基于靜態好氧工藝的廚余垃圾堆肥特性及微生物多樣性

張 璇，鄧秀汕，鄧秀泉，馬大朝，1b，吳燕萍，馮慶革，1b

（1.廣西大學，a.土木建筑工程學院；b.資源環境與材料學院，南寧 530004；2.廣西力源寶科技有限公司綠色技術研究院，南寧 530000）

隨著中國城市化的快速推進及人口的不斷增長，城市固體廢棄物尤其是廚余垃圾的產生量也在不斷提高，據相關統計僅2019 年的產生量就已達1.2 億t［1］。堆肥作為一種比較適合廚余垃圾的無害化處理技術，能利用有機廢料為原料，經自然界廣泛存在的微生物作用將廢料中可降解的有機物轉化為穩定產品［2］。目前中國商品有機肥料的最新標準NY/T 525—2021［3］對堆肥產品的水分、有機質、總養分、衛生指標做出了具體的要求，其中水分含量要求控制在30%以下，而一般廚余垃圾含水率均在70%以上［4］，因此如何在堆肥工藝中高效節能地將含水率降低至30%以內是一個迫切需要解決的問題［5］。

傳統的高溫、超高溫好氧堆肥工藝依靠其中的嗜熱微生物在降解有機物時釋放出的熱量使堆體溫度升高，從而使廚余垃圾中的水分蒸發，但傳統的條垛式和槽式堆肥工藝存在物料堆積厚度大、水分蒸發效率低、發酵干化時間長等問題［6］；另外一些有輔助加熱裝置的容器堆肥，雖然能快速實現廚余垃圾的干化，但能耗巨大［7］，導致肥料產品生產成本較高，市場競爭力低，而且不符合“碳達峰”“碳中和”的時代背景。因此，本研究提出基于新型發酵筒的靜態好氧堆肥工藝［8］，無需強制通風和外部熱源，將廚余垃圾與綠化垃圾、腐熟堆肥進行混合，經過8 d 的靜態堆肥，實現物料的快速分解、干燥和腐熟，同時研究在堆肥過程中理化性能參數的變化并分析微生物群落的演變規律，以期為廚余垃圾的無害化與資源化處理提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 發酵筒

本試驗堆肥裝置采用專利發酵筒［8，9］，如圖1 所示。發酵筒是高度為500 mm、橫截面邊長為250 mm的正方形，發酵筒由絲徑為1 mm、孔徑為5 mm 的不銹鋼絲網編織制成。

圖1 發酵筒

1.2 堆肥試驗

廚余垃圾取自高校食堂，綠化垃圾為園林修剪廢棄物，腐熟堆肥為廣西力源寶科技有限公司生產。廚余垃圾首先進行破碎處理制成均勻漿液，綠化垃圾粉碎至5~10 mm，腐熟堆肥取自該公司上一批廚余垃圾堆肥結束后的樣品。廚余垃圾、綠化垃圾和腐熟堆肥按質量比10∶1∶16 的比例混合均勻后，再次粉碎并裝入發酵筒中。混合堆料初始水分含量約為42%，堆肥周期為8 d。上述材料理化性質如表1所示。分別于0、12、24、36、48、60、72、96、120、192 h用取樣器從堆體頂部、中部和底部進行取樣并混合均勻（注明樣品重復幾次及樣品量），采集3 個樣品作為重復樣品，重復3次，每個樣品量約200 g。樣品分為2 份，一份用于理化性質測定，另一份裝入無菌取樣袋，-20 ℃保存，用于微生物DNA 提取和檢測。

表1 堆肥材料的理化性質（平均數±標準差）

1.3 理化指標測定

用紅水溫度計測定堆體頂部（50 mm）、中部（250 mm）、底部（450 mm）3 個位置的溫度，同時記錄環境溫度。樣品與去離子水按質量比1∶10 振蕩后靜置，用pH 計和DDS-11A 型電導率儀分別測定pH 和電導率（Electrical conductivity，EC）。采用烘干法（105 ℃干燥12 h）測定水分。TN、P2O5、K2O、總養分、有機質含量根據國家標準NY/T 525—2021［3］測定，NH4+-N 含量參考國家標準NY/T 1116—2014［10］測定。

