。一般认为，堆肥物料含水量在60%～65%时适宜发酵，含水量<40%或>65%时，微生物活性受到抑制[26]，这与本研究的结果一致。T3处理的初始水分在65%以内，物料颗粒大小兼顾，疏松透气，微生物活动旺盛，堆肥温度高，促进水分挥发。而T1的m(污泥)∶m(酒糟)=2∶1，水分含量过高，质地细腻的物料偏多，透气性差，易发生厌氧发酵产生臭味。

堆肥物料的pH值变化是反映堆肥过程中微生物活性的另一个重要指标[27]。本堆肥发酵过程中，pH值先降后升，在6.38～7.66波动，与多数研究的适宜pH 6～8[28]范围一致，pH变化可能与物料中微生物的优势种群变化和代谢产物变化有关。在添加高温发酵微生物菌剂后，随着堆体温度的升高，高温微生物逐渐替代原微生物，成为优势菌群，而不同微生物菌群产生的主要代谢产物酸碱性有所不同，从而导致pH值波动[29]。微生物分泌的漆酶、过氧化物酶、多酚氧化酶是木质素降解为醌类物质合成腐殖质的主要酶系，接种微生物尤其是高温菌是促进有机质矿化和腐殖化的有效手段[30]。在堆制污泥-酒糟过程中，腐殖质的含量逐渐增加，低分子腐殖质—腐殖酸是植物生长活性物[31]。在T3处理中，污泥与酒糟按质量比1∶2混合，添加腐熟菌剂和辅助剂所生产的有机肥，其水分、pH、有机质、养分、重金属等均符合国家标准NY 525—2012[13]。

OF50CF50促进高粱生长，提高产量和籽粒含氮量。OF50CF50和CF处理的养分施用量相等，意味着OF50CF50提高了肥料经济效益(施用单位肥料获得的经济产量)。籽粒含氮量一般与蛋白质含量呈正相关，酿酒原料中的蛋白质含量影响微生物的生长和酶的合成，对于酿酒发酵和生产高品质白酒至关重要[32]，OF50CF50使籽粒含氮量增加，意味着蛋白质含量提高，有益于生产高品质白酒。值得注意的是，在OF50CF50和OF70CF30处理中，植株吸氮量与CF相似，磷钾吸收量显著高于CF，说明施用有机肥还可提高氮的农学效应(每吸收单位数量的氮所获得的经济产量)，改善植株磷钾营养。此外，OF50CF50和OF70CF30提高土壤有效氮含量，有效磷超过20 mg/kg, 有效钾大于135 mg/kg，故施用有机肥能较好地满足植株氮、磷、钾。此外，施用有机肥之后，土壤脱氢酶、脲酶和磷酸酶活性增强。其中，脱氢酶反应土壤氧化还原过程，是土壤微生物活性和有机质循环更新的重要标志[33]，脲酶与土壤氮转化与供应密切相关[34]，推测施用有机肥提高土壤有效氮的原因可能是增强了脱氢酶和脲酶活性。

综上，将污泥和酒糟按质量比1∶2混合，添加高温发酵菌剂，经40 d左右的堆肥发酵可生产出质量合格的商品有机肥。在高粱种植中, 50%化肥和50%有机肥配施可增加高粱产量，改善植物营养和土壤酶活性质。

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Conversion of brewing wastes into an organic fertilizer and its fertilizer efficiency

LI Zhe1,ZHANG Suyi2,YANG Hongjun1,QIN Hui2,YUAN Ling1*,YANG Ping2,AO Zonghua2,SONG Pan2

1(College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716，China)2(Luzhou Laojiao Co.Ltd, Luzhou 646000, China)

ABSTRACT The solid waste produced in brewing process, including sludge and distilled grains, is about three times of liquor. To investigate the conversion of the solid wastes discharged from Luzhou Laojiao Co., Ltd. into an organic fertilizer by thermophilic composting, sorghum was supplied with the organic fertilizer to evaluate the fertilizer efficiency. The results showed that the mixture of sludge, distilled grains and decomposable inoculant was subject to heating, high temperature and cooling stages in the composting process. Concomitantly, nitrogen, phosphorus, potassium and humic acid in the compost substrates increased with moisture decreased while the substrate color changed from tawny to brown, black-brown or black. The mixture of sludge and distilled grains at the rate of 1∶2 in weight contained 65% moisture with about 25∶1 of C∶N ratio and pH 6.5 composted most rapidly. The organic fertilizer produced had high quality and fitted the National Organic Fertilizer Quality Standard (NY525-2012). The application of this organic fertilizer (OF) in combination with chemical fertilizers (CF) at the proportion of 1∶1 in the terms of nitrogen increased sorghum yield by 12.55%, grain nitrogen content by 36.70%, plant phosphorus uptake by 22.22% and potassium uptake by 29.20%, respectively, compared with those of CF alone. Besides, there were higher available nitrogen and enzyme activities (including phosphatase, urease and dehydrogenase) in the soil supplied with OF+CF than those of sole CF. Taken together, the mixture of sludge and distilled grains at an adequate proportion converted into an organic fertilizer through thermophilic composting, which fitted the National Standard. The application of OF plus CF at a proper rate increased sorghum yield, improved plant nutrient, and stimulated soil enzyme activity.

Key words distiller′s grains; sludge; compost; fertilizer effect

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.024888

引用格式:李哲，张宿义，杨红军，等.利用酿酒废弃物生产有机肥及肥效研究[J].食品与发酵工业,2021,47(2):160-166.LI Zhe,ZHANG Suyi,YANG Hongjun, et al.Conversion of brewing wastes into an organic fertilizer and its fertilizer efficiency[J].Food and Fermentation Industries,2021,47(2):160-166.

第一作者：硕士研究生(袁玲教授为通讯作者，E-mail：lingyuanh@aliyun.com)

基金项目：国家重点研发计划重点专项(2018YFC1901103)

收稿日期：2020-06-30，改回日期：2020-09-02