复合菌剂在强化污泥和秸秆的好氧堆肥中应用研究

方春玉 郑丹萍 于佳祎 吕枫 严禾敏 谭梅 杨丽 杨智博 陈桦

摘要 好氧堆肥是能同时实现污泥减量化、无害化、资源化最有发展潜力的处置方式之一，为强化污泥的好氧堆肥进程和提高堆肥质量，将圆褐固氮菌（Azotobacter chroococcum）、蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）和解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）等比例混合组建为复合菌剂，污泥与玉米秸秆按体积比1∶1.5混合，烘干调节混合物的含水率至60%后接种10%的复合菌剂，装入堆肥装置中，调节空气流量为0.20 L/min进行通气发酵15 d，所得堆体的TN、TC、TP、TK分别为（23.20±0.21）、（230.80±0.56）、（3.13±0.03）、（1.55±0.01） g/kg，发芽指数为（129.95±5.42）%。比较于未加菌剂空白组，营养基质含量均有提高，且重金属含量均大幅度降低，除As外，其他重金属指标均低于有机肥国标的限值。复合菌剂发酵的堆料中总氮减少量降低，总磷含量增高，重金属含量减少，表明该混合菌剂具有固氮、聚磷和钝化重金属的作用，有助于解决市政污泥堆肥中存在的堆肥效率低、营养流失大、重金属超标等瓶颈难题。

关键词 市政污泥；污泥堆肥；秸秆；复合菌剂

中图分类号 S141.4  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）11-0036-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.11.009

Research on the Application of Compound Microbial Agent in Aerobic Composting of Sludge and Straw

FANG Chun-yu1，2， ZHENG Dan-ping2， YU Jia-yi2  et al

（1.Solid-state Fermentation Resource Utilization Key Laboratory of Sichuan Province，Yibin，Sichuan 644000.2.Biotechnology Engineering Dept，Sichuan University of Science&Engineering，Zigong，Sichuan 643000）

Abstract Aerobic composting is one of the most potential disposal methods realizing sludge reduction， innocuity and resource utilization simultaneously. To strengthen the aerobic composting process of sludge and improve composting quality， compound bacterial agent were formed by mixing Azotobacter chroococcum，Bacillus cereus and Bacillus amyloliquefaciens with the equal ratio. The sludge was mixed with corn straw according to the volume ratio of 1∶1.5， the moisture content of the mixture was adjusted to 60% by drying， then the mixture was inoculated with 10% compound microbial agent and put into the composting device， and the air flow is adjusted to 0.20 L/min for aeration fermentation for 15 d， the TN， TC， TP and TK of the sludge composting were （23.20±0.21） g/kg， （230.80±0.56） g/kg， （3.13±0.03） g/kg and （1.55±0.01） g/kg， respectively， the germination index was （129.95±5.42）%. Compared with the control group， the contents of nutrient substrate were increased， and the contents of heavy metals were decreased significantly， except As， other heavy metal indexes were lower than the limits of national standard of organic fertilizer. The decrease of total nitrogen， the increase of total phosphorus and the decrease of heavy metals in the compost of the compound microbial agent fermentation indicated that the compound microbial agent had the functions of nitrogen fixation， phosphorus accumulation and passivation of heavy metals， this will help to solve the problems of low composting efficiency， high nutrient loss and excessive heavy metals in municipal sludge composting.

Key words Municipal sludge;Sludge compost;Straw;Compound microbial agent

基金项目 固态发酵资源利用四川省重点实验室项目（2020GTJ003）；四川轻化工大学创新创业项目（CX2024139）；四川省大学生创新创业训练项目（S202310622079）；四川轻化工大学-五粮液集团合作项目（CXY2019ZR008）。

