接种高温纤维素菌剂对生活垃圾堆肥理化性质的影响

王伟轩, 孙志朋, 霍文杰, 周琳, 王玉冰, 何湘伟,*

1.华北理工大学, 河北 唐山 064300 2.北京林业大学, 生物科学与技术学院, 北京10083

接种高温纤维素菌剂对生活垃圾堆肥理化性质的影响

王伟轩1, 孙志朋1, 霍文杰1, 周琳2, 王玉冰2, 何湘伟2,*

1.华北理工大学, 河北 唐山 064300 2.北京林业大学, 生物科学与技术学院, 北京10083

为探讨高温纤维素菌剂对生活垃圾堆肥的影响, 研究在堆肥过程中添加了不同剂量和不同种类的微生物菌剂。分析了堆肥过程中各个阶段不同处理的温度、含水率、pH值、E4/E6、有机质、全氮、硝态氮、铵态氮、C/N、全磷、速效磷、全钾和速效钾的变化情况。研究表明接种微生物菌剂的处理使堆肥初期升温上升较快, 堆肥效果好于空白对照处理。其中添加1%自制纤维素菌剂的处理升温速度较快, 堆肥发酵后期含水率最低, 腐殖化程度、有机质降解效率最高, C/N达到20时所用时间最短, 全氮、硝态氮、铵态氮、全磷、速效磷、全钾和速效钾含量最高, 堆肥效果最好。

生活垃圾; 堆肥; 纤维素菌剂; 理化性质

1 前言

随着社会经济的发展、城市化进程的加快、城市人口的增多以及人民生活水平的提高, 生活垃圾的产量也在不断地增加, 因为城市生活垃圾处理的滞后, 许多城市都发生了“垃圾围城”现象[1], 生活垃圾的积累会造成疾病的传播、侵占土地、污染水体、污染大气、污染土壤、影响市容和环境卫生等各种各样的问题, 城市生活垃圾问题已成为困扰全球各国城市发展的焦点与难点[2–3]。从资源学的角度看, 生活垃圾也是资源, 而且也是当前世界上唯一不断增长的潜在资源。堆肥是实现生活垃圾资源化利用的重要措施[4]。而纤维素类物质是堆肥过程主要的难降解有机物质, 所以在生活垃圾好氧堆肥过程中, 合理添加高效纤维素菌剂有助于提高微生物系统的功能, 加快有机物分解, 促进堆肥物料的腐熟, 提高肥效[5]。由于在堆肥过程中存在较长时间的高温期, 所以高温菌较常温菌具有更高的微生物代谢活性和有机物降解速率, 在生活垃圾处理领域具有广泛的应用前景和科学价值[6]。因此迫切需要研制出高温纤维素菌剂以提高堆肥质量。为了促进生活垃圾的资源化利用, 本研究在堆肥中添加自制的高温纤维素菌剂,探求其对生活垃圾堆肥理化性质的影响。

2 材料与方法

2.1 试验材料

2.1.1 试验菌剂

(1)自制高温纤维素菌剂, 有效菌落数为 3×1010cfu·g–1, 主要由适高温的降解纤维素菌株组成。

(2)康源绿洲菌剂。

2.1.2 堆肥原料

堆肥原料由北京北林先进生态环保生态研究院有限公司提供, 是从北京顺义区收集的生活垃圾,主要由一些蔬菜皮、骨头、餐厨和树叶组成。堆肥物料的理化性质见表1。

2.1.3 堆肥设备

堆肥设备是由北京北林先进生态环保生态研究院有限公司提供的静态堆肥装置, 装置由四组发酵槽组成, 长60 cm, 宽60 cm, 高120 cm, 在发酵槽的底部为通风系统, 根据发酵情况, 每三天或者每四天进行翻堆, 在堆肥中后期视情况适当补水。本试验有四个处理, 每个处理三个重复, 具体情况见表2。

表1 试验材料的性质Tab.1 Properties of experimental materials

表2 堆肥处理方案Tab.2 Treatments of compost

2.2 试验方法

2.2.1 样品的采集

堆肥共维持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天采样, 每次从堆肥的底部、中部和上部 6个点分别采样并混合均匀, 一部样品自然风干, 磨碎过直径为1 mm筛, 消煮后用于N、P、K的测量, 一部分新鲜样品用于 pH值和含水率的测量。每个处理三个重复, 取平均值作为试验结果。

