歐陽建新,施 周,崔凱龍,鐘 華,梁運(yùn)姍(.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙 40082；2.廣州市水務(wù)局,廣東 廣州 50640；.湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 40082)

微生物復(fù)合菌劑對污泥好氧堆肥過程的影響

歐陽建新1,2,施 周1,崔凱龍3*,鐘 華3,梁運(yùn)姍3(1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410082；2.廣州市水務(wù)局,廣東 廣州 510640；3.湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 410082)

研究了黃孢原毛平革菌與枯草芽孢桿菌復(fù)合菌劑在剩余污泥靜態(tài)強(qiáng)制通風(fēng)好氧堆肥中的作用.結(jié)果表明,根據(jù)堆肥過程中的溫度(0~5d為中溫階段,6~12d為高溫階段,16~28d為腐熟階段)變化,復(fù)合菌劑的變化導(dǎo)致堆體細(xì)菌數(shù)量明顯高于空白堆體,且堆體中的嗜熱真菌在高溫期顯著增多,促進(jìn)了有機(jī)物的降解,加速了堆體的腐熟.試驗(yàn)組蘿卜種子發(fā)芽指數(shù)(GI)相對空白組提前3d達(dá)到了50%,表明復(fù)合菌劑的加入迅速地降低了堆體的生物毒性,但由于相對濃縮效應(yīng)使得堆肥產(chǎn)品Cd含量略有增加.

剩余污泥；復(fù)合菌劑；靜態(tài)強(qiáng)制通風(fēng)好氧堆肥；種子發(fā)芽指數(shù)；相對濃縮效應(yīng)

相對于傳統(tǒng)的污泥處理方法為填埋、焚燒和遠(yuǎn)洋投海等,好氧堆肥發(fā)酵法不失為一種資源再生利用,環(huán)境友好型的處理途徑.它具有有機(jī)物分解率高,周期短、運(yùn)行費(fèi)用低、二次污染小等優(yōu)點(diǎn),在世界各國特別是發(fā)展中國家大有發(fā)展前途[1].對于污泥堆肥的條件優(yōu)化和過程控制已有較多研究,但往往達(dá)不到縮短堆肥時(shí)間、提高堆肥質(zhì)量的目的,研究表明需要通過添加劑來提高堆肥效率[2],而外源微生物是其中重要的一種.通過添加高效外源菌劑,有望增加污泥中降解微生物的豐富性,加快污泥微生物細(xì)胞的裂解及有機(jī)物的分解,促進(jìn)污泥腐熟,從而加速堆肥過程[3].

充分降解堆肥物料中的木質(zhì)纖維素和有毒有害的高分子有機(jī)物是堆肥是否充分腐熟的關(guān)鍵[4].白腐真菌可降解木質(zhì)素以及許多持久性和有毒有機(jī)污染物[5-6],而黃孢原毛平革菌是白腐真菌中的常見菌種,也是產(chǎn)酶和降解研究的模式菌種[7],但關(guān)于它在污泥堆肥中的作用研究卻鮮有報(bào)道.枯草芽孢桿菌對于木質(zhì)素的降解也有很好的促進(jìn)作用,與其他菌劑復(fù)合更能夠有效的促進(jìn)大分子及復(fù)雜有機(jī)物的降解,如與其他芽孢桿菌桿菌屬細(xì)菌的混合在污泥堆肥中產(chǎn)生了明顯的組合優(yōu)勢[8-9].本研究考察了黃孢原毛平革菌和枯草芽孢桿菌復(fù)合菌劑對城市污泥靜態(tài)強(qiáng)制通風(fēng)好氧堆肥過程的影響,旨在為復(fù)合菌劑在污泥堆肥中的應(yīng)用提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 堆肥原料

試驗(yàn)污泥為長沙市第二污水處理廠的脫水污泥,初始含水率 84.8%.污泥在晴朗、干燥的空氣中風(fēng)干 48h,使得污泥初始含水率降為 64.3%.鋸末來自于湖南大學(xué)海捷模具加工廠,直徑1~2mm;稻草秸稈來自于長沙市周邊農(nóng)村,截成長 20mm左右小段.將風(fēng)干污泥 25kg與稻草秸稈、鋸末按照質(zhì)量比25/0.8/3.5混合,其中鋸末和稻草秸稈用來調(diào)節(jié)污泥堆體的含水率、C/N和機(jī)械性能.各物料性質(zhì)見表1.