作者简介 方春玉（1977—），女，四川遂宁人，高级实验师，硕士，从事环境生物技术研究。

*通信作者，从事环境生物技术研究。

收稿日期 2023-05-02；修回日期 2023-06-27

“双碳”战略倡导绿色、环保、低碳的生活方式，节能减排和废弃物的循环利用是实现“双碳”目标的重要举措［1］。污泥问题成为中央生态环保督察特别关注的问题，我国出台相应政策、法律法规，规定污泥或废渣（符合卫生条件的可综合利用除外）必须作最终处置，污泥处置成为打通污水处理的“最后一公里”，污泥处置的出路成为亟待解决的难题。污泥农用是污泥最终处置手段中的最佳选择，由污泥有机质含量、庞大的数量和增值潜力所决定［2］。近年来，我国市政污泥产生量逐年上升，到2021年达到5 552万t，预计2025年我国污泥年产量将突破9 000万t，生活污水作为市政污泥的来源之一，是市政污泥产生量快速增多的原因，污泥处置问题面临严峻挑战［3］。好氧堆肥是达到污泥农用有效方式之一，也是同时实现污泥环保化、稳定化、无害化、资源化最有发展潜力的处置方式。侯静怡等［4］通过系动力学法和数值模拟法，对比了市政污泥减污与降碳的4条路径效果，得出市政污泥堆肥和厌氧发酵能有效提高减污降碳协同度。好氧堆肥具有能耗低、处理量大、经济且环保等优点，但也具有好氧自然堆肥效率低、臭味大、肥效低和重金属难以稳定化等缺点。研究表明［5-10］，外加微生物可强化堆肥，外源接种微生物可加快堆肥进程，缩短堆肥周期，提高对非温度杀死堆体中的病原微生物，提高肥效和降低臭味。微生物是污泥堆肥的生力军，能将污泥中的有机质分解，产生堆料肥体物和热量，促进污泥堆肥的腐熟。目前市场已有微生物菌剂品种繁多，如日本的EM菌剂，已有菌剂在餐厨垃圾和牲畜粪便的堆肥中得到了较好的应用［11-12］。实际应用中，部分菌剂存在质量差异较大、微生物活性不稳定、应用效果不理想等问题。

为达到减少堆肥进程中营养基质的流失、缩短发酵周期、提高堆肥效率、钝化金属的目的，将自行分离驯化、具有固氮、聚磷和钝化金属的功能性微生物组建为复合菌剂，对市政污泥和秸秆进行强化堆肥，并对堆肥条件进行优化，旨在为污泥堆肥构建高活性、高效能的微生物菌剂、提高污泥堆肥效率，从而推市政动污泥资源化利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

活性污泥，取自宜宾市生活污水处理厂剩余活性污泥。小麦秸秆、玉米秸秆、稻草和小白菜种子均购自淘宝网。白菜种子是由青县兴运蔬菜良种繁育中心生产，一般温度在10～25 ℃时均可播种，其发芽率不低于85%。

试验菌株均为课题组自行从白酒废水剩余污泥中分离所得，并通过鉴定为圆褐固氮菌（Azotobacter chroococcum）、蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）、解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）。

1.2 分析方法

含水率、温度、有机质、pH和种子发芽指数（GI）测定方法参考农业行业标准《有机肥料》（NY/T 525-2021）；电导率EC采用电导率仪直接测定；总碳采用总碳测定仪直接测定，总氮采用凯氏定氮仪直接测定，总磷采用水质分析仪直接测定，总钾采用原子吸收光谱仪测定；重金属含量采用ICP光谱仪测定；E4/E6采用分光光度计法测定，于465和665 nm处测定吸光度，计算比值［13］。

1.3 试验装备

堆肥装置如图1所示，堆体主体设备用塑料桶自制而成，长40 cm、宽40 cm、高50 cm，侧面开有取样口和温度检测口；用空压机供气，在软管底端接有曝气头，曝气头不同方位开孔进行全方位均匀布气。

1.4 试验操作

用LB 培养基斜面活化的菌种，取250 mL的三角瓶15个，分别装入100 mL的LB液体培养基后高温灭菌。各取3环活化菌种接种三角瓶中，每种菌接种5瓶，将三角瓶放在37 ℃、120 r/min的摇床中振荡培养12 h后，取出后按1∶1∶1的比例将3种菌悬液混合，得到混合种子液。

