甘蔗渣堆肥颗粒化：面向农业废弃物管理的可持续致密化

《Cleaner Engineering and Technology》：Bagasse Compost Pelletization: Sustainable Densification for Agricultural Waste Management

　　

本研究考察了甘蔗渣堆肥的物理、力学与微观结构特性，以优化其致密化为耐用颗粒用于农业应用。甘蔗渣堆肥首先在不同水分含量（8–16%，湿基）与筛孔尺寸（1–4 mm）下经锤式粉碎处理。结果表明比研磨能耗随水分含量呈指数上升，随筛孔增大而下降，范围为11至750 kJ/kg。颗粒尺寸分布表征显示较粗筛孔下分布更宽。随后采用闭模液压机在受控压力（50–150 MPa）、水分含量（8–20%）与粒径（1–4 mm）下制备颗粒。采用响应面法(RSM)对压实能耗、抗断裂性与颗粒密度建模。提高压力显著增强上述三项指标；较高水分通常降低压实能耗但改善抗断裂性，颗粒密度则先升后降；粒径对压实能耗与密度影响较弱，但对抗断裂性有正向作用。扫描电镜(SEM)显示堆肥相较原料甘蔗渣呈现更开放的纤维束与裂纹，表明结构改变。X射线衍射(XRD)显示因无定形区（半纤维素与木质素）降解、结晶纤维素稳定，结晶度指数升高。差示扫描量热法(DSC)确定堆肥平均玻璃化转变温度(Tg)为89.7 °C，凸显致密化中温控对保全有益微生物的重要性。傅里叶变换红外光谱(FTIR)确认半纤维素显著降解等化学变化。这些发现为优化甘蔗渣堆肥颗粒化以实现可持续高效利用提供了关键见解。

研究背景方面，全球人口到2050年预计达97亿，农业与工业活动加剧导致有机废弃物激增，其中甘蔗渣年产约2.79亿吨。传统填埋与露天焚烧不可持续，堆肥化虽能将木质纤维素残渣转化为稳定有机改良剂，但堆肥后甘蔗渣堆肥体积密度极低（100–200 kg/m³），使运输成本增加40–70%，制约机械化施用。原料甘蔗渣作为生物燃料颗粒化研究较多，但堆肥化后甘蔗渣兼具保水、通气与有益微生物载体功能，其颗粒化研究稀缺。常规生物质颗粒化常需＞100 °C以激活木质素热塑流动，但堆肥中益菌在＞60 °C即失活，且堆肥T_g为89.7 °C，故需冷颗粒化（模温＜60 °C）。研究人员针对此开展首例堆肥甘蔗渣冷颗粒化参数优化与跨尺度表征，论文发表于《Cleaner Engineering and Technology》。

关键技术方法上，样本为伊朗Biofer公司风干条垛堆肥甘蔗渣（原料甘蔗渣混牛粪3:1 v/v、尿素调C:N至25:1，10周发酵+4周熟化，终C:N 18:1、发芽指数84%）。研究人员依次采用锤式粉碎测比研磨能耗、筛分获几何均值粒径与分布、闭模液压机（8 mm模、50–150 MPa、4.5 mm/min、保压60 s）制粒、RSM(Box-Behnken设计17组)建模压实能耗/抗断力/密度，并借SEM、XRD(Segal法算CrI)、DSC(测T_g)、FTIR作多尺度表征，全程模温热电偶监控＜60 °C。

研究结果部分，比研磨能耗小节指出能耗随水分指数升（8%→16%达2.5倍）、随筛孔增大降（1 mm比4 mm高14倍），16%湿基+1 mm+2000 rpm达750 kJ/kg，故工业宜用≥4 mm筛、预干至≤12%。颗粒尺寸分布小节显示4 mm筛产出分布更宽，利于细料填隙提高抗断性。真密度与堆积密度小节中，粒径由1 mm增至4 mm真密度由1.12降至0.98 g/cm³，堆积密度最高215 kg/m³（1 mm、16%湿基）。休止角小节中充填法比排料法高5–10°，粒径增大角增（8%时35°→48°）。化学组成小节显示堆肥氮0.74%、碳30.66%、pH 8.68、半纤维素由18.87%降至14.9%、纤维素14.6%、木质素61.79%、CrI由62%升至75%。压实能耗小节RSM模型R²=0.985，压力主导（50→150 MPa时2.82→8.65 kJ/kg），水分升则能耗降（8%→20%时5.89→2.22 kJ/kg）。颗粒抗断裂性小节R²=0.9491，水分效应最强，150 MPa+20%湿基下达27.095 kg，4 mm筛因分布宽达26.60 kg。颗粒密度小节R²=0.9546，压力升密度升（0.89→1.08 g/cm³），水分非线性（峰值1.09 g/cm³于150 MPa+16.35%），粒径不显著。SEM小节见堆肥纤维开裂纹、束状暴露；XRD小节证Cellulose I存留、无定形峰(18°)减弱；DSC小节T_g均89.7 °C（41.35–157 °C区间）；FTIR小节1734 cm^-1峰弱证半纤维素降。

讨论与结论翻译总结：研究人员讨论认为最优参数为湿基14–16%水分、100–150 MPa、粒径2.5–4 mm，得抗断最高37 kg、密度1.09 g/cm³；堆肥微结构降解使粒径对密度影响弱于原料生物质；冷颗粒化避T_g与菌死温度矛盾，模温实测≤54 °C；总能耗权衡下预干至12–14%可降总能耗18–22%；体积缩4.6倍、运储费降60–80%；与Furuhashi等(2024)、Sung-inthara等(2024)、Zhang等(2023)结果一致。结论为：甘蔗渣堆肥冷颗粒化在＜60 °C下以高压补偿结晶度升高带来的结合力损失，借宽分布与中等水分激活天然粘结剂，可同时实现工业级密度与益菌存活，为甘蔗产区提供符合SDG 12的废弃转资源化路径。