复合微生物菌剂对河道底泥资源化堆肥效果的影响

官昭瑛，张 安，朱兆华，徐国钢，迟国梁，陈晓蓉

（深圳市万信达生态环境股份有限公司，广东 深圳 518049）

复合微生物菌剂对河道底泥资源化堆肥效果的影响

官昭瑛，张 安，朱兆华，徐国钢，迟国梁，陈晓蓉

（深圳市万信达生态环境股份有限公司，广东 深圳 518049）

研究了外源添加不同配比的复合微生物菌剂对河道底泥堆肥发酵的影响，为筛选促腐效果更好的优质微生物菌种配方提供依据。通过不同比例组成的微生物菌剂进行底泥堆肥试验，并对堆肥温度、水分、pH 值、电导率、可溶性有机碳、氮等进行分析。结果表明，添加的复合菌剂以嗜热脂肪芽孢杆菌∶枯草芽孢杆菌∶地衣芽孢杆菌∶巨大芽孢杆菌=2∶1∶1∶1的配比效果最好，2 d就能达到最高温度63.3℃，明显加速堆肥的腐熟；以底泥为原料的堆肥过程升温迅速，具备堆肥资源化利用的良好前景。可望为城市河道底泥的科学处理，纯净城市水体和陆地生态环境提供有用的数据支持，为开发相应的技术，缓解城市生态环境的容量压力，促进城市社会、经济可持续发展做出贡献。

河道底泥；堆肥；嗜热脂肪芽孢杆菌；复合微生物菌剂；资源化

河流是城市生态系统的重要组成部分，是城市主要的生物廊道，在城市泄洪、灌溉及生态景观等社会发展中发挥了重要作用［1-2］。随着社会和经济的发展，大量生活污水和工业废水排入城市河道，使城市河道受到了极大的污染［3］。河流底泥既是接纳和分解河道水体污染物的“库”，也是向上覆水体释放有机污染物和营养盐的“源”［4］。河道底泥中有机物在厌氧细菌作用下产生甲烷、硫化氢等发臭物质，鱼虾不生，植物不长，已严重影响人们生活和经济发展。以深圳为例，深圳市主要有深圳河、茅洲河、观澜河、龙岗河及坪山河等主干及支流310条，根据初步估算河道淤泥总量约为808万 m3［5-6］。当前国内外底泥处理方法有海洋倾倒、填埋、填海等，但较为常用的还是堆放、填埋方法，这样就造成了长时间堆场占用土地资源，不利于土地价值开发利用和生态景观修复［7-8］。随着城市用地的紧张，堆场污泥长期占用土地，成为影响环保工程效率和经济效益的重要因素，特别是在深圳等东部沿海人口密集、经济发达地区，这一矛盾尤为突出。此外，采用堆场处理污泥的方法，还存在着一定的环境和安全隐患，对周边水体造成二次污染［9］。因此，科学处理城市污泥，保护城市人居环境安全，是城市化进程中又一大亟待解决的环境问题。

生物堆肥处理相对成本低、不破坏原有环境，有利于推广，是河道底泥实现稳定化、无害化、资源化、减量化的重要方法［10-11］。在生物堆肥处理工艺中，微生物菌剂的使用可提高堆肥的效率与质量［12］。在研究单一菌剂作用的基础上，堆料中接种复合微生物菌剂的作用逐渐被挖掘出来，并被发现比单一菌种的菌剂更加具有应用价值［13］。复合微生物菌剂的添加可以有效提高堆肥有益微生物的群体数目，促进微生物群落之间相互协同作用，在堆体中形成复杂稳定且适合微生物生长繁殖的生态系统，从而增强微生物的降解活性，使堆肥温度迅速升高并维持较长时间，有效地加速了堆料中有机物的降解，并在更大程度上控制臭气的产生，提高堆肥效率与质量，增强堆肥腐熟程度［14-15］。不同组配的复合微生物菌剂对堆肥效果的影响很大［16-17］，筛选出合理配比的复合微生物菌剂是实现河道底泥资源化堆肥的首要环节，也是关键环节。本研究以深圳沙井河中游河道底泥为堆肥原料，分别添加不同配比的复合微生物菌剂（以嗜热脂肪芽孢杆菌为主的4 种不同微生物按照不同比例配制而成），进行高温堆肥试验，分析堆肥过程中理化指标的变化，评价河道底泥可持续处理方式资源化效果，揭示影响河道底泥堆肥的主要因素，从而为堆肥外源菌剂选择、堆肥辅料组合配制及适宜的接种时间等提供重要理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验以深圳茅洲河流域沙井河中游段（113°49'04" E，22°46'24" N）河道底泥为堆肥原料，采用掘式采泥器采集，装于塑料密封桶中。将采集后的样品进行基本理化性质测定，其中含水率为84.5%，底泥样品颜色呈棕黑色。采集的底泥晒干后备用。辅料为该流域收集的绿地废弃物（枯枝落叶），晒干、粉碎为粒径0.5～1.0 cm。原料与辅料按一定比例混合为C/N比32∶1、含水率55%的试验材料，其基本理化性质见表1。