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

枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis M203078)和黃孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium BKMF-1767),均購自武漢大學(xué)中國典型培養(yǎng)物保藏中心(CCTCC).通過濁度測定和稀釋平皿法,得到兩種菌的菌懸液或孢子懸液活菌濃度相對于濁度的標(biāo)準(zhǔn)曲線,然后參照標(biāo)準(zhǔn)曲線,把真菌菌劑濃度按照其濁度調(diào)至2×106個(gè)孢子/mL,枯草桿菌的濃度調(diào)為 2×106cfu/mL,將兩種菌劑按照體積比1:1混合配制成為復(fù)合菌劑懸液.

1.2 試驗(yàn)裝置

堆肥反應(yīng)器是體積為 70cm×50cm×50cm的整理箱,在反應(yīng)器底部外壁安裝一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)閥門,以定期釋放滲濾液.為了保證滲濾液與污泥分離,便于滲濾液的排放,在反應(yīng)器底部鋪有一層鵝卵石.同時(shí)在基質(zhì)上方布集 8個(gè)曝氣頭,曝氣由一個(gè)動(dòng)力為 12L/min的空壓機(jī)提供,為堆肥提供一個(gè)好氧的環(huán)境.在基質(zhì)上方堆置污泥與調(diào)理劑的混合堆料,溫度計(jì)定時(shí)檢測溫度.實(shí)驗(yàn)裝置如圖1.

圖1 靜態(tài)強(qiáng)制通風(fēng)好氧堆肥反應(yīng)裝置Fig.1 Static forced ventilation-aeration composting system

1.3 試驗(yàn)方法

采用靜止強(qiáng)制通風(fēng)的方法對污泥進(jìn)行堆肥,堆體質(zhì)量為29.3kg,分別均勻連續(xù)通風(fēng),通風(fēng)量為0.24m3/h.試驗(yàn)堆體均勻噴灑2L復(fù)合菌劑進(jìn)行接種,空白堆體噴灑等量的水,使2個(gè)堆體初始含水率、C/N基本一致.將堆料混合均勻后在反應(yīng)器內(nèi)堆置,在堆體表面覆蓋一層厚約15mm的稻草保溫.堆體每天進(jìn)行溫度測定,每隔一定時(shí)間取樣一次,取樣時(shí)從3個(gè)不同位置和深度各取5g,完全混合后進(jìn)行參數(shù)分析.由于含水率在堆肥過程中有下降,在第15d時(shí),分別對空白堆體和試驗(yàn)堆體噴灑水2272 mL和836mL.

1.4 分析方法

堆體溫度采用水銀溫度計(jì)在堆體 5個(gè)不同位置和深度進(jìn)行溫度測定,取平均值.

含水率測定:取10g樣品置于坩堝中,然后放到(100±5)℃的烤箱中烘干 4~8h,直到前后兩次測樣(間隔2h)樣品重量差小于0.1g為止.水分含量用式(1)表達(dá):

揮發(fā)性有機(jī)物含量測定:將烘干的樣品置于馬弗爐中在 600±10℃下灼燒直到連續(xù)兩次測樣(間隔約10min)重量差小于0.2mg為止.揮發(fā)性有機(jī)物的含量用式(2)表達(dá):

微生物活菌數(shù)的測定:將樣品 10g放入100mL錐形瓶中,添加30mL去離子水,在恒溫振蕩箱內(nèi)振蕩 30min,過濾得到浸提液.從浸提液中取出0.5mL以10為倍數(shù)作一系列稀釋,取合適稀釋度下0.1 mL液體滴入含細(xì)菌或真菌瓊脂培養(yǎng)基的平皿中并涂勻.細(xì)菌放入 37℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)24h,將真菌放入28~30 ℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)5 d,遂采用平板計(jì)數(shù)法進(jìn)行菌落計(jì)數(shù),最后采用式(3)進(jìn)行每g干污泥中菌數(shù)的計(jì)算:

種子發(fā)芽指數(shù)GI值:取3個(gè)直徑為9cm的平皿,每個(gè)平皿在底部鋪一張吸水紙,并分別注入浸提液6ml,并在每個(gè)平皿中均勻擺放蘿卜種子20粒,在30℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48h,按以式(4)計(jì)算GI值:

浸提液pH值采用pHS-3C型pH計(jì)測定.