量取市政污泥和秸秆按一定比例混合，接入适量的混菌液后搅拌均匀，装入堆肥装置中，启动空压机进行供气发酵，注意曝气头周围装料不易过紧，或留一通道，保证气流通畅。

2 结果与分析

2.1 辅料的选择

含菌胶团的污泥脱水困难、黏度大，直接堆肥具有含水率高、溶氧低等弊端。添加秸秆能调节含水率、调节孔隙率、补充有机质。秸秆的添加，既能增加污泥之间的孔隙，提高蓬松度，提高溶氧；又能增加堆体物的氮、磷、钾等营养基质，从而提高堆肥的效果。不同原料性能参数测定见表1。

由表1可知，不同种类的秸秆，其组成成分和性能差异较大。确定秸秆种类和添加比例，可以稳定污泥堆肥效率和品质。

2.1.1 秸秆种类的确定。

选用小麦、玉米、稻草的秸秆（XM、YM、SD）为调节剂，取相同质量的秸秆分别和污泥混合均匀，接种10%的混合菌剂，混匀后置于堆肥装置中，以不接种菌剂的为对照组。设置通风量为0.15 L/min，取不同发酵时间的堆料测定其含水率、有机质含量、pH、EC、E4/E6、发芽指数，测定结果如图2所示。

从图2可以看出，综合各参数指标，堆料发酵15 d 后，堆料基本达腐熟程度。图2b显示，堆体有机质含量随发酵时间延长逐渐降低，小麦、玉米、稻草秸秆组（XM、YM、SD）0～15 d时有机质含量分别从80.19%、84.04%、81.00%下降到68.23%、69.00%、74.33%，分别下降了11.96百分点、15.04百分点、6.67百分点，添加菌剂组均小于空白对照组；添加玉米秸秆作为辅料的堆体的硝化作用和有机物降解作用较强，氮的损失较小，堆肥效果较好。从图2c可以看出，所有堆体总的EC值均小于4.0 mS/cm，不会对种子发芽和作物的生长产生影响［14］。

E4/E6指示腐殖质的腐殖化程度，其数值越小，表示堆体腐殖化程度越高，在环境中存留时间越长，有研究认为，E4/E6数值在 3～4 ，堆体已达腐熟状态［15］，从图2e可以看出，E4/E6值的变化是先升后降，堆肥结束时所有堆体的E4/E6值都到达了3～4，达到了腐熟要求。发酵结束，测得小麦秸秆组的E4/E6为2.74，玉米秸秆则为3.05，比较于其他试验组，其值相对较低。

种子发芽指数是检测堆肥植物毒性和评价堆料腐熟度的重要参数［16］ 。从图2f可以看出发芽指数的变化是先升后降，其中玉米秸秆组的发芽指数整体优于其他组，堆肥结束的发芽指数表明：所有堆体的发芽指数都大于70%，都达有机肥料国标要求。但是若以发芽指数大于80%的堆体才腐熟为指标［17］，则除稻草组和稻草对照组外，其余堆体的发芽指数都大于80%到达了腐熟度要求。对发芽指数第6天的结果进行显著性分析得出玉米秸秆组差异最显著（P＜0.05）。

添加复合菌剂，有利于促进秸秆和污泥的堆肥进程，改变堆体的含水率、pH及组成，促进有机质分解，有利于农作物吸收利用，促进发芽生长。玉米秸秆作为辅料的试验组和对照组的有机质含量下降均为最大，且堆肥过程中pH不高，氮损失小，发芽指数也较其他组的高，后续试验选择玉米秸秆作为污泥堆肥的辅料。

2.1.2 辅料和污泥最佳配比的确定。

将污泥与玉米秸秆按体积比 1∶0.5（1组）、1∶1（2组）和1∶2（3组）配比，控制堆体总质量相同6 kg。由烧杯大致量取500 mL体积的玉米秸秆称得质量为61 g，500 mL体积的污泥称得质量为535 g。污泥、秸秆混匀后接种混合菌剂10%，置于堆肥装置中，设置通风量为 0.15 L/min进行堆肥发酵。测定不同发酵时间下各指标参数，以确定辅料玉米秸秆/污泥的最佳配比，测定结果如图3所示。