2.2.2 温度的测量

由试验设备自动温度传感器测量, 每个处理三个重复, 取平均值作为试验结果。

2.2.3 pH和E4/E6的测定

将新鲜堆肥样品与去离子水 1:10混合, 160 r·m–1震荡1小时后静置, 用pH计直接测量pH值。静置后取上清液测量其在465 nm(E4)和665 nm(E6)下的吸光值, 并计算E4/E6。每个处理三个重复, 取平均值作为试验结果。

2.2.4 全氮、全磷、全钾的测量

将过直径为1 mm筛的自然风干堆肥样品消煮[7],取部分上清液用全自动间断化学分析仪(Auto Discrete Analyzers)200测定堆肥的全氮和全磷含量。全钾的测定采用火焰分光光度法[7]。

2.2.5 硝态氮、氨态氮、有效磷、速效钾的测量

硝态氮、铵态氮和有效磷用全自动间断化学分析仪(Auto Discrete Analyzers)200测量, 速效钾的浓度用火焰分光光度法测量。每个处理三个重复, 取平均值作为试验结果。

3 结果与分析

3.1 堆肥过程中的温度变化

对于堆肥系统而言, 温度是影响微生物活动和堆肥工艺的重要因素, 是堆肥状态的表观体现[8]。一定范围内温度的变化与微生物的比生长速率之间存在正相关, 堆体温度的高低决定堆肥速度的快慢。同时, 只有在高温期维持一定时间才能彻底杀灭蛔虫卵和有害微生物, 我国粪便无害化卫生标准规定,堆肥温度在50—55 °C以上维持5—7天达到无害化要求(GB7959—87)。生活垃圾堆肥试验结果如图 1所示, 从图中可知, 对照组堆肥系统所能达到的最高温度为60 °C, 到达最高温度的时间为第6天; 而试验组CL-1、CL-2和CL-3所能达到的最高温度分别为 63 °C、66 °C 和 67 °C, 达到最高温度所用的时间均为第5天; 四个处理堆体温度在55 °C以上维持的时间分别为10天、15天、16天和9天; 虽然CL-3处理的最高温度最大, 但高温期维持时间短, CL-2处理最高温度相对较高, 高温期维持时间最长。通过以上分析表明, 接种微生物菌剂的处理明显好于不添加菌剂的处理, 这主要是因为自制菌剂中的菌株为高温菌, 相对于 CL-3处理其菌群结构更合理,其中的微生物更适应高温环境, 因而有利于提高堆肥效率。对于CL-2处理, 其接种菌剂量为 CL-1的10倍, 在堆肥的过程中尤其堆肥初期微生物需要适应新的环境, 加大菌剂的接种量能够提高堆肥中的微生物数量, 也有利于提高堆肥效率。

3.2 堆肥过程中含水率的变化

图1 生活垃圾堆肥过程中各处理温度的变化Fig.1 Change of temperature during composting in different treatments

堆肥过程中水分可以溶解有机物, 参与微生物的新陈代谢, 为微生物提供一个水环境来分解有机质。水分蒸发的过程中会带走一部分热量, 因而可以起到调节堆体温度的作用[9]。由图 2可知堆肥的含水率呈现不断降低的趋势, 这主要是因为微生物的新陈代谢使堆肥温度升高并且明显高于外界温度,水分不断蒸发。从含水率变化的整体趋势来看, 在整个堆肥过程中含水率的大小关系为: CK＞CL-1＞CL-3＞CL-2, 而且从第 25天后每个处理的含水量变化不大, 基本保持不变。CL-2处理在25天后堆肥的含水率为18.6%, CL-1和CL-3处理的含水率分别降到了25.5%和22.2%, 而对照组CK的含水率仍高达36.0%。可能是由于添加1%的自制纤维素菌剂堆肥中, 含有较多的微生物, 使堆肥中的物料反应更彻底, 堆肥中的水分蒸发的比较充分。同时, 堆肥物料中的含水率较低也利于堆肥的后续处理。

3.3 堆肥过程中pH的变化

图2 生活垃圾堆肥过程中各处理含水率的变化Fig.2 Change of the percentage of moisture during composting in different treatments

图3 生活垃圾堆肥过程中各处理pH值得变化Fig.3 Change of pH during composting in different treatments