1.4 微生物多樣性分析

將堆肥樣品交由北京百邁客科技有限公司進行16S rDNA 和ITS1 高通量測序。使用DNA 分離試劑盒（Omega Biotech，Norcross，GA，USA）從0.25 g 堆肥樣品中提取總DNA。使用表2 所列引物進行聚合酶鏈式反應，在Illumina MiSeq 2500 平臺上進行細菌和真菌群落的高通量測序。

1.5 數據分析

使用IBM SPSS v 24.0 軟件通過單因素方差分析（ANOVA）比較顯著性水平為5%的理化特性差異。圖形由OriginPro2019b 創建。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中理化參數的變化

溫度是保證堆肥質量和進度的關鍵因素，也是堆肥無害化的重要標志。在初始階段，從腐熟堆肥中接種的好氧微生物快速將堆體中的淀粉、脂肪、蛋白質分解成H2O、CO2和NH3，釋放出大量的熱量，使得堆體溫度在0~12 h 快速上升（圖2a）。在12~72 h，由于微生物代謝活動產生的熱量和堆體向環境中散失的熱量維持動態平衡，堆體溫度保持在70 ℃左右。隨著堆肥的進行，嗜熱微生物可以快速分解的有機質逐漸被消耗，堆體溫度逐漸降低，最終接近環境溫度。在整個堆肥過程中，堆肥溫度大于55 ℃的階段持續時間超過72 h，達到消除廢棄物中致病菌和抑制雜草種子生長的最低要求［11］。

圖2 堆肥過程中溫度（a）、含水率（b）、pH（c）、電導率（d）、有機質含量（e）和C/N（f）的變化

水分是堆肥中一個關鍵的控制因素，水分影響堆體中可溶性物質的傳遞，進而影響微生物代謝和有機物的分解轉化，40%~60%的含水率最有利于微生物分解［12］。本試驗中，廚余垃圾料漿黏稠度大，若混合料水分配比超過42%，堆體物料容易粘結成團狀，因而混合料初始水分控制在42%左右。從圖2b 可以看出，0~12 h，堆體處于升溫期，水分變化不大，在12~72 h 的高溫期，堆體中的水分快速蒸發，含水率從40.7%迅速降至21.3%，隨著堆體溫度下降，含水率下降減緩，在192 h 降至18.5%，符合商品有機肥的含水率要求（≤30%）［3］。值得注意的是，本試驗在堆肥過程中不進行翻堆操作，堆體中的物料不是均一的整體。實際上，堆體水分的蒸發是由外往內層次進展的過程，堆體表面供氧充足，嗜熱微生物代謝活躍，產生的熱量首先促使表面物料含水率下降和腐熟穩定，表面物料干化穩定后變得松散，透氣性增加，氧氣更容易往堆體內部的物料傳遞，促進內部物料腐熟干化，如此循環直至整個堆體發酵完成。因此，在堆肥過程中，堆體整體水分呈下降趨勢，但物料含水率始終維持在有利于微生物分解代謝的范圍。

在堆肥過程中，含碳有機物產生的有機酸與含氮有機物產生的氨共同作用導致pH 發生改變。如圖2c 所示，pH 在前期快速上升，48 h 后基本趨于穩定。這是因為在堆肥升溫期，堆料中有機質被快速分解，產生大量的氨態氮，部分溶解于堆料中，使得pH 迅速升高。隨著堆肥反應的進行，氨釋放量減少，有機質分解產生的有機酸能夠起到中和的作用，酸堿的動態平衡使pH 基本保持不變，維持在偏堿性水平，在此pH 條件下，適宜微生物的生長繁殖［13］。電導率能夠反映堆體中總的可溶性鹽含量，從圖2d可以看出，電導率先快速上升，96 h 后趨于穩定。在堆肥過程中有機質的分解會產生大量的礦物質鹽［14］，電導率上升。

有機質作為微生物所需碳和能量的重要來源，參與了多種復雜的微生物代謝過程，其含量的變化反映了堆肥的成熟度和質量［15］。堆肥原料的有機質為77.35%，在堆肥前期被迅速分解，生成CO2和H2O 揮發到空氣中。如圖2e 所示，前期有機質含量快速下降。在整個堆肥過程中，有機質含量總體趨勢是先下降后基本保持不變，120 h 后有機質含量穩定在66%左右，能夠滿足有機肥料標準（≥30%）［3］。一般認為，有機質含量下降至一個相對穩定的水平是堆肥腐熟的一個重要標志［16］。在廚余垃圾靜態堆肥過程中，C/N（碳氮比）逐漸降低，如圖2f 所示，C/N 從16.7 下降至14.6，堆肥產品可用于農田土壤（C/N≤15）［17］。隨著降解過程的進行，由于碳水化合物的分解，堆體碳含量減少，導致C/N 降低。

