添加高溫菌CHB1對(duì)污泥堆肥性質(zhì)和酶活性的影響

方宇　賈憲波　陳濟(jì)琛

摘 要：該文以污泥和木屑為原料進(jìn)行堆肥試驗(yàn)，研究添加高溫菌CHB1對(duì)堆肥過程中溫度、碳氮比、pH、蛋白酶、脫氫酶和纖維素酶的影響。結(jié)果表明，接種高溫菌能提高堆體溫度，高溫維持時(shí)間長(zhǎng)，達(dá)到堆肥無害化的要求。堆肥結(jié)束時(shí)，接菌處理碳氮比顯著低于對(duì)照組。堆肥后接菌組和對(duì)照的pH值由弱酸性轉(zhuǎn)變?yōu)槿鯄A性。除纖維素酶外，CHB1處理的蛋白酶和脫氫酶活性在整個(gè)堆肥過程中都顯著高于對(duì)照組。

關(guān)鍵詞：污泥；堆肥；高溫菌；酶活

中圖分類號(hào) S141.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2018）02-0046-03

Abstract：In this research，the sludge and saw dust were used as the compost materials.Effect of inoculation of thermophilic bacteria on the compost property including temperature，C/N，pH，and enzyme activities including protase，dehydrogenase and cellulose were investigated.The results showed that，inoculation of thermophilic bacteria could increase the compost temperature and had a longer high-temperature duration.At the end of the compost，C/N in the compost with thermophilic bacteria was significantly lower than the control.After the compost，pH at the both treatments increased and became slightly alkaline.Protase and dehydrogenase activities in the compost with microbial agent were higher than those in the control.

Key words：Sludge；Compost；Thermophilic bacteria；Enzyme activity

據(jù)中國(guó)污泥處理處置市場(chǎng)分析報(bào)告，2015年我國(guó)生活污泥產(chǎn)量為3500萬t。城市污泥中含有豐富的植物營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)，是一種潛在的有機(jī)肥源[1]，若進(jìn)行合理的開發(fā)，可以減少對(duì)化石能源的依賴性。

堆肥化作為一種保持良好環(huán)境效應(yīng)的產(chǎn)物，具有生物處理的可持續(xù)性和廢棄物資源的循環(huán)利用等特征，已成為處理有機(jī)固體廢棄物的有效方法之一[2]。污泥經(jīng)過堆肥化處理可以降解有機(jī)物質(zhì)、殺死病原菌，還可以將部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，實(shí)現(xiàn)污泥的無害化和資源化[3]。然而傳統(tǒng)的污泥堆肥存在發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)生臭味及肥效低等問題。堆肥是利用微生物群落通過高溫發(fā)酵使有機(jī)物腐殖化的一種好氧生物過程[4]。因此在堆肥過程中添加微生物菌劑是促進(jìn)堆肥腐熟的一個(gè)有效嘗試。目前許多研究都已證實(shí)在堆肥化過程中添加微生物菌劑尤其是高溫菌能夠促進(jìn)料溫升高，加速堆肥腐熟[5-7]。本試驗(yàn)中選擇自主分離的高溫菌CHB1為試驗(yàn)材料，驗(yàn)證其污泥堆肥生物發(fā)酵的效果，為城市污泥無害化、減量化處理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 本實(shí)驗(yàn)以城市污水處理廠剩余污泥為堆肥基質(zhì)，木屑為輔料，由福州某水務(wù)有限公司提供。根據(jù)原料性質(zhì)，調(diào)節(jié)C/N比為25左右，水分為55%左右。試驗(yàn)接種的高溫菌為本實(shí)驗(yàn)室分離出的嗜熱脂肪土芽孢桿菌CHB1（Geobacillus stearothermophilus CHB1），有效活菌數(shù)為109CFU/mL，為液體狀。

1.2 堆肥試驗(yàn)設(shè)計(jì) 污泥與木屑按照質(zhì)量比4∶1的比例混勻進(jìn)行堆制。堆體約1m3。試驗(yàn)設(shè)2個(gè)處理：CHB1為接菌堆肥，按照1%（質(zhì)量比）的接種量加入堆肥中。CK為不加菌劑的對(duì)照。堆肥時(shí)間為21d。每3d翻堆一次。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法 堆體溫度采用溫度記錄儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)堆肥中心溫度。在堆體上、中、下部多點(diǎn)采樣，混勻備用。一部分風(fēng)干用于理化性質(zhì)測(cè)定，另一部分4℃保存用于酶活分析。含水率通過105℃烘干法測(cè)定。碳氮比：樣品風(fēng)干后，過1mm篩，用于測(cè)定總有機(jī)碳和全氮，測(cè)定方法分別為重鉻酸鉀容量法和凱氏定氮法[8]。蛋白酶：采用茚三酮比色法測(cè)定活性[9]。脫氫酶：新鮮堆肥樣品中加入氫受體三苯基四唑氯化物（TTC）后培養(yǎng)24h，測(cè)定在脫氫酶作用下生成紅色甲臜（TPF）的含量，活性單位用μg TPF·g-1·h-1表示[10]。纖維素酶：新鮮堆肥樣品中加入羧甲基纖維素鈉后，50℃培養(yǎng)24h，在纖維素酶的作用下，纖維素水解成葡萄糖，測(cè)定葡萄糖的生成量表征纖維素酶活，活性單位用mg Glucose·g-1·d-1表示[11]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析 采用Excel2003以及SPSS19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加高溫菌CHB1對(duì)污泥堆肥過程中溫度的影響

