复合微生物菌剂用于污泥堆肥发酵过程的研究进展

赵丽红, 唐传禹

(辽宁工业大学土木建筑工程学院, 锦州 121001)

在中国不断城镇化的过程中,产生污废水的量也在逐年增长,因此产生剩余污泥的量也在急剧上升。数据显示,2017年底,中国的城镇污水处理厂已有5 192座,到2021年为止,中国含水率约为80%的剩余污泥产量已经超过3×107t[1]。剩余污泥中存在大量含氮含磷富含营养的有机物,有显著改善土壤理化性质,提升土壤肥力的有利作用。但剩余污泥中同样存在大量的致病菌类和重金属有毒有害的物质,遵循“减量化、稳定化、无害化、资源化”的科学原则,可通过污泥堆肥处理,将剩余污泥转化为有机肥料以改善土壤肥力,在有效处理污泥的同时,避免了污泥对环境的污染,变废为宝,因此污泥堆肥处理成为了中国污泥处理的主流技术[2]。传统方法提高农作物产量一般是大面积使用化肥和农药,这样会造成大量能源损耗和环境污染,同时化肥进入食物链会影响人的健康,而污泥堆肥的产品可以在一定程度上代替化肥的作用[3],因此发展污泥堆肥,研究高效的堆肥处理方式以及优质的有机复合肥并将其应用到环境中就有了很大的开发潜力。而复合型微生物菌剂,是指通过将2种或2种以上的互不拮抗的微生物菌株按照特定配比联合培育,最终能产生良好效果的微生物制剂[4]。微生物菌剂原本是一种用于环境污染问题的生物处理手段,由于微生物菌剂处理相对传统微生物处理,其拥有更高的有机物降解效率,故该方法具有更广阔的市场前景[5]。

现主要综述复合微生物菌剂和污泥好氧堆肥的联合作用,即通过在污泥好氧堆肥过程中接种复合菌剂以达到提升堆肥效率及效果的目的。

1 复合微生物菌剂的组成成分

欧美、日本等国家最早研制出微生物菌剂,并且最先广泛应用于处理工业废水以及工业污水,在不断优化中逐步形成了成熟的系列化产品--复合微生物菌剂[6]。添加菌群的联合作用可以有效地缩短污泥堆肥的发酵周期[7],众多学者也在不断致力于研究不同菌株及不同菌株配比对堆肥带来的不同综合效益,在污泥堆肥过程中主要发挥作用的微生物如表1所示。目前许多的中外的学者都尝试通过接种复合菌剂的方式,从而达到加速堆肥腐熟进程以及改善堆肥产品品质的目的,并取得了不错的成果[8]。目前,中国的微生物菌剂的生产厂家已突破2 000多家[9],接种微生物试剂推进污泥堆肥进程的方式在中国具有非常广泛的前景。因此现综述了近些年来中外将复合菌剂利用与污泥堆肥发酵过程的研究结果,主要包括在堆肥中添加复合菌剂的情况下,对发酵过程中各项指标的影响情况。

表1 污泥堆肥中的主要微生物类型 Table 1 Main microorganisms in sludge compost

2 复合微生物菌剂在污泥堆肥中的作用机理

好氧堆肥是处理市政污泥的有效手段,能极大限度地平衡污泥中的营养物质[15]。而在污泥堆肥处理的过程中,微生物发挥着关键性的作用,污泥堆肥处理的整个过程实质上是由微生物进行堆肥的发酵过程。在此处理过程中,微生物借助细菌代谢作用对污水中的可溶性小分子有机物进行吸附;至于不溶性高分子有机物,细菌则是使之粘附于体外,进而产生出细胞外酶把这种大分子有机物分解成小分子有机物,由细胞内再吸收并利用[16],它们分解有机物的机理如图1所示。在好氧堆肥有机物料的分解过程中,其产生代谢产物主要是二氧化碳、水和热[17],其过程为

图1 微生物分解有机物示意图 Fig.1 Schematic diagram of microbial decomposition of organic matter

(1)

式(1)中:a、b、c、d、e、f、g均为单位数字;分子式从左到右依次表示大分子有机物、氧气、小分子有机物、水、二氧化碳、氨气。

微生物是污泥堆肥过程的主体,是污泥中有机物降解的主要途径,而复合微生物菌剂是针对所需处理污泥的具体降解需求,定向筛选出来的具有更加优质处理能力的微生物制剂,通过对污泥堆肥进行外源接种,以达到调节堆体中菌群结构、增加微生物活性、缩短堆肥时间、减少氮素损失等作用[18]。