从图3可以看出, 在整个生活垃圾堆肥的过程中, pH值总体呈现了先上升后下降又上升的趋势,整个过程中 pH值基本维持在中性范围内而且四个处理的 pH值变化相差不大。本研究堆肥的材料为生活垃圾, 最初的pH值为6.7, 发酵后堆体的pH值为7.7左右。在堆肥初期的1—4天, pH值呈现上升趋势主要由于堆体中的微生物分解含氮类物质导致的; 在第4—10天, 微生物促进堆肥中的蛋白质、糖类、氨基酸和酯类等有机物分解成小分子的有机酸,致使堆体的pH值降低; 在第10—30天的过程中, 由于有机酸的含量逐渐减少, 堆体的pH值开始缓慢升高, 但在堆肥的后期各处理的pH值相差不大。但接种外源微生物菌剂的处理pH值相对较高, 主要是由于添加外源微生物使堆体中的微生物数量显著增加,其代谢活性也相对旺盛致使pH值相对较高。

3.4 堆肥过程中E4/E6的变化

在堆肥过程中, 通常用 E4/E6来反应腐殖质的品质或缩合程度、芳构化程度等, 其比值越低, 腐殖化程度和聚合程度越高, 分子量越大[10]。从图4中可以看出各处理 E4/E6均呈现先升高后降低的趋势。在堆肥前期的第1—10天, E4/E6的比值随着温度升高而升高并且在第 10天的时候比值达到最高,CK、CL-1、CL-2和CL-3四个处理E4/E6比值分别为3.4、3.2、2.7和3.1, 对照组的比值高于添加菌剂的处理, 其中CL-2处理的比值最低, 说明其腐殖化和芳构化程度最高。在第10天以后E4/E6的比值开始缓慢降低, 在堆肥的后期 E4/E6的比值基本保持不变, 在整个堆肥的过程中添加菌剂处理的 E4/E6均低于 CK, 说明添加外源微生物可明显增加胡敏酸的缩合度, 让生活垃圾堆肥腐殖化程度提高。同时添加 1%的自制纤维素菌剂(CL-2)的腐熟程度明显好于其他两个处理。

3.5 堆肥过程中有机质的变化

图4 生活垃圾堆肥过程中各处E4/E6的变化Fig.4 Change of E4/E6 during composting in different treatments

生活垃圾堆肥过程实际上是通过微生物的生命活动使有机物降解的过程, 是有机物稳定化和腐殖化的过程[11]。有机质的降解程度反应了生活垃圾堆肥过程中微生物作用大小[1]。如图5所示, 在整个生活垃圾堆肥过程中有机质含量呈现出明显的降低趋势, 在堆肥前期有机质下降幅度较大, 而在堆肥的后期下降幅度相对缓慢。降解有机质最快的处理为CL-2, 然后依次为 CL-3和 CL-1, 降解速度最慢的为CK处理, 在第30天的时候CK、CL-1、CL-2和CL-3四个处理有机质的含量从最初的67%分别下降到 46%、45%、42%和 44%。由此说明接种外源的微生物菌剂, 可以加快堆肥中有机物的降解, 而且在四个处理中 CL-2降解有机物的效率要高于其它处理。

3.6 堆肥过程中全氮的变化

堆肥过程中氮元素的转化主要是微生物作用的结果, 并最终决定堆肥产品的腐熟度[12–13]。由图 6可知, 在整个生活垃圾堆肥过程中, 总氮含量呈现先下降后上升的趋势。在堆肥初期的前七天, 所有处理全氮含量与堆肥前相比, 都呈现下降趋势, 可能是由于温度过高导致NH3的逸出和水溶性氮成分随水流出造成氮的损失。其中CK处理全氮含量下降最慢, 从 1.32%下降到 1.27%; CL-1从初期的1.32%下降到 1.25%; CL-2从初期的 1.32%下降到1.21%; CL-3从初期的1.32%下降到1.22%。氮素的损失率 CL-2＞CL-3＞CL-1＞CK, 可能是由于 CL-2处理温度相对较高, 微生物生命活动最旺盛造成其损失率最高。从第 7天开始, 所有处理全氮的含量开始上升, 这是由于堆体对氮元素进行了重新利用,一些含氮的有机物质开始合成因而全氮含量开始上升, 其中 CL-2处理上升的最快, 而 CK上升的最慢, 在堆肥第 30天的时候, CK、CL-1、CL-2和CL-3四个处理总氮的含量依次为 1.63%、1.67%、1.76%和1.71%。