溫度是反映堆體內(nèi)微生物活性變化的一個(gè)重要指標(biāo)。如圖1所示，在污泥堆肥過程中，CK和CHB1處理的堆體溫度均呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)。CHB1處理堆肥開始后，堆體溫度在第6天達(dá)到55℃以上，到第9天達(dá)到最高溫60.9℃。CHB1處理持續(xù)高溫（>50℃）時(shí)間能維持6d，認(rèn)為堆肥達(dá)到無害化標(biāo)準(zhǔn)[12]。而CK處理從第7天開始才達(dá)到50℃，且>50℃的時(shí)間僅能維持3d，自第8天開始溫度降低。說明接種CHB1菌劑有助于堆肥在高溫期保持較高的溫度和更長(zhǎng)的時(shí)間。

2.2 添加高溫菌對(duì)污泥堆肥碳氮比的影響 堆肥的碳氮比（C/N）是檢測(cè)堆肥腐熟的一個(gè)重要指標(biāo)，通常認(rèn)為C/N由堆肥初始的25～30下降到20以下為堆肥腐熟的主要標(biāo)志[13]。從圖2可知，CK和CHB1處理堆肥的C/N均隨著發(fā)酵時(shí)間的增加而逐漸降低，CK處理最終降低為17，而CHB1處理則降低至14，這是因?yàn)殡S著好氧堆肥的進(jìn)行，碳和氮同時(shí)減少，而碳的損失比氮要高[14]。

2.3 添加高溫菌對(duì)污泥堆肥pH值的影響 不同堆肥處理過程中的pH值變化如圖3所示。由圖3可知，2種堆肥處理的pH值變化趨勢(shì)相同，先升高再趨于穩(wěn)定，即從弱酸性演變?yōu)槿鯄A環(huán)境。CK和CHB1處理的pH值均在12d達(dá)到最高峰7.4。

2.4 添加高溫菌對(duì)污泥堆肥酶活性的影響

2.4.1 蛋白酶 由圖4可知，堆肥過程中蛋白酶活性的變化趨勢(shì)隨著堆肥的進(jìn)行先上升后下降。CK和CHB1處理分別在堆肥第9和第6d達(dá)到峰值，分別為2.34、3.55Ug-1。接菌組蛋白酶酶活均高于對(duì)照組，并且在堆肥前6d兩堆肥處理的蛋白酶差異較顯著（P<0.05）。蛋白酶主要參與含氮化合物的分解和蛋白質(zhì)、氨基酸及其他含氮化合物的轉(zhuǎn)化[15]。堆肥前6d蛋白酶酶活不斷升高，可能與蛋白類物質(zhì)快速分解有關(guān)，而堆肥后期蛋白酶活性趨于穩(wěn)定，此結(jié)果與Aira等[16]相一致。在污泥的整個(gè)堆肥過程中，添加CHB1菌劑的蛋白酶酶活均高于對(duì)照組，這可能與CHB1菌株具有產(chǎn)蛋白酶特性有關(guān)[17]。

2.4.2 脫氫酶 脫氫酶在有機(jī)化合物的氧化過程中發(fā)揮著重要作用，它將氫從底物傳遞給受體[18]。在整個(gè)堆肥過程中，脫氫酶活性先上升后下降（圖5）。由圖5可知，堆肥前12d，2個(gè)處理的脫氫酶酶活呈增加趨勢(shì)，CHB1處理的脫氫酶活性高于CK處理，且差值隨著堆肥的進(jìn)行越來越大。堆肥12d后脫氫酶活性下降，可能與有機(jī)物被大量消耗有關(guān)。Paola等[19]研究表明，脫氫酶活性與水溶性有機(jī)碳呈正相關(guān)，隨著有機(jī)物的降解，導(dǎo)致脫氫酶活性下降。

2.4.3 纖維素酶 纖維素酶是碳代謝的重要酶類，其酶活強(qiáng)弱反映了堆肥過程中碳素的降解情況。在污泥堆肥過程中，CK處理的纖維素酶活在前12d呈增加趨勢(shì)后趨于穩(wěn)定，在18～21d期間呈下降趨勢(shì)（圖6）。CHB1處理的纖維素酶活在堆肥前15d上升，之后下降。與蛋白酶和脫氫酶有所不同的是，堆肥的前13d期間CK的纖維素酶活高于CHB1處理，之后則相反。可見添加CHB1高溫菌對(duì)纖維素的降解能力并沒有得到明顯的提高。

3 結(jié)論

堆肥過程中，添加高溫菌可增強(qiáng)蛋白酶和脫氫酶的活性，可提高污泥堆肥溫度，維持較長(zhǎng)的高溫時(shí)間，達(dá)到堆肥的無害化要求。堆肥結(jié)束時(shí)，接菌處理碳氮比顯著低于對(duì)照組。堆肥后接菌組和對(duì)照的pH值由弱酸性轉(zhuǎn)變成弱堿性。

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（責(zé)編：張宏民）