王建安, 許發(fā)華, 王新中, 孫軍偉, 劉國順

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利用田間不適用煙葉高溫發(fā)酵處理制成肥料

王建安1, 許發(fā)華2, 王新中2, 孫軍偉2, 劉國順1

(1. 河南農(nóng)業(yè)大學煙草學院, 河南鄭州, 450002; 2. 云南省煙草公司大理州公司, 云南大理, 671000)

為了探索田間不適用煙葉的無公害化處理, 設計了一套集煙葉收集、粉碎、高溫殺毒和發(fā)酵生產(chǎn)有機肥的操作流程。針對煙葉的特點進行了設備的選型和研發(fā), 并在工程化高溫發(fā)酵處理煙葉生產(chǎn)肥料試驗的基礎上, 進行了經(jīng)濟效益的分析。結果表明: 在對田間不適用煙葉物料粉碎時, 利用大輥刀式粉碎機粉碎含水量為40%的煙葉, 粉碎后的物料顆粒均勻; 粉碎鮮煙葉時, 使用集擠壓、切割和揉搓為一體的粉碎設備, 粉碎秸稈與鮮煙質量比為3︰1時, 能夠滿足高溫發(fā)酵的需求; 所使用的高溫AAT有效微生物菌劑活力在100～120 ℃之間時, 發(fā)酵效果最佳; 發(fā)酵后得到有機肥料的有機質含量為56.9%, 遠遠高于如小麥、稻谷和玉米等一般秸稈的含量; 成品肥料中蟲卵的清除率為100%, 沒有檢測出病毒病害; 每個基地單元實施該工程后, 每年的直接效益38.99～43.38萬元。

烤煙; 田間不適用煙葉處理; 高溫殺毒發(fā)酵; 有機肥料

為了優(yōu)化煙葉等級結構, 提高優(yōu)質煙葉有效供給能力, 在2010年全國煙葉工作座談會上, 國家煙草專賣局決定采取經(jīng)濟、政策、科技等有效調(diào)控措施, 在烤煙生產(chǎn)的田間環(huán)節(jié), 摘除下部2～3片光照不好、營養(yǎng)不良及頂部1～2片開片不好的不適宜烘烤的煙葉, 不進入烤房內(nèi)烘烤。優(yōu)化煙葉結構, 清除田間不適宜烘烤的煙葉, 每公頃烤煙面積的田間不適用煙葉的重量為1.8～2.7 t[1]。廢棄物中通常含有蛋白質、淀粉、大量纖維素和脂肪等有機物質[2], 腐爛后的降解物質隨水流擴散, 極易引起周圍煙田病蟲害的發(fā)生[3]。傳統(tǒng)的處理方式是把煙葉丟棄到田間地頭、挖坑掩埋或是集中銷毀, 會對規(guī)劃的基本煙田可持續(xù)耕作、土壤環(huán)境凈化產(chǎn)生不利影響, 甚至帶來一系列的生態(tài)問題[4], 同時有機物的丟棄也是一種資源浪費。雖然近幾年出現(xiàn)很多處理基本煙田廢棄物的研究[4–7], 但因為配套設備的昂貴或是處理工藝的復雜, 制約了生產(chǎn)上大面積推廣應用。

根據(jù)王建安等[1]提出的煙草田間不適用煙葉是一種很好有機物肥源的建議, 作者進行了高溫發(fā)酵制成有機肥料還田的嘗試。并針對發(fā)酵過程中所需的專用機械設備進行研發(fā), 為優(yōu)化煙葉結構政策下科學處理田間不適用煙葉提供借鑒。

1 系統(tǒng)設計及工作原理

利用田間不適用煙葉生產(chǎn)有機肥系統(tǒng)由煙葉的收集、粉碎、高溫發(fā)酵和輔助機械設備4大部分組成, 系統(tǒng)工藝流程見圖1。

由于煙草殘體中極易攜帶花葉病、黑莖病和根黑腐等常見病害, 所產(chǎn)生的肥料必須徹底清除病害。因此, 在上述系統(tǒng)中, 高溫殺毒系統(tǒng)是重點研究部分。

1.1 煙葉的收集

不適用煙葉摘除后根據(jù)含水量分為2種: 一是經(jīng)過晾曬, 煙葉中含水量較少, 可以就地粉碎后運輸?shù)焦S集中處理; 二是剛剛采收, 煙葉含水量較大, 不適合就地粉碎, 利用農(nóng)用運輸車輛把鮮煙葉直接運輸?shù)教幚砉S。針對上述的第一種情況, 開發(fā)了2種粉碎設備。