樣品重金屬離子Pb()Ⅱ和Cd()Ⅱ含量測定:準(zhǔn)確稱取干樣品0.5000g于250mL錐形瓶中,加少許蒸餾水浸潤,加王水10mL,微沸消解1h,將溶液蒸至近干,其間反復(fù)滴加王水,共 20mL,使大部分有機(jī)物分解,冷卻;加高氯酸 5mL,用低檔溫火加熱至樣品成糊狀為止.冷卻,過濾,用 0.2%的硝酸定容于50mL容量瓶中,搖勻后用Aanalyst 700原子吸收儀(Perkin Elmer公司,美國)測定濃度,計(jì)算出每克堆肥樣品重金屬含量.

2 結(jié)果與討論

2.1 理化參數(shù)變化

如圖2a所示,與環(huán)境溫度對比,2個(gè)堆體溫度變化趨勢類似,整個(gè)過程共分為3個(gè)階段.第1階段(0~5d)為中溫階段,對應(yīng)降解微生物的適應(yīng)和增殖過程.第 2階段(6~12d)為高溫階段,堆肥在50℃以上保持了6d,中間伴有1次升溫和降溫的過程.城市污泥是由好氧污水處理菌膠團(tuán)(約占70%)及其吸附的懸浮態(tài)或溶解態(tài)有機(jī)物和無機(jī)顆粒(共約占 30%)組成.第 1次升溫對應(yīng)污泥菌膠團(tuán)所吸附的易降解有機(jī)物的降解,而第 2次升溫對應(yīng)污泥菌膠團(tuán)的破胞和細(xì)胞組成物的降解.第 3階段(13~28d)為腐熟階段,對應(yīng)難降解成分(如某些細(xì)胞組成物和木質(zhì)纖維素)的降解和腐殖質(zhì)的形成.可以看出,試驗(yàn)堆體溫度普遍高于空白堆體,且在第 10~15d優(yōu)勢明顯,表明復(fù)合菌劑對于污泥有機(jī)質(zhì)的降解,特別是污泥菌膠團(tuán)的破胞和分解具有促進(jìn)作用.

從圖2b可知,堆肥初期2堆體的pH值均有明顯上升,這是由于堆肥過程中含氮有機(jī)物被分解產(chǎn)生大量氨,同時(shí)由于高溫致使有機(jī)酸揮發(fā),導(dǎo)致初期的堿性增大.隨著堆肥過程的進(jìn)行,簡單有機(jī)物大量分解,逐漸釋放的有機(jī)酸多于氨氣,而導(dǎo)致pH值稍微有所下降.兩個(gè)堆體的pH值變化差異不明顯.

堆肥含水率的變化反映了堆肥生化過程如圖 2c所示,0~5d的中溫階段堆體含水率下降緩慢,有機(jī)物降解產(chǎn)水和水分蒸發(fā)基本處于平衡狀態(tài);6~12d堆體處于高溫階段,水分蒸發(fā)量高于產(chǎn)生量,所以含水率有明顯下降;16~28d,有機(jī)物分解趨緩,雖然溫度降低,堆體含水率亦緩慢下降.由于試驗(yàn)堆體在高溫期保持了較高溫度和時(shí)間,在腐熟階段期更為疏松,兩者均有利于水分蒸發(fā),因此含水率的降低均比空白堆體要顯著.

由圖2d可以看出,2堆體揮發(fā)性有機(jī)物含量變化分為2個(gè)階段.第一階段為0~12d對應(yīng)整個(gè)堆肥過程的中溫期和高溫期,主要為易降解有機(jī)質(zhì)的降解,堆體中有機(jī)質(zhì)的含量顯著降低.第二階段為 16~28d,對應(yīng)堆肥過程的腐熟期,主要為難降解有機(jī)質(zhì)的降解,降解速率相對較低.這2個(gè)階段試驗(yàn)堆體降解速率都要高于空白堆體,反應(yīng)出不論是易降解成分還是難降解成分,復(fù)合菌劑的加入都有促進(jìn)作用.

