接種高溫纖維素菌劑對生活垃圾堆肥理化性質的影響

王偉軒, 孫志朋, 霍文杰, 周琳, 王玉冰, 何湘偉,*

1.華北理工大學, 河北 唐山 064300 2.北京林業大學, 生物科學與技術學院, 北京10083

接種高溫纖維素菌劑對生活垃圾堆肥理化性質的影響

王偉軒1, 孫志朋1, 霍文杰1, 周琳2, 王玉冰2, 何湘偉2,*

1.華北理工大學, 河北 唐山 064300 2.北京林業大學, 生物科學與技術學院, 北京10083

為探討高溫纖維素菌劑對生活垃圾堆肥的影響, 研究在堆肥過程中添加了不同劑量和不同種類的微生物菌劑。分析了堆肥過程中各個階段不同處理的溫度、含水率、pH值、E4/E6、有機質、全氮、硝態氮、銨態氮、C/N、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀的變化情況。研究表明接種微生物菌劑的處理使堆肥初期升溫上升較快, 堆肥效果好于空白對照處理。其中添加1%自制纖維素菌劑的處理升溫速度較快, 堆肥發酵后期含水率最低, 腐殖化程度、有機質降解效率最高, C/N達到20時所用時間最短, 全氮、硝態氮、銨態氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀含量最高, 堆肥效果最好。

生活垃圾; 堆肥; 纖維素菌劑; 理化性質

1 前言

隨著社會經濟的發展、城市化進程的加快、城市人口的增多以及人民生活水平的提高, 生活垃圾的產量也在不斷地增加, 因為城市生活垃圾處理的滯后, 許多城市都發生了“垃圾圍城”現象[1], 生活垃圾的積累會造成疾病的傳播、侵占土地、污染水體、污染大氣、污染土壤、影響市容和環境衛生等各種各樣的問題, 城市生活垃圾問題已成為困擾全球各國城市發展的焦點與難點[2–3]。從資源學的角度看, 生活垃圾也是資源, 而且也是當前世界上唯一不斷增長的潛在資源。堆肥是實現生活垃圾資源化利用的重要措施[4]。而纖維素類物質是堆肥過程主要的難降解有機物質, 所以在生活垃圾好氧堆肥過程中, 合理添加高效纖維素菌劑有助于提高微生物系統的功能, 加快有機物分解, 促進堆肥物料的腐熟, 提高肥效[5]。由于在堆肥過程中存在較長時間的高溫期, 所以高溫菌較常溫菌具有更高的微生物代謝活性和有機物降解速率, 在生活垃圾處理領域具有廣泛的應用前景和科學價值[6]。因此迫切需要研制出高溫纖維素菌劑以提高堆肥質量。為了促進生活垃圾的資源化利用, 本研究在堆肥中添加自制的高溫纖維素菌劑,探求其對生活垃圾堆肥理化性質的影響。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

2.1.1 試驗菌劑

(1)自制高溫纖維素菌劑, 有效菌落數為 3×1010cfu·g–1, 主要由適高溫的降解纖維素菌株組成。

(2)康源綠洲菌劑。

2.1.2 堆肥原料

堆肥原料由北京北林先進生態環保生態研究院有限公司提供, 是從北京順義區收集的生活垃圾,主要由一些蔬菜皮、骨頭、餐廚和樹葉組成。堆肥物料的理化性質見表1。

2.1.3 堆肥設備

堆肥設備是由北京北林先進生態環保生態研究院有限公司提供的靜態堆肥裝置, 裝置由四組發酵槽組成, 長60 cm, 寬60 cm, 高120 cm, 在發酵槽的底部為通風系統, 根據發酵情況, 每三天或者每四天進行翻堆, 在堆肥中后期視情況適當補水。本試驗有四個處理, 每個處理三個重復, 具體情況見表2。