圖2(a)是針對距離處理工廠較近地區(qū)設計的粉碎和收集為一體的設備。在動力帶動下, 煙葉從進料口進入粉碎設備, 經(jīng)過粉碎, 在風壓的驅動下從出料口進入到收集箱內(nèi), 最后被運送到處理工廠。圖2(b)是對于距離工廠較遠、交通不便的地區(qū)設計的粉碎裝置。煙葉從上面進入, 經(jīng)過粉碎, 從尾部自然落到地面上, 然后人工把粉碎后的物料裝袋, 最后運輸?shù)教幚砉S。

移動式粉碎設備的核心部件是粉碎零件的構造設計。根據(jù)有機肥發(fā)酵對物料顆粒大小的需求和不適用煙葉的特點, 采取固定橫刀(圖3(a))和旋轉的縱刀相疊加的切割粉碎方式進行, 旋轉縱刀設置了圓錐體式敲碎、小輥刀式切割、大輥刀式切割3種處理方式(圖3(b), (c), (d))。

1.2 固定式粉碎設備

設計的固定粉碎設備具有連續(xù)工作的高效機械性能, 能在短時間內(nèi)對大量積壓含水量大不適用煙葉混配干燥農(nóng)作物秸稈粉碎。設備由物料傳送、擠壓、切割、揉碎和出料5部分組成(圖4)。

傳送部分: 鏈條式傳送, 便于操作, 可以滿足大量的煙葉廢棄物傳送。

擠壓部分: 采用一對空滾壓輪, 相互轉動壓劈進入保護口的物料。使粗料莖稈在徑直方向進行劈裂, 為下一步物料粉碎的預處理。

切割部分: 該部分是粉碎物料的重要環(huán)節(jié)。通過高速旋轉的刀片把被擠壓后的物料切割。

揉碎部分: 該設備的核心部分, 在進一步粉碎物料的同時, 使物料的水分得到平衡。被切割后的物料在滾筒內(nèi)旋轉, 碰到圓柱型中滾筒上運動的“Y”型鋼件, 由于鋼件敲打, 物料進一步細化。

1—傳送部分, 2—擠壓部分, 3—切割部分, 4—揉碎部分, 5—出料部分。

1.3 高溫發(fā)酵系統(tǒng)

1.3.1 高溫消毒發(fā)酵塔

發(fā)酵罐(高溫發(fā)酵場所)是為粉碎后的物料進行高溫殺毒和發(fā)酵的裝置, 由增氧空氣壓縮機、排濕風機、輔助加熱和物料攪拌系統(tǒng)組成(圖5(a))。

攪拌系統(tǒng): 增氧空氣壓縮機提供物料在菌劑繁育分解有機質過程需要的氧氣; 排濕風機安裝在罐的頂部, 在發(fā)酵的過程中根據(jù)工藝的需求自動排除罐內(nèi)多余的濕氣; 輔助加熱管道沿發(fā)酵罐裝置內(nèi)壁以網(wǎng)狀形式布列, 在發(fā)酵開始階段進行高溫殺毒除病; 為了使物料高溫殺毒后利于發(fā)酵, 并使物料和發(fā)酵菌劑充分接觸, 發(fā)酵罐中心和沿圓周方向利用電動馬達提供動力進行物料攪拌(圖5(b))。

1.3.2 發(fā)酵菌劑

發(fā)酵菌劑“AAT嗜高溫菌群”是由鏈球菌、胞桿菌等20多個(好氣性和兼性好氧菌)有效微生物菌構成的組群, 它們在高溫環(huán)境下活躍生長和繁衍, 其產(chǎn)生的有益物質及分泌物質成為各自或相互生長的基質。

1.4 輔助機械設備

為了便于機械化操作及工廠化生產(chǎn)肥料, 處理廠內(nèi)配備了1臺JL800–8型電動篩用于上料; 1臺DCS–50P型(電子稱)自動打包機及其相關電動(強電、弱電)配套設備, 用于自動稱重和打包成品物料; 1臺Lugong–926型裝載機, 用于發(fā)酵塔上料和二次發(fā)酵翻堆; 1臺Lonking FD30釵車, 主要用于二次常溫發(fā)酵翻堆、成品碼垛, 或用于搬運附屬設備的臨時調(diào)位; 2臺傳送帶。

2 材料與方法

試驗于2011和2012年在大理州彌渡縣紅大科技示范園內(nèi)進行, 按照圖1的工藝流程, 利用田間不適用煙葉、干燥的稻米秸稈和煙稈為原料, 采用移動式粉碎機和固定粉碎設備進行物料粉碎, 再進行高溫殺毒發(fā)酵生產(chǎn)肥料。