图5 生活垃圾堆肥过程中各处理有机质的变化Fig.5 Change of the organic matter during composting in different treatments

图6 生活垃圾堆肥过程中各处理总氮含量的变化Fig.6 Change of total Nconcentrations during composting in different treatments

3.7 堆肥过程中硝态氮和铵态氮的变化

图8反应的是生活垃圾堆肥过程中各处理铵态氮的变化情况, 从图中可以看到, 铵态氮含量呈现先升高后降低趋势, CK处理在第四天的时候达到最大值652.24 mg·kg-1, CL-1、CL-2和CL-3三个处理在第七天时达到最大值, 分别为 776.88 mg·kg-1、873.52 mg·kg-1和 635.2 mg·kg-1, 这是因为在生活垃圾堆肥初期, 堆肥物料中氮含量相对较高, 此时微生物代谢旺盛加速了氮元素分解, 并以铵态氮形式保存下来。在第7天以后, 随着堆体温度和堆体pH值的变化, 在氨化细菌作用下使铵态氮转化为氨气释放到环境中, 同时在一些硝化细菌和亚硝化细菌作用下一部分氨气以硝态氮的形式被固定下来, 从图 7中可以看到, 在生活垃圾堆肥第七天开始硝态氮含量增加速度开始变快。由图 8可知, 在整个堆肥过程中四个处理的铵态氮含量最高为CL-2, 最低为CK。可见添加1%自制微生物菌剂可以减缓铵态氮的减少。

在生活垃圾堆肥初期的前七天, 有机氮主要转变为铵态氮, 所以硝态氮含量保持较低水平, 随后堆体中硝态氮含量开始快速增加, 这主要是由于堆体的温度、含氧量和 pH值等影响了硝化细菌和亚硝化细菌的活性。由图 7可知, 四个处理硝态氮含量在整个堆肥过程中均呈现上升趋势, 在堆肥初期,硝化细菌的作用受到抑制, 而氨化细菌占主导作用。在第7天以后, 尤其在第25天以后硝态氮含量增加显著, 主要是由于硝化细菌的活性开始增强,铵态氮转变为硝态氮。由图可知, 在堆肥前期, 四个处理硝态氮含量相差不大, 但在堆肥后期CL-2处理硝态氮含量明显高于其它处理, 在第30天时, CL-2硝态氮含量为 318.32 mg·kg-1, CL-1 处理为 224.24 mg·kg-1,CL-3处理为 284.56 mg·kg-1, CK 处理为 221.00 mg·kg-1。由此可见, 添加1%自制微生物菌剂可以提高生活垃圾堆肥中硝态氮含量。

3.8 堆肥过程中C/N的变化

从图9可知, 随着堆肥过程进行, C/N总体上呈现降低的趋势, 这是由于微生物通过新陈代谢消耗了大量碳变成二氧化碳, 而氮主要用于细胞质的合成[14], 因而在生活垃圾堆肥的过程中C/N的比值呈现越来越小的趋势。四个处理碳氮比下降的速度为CL-2＞CL-3＞C-1＞CK, 说明加入外源微生物菌剂能够加快生活垃圾堆肥效率。其中CL-2下降速度最快,主要是由于相对CL-1来说, 其中含有相对较多的微生物数量, 对于CL-3来说其菌群结构能够更好的发挥效果。

图7 生活垃圾堆肥过程中各处理硝态氮的变化Fig.7 Change of nitrate nitrogen during composting in different treatments

图8 生活垃圾堆肥过程中各处理水溶性铵态氮的变化Fig.8 Change of water soluble ammonium during composting in different treatments

图9 生活垃圾堆肥过程中各处理C/N的变化Fig.9 Change of C/N during composting in different treatments

一般认为当C/N小于20时, 堆肥物料已经基本腐熟[15]。从图9可知, CK、CL-1、CL-2和CL-3四个处理的C/N小于20时的时间分别为20天、16天、13天和16天, CL-1、CL-2和CL-3与对照组相比, 堆肥时间分别缩短了4天、7天和4天, 接种1%的自制纤维素菌剂大大缩短了堆肥时间。