表1 試驗材料的性質Tab.1 Properties of experimental materials

表2 堆肥處理方案Tab.2 Treatments of compost

2.2 試驗方法

2.2.1 樣品的采集

堆肥共維持30天(2015年7月12日至2015年8月10日), 在堆肥的第1、4、7、10、13、16、19、22、25、28和30天采樣, 每次從堆肥的底部、中部和上部 6個點分別采樣并混合均勻, 一部樣品自然風干, 磨碎過直徑為1 mm篩, 消煮后用于N、P、K的測量, 一部分新鮮樣品用于 pH值和含水率的測量。每個處理三個重復, 取平均值作為試驗結果。

2.2.2 溫度的測量

由試驗設備自動溫度傳感器測量, 每個處理三個重復, 取平均值作為試驗結果。

2.2.3 pH和E4/E6的測定

將新鮮堆肥樣品與去離子水 1:10混合, 160 r·m–1震蕩1小時后靜置, 用pH計直接測量pH值。靜置后取上清液測量其在465 nm(E4)和665 nm(E6)下的吸光值, 并計算E4/E6。每個處理三個重復, 取平均值作為試驗結果。

2.2.4 全氮、全磷、全鉀的測量

將過直徑為1 mm篩的自然風干堆肥樣品消煮[7],取部分上清液用全自動間斷化學分析儀(Auto Discrete Analyzers)200測定堆肥的全氮和全磷含量。全鉀的測定采用火焰分光光度法[7]。

2.2.5 硝態氮、氨態氮、有效磷、速效鉀的測量

硝態氮、銨態氮和有效磷用全自動間斷化學分析儀(Auto Discrete Analyzers)200測量, 速效鉀的濃度用火焰分光光度法測量。每個處理三個重復, 取平均值作為試驗結果。

3 結果與分析

3.1 堆肥過程中的溫度變化

對于堆肥系統而言, 溫度是影響微生物活動和堆肥工藝的重要因素, 是堆肥狀態的表觀體現[8]。一定范圍內溫度的變化與微生物的比生長速率之間存在正相關, 堆體溫度的高低決定堆肥速度的快慢。同時, 只有在高溫期維持一定時間才能徹底殺滅蛔蟲卵和有害微生物, 我國糞便無害化衛生標準規定,堆肥溫度在50—55 °C以上維持5—7天達到無害化要求(GB7959—87)。生活垃圾堆肥試驗結果如圖 1所示, 從圖中可知, 對照組堆肥系統所能達到的最高溫度為60 °C, 到達最高溫度的時間為第6天; 而試驗組CL-1、CL-2和CL-3所能達到的最高溫度分別為 63 °C、66 °C 和 67 °C, 達到最高溫度所用的時間均為第5天; 四個處理堆體溫度在55 °C以上維持的時間分別為10天、15天、16天和9天; 雖然CL-3處理的最高溫度最大, 但高溫期維持時間短, CL-2處理最高溫度相對較高, 高溫期維持時間最長。通過以上分析表明, 接種微生物菌劑的處理明顯好于不添加菌劑的處理, 這主要是因為自制菌劑中的菌株為高溫菌, 相對于 CL-3處理其菌群結構更合理,其中的微生物更適應高溫環境, 因而有利于提高堆肥效率。對于CL-2處理, 其接種菌劑量為 CL-1的10倍, 在堆肥的過程中尤其堆肥初期微生物需要適應新的環境, 加大菌劑的接種量能夠提高堆肥中的微生物數量, 也有利于提高堆肥效率。

3.2 堆肥過程中含水率的變化

圖1 生活垃圾堆肥過程中各處理溫度的變化Fig.1 Change of temperature during composting in different treatments

堆肥過程中水分可以溶解有機物, 參與微生物的新陳代謝, 為微生物提供一個水環境來分解有機質。水分蒸發的過程中會帶走一部分熱量, 因而可以起到調節堆體溫度的作用[9]。由圖 2可知堆肥的含水率呈現不斷降低的趨勢, 這主要是因為微生物的新陳代謝使堆肥溫度升高并且明顯高于外界溫度,水分不斷蒸發。從含水率變化的整體趨勢來看, 在整個堆肥過程中含水率的大小關系為: CK＞CL-1＞CL-3＞CL-2, 而且從第 25天后每個處理的含水量變化不大, 基本保持不變。CL-2處理在25天后堆肥的含水率為18.6%, CL-1和CL-3處理的含水率分別降到了25.5%和22.2%, 而對照組CK的含水率仍高達36.0%。可能是由于添加1%的自制纖維素菌劑堆肥中, 含有較多的微生物, 使堆肥中的物料反應更徹底, 堆肥中的水分蒸發的比較充分。同時, 堆肥物料中的含水率較低也利于堆肥的后續處理。