污泥堆肥处理过程中通常需要在污泥堆肥过程中加入调理剂,而目前所应用的调理剂主要包括生物调理剂、有机调理剂和无机调理剂[19-20]。其中的生物调理剂称为堆肥接种剂,通常是由多个微生物复合体所构成的,而多个细菌复合体也可以同时兼顾了提高堆肥处理温度和有效地快速分解堆肥的双重效果,并且由于在高温发酵过程中普通细菌已经基本被完全杀死,此时功能性较好的堆肥接种剂也可以较好的产生效果[21]。这种生物调理剂在堆肥中的作用就非常类似于本文的复合微生物菌剂,都是一种加快污泥堆肥速率,提高降解质量的几种功能性很强的微生物集合。

一般情况下,接种的微生物会在物料复杂的堆肥中与原本的土生微生物产生竞争,堆肥中土生微生物浓度过高会直接影响接种微生物的生长繁殖以及发挥该有的作用[22],复合微生物菌剂处理污泥的能力强于污泥中的土生微生物,故在接种复合微生物菌剂时还尽量要保证接种微生物在堆料中的优势地位。席北斗等[23]设计出了三阶段控温法,利用了堆肥发酵时的自生产热和少许外来热源,在堆肥开始后迅速杀灭堆肥中的杂菌同时软化堆料,堆肥中土生微生物浓度显著降低,再接种外源微生物,使接种的复合微生物快速繁殖生长,在堆肥中始终处于优势地位,从而提高堆肥的效率。

3 复合微生物菌剂的筛选与培养条件优化

3.1 复合微生物的筛选方法

目前常用的微生物筛选方法有两种。一种是以某种环境样品作为筛菌对象,直接对其使用定向筛选技术,通过多代驯化,选育出需要的目标复合微生物。梁伟等[24]以醇化烟叶为材料,用平板划线法得到其附生菌,纯化3次后得到46株菌种,分别接入蛋白酶筛选鉴别培养基和淀粉酶筛选鉴别培养基中,分别获得了对应功能的活性菌株群。另一种筛选方法是对某种环境样品进行生物富集,再通过分离和纯化先获得一种单一菌株,然后通过对各菌株间进行混合培养以获得符合功能的复合微生物菌剂。即先对样品进行初筛以获得若干效率高的单一菌种,将其组合培养后再进行复筛以获得理想的复合菌。这两种方法均应用于复合微生物菌剂的制备过程中,其中后者应用更加广泛。

若想获得复合微生物就需要在多种菌种中进行混合筛选,因此所取的环境样品不应过于单一。吴海露[25]从环境样本中选取了20个菌株源,通过常规提取手段提取菌液。将各菌液以5%的比例加入含有干污泥的培养基中,在50 ℃、150 r/min条件下振荡培养,每隔48 h传代一次并以同比例接入新鲜培养基,通过对48 后培养液中干污泥有机质降解率的测定,筛选出降解率高且传代稳定的4种复合菌,这就是复合菌的初筛。将初筛获得的4种复合菌种再进行组合获得15组复合菌种,以同样的培养方法传代培养5代,还是以有机质降解率为指标,最终获得2组有机质降解率高且传代稳定的复合菌,这就是复合菌的复筛。最终通过对这2种复合菌生长曲线的对比,确定环境适应能力最强、细胞增殖最快、有机质分解率最高的1组复合菌。

3.2 培养条件优化

在初步的筛选驯化实验后可以得到一组污泥降解率最高且稳定性最好的1组复合菌,但进行驯化实验的培养条件并不一定是该复合菌发挥最强降解效力的最佳培养条件。因此,还需要进一步提高该复合菌的污泥降解能力,同时将筛选出的复合菌扩大培养后接入好氧污泥中,能够成为污泥中的优势种群,与堆体中的其他微生物形成协同作用的关系,从而加速对污泥的降解。

单次单因素[26]试验是指假设因素之间不存在交互作用,保持其他因素条件不变,一次只改变培养基的一个因素水平,逐次对每个单因素进行考察优化。在培养条件优化的实验中,可以使用单次单因素的方法分别研究培养基中碳源、氮源、无机盐、摇床转速、培养时间、温度等单一因素对菌株生长的影响,研究测定一般以有机质的降解率、OD600[27](使用分光光度计在600 nm波长下测定细胞液的吸光度,用以反映细胞浓度)以及单位体积的活菌数作为考量指标[28-29],从而确定复合菌培养过程中各单因素的最佳存在条件。