發(fā)酵工藝流程: 經(jīng)過粉碎后含有一定量水分的物料與發(fā)酵菌劑一起通過傳送裝置從發(fā)酵罐的上部送入到罐體中, 在頂部攪拌機械的作用下, 二者混合均勻; 開啟輔助加熱系統(tǒng)加熱罐內(nèi)物料, 使溫度升到100～120 ℃, 同時通過空氣壓縮機向罐內(nèi)輸送氧氣, 以滿足菌劑需氧。經(jīng)過16 h罐內(nèi)高溫殺毒發(fā)酵, 物料從罐的底部脫落到傳送帶上, 再輸送到空置的場地, 進行24 h左右的二次常溫發(fā)酵。常溫發(fā)酵過程中, 鏟車對物料進行2～3次翻堆, 完成自然通氧后, 即完成整個發(fā)酵過程。

主要考查內(nèi)容包括: 粉碎機對不同物料粉碎效果的對比; 通氧量和溫度對發(fā)酵菌劑活力的影響; 高溫殺毒成品肥料的檢測; 高溫發(fā)酵工廠化運作效益分析。

3 結果與分析

3.1 不同縱刀結構粉碎效果

不同縱刀結構粉碎效果見圖6。圖6(a)是圓錐體式粉碎的物料, 該方法的優(yōu)點是工作效率高, 耗能少, 缺點是物料整體較為粗糙, 有大片(5 cm以上)殘留, 且切割不均勻。圖6(b)是小輥刀式切割粉碎的物料, 其優(yōu)點是切割較為均勻, 缺點是工作效率較低, 物料太細。圖6(c)為大輥刀式切割粉碎的物料, 特點是切割較為不均勻, 工作效率高, 粉碎的物料顆粒在0.5～1 cm間, 能夠滿足有機物發(fā)酵的需求。

(a) 圓錐體式粉碎的物料??? (b) 小輥刀式粉碎的物料??? (c) 大輥刀式粉碎的物料

3.2 煙葉不同含水量及不同種類物料配比對粉碎效果的影響

表1為不同含水量煙葉的粉碎效果, 粉碎后的煙葉含水量與煙葉的含水量呈正相關, 含水量越多, 物料顆粒越不成形, 不利于機械操作與傳送。相反, 含水量越少, 產(chǎn)生大量的粉塵, 容易被風吹散, 而且不能滿足菌劑發(fā)酵對水分的要求。煙葉含水量在40%時, 粉碎較為理想, 片間分開, 小片分離, 能夠滿足粉碎和發(fā)酵的要求。

表1 不同含水量煙葉的粉碎效果

為了直接用鮮煙葉進行發(fā)酵處理, 使用干燥的不同質量的農(nóng)作物秸稈(煙稈)配比鮮煙葉平衡發(fā)酵物料中的水分。表2顯示了植物秸稈(煙稈)和田間不適用鮮煙葉配比粉碎后物料的狀態(tài)。隨著混合物中鮮煙葉比重的減少, 物料粉碎后, 從不同物料分離, 煙葉呈現(xiàn)泥狀集結狀態(tài), 到混配均勻, 最后到大量粉塵產(chǎn)生, 物料再次分離狀態(tài)。當植物秸稈(煙稈)與鮮煙葉質量比為3︰1時, 粉碎后物料混合均勻, 手握濕潤, 符合有機物發(fā)酵要求。

表2 不同干燥煙稈與鮮煙葉配比的粉碎效果

3.3 通氧量與溫度對發(fā)酵菌劑活力的影響

高溫AAT有效微生物菌劑采用篩選出來的適應煙田廢棄物發(fā)酵的微生物群落。圖7顯示了菌劑活性、溫度、菌劑濃度(lgb)和氧氣濃度(lgO)之間的關系。菌群分為2類: 一類是兼性好氧菌, 另一類是好氧菌。兼性好氧菌活性在一定范圍內(nèi)隨著氧氣濃度增加而增加, 當氧氣濃度(lgO)超過-1.5 mg/L時, 隨著氧氣濃度的增加而降低。2種菌劑的活性隨著菌劑濃度的增加顯示先增加后降低的趨勢。綜合發(fā)酵溫度、通氧濃度和菌劑濃度, 菌劑活力在100～120 ℃之間發(fā)酵效果最佳, 較低的溫度不能有效發(fā)揮菌劑的微生物繁殖和煙草病毒殺除。

3.4 成品肥料檢測

肥料檢測結果見表3。從表3可知, 純凈的田間不適用煙葉做成的肥料有機含量較高, 56.1%, 氮素營養(yǎng)為1.7%, 遠遠高于一般秸稈如小麥、稻谷和玉米的含量[8]。在煙草常見病蟲害檢測方面, 蟲卵的死亡率為100%, 在百萬分之一的級別上沒有發(fā)現(xiàn)花葉病、黑莖病和根黑腐病病毒, 說明本項目通過100 ℃以上的高溫殺毒, 對于清除病蟲害有很好的效果。

表3 不適用煙葉高溫發(fā)酵產(chǎn)生肥料檢測

注: 數(shù)據(jù)來源于農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗測試中心(鄭州)。