3.3 堆肥過程中pH的變化

圖2 生活垃圾堆肥過程中各處理含水率的變化Fig.2 Change of the percentage of moisture during composting in different treatments

圖3 生活垃圾堆肥過程中各處理pH值得變化Fig.3 Change of pH during composting in different treatments

從圖3可以看出, 在整個生活垃圾堆肥的過程中, pH值總體呈現了先上升后下降又上升的趨勢,整個過程中 pH值基本維持在中性范圍內而且四個處理的 pH值變化相差不大。本研究堆肥的材料為生活垃圾, 最初的pH值為6.7, 發酵后堆體的pH值為7.7左右。在堆肥初期的1—4天, pH值呈現上升趨勢主要由于堆體中的微生物分解含氮類物質導致的; 在第4—10天, 微生物促進堆肥中的蛋白質、糖類、氨基酸和酯類等有機物分解成小分子的有機酸,致使堆體的pH值降低; 在第10—30天的過程中, 由于有機酸的含量逐漸減少, 堆體的pH值開始緩慢升高, 但在堆肥的后期各處理的pH值相差不大。但接種外源微生物菌劑的處理pH值相對較高, 主要是由于添加外源微生物使堆體中的微生物數量顯著增加,其代謝活性也相對旺盛致使pH值相對較高。

3.4 堆肥過程中E4/E6的變化

在堆肥過程中, 通常用 E4/E6來反應腐殖質的品質或縮合程度、芳構化程度等, 其比值越低, 腐殖化程度和聚合程度越高, 分子量越大[10]。從圖4中可以看出各處理 E4/E6均呈現先升高后降低的趨勢。在堆肥前期的第1—10天, E4/E6的比值隨著溫度升高而升高并且在第 10天的時候比值達到最高,CK、CL-1、CL-2和CL-3四個處理E4/E6比值分別為3.4、3.2、2.7和3.1, 對照組的比值高于添加菌劑的處理, 其中CL-2處理的比值最低, 說明其腐殖化和芳構化程度最高。在第10天以后E4/E6的比值開始緩慢降低, 在堆肥的后期 E4/E6的比值基本保持不變, 在整個堆肥的過程中添加菌劑處理的 E4/E6均低于 CK, 說明添加外源微生物可明顯增加胡敏酸的縮合度, 讓生活垃圾堆肥腐殖化程度提高。同時添加 1%的自制纖維素菌劑(CL-2)的腐熟程度明顯好于其他兩個處理。

3.5 堆肥過程中有機質的變化

圖4 生活垃圾堆肥過程中各處E4/E6的變化Fig.4 Change of E4/E6 during composting in different treatments

生活垃圾堆肥過程實際上是通過微生物的生命活動使有機物降解的過程, 是有機物穩定化和腐殖化的過程[11]。有機質的降解程度反應了生活垃圾堆肥過程中微生物作用大小[1]。如圖5所示, 在整個生活垃圾堆肥過程中有機質含量呈現出明顯的降低趨勢, 在堆肥前期有機質下降幅度較大, 而在堆肥的后期下降幅度相對緩慢。降解有機質最快的處理為CL-2, 然后依次為 CL-3和 CL-1, 降解速度最慢的為CK處理, 在第30天的時候CK、CL-1、CL-2和CL-3四個處理有機質的含量從最初的67%分別下降到 46%、45%、42%和 44%。由此說明接種外源的微生物菌劑, 可以加快堆肥中有機物的降解, 而且在四個處理中 CL-2降解有機物的效率要高于其它處理。