Plackett-Burman试验[30]是一种对实验因素进行筛选的试验设计,通过对因子多水平及整体的差异以确定因子的显著性,该试验虽然不能对主效应和交互作用影响进行清晰的区分,但可以筛选出对结果影响显著的因素。何勇等[31]在对白术中分离出的一种菌种进行优化培养过程中应用了Plackett-Burman试验,对营养物质及培养条件在内的8种因子进行筛选,最终以虚构变量F值的大小确定因子的显著性。

正交试验是指在单因素实验的基础上,对各有显著影响的因素选择出合理的试验范围。可以以有机质降解率为指标,选择设计正交试验表进行正交试验分析,最终选择出适合复合菌的最佳培养条件数据。在获得最佳培养条件的组合后,最终在此基础上进行追加验证试验,即将正交试验得到的最佳培养条件组合与初始培养组合进行对比试验,若前者有机质降解率或者细胞浓度等衡量指标均较后者有一定程度的提升,则验证正交试验优化的有效性。李月秋等[32]以OD600为指标,列出四因素三水平正交试验表对某菌群优化培养,即对应进行9组试验,通过对结果表中OD600和极差的分析,得出培养基成分和培养条件的最佳组合。

4 复合微生物菌剂对污泥堆肥中各指标的影响

4.1 对污泥堆肥发酵温度的影响

污泥堆肥过程中,根据中国《农业废弃物无害化处理标准》的规定,堆肥温度至少要达到55 ℃并持续3 d以上或者大于50 ℃并持续7 d以上时,堆肥才能保证达到无害化标准[33]。一般情况下温度在污泥堆肥的初始期迅速升高,并在高温期维持一段时间,此后温度开始降低,到达降温阶段和腐熟阶段的时候,温度的变化就比较小了,最终逐渐接近环境温度[34-35]。温度通过对微生物体中各类酶的活性影响,从而能直接反映堆肥中微生物的运动状况[36],因此是污泥堆肥过程中的重要因素之一[37]。Liu等[38]记录了在牛粪堆肥过程中接种外源微生物的实验组与未接入微生物的对照组在发酵期间温度的变化,最终得出结论,接种微生物可以使堆肥初期快速升温,并且延长了高温期。徐晨等[39]以污泥、蘑菇渣和废白土为主要原料进行城市污泥好氧堆肥实验,通过对比添加不同比例的复合微生物菌剂的实验组以及空白对照组发酵过程中各项数据的记录,发现复合菌剂可以使污泥堆肥升温速率提升,提高堆体温度最大值。温度的变化是否达到要求是堆肥过程能否成功的关键,而在堆肥中添加复合菌剂可以加速升温过程、提高堆肥发酵的最高温度,并保持高温的时间更长,这有利于污泥发酵进程,表明了复合菌剂的优势效益。

4.2 对污泥堆肥含水率的影响

污泥堆肥过程中,有机物分解与微生物生长繁殖都离不开水分,由于堆体中微生物活性很大程度受水分的影响,因此可以通过调节合适的含水率来提高微生物的活性,从而加快污泥堆肥进程[40]。堆肥时含水率低于10%时,污泥中有机物就会停止分解;含水率过高时,堆体物料间的空隙就会变小,容易形成局部的厌氧环境,从而产生恶臭味,因此污泥堆肥初期含水率一般控制在50%～60%最佳[41]。在堆肥过程中,堆肥初期堆体中物料有机物充足,微生物将有机质分解为CO2和H2O,此时堆肥也在快速升温,水分的蒸发量会大于产生量,因此堆体含水率迅速下降[42];堆肥末期,有机物的分解速度逐渐平缓,堆体温度也逐渐回到环境温度,此时堆体含水率保持在30%左右。卢洋洋等[43]通过研究复合微生物菌剂对牛粪堆肥的影响,结果表明,堆肥结束后添加复合菌剂的实验组产品含水率显著低于对照组。丁涛等[44]采用了污泥兼氧发酵菌对污泥进行发酵堆肥实验,最终实验的检测结果显示,添加微生物菌剂的实验组含水率降低到了29.8%,比对照组低了7.4%,证明了添加微生物菌剂可以降低处理后污泥的含水率。因此可以说明,添加复合微生物菌剂污泥中微生物活动更剧烈,产热更多,蒸发作用使得堆体水分快速减少,从而降低污泥堆肥后产品的含水率,该过程本质上是堆肥温度提升和微生物活动变强引起的。

