接種白腐菌對城市污泥堆肥效果的影響

張晶++魯娟++孫學成++盧琪+隆夢佳++胡承孝++譚啟玲

摘要：研究利用稻草、木屑和麩皮為調理劑進行室內城市污泥堆肥模擬試驗。同時接種白腐菌，監測堆肥過程中微生物指標、酶活水平及營養成分的動態變化，考察其對堆肥效果的影響。結果表明，與不接種白腐菌的對照相比，接種白腐菌能夠提高堆體的溫度、真菌數量、纖維素酶和半纖維素酶活性水平，降低氮素損失、促進硝態氮累積，全面提高堆體有效N、P、K含量。其中，接種2%的白腐菌效果最好，使發酵結束時堆料全氮的損失降低8.3個百分點，銨態氮含量降低31.1%，硝態氮含量增加14.2%；全磷、全鉀、速效磷、速效鉀含量分別提高42.9%、37.5%、33.4%、13.5%。

關鍵詞：白腐菌；城市污泥；調理劑；堆肥效果

中圖分類號：X705 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）11-2601-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.11.011

Effects of Inoculating White Rot Fungi on the Quality of Urban Sewage Sludge Compost

ZHANG Jing1，2a，LU Juan1，2b，SUN Xue-cheng1，2b，LU Qi1，LONG Meng-jia1，2b，HU Cheng-xiao1，2b，TAN Qi-ling1，2b

（1.Hubei Provincial Engineering Laboratory for New-Type Fertilizers，Wuhan 430070，China；

2a. Science College； b. Microelement Research Center， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070，China）

Abstract： In this study， effects of inoculating white rot fungi on the quality of sewage sludge compost were investigated by interior simulated composting experiment using straw， sawdust and bran as the modifier， and the microbiological enzyme activity and nutritional components were analyzed. The results showed that after inoculation of white rot fungi， the composting temperature， fungi number， cellulose and hemicellulose enzyme activity were improved， and nitrogen loss was reduced， as well as nitrate nitrogen accumulation was increased. Contents of available N， P， and K in compost were also raised. While 2% of white rot fungi was used to composting， the total nitrogen loss decreased by 8.3%， and ammonium nitrogen concentration was reduced by 31.1% to obtain a 14.2% increase of nitric nitrogen. Meanwhile， total P， total K， available P， and available K increased by 42.9%， 37.5%， 33.4% and 13.5% respectively.

Key words： white rot fungi； urban sewage sludge； modifier； compost effect

城市污泥是指城市生活污水、工業廢水處理過程中產生的固體廢棄物[1]。2012年中國廢水排放總量684.8億t，污泥產生量也隨之顯著增加[2]。污泥通常富集大量有毒有害物質，得不到有效處理處置就成為新的污染源，并且給生態環境帶來極大的安全隱患。目前常采用填埋、焚燒、堆肥、土地利用等方法處置污泥。其中，填埋不僅需要占用大量空間，且易造成有害成分滲透，增加填埋場處理負荷。污泥焚燒則需要較高的費用和技術，不適合大范圍使用。好氧堆肥處理污泥被認為是一種經濟有效、有發展前景的污泥處置方法[3]。然而，傳統堆肥耗時長，效果差，并且由于長時間堆肥，容易導致大量的N素損失，據統計，城市污泥堆肥化處理過程中N損失量達50%～60%[4]。其中，氨揮發造成氮素養分的損失，不僅降低了其農用價值，還會產生嚴重惡臭、酸雨等新的環境污染問題[5]。因此如何縮短污泥堆肥腐熟時間、減少氮素損失、提高堆肥品質成為堆肥研究過程中的關鍵問題。

調理劑是堆肥的重要輔料，堆肥中加入調理劑可以起到調節物料W（C）/W（N）比、含水率、自由空域、堆肥養分等作用，達到好氧微生物對生長環境的要求[6-10]。稻草、麩皮富含纖維素是較好的碳源，來源廣泛，適宜用作堆肥調理劑[11]。其中，稻草是中國第一大作物秸稈，其產量占全國農作物秸稈總產量的1/5以上，由于秸稈的綜合利用具有限制性導致大量的稻草剩余，焚燒稻草的現象屢禁不止，造成環境污染、影響居民生活。采用稻草為調理劑旨在提高稻草資源化利用，變廢為寶，增加其附加值[12]。endprint