3.6 堆肥過程中全氮的變化

堆肥過程中氮元素的轉化主要是微生物作用的結果, 并最終決定堆肥產品的腐熟度[12–13]。由圖 6可知, 在整個生活垃圾堆肥過程中, 總氮含量呈現先下降后上升的趨勢。在堆肥初期的前七天, 所有處理全氮含量與堆肥前相比, 都呈現下降趨勢, 可能是由于溫度過高導致NH3的逸出和水溶性氮成分隨水流出造成氮的損失。其中CK處理全氮含量下降最慢, 從 1.32%下降到 1.27%; CL-1從初期的1.32%下降到 1.25%; CL-2從初期的 1.32%下降到1.21%; CL-3從初期的1.32%下降到1.22%。氮素的損失率 CL-2＞CL-3＞CL-1＞CK, 可能是由于 CL-2處理溫度相對較高, 微生物生命活動最旺盛造成其損失率最高。從第 7天開始, 所有處理全氮的含量開始上升, 這是由于堆體對氮元素進行了重新利用,一些含氮的有機物質開始合成因而全氮含量開始上升, 其中 CL-2處理上升的最快, 而 CK上升的最慢, 在堆肥第 30天的時候, CK、CL-1、CL-2和CL-3四個處理總氮的含量依次為 1.63%、1.67%、1.76%和1.71%。

圖5 生活垃圾堆肥過程中各處理有機質的變化Fig.5 Change of the organic matter during composting in different treatments

圖6 生活垃圾堆肥過程中各處理總氮含量的變化Fig.6 Change of total Nconcentrations during composting in different treatments

3.7 堆肥過程中硝態氮和銨態氮的變化

圖8反應的是生活垃圾堆肥過程中各處理銨態氮的變化情況, 從圖中可以看到, 銨態氮含量呈現先升高后降低趨勢, CK處理在第四天的時候達到最大值652.24 mg·kg-1, CL-1、CL-2和CL-3三個處理在第七天時達到最大值, 分別為 776.88 mg·kg-1、873.52 mg·kg-1和 635.2 mg·kg-1, 這是因為在生活垃圾堆肥初期, 堆肥物料中氮含量相對較高, 此時微生物代謝旺盛加速了氮元素分解, 并以銨態氮形式保存下來。在第7天以后, 隨著堆體溫度和堆體pH值的變化, 在氨化細菌作用下使銨態氮轉化為氨氣釋放到環境中, 同時在一些硝化細菌和亞硝化細菌作用下一部分氨氣以硝態氮的形式被固定下來, 從圖 7中可以看到, 在生活垃圾堆肥第七天開始硝態氮含量增加速度開始變快。由圖 8可知, 在整個堆肥過程中四個處理的銨態氮含量最高為CL-2, 最低為CK。可見添加1%自制微生物菌劑可以減緩銨態氮的減少。

在生活垃圾堆肥初期的前七天, 有機氮主要轉變為銨態氮, 所以硝態氮含量保持較低水平, 隨后堆體中硝態氮含量開始快速增加, 這主要是由于堆體的溫度、含氧量和 pH值等影響了硝化細菌和亞硝化細菌的活性。由圖 7可知, 四個處理硝態氮含量在整個堆肥過程中均呈現上升趨勢, 在堆肥初期,硝化細菌的作用受到抑制, 而氨化細菌占主導作用。在第7天以后, 尤其在第25天以后硝態氮含量增加顯著, 主要是由于硝化細菌的活性開始增強,銨態氮轉變為硝態氮。由圖可知, 在堆肥前期, 四個處理硝態氮含量相差不大, 但在堆肥后期CL-2處理硝態氮含量明顯高于其它處理, 在第30天時, CL-2硝態氮含量為 318.32 mg·kg-1, CL-1 處理為 224.24 mg·kg-1,CL-3處理為 284.56 mg·kg-1, CK 處理為 221.00 mg·kg-1。由此可見, 添加1%自制微生物菌劑可以提高生活垃圾堆肥中硝態氮含量。