4.3 对污泥堆肥pH的影响

污泥堆肥过程中,堆体中的微生物一般都有自身最适宜的pH,微生物在最适宜的pH环境中会良好的生长繁衍,以便获得良好的快速降解效率。虽然污泥堆肥处理的最适合pH变化范围一般在6～9,但因为堆体中大部分微生物都适合在中性偏碱的环境中生长繁衍[45],因此pH过高或过低都会影响淤泥的堆肥处理效果。微生物在分解污泥堆肥中的有机质时常伴随着堆体pH的变化,因此堆体的pH反映了堆肥过程中微生物的活性以及堆肥所处的阶段[46]。林金宝等[47]研究了5种复合微生物菌剂对城市污泥的发酵影响,发现在发酵过程中堆体的pH表现了先降后升的趋势,整体对比所有堆肥实验对照组,pH变化不大,但与微生物活动强度密切相关。刘善江等[48]在对城市污泥进行堆肥发酵时以树枝、草炭、糠醛渣、畜禽粪便作为调理剂,发现整个堆肥过程中pH变化不大,基本稳定在中性。因此在污泥堆肥中接种复合微生物菌剂,会根据接种微生物的种类以及堆肥中不同的营养成分从而使堆肥中的pH变化不尽相同。一般情况下,下降是由于发酵初期产生有机酸,升是因为随着发酵推进有机酸被分解且伴随氨气的产生,但整体上不会对堆肥的pH带来较大影响。

4.4 对污泥堆肥中总有机质的影响

城市的生活污水中存在着一定量的植物有机质和一些植物产生代谢的养分基质,常将剩余污泥堆肥使用为土壤改良剂,或是将其二次利用作为复合肥再利用[49]。堆肥中的有机质含量过高时会导致氧气消耗过快产生局部厌氧环境,并产生抑制植物生长的有机酸有毒物质[50];有机质含量过低会限制堆肥发酵过程中热量的产生,同时影响堆肥后产品的肥力。微生物群落中各种微生物为了与环境相互作用有效利用现有资源,会利用分工(division of labor, DOL)来完成复杂的分解任务。与单一微生物相比,复合微生物在发酵方面表现出更强的能力,复合微生物可以通过每个种群消耗一个碳源而受益于DOL[51],从而使混合碳源的消耗更快、更有效。顾文杰等[52]在堆肥中平行加入生物菌剂的实验得出结果,在实验初期由于微生物代谢活跃且迅速繁殖,堆体中有机质含量有所上升;随着发酵进行,有机质大量被分解为二氧化氮和有机酸,含量迅速下降,3个加入复合微生物菌剂的实验组有机质的降解率均不同程度大于空白组。康军等[53]在对城市污泥、小麦秸秆、玉米秸秆混合进行好氧堆肥的实验中,发现堆料粒径较小或调理料为易降解物料时有机质的降解率较高。因此,在污泥堆肥中添加复合微生物菌剂可以强化发酵过程中的DOL效果,显著加速堆体中的有机质降解,同时较大的比表面积和较易降解的物料更易外源微生物的附着和分解。

4.5 对种子发芽指数(germination index, GI)的影响

在污泥的堆肥过程中,其中蕴含的大量有毒物质会对堆肥中植物种子的生长产生抑制作用,因此通过堆肥处理过程中种子的发芽率和根长可以统计得出种子发芽指数(GI)[54],GI值可以比较可靠地反映污泥堆肥的腐熟度[55]。Zucconi[56]提出利用以生物学方法来测定堆肥的毒性,即当GI>50%时,堆肥基本达到腐熟,而GI>80%时表明堆肥完全腐熟,故以GI值来判定污泥堆肥结束后的腐熟程度。陈大勇等[57]实验研究了复合微生物菌剂对污泥堆肥营养学指标的影响,在5个平行试验组中添加复合微生物菌剂(HBH-Ⅱ),5组添加的质量占比依次提升,初始堆肥的发芽指数为70%,但在堆肥结束时,各投加比例下的发芽指数为82.83%～97.20%,可以说明复合微生物菌剂提升了污泥的腐熟度。张陇利等[58]研究了复合微生物菌剂对污泥堆肥的作用效果,在初次发酵和二次发酵后,添加复合菌剂的实验组比不添加的GI值高1.05%～10.94%。因此可以认为添加复合微生物菌剂能在常规堆肥基础上加快污泥的腐熟,体现为接种复合菌剂的污泥堆肥后的GI值比常规更高,至于最佳接种比例还需进行单因素实验进行确定。