由图3可知，添加玉米秸秆的堆体，随着堆肥发酵进行，其水分、有机质含量和pH都有不同程度的降低，堆体朝着腐熟的方向进行，特别是1∶2组合表现较为突出，EC为1.45 mS/cm，E4/E6为3.28，发芽指数为125%，均高于其他比例组合。玉米秸秆量的添加，增加了污泥之间的孔隙，便于空气的流通，增加了溶氧，有利于微生物的生长代谢，从而加快了代谢进程，促进了堆体较快腐熟。但过多的秸秆添加，会使堆体含水率降低、难降解的纤维素增加，不利于污泥秸秆混合堆体的发酵。综合考虑配比3组即污泥∶玉米秸秆的配比为1∶2的堆肥效果最好。

2.2 堆肥条件的研究

2.2.1 单因素试验。

微生物发酵受温度、水分、溶氧和接种量等因素的影响，由于堆肥有一个温度上升的过程，采用保温的方式聚集热量，故温度不作控制。通过单因素试验设计，对复合菌剂发酵污泥和秸秆堆肥影响条件进行研究，找出通风量、堆体含水率以及接种量的最适参数范围，为优化堆肥条件提供数据基础。

堆肥发酵过程中，测定不同条件下堆料的E4/E6和发芽指数大小，结果如图4所示。从图4a中可以看出，0.15、0.30和0.45 L/min通风量下，堆体的E4/E6随时间变化的总趋势是先降后升再降，最终 E4/E6值都小于4，达到了堆肥腐熟要求，但它们的值相差不大，分别为3.37、3.20和3.09。从图4b可以看出堆体的发芽指数随时间在逐渐增加，堆肥结束时的发芽指数都大于80%，满足堆料的腐熟要求。堆体在不同的通风量下发酵，其堆料的发芽指数不同，0.30 L/min的通风量组发芽指数最大，其GI（0.30 L/min）为109.41%，3试验组发芽指数大小关系为GI（0.30 L/min）>GI（0.15 L/min）>GI（0.45 L/min）。通风量越高，通入污泥中的空气量越大，越利于好氧微生物的生长繁殖和代谢，越利于污泥的腐熟；但通风量增加，会加大气流流动，带走堆体中的水分和热量，不利于堆肥发酵，同时，较大的通气量会加快硝化和反硝化进程，导致氮元素以N2的形式排出而营养流失过大。试验得出，该混合菌剂堆肥通风量选择0.30 L/min。

将污泥与玉米秸秆混匀，通过加热干燥法控制水分含量，调整堆体的起始含水率分别为55%、60%和65%，加入混合菌剂后堆肥，测定发酵过程中各指标大小。从图4c～d可以看出，堆体不同起始含水率发酵进程中，E4/E6和发芽指数均有较大变化，堆体E4/E6随时间变化的总趋势是先降后升再降，且发酵结束后，E4/E6值都小于4，达到了堆肥腐熟要求，

55%、60%和65%含水率条件下吸光度比率E4/E6分别为3.34、3.63和3.50；对应的发芽指数GI分别为114.19%、112.33%和101.45%。55%试验组E4/E6值最低，发芽指数最高。水分能溶解堆体内的小分子物质，为微生物的生长代谢提供丰富的营养基质；对于静态发酵的堆体，其起始含水率越高，污泥黏度越大，污泥间孔隙越小，越不利于气流的流通，势必影响好氧微生物的正常生长代谢。该试验选用起始含水率为55%。

从图4e可以看出，堆体E4/E6随时间变化的总趋势是先降后升再降，发酵15 d后E4/E6值都小于4，达到了堆肥腐熟要求。接种量0、3%、5%和10%的堆体，测得其对应E4/E6值分别为3.87，3.85、3.43和3.50，堆料的发芽指数分别为100.63%、92.68%、102.17%、104.45%。接种量的大小决定于微生物生长繁殖速度，较大的接种量可以缩短菌种繁殖达到高峰的时间而较快成为优势菌群，但接种量过大过小均会影响发酵，过小会延长培养时间，效率较低；过大会引起溶氧不足，影响代谢。比较吸光度比率E4/E6和发芽指数，该混合菌剂堆肥市政污泥的最佳接种量为10%。