3.8 堆肥過程中C/N的變化

從圖9可知, 隨著堆肥過程進行, C/N總體上呈現降低的趨勢, 這是由于微生物通過新陳代謝消耗了大量碳變成二氧化碳, 而氮主要用于細胞質的合成[14], 因而在生活垃圾堆肥的過程中C/N的比值呈現越來越小的趨勢。四個處理碳氮比下降的速度為CL-2＞CL-3＞C-1＞CK, 說明加入外源微生物菌劑能夠加快生活垃圾堆肥效率。其中CL-2下降速度最快,主要是由于相對CL-1來說, 其中含有相對較多的微生物數量, 對于CL-3來說其菌群結構能夠更好的發揮效果。

圖7 生活垃圾堆肥過程中各處理硝態氮的變化Fig.7 Change of nitrate nitrogen during composting in different treatments

圖8 生活垃圾堆肥過程中各處理水溶性銨態氮的變化Fig.8 Change of water soluble ammonium during composting in different treatments

圖9 生活垃圾堆肥過程中各處理C/N的變化Fig.9 Change of C/N during composting in different treatments

一般認為當C/N小于20時, 堆肥物料已經基本腐熟[15]。從圖9可知, CK、CL-1、CL-2和CL-3四個處理的C/N小于20時的時間分別為20天、16天、13天和16天, CL-1、CL-2和CL-3與對照組相比, 堆肥時間分別縮短了4天、7天和4天, 接種1%的自制纖維素菌劑大大縮短了堆肥時間。

3.9 堆肥過程中全磷的變化

從圖10可以看到, 各個處理磷含量均呈現升高趨勢。這主要是由于在生活垃圾堆肥過程中有機質的降解, 同時堆肥物料中的磷在整個發酵過程中幾乎沒有損失。CL-1、CL-2和CL-3三個處理磷含量明顯高于對照組, 這是由于添加外源微生物菌劑加速了有機質分解, 使全磷含量迅速增加, 在堆肥后期基本保持穩定。堆肥后期全磷含量相對于第 1天分別提高了135.45%(CK)、200%(CL-1)、234.54%(CL-2)和165.45%(CL-3)。接種1%自制纖維素劑有利于提高生活垃圾堆肥過程中全磷的含量, 加速堆肥進程。

圖10 生活垃圾堆肥過程中各處理全磷的變化Fig.10 Change of total Pduring composting in different treatments

3.10 堆肥過程中速效磷的變化

隨著生活垃圾堆肥的進行, 堆肥物料中的有機質被分解、礦化, 從而形成速效成分。生活垃圾堆肥過程中速效磷的變化如圖11所示, 速效磷在第1—7天快速上升, 7—20天呈現下降趨勢, 20—28天又呈現上升趨勢, 在堆肥的后期保持相對穩定。在堆的初期, 微生物迅速適應堆肥環境, 數量開始增多, 活性增強,使一些簡單易利用的有機物質發生分解, 釋放出含磷有機酸類物質, 同時也加速了對外源無機磷的溶解;在第7天以后, 由于堆體的有機質相對于初期較難降解和微生物的大量繁殖要消耗生活垃圾中的速效磷,一部分磷元素被固定到了微生物體內導致速效磷含量下降; 在堆肥的腐熟時期, 堆體中微物大量死亡, 將固定在微生物體內的磷素重新釋放出來, 在一定程度上提高了堆肥中速磷含量。在整個生活垃圾堆肥過程中添加菌劑的處理速效磷含量始終高于對照組, 而且在添加菌劑的處理中, CL-2速效磷含量最高, 說明接種適當比例的菌劑能夠提高堆肥中速效磷含量。

3.11 堆肥過程中全鉀和速效鉀的變化

圖11 生活垃圾堆肥過程中各處理速效磷的變化Fig.11 Change of rapidly available Pcontent during composting in different treatments