4.6 对全氮(total nitrogen, TN)和碳氮比(C/N)的影响

全氮是衡量污泥堆肥后产品肥力的重要指标,微生物将无机氮吸收转化为自生的细胞组成成分,以此将氮素固定并转化为腐殖质的一部分,而硝化反应、反硝化反应以及NH3挥发会导致氮素的释放[59-60]。氮源和碳源均是微生物生长繁殖的重要因素,同时也是描述堆肥进程的重要特征,因此C/N是评价堆肥腐熟的指标之一,堆肥初期C/N一般在25～35,堆肥结束后C/N在20以下才能保证污泥的腐熟[61]。实验研究结果如表2所示,在污泥堆肥中添加复合微生物菌剂堆肥结束后总氮量变化不尽相同,一些情况(表2)会加大氮素损失,因此进一步研究开发低氮损失的方法与之互补变得很有必要。同时在污泥中添加复合微生物菌剂可以更显著降低堆肥的C/N,表明接种复合微生物菌剂能显著缩短堆肥周期,提高堆肥效率。

表2 复合菌剂对污泥堆肥中TN和C/N的影响Table 2 Effect of composite microbial agent on TN and C/N in sludge compost

4.7 对微生物总量的影响

污泥堆肥处理发酵的过程是指微生物利用生命活动分解污水中有机质的过程,堆肥反应的初始条件是十分关键的,若想微生物尽量快的分解污泥堆肥处理过程中的有机质,就必须确定好氧菌剂具有较高的密度和稳定性[66],所以细菌数量变化对于污泥堆肥处理的进程具有关键性意义。张玲等[67]在使用复合微生物菌剂对剩余污泥进行的堆肥处理实验中,3个实验组出现第一次微生物总量高峰的时间比对照组早了24～84 h,且峰值高度也明显高于对照组。而郭赋[68]则研究了复合菌剂在污泥堆肥处理中产生的效果,结果依旧是实验各组达到微生物数量峰值的时间均提前于对照组,且峰值高度也更高,表明了复合微生物菌剂有效促进了污泥堆肥处理过程中细菌的增殖,进而使得堆肥处理效果更好。席北斗等[69]关于在污水好氧堆肥处理中加入复合微生物菌剂的研究中,也表明接种复合微生物菌剂后能够明显提高堆肥处理中细菌的数量。吴岩等[70]在用微生物处理氨氮废水时也发现复合菌可以有效提高系统内微生物的丰度和多样性。因此在污泥堆肥中添加复合微生物菌剂能改善微生物菌群的结构,形成稳定生态系统,从而显著提高堆肥中微生物总量,同时将微生物总量的高峰提前,加速完成堆肥。

5 结论与展望

(1)在污泥堆肥中添加复合微生物菌剂的处理方式,本质上就是利用筛选出的处理效果优异的微生物菌群分解污泥中的有机物。复合微生物的获取通常要对提取的多种不同微生物进行初筛和组合后的复筛,从而确定出效果最好的一组复合菌,再通过单次单因素试验、Plackett-Burman试验、正交试验等试验方法对该复合菌进行优化培养,以进一步优化复合菌的性能,同时获得复合菌的最佳培养条件,为后续的接种使用做铺垫。

(2)接种了复合微生物菌剂后,污泥堆肥的发酵温度会提升得更快,且高温期更长;堆肥发酵结束后的含水率会更低;对堆肥本身的pH基本不会带来影响;会加速堆体中有机质的降解;提高了堆肥的GI值;虽然堆肥过程中氮含量的变化根据实际情况不尽相同,但C/N却普遍会更低;堆肥中微生物总量也会显著提升。复合微生物菌剂通过对污泥堆肥过程中这些主要因素的积极影响,从而提升堆肥的效率。

(3)目前,复合微生物的接种技术还主要应用于生活垃圾和动物粪便的堆肥中,因为生活垃圾和动物粪便含有较多的纤维素和木质素,更容易进行微生物的定向培养,而剩余污泥的成分相对复杂,对剩余污泥的复合菌强化技术还需要进一步深入研究。污泥堆肥的技术在实际行业处理中仍不够成熟,因此添加复合微生物菌剂改善污泥堆肥的方式拥有较大的应用前景。

(4)近年来,微生物菌剂产品的数量不断增加、种类不断丰富,推广应用范围也在不断扩大,市场上菌剂企业并不少,但是真正做产品的并不多,80%的企业是没有真正研发和生产的,主要影响微生物菌剂质量的是菌种与生产工艺,不同企业生产的同类产品质量差异大,不同生产批次间差异大。因此未来复合微生物菌剂的自主研发,以及整个行业之间制定标准的工艺流程和建立配套的生产设备成为优先亟待解决的问题。