通过单因素试验，得出该复合菌剂发酵市政污泥和玉米秸秆的最佳条件为通气量0.30 L/min，含水量55%，接种量10%。

2.2.2 正交试验。

在单因素试验基础上，对堆肥的条件进行正交试验设计，以优化获得最佳的微生物菌剂堆肥活性污泥的最佳条件。将污泥和玉米秸秆按体积1∶2的比例混匀后接种，装入堆肥装置中，控制不同的试验条件进行发酵15 d，测定堆体中混合物的总碳（TC）、总氮（TN）、总磷（TP）和总钾（TK）的量，并计算发酵前后对应指标的变化量，结果如表2 所示。

由表2可知，堆肥结束后堆体的C/N比均在10左右，满足腐熟要求，且第6组的P含量在堆肥结束时增加了15.93%。在微生物菌剂参与堆肥的过程中，由于微生物的繁殖代谢，会消耗原料中的有机质生成氮化物NOx、NH3和CO2等气体排出，从而导致原料中N、C元素的含量减少，即营养损失，多数研究表明，好氧堆肥过程中氮素损失占总氮的 45%～71%［18］ 。在堆肥过程中营养损失（以K计）最高可达54.95%，最小为27.48%。

从表3可以看出，以堆体总养分变化为指标，试验号6的组合其营养减少量最小，为27.20%。比较k值可得出最佳组合为A2B3C1D1，即接种量为10%，含水率为60%，污泥∶秸秆1∶1.5，通风量0.20 L/min。在此条件下堆肥15 d，得到的堆体外观如图5所示。

从图5可以看出，随着堆肥发酵进程的推进，堆体的颜色由棕色变成黑褐色，颜色越来越深，外观上显示堆体已达腐熟。这一结果符合Sugahara等［19］和Jiménez等［20］对堆肥腐熟度判别方法的描述，认为随着堆肥进程的增加，堆料的颜色逐渐加深，直到最终产品变成深棕色或几乎全黑。

对堆体的成分指标进行检测，测得的数据如表4所示。

对比国家农业行业《有机肥料》（NY/T 525—2021）指标检测标准，该市政污泥和玉米秸秆在复合微生物菌剂作用下所得堆料的质量指标均高于国家有机肥标准，堆肥过程中TP由2.78 g/kg增加至3.13 g/kg，提高了12.59%，这或许与菌剂中解淀粉芽孢杆菌有关，因为课题组前期研究表明，该株解淀粉芽孢杆菌具有较好的聚磷作用。

同时，对堆肥腐熟后的堆体中重金属进行检测，数据见表5。由表5可知，市政污泥中As和Cd含量均超过了国家标准《有机肥料》规定的限值，经过复合菌剂堆肥后，堆体中重金属含量均有大幅度的降低，Cd从4.11 mg/kg 降至2.90 mg/kg，虽然As含量仍不达标，但其含量从35.00 mg/kg降至22.22 mg/kg，降低了36.51%，其他重金属含量均低于有机肥国标限值。说明该复合菌剂在市政污泥堆肥过程中具有钝化固定重金属的作用［21］，该研究结果与刘艳婷等［21］的结论一致，即外源微生物菌剂的添加可提高堆肥效率，利于重金属钝化，减少氮流失。

3 结论

市政污泥堆肥是污泥土地化利用的重要途径，是契合国家发改委“十四五”新型城镇化实施方案的重要举措。将圆褐固氮菌（Azotobacter chroococcum）、蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）、解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）等比例混合组建为混合菌剂，污泥与玉米秸秆按体积比1∶1.5混合，烘干污泥秸秆混合物的含水率至60%后接种10%的复合菌剂，装入堆肥装置中，调节空气流量为0.30 L/min进行通气发酵15 d，所得堆体的TN、TC、TP、TK分别为（23.20±0.21）、（230.80±0.56）、（3.13±0.03）、（1.55±0.01） g/kg，发芽指数为（129.95±5.42）%。相较于未加菌剂空白组，营养基质含量都有提高，但重金属含量均大幅度降低，除As外，其他重金属指标均低于有机肥国标的限值。堆料中总氮的减少量降低，总磷含量增高，重金属含量减少，表明该混合菌剂具有固氮、聚磷和钝化重金属的作用，这为市政污泥堆肥解决了堆肥效率低、营养流失大、重金属超标等瓶颈难题。

但堆肥不能根本去除重金属，只能改变其存在形态，降低重金属生物有效性。重金属含量特别是As的含量的进一步降低，是下一步研究的方向。

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