3.9 堆肥过程中全磷的变化

从图10可以看到, 各个处理磷含量均呈现升高趋势。这主要是由于在生活垃圾堆肥过程中有机质的降解, 同时堆肥物料中的磷在整个发酵过程中几乎没有损失。CL-1、CL-2和CL-3三个处理磷含量明显高于对照组, 这是由于添加外源微生物菌剂加速了有机质分解, 使全磷含量迅速增加, 在堆肥后期基本保持稳定。堆肥后期全磷含量相对于第 1天分别提高了135.45%(CK)、200%(CL-1)、234.54%(CL-2)和165.45%(CL-3)。接种1%自制纤维素剂有利于提高生活垃圾堆肥过程中全磷的含量, 加速堆肥进程。

图10 生活垃圾堆肥过程中各处理全磷的变化Fig.10 Change of total Pduring composting in different treatments

3.10 堆肥过程中速效磷的变化

随着生活垃圾堆肥的进行, 堆肥物料中的有机质被分解、矿化, 从而形成速效成分。生活垃圾堆肥过程中速效磷的变化如图11所示, 速效磷在第1—7天快速上升, 7—20天呈现下降趋势, 20—28天又呈现上升趋势, 在堆肥的后期保持相对稳定。在堆的初期, 微生物迅速适应堆肥环境, 数量开始增多, 活性增强,使一些简单易利用的有机物质发生分解, 释放出含磷有机酸类物质, 同时也加速了对外源无机磷的溶解;在第7天以后, 由于堆体的有机质相对于初期较难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体内导致速效磷含量下降; 在堆肥的腐熟时期, 堆体中微物大量死亡, 将固定在微生物体内的磷素重新释放出来, 在一定程度上提高了堆肥中速磷含量。在整个生活垃圾堆肥过程中添加菌剂的处理速效磷含量始终高于对照组, 而且在添加菌剂的处理中, CL-2速效磷含量最高, 说明接种适当比例的菌剂能够提高堆肥中速效磷含量。

3.11 堆肥过程中全钾和速效钾的变化

图11 生活垃圾堆肥过程中各处理速效磷的变化Fig.11 Change of rapidly available Pcontent during composting in different treatments

钾是植物生长的重要元素之一, 有机肥中钾元素含量的多少与农作物生长情况休戚相关[16]。生活垃圾堆肥过程中全钾和速效钾的变化如图 12和13所示, 所有处理均呈现上升趋势且上升速度较慢,堆肥后期钾素含量基本维持稳定, 在整个生活垃圾堆肥的过程中四个处理全钾和速效钾的含量CL-2＞CL-3＞CL-1＞CK, 全钾的含量从最初的 0.69%分别上升到1.12%、1.05%、1.02%和1.01%, 速效钾从最初的 0.27%上升到 0.43%、0.42%、0.39%和0.38%, 说明添加外源微生物菌剂增加全钾和速效钾含量的效果显著优于不添微生物菌剂, 其中CL-2处理最好, 即添加1%自制微生物菌剂。

图12 生活垃圾堆肥过程中各处理全钾的变化Fig.12 Change of total Kcontent during composting in different treatments

图13 生活垃圾堆肥过程中各处理速效钾的变化Fig.13 Change of rapidly available Kcontent during composting in different treatments

4 结论

(1)通过分析比较, 添加 1%自制高温纤维素菌剂的处理, 温度、含水率、pH值、腐熟度、全氮、全磷、全钾、硝态氮、铵态氮、有效磷和速效磷等理化指标均好于其它处理, 堆肥效果最好。

(2)通过比较 CK和其他处理, 说明添加微生物菌剂可以缩短发酵周期, 提高堆肥效率和堆肥后有机肥质量。

(3)通过CL-1和CL-2对比分析, 生活垃圾堆肥过程中, 微生物菌剂的接种量对堆肥效果至关重要,如果接种量适当, 外源微生物能够快速繁殖且适应环境相对较快, 加快堆肥速度。

(4)通过比较CL-2和 CL-3, 堆肥效果也受接种微生物种类的影响, 自制微生物菌剂的微生物能够更好的适应堆肥环境, 改善堆肥中的菌群结构。

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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

王伟轩, 孙志朋, 霍文杰, 等.接种高温纤维素菌剂对生活垃圾堆肥理化性质的影响[J].生态科学, 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

校级青年科学研究基金项目(Z201622); 国家自然科学基金青年科学基金项目(31400085)

王伟轩(1989—), 男, 河北唐山人, 硕士, 助教, 主要从事资源与环境微生物研究, E-mail: weixuanwang@bjfu.edu.cn

*通信作者:何湘伟, 男, 博士, 副教授, 主要从事资源与环境微生物研究, E-mail: hexiangwei@bjfu.edu.cn