在城市污泥堆肥處理過程中，由于許多微生物不能分解木質素，而纖維素有外層木質素的包裹保護，導致纖維素分解也受到限制[13]。稻草富含纖維素、木屑中木質素含量豐富，它們的加入更增加了堆肥中纖維素、半纖維素、木質素的含量。在所有能降解木素質的微生物中，白腐菌是目前研究最充分的、對木質素具有最強降解能力的一類真菌，白腐菌的應用是最有前景的微生物預處理方法[14]。因此，本研究采用稻草、木屑和麩皮為調理劑，接種白腐菌進行城市污泥堆肥試驗，為城市污泥、稻草、木屑的資源化、堆肥化利用探索新途徑。

1 材料與方法

1.1 供試材料

污泥取自武漢沙湖污水處理廠脫水污泥。稻草取自華中農業大學校內科研基地；木屑取自湖北工業大學木材加工廠；麩皮取自武漢北湖，曬干備用。試驗所用白腐菌為黃孢原毛平革菌（BKMF21767），購自武漢大學中國典型培養物中心。試驗原料的基本理化性質見表1。

1.2 試驗設計與方法

本試驗選用稻草、木屑、麩皮組合充當污泥堆肥的調理劑，調整污泥、稻草、木屑、麩皮的添加比例為12∶2∶1∶1.5，C/N為22，共設置4個處理，分別接種0%、1%、2%、5%的白腐菌孢子懸液（接種量為1.6×106個/mL），每個處理3組重復。將脫水污泥與稻草、木屑、麩皮按比例混合，制成體積約13 L，重量約10 kg的堆體進行堆肥試驗。堆肥試驗裝置如圖1，塑料桶底墊網篩，外壁鉆一孔連接通風機，通風量為0.1 m3/h。桶蓋上鉆一孔，便于插入溫度計測量溫度（圖1）。

堆肥第四天時翻堆1次，以后每7 d翻堆1次。第八天時，接種白腐菌孢子懸液，并調整堆體含水率均為65%，再繼續堆制40 d。試驗過程中每3天取1次鮮樣用于pH、種子發芽率、纖維素、半纖維素酶活、全氮、全磷、全鉀、以及氨態氮、硝態氮含量的測定。

1.3 測定方法

酶活測定：用纖維素酶或半纖維素酶分解待測樣品后，采用FPA法檢測[15]。

銨態氮、硝態氮含量測定：KCl浸提后，采用流動分析注射儀檢測[16]。

全氮含量測定：凱氏定氮法檢測[16]。

全磷含量測定：H2SO4-H2O2消解后采用釩鉬黃顯色法檢測[16]。

全鉀含量測定：H2SO4-H2O2消解后采用火焰光度計檢測[16]。

速效磷含量測定：CH3COONa浸提后，用釩鉬黃顯色法檢測[16]。

速效鉀含量測定：CH3COONH4浸提后采用火焰光度計檢測[16]。

1.4 統計分析

采用Sigmaplot作圖，DPS軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 接種白腐菌對堆肥過程中溫度的影響

對于堆肥系統來說，溫度是影響微生物活性和堆肥工藝過程的重要因素，又是堆肥狀態的具體表現[17]。由圖2可知，4個處理污泥堆肥溫度變化趨勢相同，均經歷升溫期、保溫期、降溫期和穩定期四個階段。在溫度下降后的第8天接種白腐菌，之后溫度進一步升高。最高溫度分別為60.5、60.5、60.8、60 ℃。接種后高溫持續4 d后，堆體溫度逐漸下降，逐漸進入后熟階段，4個堆體的溫度趨于一致。一般污泥堆肥的較佳溫度為50～65 ℃，不能超過80 ℃。本試驗4個堆體溫度在50～65 ℃之間的天數分別有5、7、7、6 d。所以，接種白腐菌更有利于延長堆料的高溫時間，其中接種1%、2%的白腐菌能進一步提高堆肥溫度，進而可能提高腐熟效率。

2.2 接種白腐菌對堆肥過程中真菌、細菌數量的影響

真菌的存在對于堆肥物的腐熟和穩定具有重要的意義。堆體真菌數量隨堆肥時間變化先降后升，最后逐漸消亡（圖3）。產生這一現象的原因可能是由于堆體溫度快速升至60 ℃以上，嗜溫真菌受到抑制，休眠或死亡。當堆體進入降溫期時，真菌又繁殖旺盛，數量增長迅速，在堆肥后期，由于物料中有機物的分解，營養物的消耗，真菌數量開始減少[18]。堆體真菌數量初始值為3.5×104個/g。各處理的堆體真菌數量分別在第12、16、16、16天達到最大，分別為18.7×104、24.1×104、26.2×104、19.0×104個/g，分別比對照增加28.9%、40.1%、1.6%。發酵終點各體系的真菌數量均為0。白腐菌的添加有利于增加堆肥中的真菌數量，其中，接種2%的白腐菌對堆體真菌數量的提高效果更明顯。