鉀是植物生長的重要元素之一, 有機肥中鉀元素含量的多少與農作物生長情況休戚相關[16]。生活垃圾堆肥過程中全鉀和速效鉀的變化如圖 12和13所示, 所有處理均呈現上升趨勢且上升速度較慢,堆肥后期鉀素含量基本維持穩定, 在整個生活垃圾堆肥的過程中四個處理全鉀和速效鉀的含量CL-2＞CL-3＞CL-1＞CK, 全鉀的含量從最初的 0.69%分別上升到1.12%、1.05%、1.02%和1.01%, 速效鉀從最初的 0.27%上升到 0.43%、0.42%、0.39%和0.38%, 說明添加外源微生物菌劑增加全鉀和速效鉀含量的效果顯著優于不添微生物菌劑, 其中CL-2處理最好, 即添加1%自制微生物菌劑。

圖12 生活垃圾堆肥過程中各處理全鉀的變化Fig.12 Change of total Kcontent during composting in different treatments

圖13 生活垃圾堆肥過程中各處理速效鉀的變化Fig.13 Change of rapidly available Kcontent during composting in different treatments

4 結論

(1)通過分析比較, 添加 1%自制高溫纖維素菌劑的處理, 溫度、含水率、pH值、腐熟度、全氮、全磷、全鉀、硝態氮、銨態氮、有效磷和速效磷等理化指標均好于其它處理, 堆肥效果最好。

(2)通過比較 CK和其他處理, 說明添加微生物菌劑可以縮短發酵周期, 提高堆肥效率和堆肥后有機肥質量。

(3)通過CL-1和CL-2對比分析, 生活垃圾堆肥過程中, 微生物菌劑的接種量對堆肥效果至關重要,如果接種量適當, 外源微生物能夠快速繁殖且適應環境相對較快, 加快堆肥速度。

(4)通過比較CL-2和 CL-3, 堆肥效果也受接種微生物種類的影響, 自制微生物菌劑的微生物能夠更好的適應堆肥環境, 改善堆肥中的菌群結構。

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Effects of high temperature cellulose bacterium agent inoculation on physicochemical properties of living waste compost

WANG Weixuan1, SUN Zhipeng1, HUO Wenjie1, ZHOU Lin2, WANG Yubing2, HE Xiangwei2,*
1.North China University of Science and Technology,Tangshan063210,China2.Beijing Forestry University,College of Biological Sciences and Tecnology,Beijing100083,China

In order to investigate the effects of high temperature cellulose bacterium agent on properties of the living waste compost,different types and different dose of microbial agents were added to the compost in our tests.The variation trends in temperature, pH,E4/E6, C/N, organic matter, total N,P and K, nitrate nitrogen, water soluble ammonium, rapidly available P, rapidly available K,concentrations during composting were analyzed.The results indicated that the agent inoculation composting had a faster rise in starting temperature and better effect comparing without agent inoculation.The disposal of 1% high temperature cellulose bacterium agent had the best effect on the living waste compost, in which temperature raised faster, the percentage of moisture was the lowest in the final stage of compost, the degree of humification and organic matter degradation efficiency was the highest, the time of C/N reaching to 20 was the shortest, and the total N, P and K content and nitrate nitrogen, water soluble ammonium, rapidly available P,rapidly available K content was the highest.

living waste; compost; cellulose bacterium agent; physico-chemical properties

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.05.010

X7

A

1008-8873(2017)05-073-07

王偉軒, 孫志朋, 霍文杰, 等.接種高溫纖維素菌劑對生活垃圾堆肥理化性質的影響[J].生態科學, 2017, 36(5): 73-79.

WANG Weixuan, SUN Zhipeng, HUO Wenjie, et al.Effects of high temperature cellulose bacterium agent inoculation on physicochemical properties of living waste compost[J].Ecological Science, 2017, 36(5): 73-79.

2016-07-01;

2016-08-22

校級青年科學研究基金項目(Z201622); 國家自然科學基金青年科學基金項目(31400085)

王偉軒(1989—), 男, 河北唐山人, 碩士, 助教, 主要從事資源與環境微生物研究, E-mail: weixuanwang@bjfu.edu.cn

*通信作者:何湘偉, 男, 博士, 副教授, 主要從事資源與環境微生物研究, E-mail: hexiangwei@bjfu.edu.cn