微生物复合菌剂对污泥好氧堆肥过程的影响

欧阳建新,施 周,崔凯龙,钟 华,梁运姗(.湖南大学土木工程学院,湖南 长沙 40082；2.广州市水务局,广东 广州 50640；.湖南大学环境科学与工程学院,湖南 长沙 40082)

微生物复合菌剂对污泥好氧堆肥过程的影响

欧阳建新1,2,施 周1,崔凯龙3*,钟 华3,梁运姗3(1.湖南大学土木工程学院,湖南 长沙 410082；2.广州市水务局,广东 广州 510640；3.湖南大学环境科学与工程学院,湖南 长沙 410082)

研究了黄孢原毛平革菌与枯草芽孢杆菌复合菌剂在剩余污泥静态强制通风好氧堆肥中的作用.结果表明,根据堆肥过程中的温度(0~5d为中温阶段,6~12d为高温阶段,16~28d为腐熟阶段)变化,复合菌剂的变化导致堆体细菌数量明显高于空白堆体,且堆体中的嗜热真菌在高温期显著增多,促进了有机物的降解,加速了堆体的腐熟.试验组萝卜种子发芽指数(GI)相对空白组提前3d达到了50%,表明复合菌剂的加入迅速地降低了堆体的生物毒性,但由于相对浓缩效应使得堆肥产品Cd含量略有增加.

剩余污泥；复合菌剂；静态强制通风好氧堆肥；种子发芽指数；相对浓缩效应

相对于传统的污泥处理方法为填埋、焚烧和远洋投海等,好氧堆肥发酵法不失为一种资源再生利用,环境友好型的处理途径.它具有有机物分解率高,周期短、运行费用低、二次污染小等优点,在世界各国特别是发展中国家大有发展前途[1].对于污泥堆肥的条件优化和过程控制已有较多研究,但往往达不到缩短堆肥时间、提高堆肥质量的目的,研究表明需要通过添加剂来提高堆肥效率[2],而外源微生物是其中重要的一种.通过添加高效外源菌剂,有望增加污泥中降解微生物的丰富性,加快污泥微生物细胞的裂解及有机物的分解,促进污泥腐熟,从而加速堆肥过程[3].

充分降解堆肥物料中的木质纤维素和有毒有害的高分子有机物是堆肥是否充分腐熟的关键[4].白腐真菌可降解木质素以及许多持久性和有毒有机污染物[5-6],而黄孢原毛平革菌是白腐真菌中的常见菌种,也是产酶和降解研究的模式菌种[7],但关于它在污泥堆肥中的作用研究却鲜有报道.枯草芽孢杆菌对于木质素的降解也有很好的促进作用,与其他菌剂复合更能够有效的促进大分子及复杂有机物的降解,如与其他芽孢杆菌杆菌属细菌的混合在污泥堆肥中产生了明显的组合优势[8-9].本研究考察了黄孢原毛平革菌和枯草芽孢杆菌复合菌剂对城市污泥静态强制通风好氧堆肥过程的影响,旨在为复合菌剂在污泥堆肥中的应用提供理论参考.

1 材料与方法

1.1 堆肥原料

试验污泥为长沙市第二污水处理厂的脱水污泥,初始含水率 84.8%.污泥在晴朗、干燥的空气中风干 48h,使得污泥初始含水率降为 64.3%.锯末来自于湖南大学海捷模具加工厂,直径1~2mm;稻草秸秆来自于长沙市周边农村,截成长 20mm左右小段.将风干污泥 25kg与稻草秸秆、锯末按照质量比25/0.8/3.5混合,其中锯末和稻草秸秆用来调节污泥堆体的含水率、C/N和机械性能.各物料性质见表1.

表1 堆肥原料的主要成分Table 1 Primary composition of the composting materials

枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis M203078)和黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium BKMF-1767),均购自武汉大学中国典型培养物保藏中心(CCTCC).通过浊度测定和稀释平皿法,得到两种菌的菌悬液或孢子悬液活菌浓度相对于浊度的标准曲线,然后参照标准曲线,把真菌菌剂浓度按照其浊度调至2×106个孢子/mL,枯草杆菌的浓度调为 2×106cfu/mL,将两种菌剂按照体积比1:1混合配制成为复合菌剂悬液.