堆肥體系的溫度、養分、水分、通氣量均對細菌的生長有著很大的影響。堆肥初期，微生物分解有機質使堆溫上升，當溫度上升到40 ℃左右，常溫菌受到抑制、總菌數有所下降；堆體溫度上升到50 ℃左右時，嗜溫菌受到抑制，嗜熱菌開始活躍，當溫度大于60 ℃，嗜熱菌部分死亡或休眠，細菌總數和堆肥溫度均開始下降。4個處理的總細菌數分別在第16、12、16、16 d達到最大，分別為28.1×108、22.3×108、23.6×108、21.5×108個/g，之后細菌總數呈起伏下降趨勢，細菌數量最終分別降至2.6×108、2.0×108、2.2×108、2.0×108個/g。相比對照分別降低23.1%、15.4%、23.1%（圖4）。接種白腐菌使得堆肥體系中總細菌數有所減少。可能是白腐菌的添加對堆肥中細菌的繁殖存在競爭、抑制作用。

2.3 接種白腐菌對堆肥過程中纖維素、半纖維素酶活的影響

堆肥中的纖維素、半纖維素均能限制堆肥的腐熟進程，研究纖維素、半纖維素的酶活水平能側面反映堆肥中纖維素、半纖維素的分解情況。

接種白腐菌能顯著增加堆肥過程中纖維素、半纖維素酶活水平。由圖5可知，4個處理中纖維素酶活分別在第24、32、24、20天達到峰值，最高值分別為117.1、221.0、238.1、196.5 U/L，纖維素酶活水平按序排列為接種2%白腐菌>接種1%白腐菌>接種5%白腐菌>對照，分別比對照提高103.3%、88.7%、67.8%。堆肥末期，各處理纖維素酶活分別為94.3、198.9、168.5、133.8 U/L，酶活水平按序排列為接種1%白腐菌>接種2%白腐菌>接種5%白腐菌>對照，分別比對照提高110.9%、78.7%、41.9%。endprint

堆肥過程中半纖維素酶活變化如圖6所示，4個處理中半纖維素酶活分別在第24、36、24、24 d達到峰值，最高值分別為195.3、364.3、530.9、567.8 U/L，半纖維素酶活水平按序排列為接種5%白腐菌>接種2%白腐菌>接種1%白腐菌>對照，分別比對照提高190.7%、171.8%、86.5%。堆肥末期，各處理半纖維素酶活分別為144.7、361.4、343.8、326.1 U/L，酶活水平按序排列為接種1%白腐菌>接種2%白腐菌>接種5%白腐菌>對照，分別比對照提高149.7%、137.6%、125.4%。

2.4 接種白腐菌對堆肥全氮、全磷、全鉀含量的影響

堆肥過程中氮素的轉化主要包括兩方面，氮素的固定和氮素的釋放。通常在堆肥結束后，氮素有大量的損失，這是由于有機氮的礦化和持續性氮的揮發以及硝態氮的反硝化。接種白腐菌能夠降低氮素的損失（圖7），4個處理，堆肥物料全氮的初始含量均為53 g/kg，第8天均下降至49 g/kg，發酵結束時各處理組堆料全氮含量分別為37、41、42、40 g/kg，比堆肥開始時的含量分別下降了30.1%、22.6%、21.8%、25.9%，相比對照，全氮含量的損失依次減少7.5、8.3、4.2個百分點，接種2%白腐菌處理組全氮含量下降最少。由于白腐菌在堆肥發酵的第8天接種，前8 d全氮的下降，主要是由有機氮的礦化和氨持續性揮發造成的。此后，氮含量的下降主要是后期由于硝態氮的反硝化作用加強造成[19]。

在微生物的作用下，有機質被分解，加之水分不斷蒸發，使全磷、全鉀含量濃縮上升。堆料全磷含量隨著堆制天數的延長逐步上升（圖8）。各處理堆料初始全磷含量為7 g/kg，發酵結束時全磷含量分別為14、17、20、17 g/kg，分別增加了100%、142.9%、185.7%、142.9%。相比對照，全磷含量分別增加21.4%、42.9%、21.4%。從圖9可以看出，4個處理的全鉀初始含量均為12 g/kg，發酵結束時全鉀含量分別為16、20、22、19 g/kg，分別增加了33.3%、66.7%、83.3%、58.3%。相比對照，全鉀含量分別增加25%、37.5%、18.8%。接種白腐菌有利于加速堆料有機質的分解，提高腐熟程度，從而顯著增加發酵結束時堆體中全磷、全鉀含量。