表1 堆肥试验材料基本理化性质

复合微生物菌剂菌种购于广东省微生物研究所，按一定比例混合嗜热脂肪芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌，制成不同比例微生物菌剂，分别为菌剂1、菌剂2、菌剂3、菌剂4和菌剂5，上述4种微生物配比分别为1∶1∶1∶1、2∶1∶1∶1、1∶2∶1∶1、1∶1∶2∶1、1∶1∶1∶2。

1.2 试验方法

堆肥试验在室内进行，设6个处理，包括分别按不同比例添加4 种微生物的5种复合菌剂和未添加菌剂的对照。堆体均为锥形体，规格为直径1.5 m、高1 m。堆肥过程中每隔5 d翻堆1次，共堆制15 d。每天取样1次，每次从堆肥外层、中层、里层各取样品约200 g，混匀，用于理化性质测定。

1.3 分析方法

堆肥温度测定：将水银温度计从堆体四周插入，在堆体上（距离地面80 cm）、中（距离地面50 cm）、下层（距离地面20 cm）分别插入温度计，插入深度为30 cm，记录堆温。pH 值和电导率采用肥水比1∶5（W/W），YSI6600多参数分析仪测定。含水率、有机质、全氮、灰分、可溶性有机碳（DOC）、可溶性有机氮（DON）的测定采用国家标准方法。有机物损失率（OM-loss，%）=（X2-X1）/X1×100，其中X1、X2为堆肥开始和结束时的灰分含量。

图表制作及数据显著性分析采用SPSS 16.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度和水分的变化

堆肥过程中，温度是决定微生物生长的重要因素，温度变化是判断堆肥腐熟程度的重要参数之一。以河道底泥为主要原料的物料堆肥期间，各处理温度在堆肥1 d内均升至50℃以上，堆肥2 d后各处理温度依次达到最高峰，其中添加菌剂2的处理最先（2 d）达到最高温度（63.3℃），其次为菌剂3，堆肥3 d达到最高温度（60.3℃）；对照温度最晚（发酵5 d后）达到峰值（53.0℃），见表2。

表2 堆肥过程温度变化（℃）

水分是影响堆肥物料腐熟速度的重要参数，合适的水分是保持微生物最佳活性的必要条件。堆肥过程中，6种处理堆肥含水率变化如表3所示，各处理初始含水率为55%，随着堆肥的进行，各处理含水率迅速下降，试验结束时所有处理堆肥含水率均下降至30%左右。

2.2 堆肥过程中pH和电导率的变化

pH值也是微生物发酵的关键环境因素之一。从表4可以看出，各菌剂处理pH值变化基本一致，总体呈上升趋势，堆制7 d后，对照表现为pH波动较大，但仍符合腐熟时pH值的标准。在堆肥过程中发现，对照散发出的氨味非常浓，这可能是由于较高的pH值加大了氨的挥发损失、降低了生物肥质量，堆肥结束时对照pH值是6种处理中最高的、达8.3。添加菌剂的各处理pH值变化相对稳定，发酵结束时pH值为7.8～7.9，达到腐熟要求，且在发酵过程中散发出的氨味较淡，这可能是由于微生物发酵高峰期相对较低的pH值有利于减少氨的挥发损失。

表3 堆肥过程含水率变化（%）

表4 堆肥过程pH值变化

堆肥过程中电导率的变化是堆肥中有机、无机氮的相互转化程度和可溶性盐浓度的一种表征，从而间接地反映了物料的腐熟程度。从表5可以看出，菌剂处理和对照堆肥电导率均呈先上升后下降趋势，但对照堆肥电导率在前期上升更明显。