1.2 试验装置

堆肥反应器是体积为 70cm×50cm×50cm的整理箱,在反应器底部外壁安装一个转动阀门,以定期释放渗滤液.为了保证渗滤液与污泥分离,便于渗滤液的排放,在反应器底部铺有一层鹅卵石.同时在基质上方布集 8个曝气头,曝气由一个动力为 12L/min的空压机提供,为堆肥提供一个好氧的环境.在基质上方堆置污泥与调理剂的混合堆料,温度计定时检测温度.实验装置如图1.

图1 静态强制通风好氧堆肥反应装置Fig.1 Static forced ventilation-aeration composting system

1.3 试验方法

采用静止强制通风的方法对污泥进行堆肥,堆体质量为29.3kg,分别均匀连续通风,通风量为0.24m3/h.试验堆体均匀喷洒2L复合菌剂进行接种,空白堆体喷洒等量的水,使2个堆体初始含水率、C/N基本一致.将堆料混合均匀后在反应器内堆置,在堆体表面覆盖一层厚约15mm的稻草保温.堆体每天进行温度测定,每隔一定时间取样一次,取样时从3个不同位置和深度各取5g,完全混合后进行参数分析.由于含水率在堆肥过程中有下降,在第15d时,分别对空白堆体和试验堆体喷洒水2272 mL和836mL.

1.4 分析方法

堆体温度采用水银温度计在堆体 5个不同位置和深度进行温度测定,取平均值.

含水率测定:取10g样品置于坩埚中,然后放到(100±5)℃的烤箱中烘干 4~8h,直到前后两次测样(间隔2h)样品重量差小于0.1g为止.水分含量用式(1)表达:

挥发性有机物含量测定:将烘干的样品置于马弗炉中在 600±10℃下灼烧直到连续两次测样(间隔约10min)重量差小于0.2mg为止.挥发性有机物的含量用式(2)表达:

微生物活菌数的测定:将样品 10g放入100mL锥形瓶中,添加30mL去离子水,在恒温振荡箱内振荡 30min,过滤得到浸提液.从浸提液中取出0.5mL以10为倍数作一系列稀释,取合适稀释度下0.1 mL液体滴入含细菌或真菌琼脂培养基的平皿中并涂匀.细菌放入 37℃培养箱培养24h,将真菌放入28~30 ℃培养箱培养5 d,遂采用平板计数法进行菌落计数,最后采用式(3)进行每g干污泥中菌数的计算:

种子发芽指数GI值:取3个直径为9cm的平皿,每个平皿在底部铺一张吸水纸,并分别注入浸提液6ml,并在每个平皿中均匀摆放萝卜种子20粒,在30℃培养箱中培养48h,按以式(4)计算GI值:

浸提液pH值采用pHS-3C型pH计测定.

样品重金属离子Pb()Ⅱ和Cd()Ⅱ含量测定:准确称取干样品0.5000g于250mL锥形瓶中,加少许蒸馏水浸润,加王水10mL,微沸消解1h,将溶液蒸至近干,其间反复滴加王水,共 20mL,使大部分有机物分解,冷却;加高氯酸 5mL,用低档温火加热至样品成糊状为止.冷却,过滤,用 0.2%的硝酸定容于50mL容量瓶中,摇匀后用Aanalyst 700原子吸收仪(Perkin Elmer公司,美国)测定浓度,计算出每克堆肥样品重金属含量.

2 结果与讨论

2.1 理化参数变化

如图2a所示,与环境温度对比,2个堆体温度变化趋势类似,整个过程共分为3个阶段.第1阶段(0~5d)为中温阶段,对应降解微生物的适应和增殖过程.第 2阶段(6~12d)为高温阶段,堆肥在50℃以上保持了6d,中间伴有1次升温和降温的过程.城市污泥是由好氧污水处理菌胶团(约占70%)及其吸附的悬浮态或溶解态有机物和无机颗粒(共约占 30%)组成.第 1次升温对应污泥菌胶团所吸附的易降解有机物的降解,而第 2次升温对应污泥菌胶团的破胞和细胞组成物的降解.第 3阶段(13~28d)为腐熟阶段,对应难降解成分(如某些细胞组成物和木质纤维素)的降解和腐殖质的形成.可以看出,试验堆体温度普遍高于空白堆体,且在第 10~15d优势明显,表明复合菌剂对于污泥有机质的降解,特别是污泥菌胶团的破胞和分解具有促进作用.