2.5 接種白腐菌對堆肥過程中堆料NH4+-N、NO3--N的影響

堆肥化處理特別是好氧發酵處理過程中，伴隨有機物料快速分解而產生大量的NH4+-N，造成氨揮發損失，若堆肥中NH4+-N質量分數高于400 mg/kg便會對作物產生鹽分毒害作用。接種白腐菌能夠顯著降低堆肥中NH4+-N的含量，4個處理NH4+-N的初始含量均為998.4 mg/kg，第四天達到最大，均為1432.2 mg/kg，發酵末期NH4+-N含量分別為504.0、382.4、347.5、377.0 mg/kg，分別比對照降低24.1%、31.1%、25.2%，NH4+-N含量的變化情況如圖10所示。硝態氮是作物最佳氮源，4個處理硝態氮含量變化均呈先下降后迅速上升的趨勢（圖11）。接種白腐菌顯著提高了堆肥硝態氮含量，腐熟后期各處理硝態氮含量分別為1 469.5、1 519.2、1 677.6、1 589.0 mg/kg，分別比對照增加3.4%、14.2%、8.1%。

2.6 接種白腐菌對堆肥過程中堆料速效磷、速效鉀的影響

在堆肥過程中，有機物中難被植物吸收利用的磷可以隨有機物的腐解轉變成植物較易吸收的形態，從而可提高磷的有效性及磷的利用率[6]。堆體中的速效磷含量在堆肥過程中均呈先升后降的趨勢（圖12）。堆肥初期有效磷含量均為4 255.0 mg/kg，堆肥過程中有效磷的最大值分別為6 132.2、6 112.6、6 875.2、8 223.3 mg/kg，堆肥結束時各處理有效磷含量分別降到4 523.1、5 643.3、6 034.4、5 858.4 mg/kg，相比對照分別增加24.8%、33.4%、29.5%。白腐菌的添加能顯著增加堆體中有效磷的含量，一方面可能是由于白腐菌對有機物分解產生了有機酸和腐殖質，這些物質由于其本身具有酸性或含有大量酸性基團，從而具有較強的溶解難溶磷的能力；另一方面可能是由于有機質的分解、調理劑的腐解產生可溶性磷，使得有效磷含量增加。但堆肥后期部分有效磷轉化為緩效磷，使得有效磷的含量逐漸降低。

速效鉀的初始含量均為5 328.8 mg/kg，4個處理堆料的速效鉀含量分別在第40、40、48、40 d達到最大，分別為7 943.9、7742.7、9 745.0、8 145.0 mg/kg。堆肥結束時不同處理速效鉀含量分別為7 541.5、 7 340.4、8558.9、7 742.7 mg/kg，相比對照，接種1%的白腐菌使速效鉀含量降低2.7%，接種2%、5%的白腐菌使速效鉀含量分別增加13.5%、2.7%（圖13）。

3 結論與討論

1）試驗結果表明，以稻草、木屑、麩皮為調理劑（比例為12∶2∶1∶1.5），接種2%白腐菌懸液，進行城市污泥堆肥模擬試驗，能使堆體達到最佳腐熟效果。

2）4個處理的污泥堆肥溫度變化趨勢相同，均經歷升溫期、保溫期、降溫期和穩定期4個階段。接種白腐菌能夠提高堆肥溫度、延長堆料高溫期。溫度一定程度影響微生物的繁殖，在一定的溫度范圍內，溫度每升高10 ℃，有機體生化反應速率提高1倍[20]。試驗中添加2%的白腐菌，堆體最高溫度及高溫持續時間均高于其他處理組。堆體真菌數量明顯增加，有利于提高纖維素、半纖維素酶活水平，進而加速纖維素、半纖維素分解，促進堆肥進程。

3）堆肥過程中有機氮的礦化和持續性氮的揮發以及硝態氮的反硝化均能造成氮素的損失。接種白腐菌能夠促進氮源轉化為硝態氮，降低氮源向銨態氮的轉化，減少氮的揮發，從而降低氮素的損失，提高堆肥質量。其中接種2%的白腐菌效果最好，能使發酵結束時堆料全氮的損失降低8.3個百分點，硝態氮含量增加14.2%，銨態氮含量降低31.1%。endprint

4）磷、鉀屬于不揮發和降解元素，全磷和全鉀含量在堆肥過程中的變化趨勢相同，均隨著有機質的降解及水分的蒸發呈逐步增加的趨勢。其中接種2%的白腐菌使全磷、全鉀、速效磷、速效鉀含量比對照分別增加42.9%、37.5%、33.4%、13.5%。

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