表5 堆肥过程电导率变化（mS/m）

2.3 堆肥过程中DOC、DON含量变化

堆肥过程中DOC、DON的变化趋势十分接近。堆肥前期各处理DOC呈波动上升趋势，可能是因为堆肥前期物料中有机碳分解的速率大于微生物的降解和利用，使得堆肥中水溶性有机碳含量增加；堆肥5 d后，DOC含量趋于稳定；整个过程对照与处理的变化差异不显著（表6）。此外，一般土壤的DOC含量不超过200 mg/kg，徐秋芳等［18］研究认为我国亚热带林地土壤DOC含量在80～156 mg/kg之间。本研究底泥堆肥结束时，产物的DOC含量高于一般土壤的DOC含量，可见，施用此类有机肥能改变土壤C/N比。

表6 堆肥过程可溶性有机碳含量变化（mg/kg）

DON含量在堆肥前期亦表现为上升趋势，菌剂处理DON含量在堆肥2 d内增幅最明显，分别由初始的 0.85 g/kg上升到0.96～1.21 g/kg，对照的DON含量也在堆肥2 d内由初始的0.85 g/kg上升到0.93 g/kg（表7）。堆肥前期各处理DON含量接近，后期菌剂2组和菌剂3组的DON含量显著高于其他处理，对照最低，说明菌剂2组和菌剂3组对物料中的无机N 转变成有机N（同化固定）的作用较强。

表7 堆肥过程可溶性有机氮含量变化（g/kg）

由表8可知，添加菌剂处理与对照的C/N均为下降趋势，这是由于堆肥过程中氮的下降幅度低于碳，因此氮的相对含量增加，使物料的C/N逐渐减小。C/N的下降表明物料向着稳定化、腐熟化、无害化方向演变。发酵结束时，菌剂处理的C/N为17∶1～20∶1，表明物料己达腐熟，以菌剂2组的C/N最低；而对照的C/N为25∶1，说明对照需要更长的时间才能腐熟。

从堆肥过程中有机质的消耗情况（表9）来看，添加菌剂处理的有机质消耗速率在堆肥3 d前最大，此后逐渐放缓，对照堆肥5 d前有机质消耗最快，此后也逐渐放缓。试验结束时，添加菌剂的5个处理有机质分别损失22%、34%、31%、29%、23%。所有处理堆肥结束时，有机质含量满足国家标准值要求（≥45%）。

3 讨论

城市河道底泥是城市生活排污中高浓度的养分、有机质、恶臭物质淤积而成的，这类废弃物的传统处理方式以填埋或焚烧为主，这两种方式除了占用土地、能耗高外，其潜在的环境风险大，极易产生二次污染［19］。例如，填埋废弃物中的臭气和渗滤液会污染空气和地下水，而焚烧虽然能最大程度地对废弃物进行减容减量和无害化，但是能耗高，同时存在排放粉尘、二噁英等有害废气的风险［20-21］。利用现代堆肥技术，能最大程度地将经筛选的有机废弃物资源进行科学利用、变废为宝［22-23］。

堆肥，传统的做法是利用原料中原有的土著微生物来降解有机物，其过程不进行控制，所以传统堆肥法存在周期长、有异臭、效率低且肥力不高的问题［24］。高温好氧堆肥是利用堆肥过程不同阶段中起关键作用的微生物菌群，通过控制水分、pH、温度等条件，促进各类关键微生物的繁殖，达到降解有机物的目的，这种方法既高效又容易掌握［24］。许多研究结果表明，堆肥过程中接种菌剂具有显著的促进作用，不少学者已研究出不同堆肥阶段起关键作用的微生物种群，并在自然界进行优质高效菌群的筛选和接种技术的探索，以达到加速堆肥腐熟和改善肥料质量的目的［15，25］。