从图2b可知,堆肥初期2堆体的pH值均有明显上升,这是由于堆肥过程中含氮有机物被分解产生大量氨,同时由于高温致使有机酸挥发,导致初期的碱性增大.随着堆肥过程的进行,简单有机物大量分解,逐渐释放的有机酸多于氨气,而导致pH值稍微有所下降.两个堆体的pH值变化差异不明显.

堆肥含水率的变化反映了堆肥生化过程如图 2c所示,0~5d的中温阶段堆体含水率下降缓慢,有机物降解产水和水分蒸发基本处于平衡状态;6~12d堆体处于高温阶段,水分蒸发量高于产生量,所以含水率有明显下降;16~28d,有机物分解趋缓,虽然温度降低,堆体含水率亦缓慢下降.由于试验堆体在高温期保持了较高温度和时间,在腐熟阶段期更为疏松,两者均有利于水分蒸发,因此含水率的降低均比空白堆体要显著.

由图2d可以看出,2堆体挥发性有机物含量变化分为2个阶段.第一阶段为0~12d对应整个堆肥过程的中温期和高温期,主要为易降解有机质的降解,堆体中有机质的含量显著降低.第二阶段为 16~28d,对应堆肥过程的腐熟期,主要为难降解有机质的降解,降解速率相对较低.这2个阶段试验堆体降解速率都要高于空白堆体,反应出不论是易降解成分还是难降解成分,复合菌剂的加入都有促进作用.

图2 复合菌剂的加入对于堆肥理化性质的影响Fig.2 Effect of compounded microbial inoculants on physicochemical property of compost

2.2 细菌和真菌数量变化

如图3a所示,细菌总数在空白堆体和试验堆体的变化趋势基本相似,呈先上升后下降的趋势.0~23d,细菌总数持续增加,且在腐熟期开始时迅速上升,并于第23d达到峰值;第23d之后,由于细菌可降解有机质基本耗尽,菌体进入内源呼吸期,数量开始下降.试验堆体的细菌含量明显多于空白堆体,说明添加的枯草芽孢在此堆肥条件下能有效生长,并可能对腐熟期堆体有机质的降解和腐熟起到了促进作用.

大多数嗜温真菌最佳生长温度范围是 25~30,℃大多数高温真菌最适生长温度范围是40~50℃[10].8~14d是堆肥过程中真菌的生长旺盛期,对应高温期,贡献来自嗜热真菌.黄孢原毛平革菌所属的白腐真菌为嗜热型真菌[11].

由于黄孢原毛平革菌的添加,整个过程中试验堆体的真菌数量高于空白组,并在 8~14d这段时间内生长极为迅速,约为空白堆体的3倍.这部分真菌的生长可能对污泥破胞起到了重要作用[12],同时可能也是 10~15d试验堆体相对于空白堆体保持了更高温度的原因.

2.3 GI值和重金属含量变化

GI值为较可靠的反映堆肥腐熟度的指标[13].有研究认为,GI≥50%时,堆肥基本达到腐熟[14].由图4可知,在堆肥初期,堆肥浸出液强烈抑制萝卜种子发芽,初始GI值为0.09左右,说明生污泥对植物生长尚有较大毒性,不适合直接应用.GI值的快速增长发生在5~12d的高温阶段,最终增至0.5左右.试验堆体的GI值增加更为迅速,在14d便达到了0.47,相对空白堆体提前了3d,同时最终的GI值也更高,说明复合菌剂的加入有效地加速了堆体的腐熟.