2.2 堆肥過程中養分含量的變化

堆肥的最終產品是作為有機肥料施入土壤中進行利用，因此，在堆肥過程中有必要對堆料的N（以TN 計）、P（以P2O5計）、K（以K2O 計）的含量進行監測，而總養分作為有機肥質量的重要指標之一，是指N、P、K 元素的含量之和。

在堆肥過程中，氮素的轉化受到通風、pH、溫度等因素的影響。其損失主要方式有有機氮的礦化、氨的揮發以及反硝化作用［18］。堆肥過程中全氮含量的變化情況如圖3a 所示。在前期伴隨著堆體的升溫及空氣的自然對流，水分蒸發加速，堆體的體積和總質量減少，使總氮含量由于“濃縮”作用而相對富集［19］。隨著堆肥反應的進行，由于氨化作用產生氨揮發，硝化作用氧化氨及反硝化作用還原硝酸鹽，總氮含量上下波動，直至堆肥結束時，總氮含量由初始時的2.68%下降至2.61%，含量略有減少。堆料中有機物的礦化作用會導致P、K 在堆肥過程中含量有所波動，但相比于C、N 這些元素會由于微生物的異化分解和同化吸收，在堆肥結束時含量有所下降，微生物對P、K 的吸收利用率則較低，如圖3b、3c 所示，最終狀態和起始狀態時P2O5、K2O 的含量差別不大。堆肥的總養分含量最終為7.49%，達到有機肥料國家標準（≥4%）［3］。

2.3 微生物群落結構的變化

堆肥的效率以及最終獲得的肥料是否符合要求的關鍵因素在于堆肥過程中的微生物組成。分析微生物的菌落組成，對探究堆肥過程具有重要的意義。

2.3.1 細菌組成的變化 圖4 和圖5 分別顯示了堆肥過程中細菌門和屬水平上的相對豐度。3 個主要門為厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門（Actinobacteria）和變形菌門（Proteobacteria），在0 h 時的相對豐度分別為81.51%、11.48%和4.80%。在整個堆肥過程中，3 個門的平均豐度分別為68.06%、15.15%和6.77%，與之前在廚余垃圾好氧堆肥中發現的主要細菌門一致［20-22］。它們作為堆肥階段中最重要的分解者，通常能夠在可溶性蛋白質或其他容易獲得的底物上快速生長［23］。

此堆肥系統中，厚壁菌門在堆肥升溫期和高溫期（0~72 h）及后期（192 h）占據絕對優勢，降溫期（96~120 h）急劇減少。其變化主要是由于枝芽孢桿菌屬（Virgibacillus）、葡萄球菌屬（Staphylococcus）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、大洋芽胞桿菌屬（Oceanobacillus）和直絲菌屬（Planifilum）的波動變化造成。這些優勢菌屬由許多嗜熱性細菌組成，它們的相對豐度隨著堆體溫度的下降而迅速降低。有研究報道，在堆肥過程中，由于厚壁菌的耐熱性和對有機物分解的重大貢獻，其在高溫階段的豐度高于其他階段［24］。厚壁菌門與碳氫化合物的降解相關，其胞外酶不僅能分解木質素、纖維素和半纖維素［25］，還可以水解糖和蛋白質，生成酸、醇和脂類物質［26］。大多數厚壁菌有革蘭氏陽性細胞壁，并能產生有助于其在惡劣條件下生存的內孢子，這可能是厚壁菌門在許多堆肥系統中占優勢的主要原因［27］。

放線菌門在升溫（12 h，24.44%）、高溫（24 h，28.31%）和降溫（96 h，22.99%）階段相對豐度顯著增加。這一結果可能歸因于放線菌對木質纖維素降解和腐殖質形成的關鍵作用［24］。放線菌被認為是一種理想的堆肥菌株，具有菌絲的結構，能夠抵御大多數微生物無法承受的高溫且在高溫下仍具有很好的穩定性［26］。但它們更傾向于在較低的溫度下大量繁殖，即使是那些嗜熱型的放線菌也只是中度嗜熱，最佳生長溫度為28~55 ℃［28］。因此，這些細菌多數出現在中溫冷卻階段（96~120 h，平均豐度為21.08%）。放線菌還會分泌脫氫酶、多酚氧化酶、脲酶等，能夠較好地分解半纖維素和木質素［29］，并且能夠在一定程度上改變木質素的分子結構［30］。在本研究中，主要放線菌屬從嗜熱階段的棒狀桿菌屬（Corynebacterium1）轉變為冷卻階段的鏈霉菌屬（Streptomyces），它們通過木聚糖酶降解木質素［31］。在堆肥結束時（192 h），放線菌依然保持較高豐度（15.86%）。Xu 等［22］也證實，放線菌在廚余垃圾堆肥后期仍然占據細菌群落的較大部分。