3.5 經(jīng)濟效益分析

田間不適用煙葉按照正常下部葉2片, 上部葉1片計算, 每公頃煙田產(chǎn)生的不適用煙葉情況見表4。在規(guī)范化種植密度16 500株/hm2的情況下, 每公頃煙田能夠產(chǎn)生2 640 kg左右的不適用煙葉, 大約451.85 kg的干物質。

表4 每公頃煙田田間不適用煙葉產(chǎn)出情況

表5顯示了利用廢棄煙葉生產(chǎn)有機肥的費用分配情況, 按照有機物發(fā)酵過程中10%損耗, 生產(chǎn)1 t有機肥需要配套2.52 hm2煙田。按鮮煙0.9元/kg價格收購, 根據(jù)運輸距離長短不同, 工程化處理工廠每噸煙葉分別獲得290.57元或210.57元的間接效益。

表5 生產(chǎn)1 t有機肥配套費用分配

注: 按照2013年國家煙草專賣局的補貼計算。

按照每個基地單元1 333 hm2的煙田規(guī)劃, 基地單元內(nèi)田間不適用煙葉高溫發(fā)酵生產(chǎn)有機肥的效益分析見表6。每個基地單元內(nèi)的煙田廢棄物能夠生產(chǎn)有機肥料548.7 t, 每噸按照500元計算, 直接效益是38.99～43.38萬元。

表6 每個基地單元不適用煙葉高溫處理生產(chǎn)有機肥效益

4 討論與結論

4.1 肥料中病毒情況分析

煙草殘體中極易攜帶花葉病、黑莖病和根黑腐病等常見病毒, 如果高溫發(fā)酵生產(chǎn)出來的肥料不徹底將其清除, 會給后季煙草生產(chǎn)帶來潛在的威脅。吳剛[9]研究了溫度對TMV滅活作用, 在100 ℃, 1個標準大氣壓下, 水體環(huán)境中的TMV己經(jīng)難以存活, 滅活率接近100%。有報道稱煙株殘體必須經(jīng)過90 ℃以上的高溫殺毒, 才能徹底清除。本實驗高溫發(fā)酵采用溫度100～120 ℃, 高于100 ℃, 在成品肥料檢測中也未發(fā)現(xiàn)病毒的存在, 但其是否能夠施用于煙田, 還需要進行大田試驗進行進一步驗證。

4.2 深層次經(jīng)濟效益的挖掘

市場上單純的有機肥料售價較低, 烤煙生產(chǎn)所需的專用復合肥由有機質和無機質組成, 兩者比值為1︰4的有復合肥市場售價在每噸3 000元左右。用田間不適用煙葉高溫發(fā)酵生產(chǎn)有機肥, 通過添加生物制劑和N, P, K, 提高產(chǎn)品的附加值, 勢必收到很好的生態(tài)、社會和經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1] 王建安, 翟欣, 徐華發(fā), 等. 淺談烤煙基本煙田廢棄物的綜合利用[J]. 中國農(nóng)學通報, 2012, 28(34): 138–142.

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[9] 吳剛. 煙草花葉病毒滅活因子的初步研究[D]. 福州: 福建農(nóng)林大學, 2000: 19.

(責任編校: 江河)

Research of resource utilization about the disuse tobacco leaves of the field into organic fertilizers by high temperature fermentation

Wang Jianan1, Xu Fahua2, Wang Xinzhong2, Sun Junwei2, Liu Guoshun1

(1. College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. Dali Branch of Yunnan Tobacco Company, Dali 671000, China)

In order to study the harmless treatment style of the disuse tobacco leaves in the field, organic fertilizers by high temperature fermentation is developed, and that how to collect and smash by machinery and equipment is tested also. The results show that: when 40% moisture content of tobacco leaves is cut by big stick with cuter, or raw straw material to fresh tobacco is 3︰1 smashed by crusher integrated extrusion, cutting and grinding equipment, uniform particles after crushed will be able to meet the needs of high-temperature fermentation; effective temperature that AAT microbial fermentation has higher vigor is used between 100～120 ℃; content of organic matter of organic fertilizer made by disuse tobacco leaves through high-temperature fermentation processing is higher than the general straw such as wheat, rice and maize content, of which is reaching 56.9% with nitrogen of 2.63%; clearance rate of insect eggs in organic fertilizers is 100%, and disease virus for example TMV is not detected; if the project is utilized by each tobacco base unit in china, the annual direct benefits would be 389 900～433 800 RMB.

flue-cured tobacco; disuse tobacco leaves of the field; temperature fermentation; organic fertilizers

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.01.021

TS 41+3

1672–6146(2015)01–0086–06

王建安, wangja@henau.edu.cn; 孫軍偉, sunjunwei518@163.com。

2014–07–28

大理州煙草公司與河南農(nóng)業(yè)大學合作項目(云煙司[2011]173號(2011YN23))。