图3 复合菌剂对于堆肥过程中的微生物指标的影响Fig.3 Effect of compounded microbial inoculants on the microbial population in compost

图4 复合菌剂对于堆肥过程中GI值的影响Fig.4 Effect of compounded microbial inoculants on the radish seed GI value of the compost extract

由图 5可见,2个堆体中重金属的含量均经历了先增加后降低的变化过程.由于重金属是不会被降解的,所以堆体中的重金属总量一定,并以残渣态、有机结合态、铁锰氧化物结合态、碳酸盐结合态、水溶及可交换态5种形式存在[15].因有机物降解、堆肥后堆体体积变小等,引起重金属在堆料中浓缩,使重金属浓度升高,表现为“相对浓缩效应”[16].堆肥初期 0~5d,Cd(II)的相对浓缩效应相对于 Pb(II)更为明显,由于在王水消解过程中铅元素容易挥发所致[17].堆肥第 6~28d,重金属浓度逐渐变小,这可能是由于堆肥过程中溶解态的重金属从堆肥室底随渗滤液下移和流失.同时也有研究认为,随着渗滤液的流出,可被植物吸收和利用的重金属形态含量降低,导致重金属的生物有效性降低[18].但是在整个过程中,试验堆体中重金属含量总体上略高于空白堆体,特别是 Cd(II),这是由于复合菌剂堆体生化反应更为迅速,“相对浓缩效应”更为显著所致.该效应将对堆肥产品品质可能造成不利影响.

图5 复合菌剂对于堆肥过程中Pb(II)和Cd(II)浓度的影响Fig.5 Effect of compounded microbial inoculants on the concentrations of Pb(II) and Cd(II) in compost

3 结论

3.1 由于污泥成分具有复杂性,所以高温期又分为前、后两个阶段,分别对应污泥菌胶团所吸附的有机质的降解和污泥破胞与分解.试验堆体比空白堆体早 3d达到 50℃,且在高温时间维持时间长.

3.2 复合菌剂的加入对于pH的影响较小,但是能够促使有机物的降解率增加5%,GI值在第14d达到 0.47,可以看出复合菌剂促进堆体更加迅速和有效地达到腐熟.

3.3 试验堆体的细菌数维持为空白堆体的2倍,在8~14d,试验堆体的真菌数为空白堆体的3倍,堆肥过程中微生物数量因为复合菌剂的加入而大量增加,促进有机物的降解,缩短降解时间.

3.4 由于“相对浓缩效应”,堆肥产品中重金属的含量可能有所提高,这是影响堆肥品质的不利因素.

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Application of compounded microbial inoculants on composting process of excess activated sludge.

OUYANG Jian-xin1,2, SHI Zhou1,CUI Kai-long3*, ZHONG Hua3, LIANG Yun-shan3(1.College of Civil Engineering,Hunan University, Changsha 410082,China；2.Guangzhou Water Affair Bureau,Guangzhou 510640, China；3.College of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China). China Environmental Science,2011,31(2)：253~258

excess activated sludge；compound microbial inoculants；static forced-aeration composting；germination index；enrichment effect

X172,X705

A

1000-6923(2010)02-0253-06

2010-01-29

国家自然科学基金资助项目(50978087)

* 责任作者, 助教, kclwhy@126.com

欧阳建新(1969-),男,湖南永州人,湖南大学土木工程学院博士研究生,研究方向为废物资源化.发表论文4篇.

Absract：The study focused on the effect of microbial inoculant composite (Bacillus subtili and Phanerochaete chrysosporium) on static composting of excess activated sludge under forced ventilation.According to the temperature change in the composting process (mesophilic(0~5d), thermophilic (6~12d), and maturing(13~28d)), the number of bacterial population of the compost inoculated with the microbes was obviously higher than that of the control, and the population of the thermophilic fungi also significantly increased in the thermophilic stage,effectively enhanceing the degradation of organic matter and accelerateing maturing of the compost.The germination index (GI) of radish seed for the experiment group reached 50% spending 3d less than that for the control one,indicating that addition of the compound microbial inoculant acutely accelerated the decreasing of the compost biological toxicity.However, due to the relative enrichment effect, the Cd (II) content of compost product increased slightly.