變形菌門是一門革蘭氏陰性細菌，通常是致病性或固氮細菌［32］。其相對豐度在高溫階段（24~72 h）處于極低水平（平均豐度為0.40%），降溫時（96~120 h）急劇增加（平均豐度為26.70%）。在堆肥降溫階段，變形菌門取代了厚壁菌門的優勢地位，占比位列第一。由于此時溫度下降至50 ℃以下，大多數變形菌能在此條件下存活［33］。其中鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）成為主要的變形菌類型，并對有機物降解尤其對有機氮轉化起主要作用［34］。120~192 h，變形菌門相對豐度從26.98%下降至0.23%，可能歸因于隨著堆肥時間的延長，變形菌生長受到限制而消耗殆盡［35］。

2.3.2 真菌組成的變化 在整個堆肥期間發現了624 個真菌OTU，揭示了真菌的復雜演替（圖6、圖7）。堆肥過程優勢真菌門為子囊菌門（Ascomycota）（平均豐度為52.48%；最高豐度為91.26%），其次為擔子菌門（Basidiomycota）（平均豐度為11.92%）和被孢菌門（Mortierellomycota）（平均豐度為6.80%）。真菌能分泌胞外酶，且由于其菌絲具有機械穿插的效果，使其能夠較好地降解纖維素、半纖維素、木質素等難降解有機物，特別是嗜熱真菌在降解羧酸和聚合物方面的潛力巨大［36］。在堆肥升溫期（0~12 h），來自腐質霉屬（Humicola）的真菌種類較為突出。由于單純的營養需求，腐質霉屬出現在堆肥早期，且在整個堆肥過程中都存在，因為它們與其他嗜熱微生物共生［37］。在堆肥高溫期和降溫期（24~120 h），優勢菌種的多樣性較高。來自鐮刀菌屬（Fusarium）、被孢霉屬（Mortierella）、交鏈孢霉屬（Alternaria）、青霉菌屬（Penicillium）、白環蘑屬（Leucoagaricus）、短柄菌屬（Solicoccozyma）等真菌屬種類比較豐富。在生活垃圾的好氧堆肥處理中，同樣可觀察到類似的真菌群落［38］。然而，堆肥過程的性質、堆肥周期和堆肥條件（溫度、pH、含水量等）的差異可能決定了真菌群落的存在以及具體的演變規律［39］。

圖6 堆肥過程中真菌群落組成門水平相對豐度的變化

圖7 堆肥過程中真菌群落（屬水平）相對豐度熱圖

3 小結

1）采用透氣發酵筒進行廚余垃圾靜態好氧堆肥，省去強制通風和外部熱源，節約了系統能耗；摻入綠化垃圾和腐熟堆肥，縮短了堆肥周期。僅堆肥8 d 后，含水率降至18.5%，有機質含量穩定在66%左右，總養分含量保持在7.49%，實現了物料的快速干燥和腐熟。最終堆肥產品的性能符合商品有機肥料標準（NY/T 525—2021）。

2）不同好氧堆肥時期具有不同的微生物群落多樣性。在細菌門水平上，堆肥前期（0~72 h）及后期（192 h）的優勢菌群為厚壁菌門（Firmicutes），在中溫冷卻階段（96~120 h），放線菌門（Actinobacteria）和變形菌門（Proteobacteria）取代了厚壁菌門的優勢地位，且細菌群落物種組成變得豐富。

3）相對豐度較高的真菌門為子囊菌門（Ascomycota）、擔子菌門（Basidiomycota）和被孢菌門（Mortierellomycota）。在堆肥高溫期和降溫期（24~120 h），嗜熱真菌保持較高豐度，有利于難降解有機物的生物降解。

對微生物演替規律的探究可以使廚余垃圾轉化為有機肥的生產工藝得到進一步的優化，使堆肥變得更加高效。