表8 堆肥过程碳氮比变化

表9 堆肥过程有机质损失率变化（%）

相对于单一菌群的菌剂，复合菌剂具有更高的应用价值［26］。例如，复合菌剂中添加的纤维素分解菌通过分泌纤维素酶对纤维素、木质素等的降解是促成堆肥腐熟的关键［27］。目前人们可利用的堆肥原材料多种多样，如鸡粪、牛粪、猪粪等养殖废弃物，或者是厨余垃圾、绿地废物等［12，16，28］。本研究针对目前城市化发展形成的大量难处理河道底泥进行资源化堆肥利用的探讨。事实上，上述各种原料的根本成分主要是可溶性糖类、脂类、蛋白质、木质素和纤维素［16，23］。在堆肥初期，存在大量可溶性碳源供微生物利用，但随着堆肥的进行，这些可溶性物质被消耗殆尽，剩余物质大多为复杂碳源（如木质素、纤维素类）［23，27］。因此，只有充足的纤维素分解菌才能处理这些原料中剩余的难分解物质。本研究利用复合微生物菌剂中的纤维素分解菌类，特别是嗜热纤维素分解菌可促进原料中的难分解物质的充分降解，其中温度对堆肥腐熟具有重要影响。有研究发现，堆肥温度与纤维素酶活性呈显著正相关关系，嗜热性纤维素分解菌对纤维素、木质素等的矿化和分解及高温的维持起了重要作用［29］。

另外从整个堆肥过程来看，本研究中添加的菌剂在堆肥过程中与物料中的土著菌相互配合，加快堆肥中有机质分解和转化，促进腐熟。常温期（＜55℃），土著菌群活跃地利用物料中的可溶性有机质（主要是单糖）大量繁殖，这些菌群起到降解有机物和释放热量的作用；高温期（＞55℃），添加的嗜热脂肪芽孢杆菌等纤维素分解菌开始活跃，起到继续分解物料中残留的难分解有机化合物（主要为纤维素类和木质素），腐殖质开始形成，生物肥进入稳定状态。其中菌剂2组对堆肥发酵升温过程的促进作用显著，取得较好的资源化效果，该处理组的嗜热脂肪芽孢杆菌的比重较大，说明即便以底泥为堆肥原料，由于物料中混合了绿地废物（枯枝落叶），其堆肥过程中分解纤维素仍是关键因素。而物料中含有的河道底泥由于养分含量丰富，在堆肥前期对微生物的供养充足，相较于其他常规堆肥原料（牛粪、鸡粪、猪粪等养殖废料［12，16-17，27］）的升温迅速，说明河道底泥的资源化堆肥利用有着良好的应用前景。本研究结果可望为城市河道底泥的科学处理、纯净城市水体和陆地生态环境提供有用的数据支持，为开发相应的技术、缓解城市生态环境的容量压力、促进城市社会和经济可持续发展作出贡献。

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（责任编辑 杨贤智）

Effects of complex microbial inoculums on river sediment composting

GUAN Zhao-ying，ZHANG An，ZHU Zhao-hua，XU Guo-gang，CHI Guo-liang，CHEN Xiao-rong
（Shenzhen Master Ecology & Environment Co.，Ltd.， Shenzhen 518049，China）

We studied the effects of complex microbial inoculums with different mixture ratio of microorganisms on river sediment composting，to select better formula of microbial strains.The experiment was conducted through adding different proportions of microbial inoculants to river sediment during composting，and the composting temperature，moisture content，pH，conductivity，dissolved organic carbon （DOC），dissolved organic nitrogen （DON） were analyzed.The best proportion of the complex microbial inoculums was found （Bacillus stearothermophilus∶B.subtilis∶B.lincheniformis∶B.megaterium = 2∶1∶1∶1），this proportion of the complex significantly accelerated sediment composting，the compost reached the highest temperature （63.3 ℃） within 2 days，revealing that adding extra complex microbial inoculums could accelerate the composting process.Taking sediment as composting materials provided a rapidly warming process of composting，showing good prospects for reutilization of river sediment to be composting.

river sediment；composting；Bacillus stearothermophilus；complex microbial inoculums；reutilization

S141.4；X705

A

1004-874X（2016）12-0041-09

10.16768/j.issn.1004-874X.2016.12.008

2016-08-23

广东省科技计划项目（2016B090920059）；深圳市科技计划项目（GCZX2015051514435234，CXZZ20140422142833835）

官昭瑛（1982-），女，博士，高级工程师，E-mail：1647368707@qq.com.

朱兆华（1973-），男，硕士，高级工程师，E-mail：20384211@qq.com

官昭瑛，张安，朱兆华，等.复合微生物菌剂对河道底泥资源化堆肥效果的影响［J］.广东农业科学，2016，43（12）：41-49.