圖2 復(fù)合菌劑的加入對于堆肥理化性質(zhì)的影響Fig.2 Effect of compounded microbial inoculants on physicochemical property of compost

2.2 細(xì)菌和真菌數(shù)量變化

如圖3a所示,細(xì)菌總數(shù)在空白堆體和試驗(yàn)堆體的變化趨勢基本相似,呈先上升后下降的趨勢.0~23d,細(xì)菌總數(shù)持續(xù)增加,且在腐熟期開始時(shí)迅速上升,并于第23d達(dá)到峰值;第23d之后,由于細(xì)菌可降解有機(jī)質(zhì)基本耗盡,菌體進(jìn)入內(nèi)源呼吸期,數(shù)量開始下降.試驗(yàn)堆體的細(xì)菌含量明顯多于空白堆體,說明添加的枯草芽孢在此堆肥條件下能有效生長,并可能對腐熟期堆體有機(jī)質(zhì)的降解和腐熟起到了促進(jìn)作用.

大多數(shù)嗜溫真菌最佳生長溫度范圍是 25~30,℃大多數(shù)高溫真菌最適生長溫度范圍是40~50℃[10].8~14d是堆肥過程中真菌的生長旺盛期,對應(yīng)高溫期,貢獻(xiàn)來自嗜熱真菌.黃孢原毛平革菌所屬的白腐真菌為嗜熱型真菌[11].

由于黃孢原毛平革菌的添加,整個(gè)過程中試驗(yàn)堆體的真菌數(shù)量高于空白組,并在 8~14d這段時(shí)間內(nèi)生長極為迅速,約為空白堆體的3倍.這部分真菌的生長可能對污泥破胞起到了重要作用[12],同時(shí)可能也是 10~15d試驗(yàn)堆體相對于空白堆體保持了更高溫度的原因.

2.3 GI值和重金屬含量變化

GI值為較可靠的反映堆肥腐熟度的指標(biāo)[13].有研究認(rèn)為,GI≥50%時(shí),堆肥基本達(dá)到腐熟[14].由圖4可知,在堆肥初期,堆肥浸出液強(qiáng)烈抑制蘿卜種子發(fā)芽,初始GI值為0.09左右,說明生污泥對植物生長尚有較大毒性,不適合直接應(yīng)用.GI值的快速增長發(fā)生在5~12d的高溫階段,最終增至0.5左右.試驗(yàn)堆體的GI值增加更為迅速,在14d便達(dá)到了0.47,相對空白堆體提前了3d,同時(shí)最終的GI值也更高,說明復(fù)合菌劑的加入有效地加速了堆體的腐熟.

圖3 復(fù)合菌劑對于堆肥過程中的微生物指標(biāo)的影響Fig.3 Effect of compounded microbial inoculants on the microbial population in compost

圖4 復(fù)合菌劑對于堆肥過程中GI值的影響Fig.4 Effect of compounded microbial inoculants on the radish seed GI value of the compost extract

由圖 5可見,2個(gè)堆體中重金屬的含量均經(jīng)歷了先增加后降低的變化過程.由于重金屬是不會(huì)被降解的,所以堆體中的重金屬總量一定,并以殘?jiān)鼞B(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、水溶及可交換態(tài)5種形式存在[15].因有機(jī)物降解、堆肥后堆體體積變小等,引起重金屬在堆料中濃縮,使重金屬濃度升高,表現(xiàn)為“相對濃縮效應(yīng)”[16].堆肥初期 0~5d,Cd(II)的相對濃縮效應(yīng)相對于 Pb(II)更為明顯,由于在王水消解過程中鉛元素容易揮發(fā)所致[17].堆肥第 6~28d,重金屬濃度逐漸變小,這可能是由于堆肥過程中溶解態(tài)的重金屬從堆肥室底隨滲濾液下移和流失.同時(shí)也有研究認(rèn)為,隨著滲濾液的流出,可被植物吸收和利用的重金屬形態(tài)含量降低,導(dǎo)致重金屬的生物有效性降低[18].但是在整個(gè)過程中,試驗(yàn)堆體中重金屬含量總體上略高于空白堆體,特別是 Cd(II),這是由于復(fù)合菌劑堆體生化反應(yīng)更為迅速,“相對濃縮效應(yīng)”更為顯著所致.該效應(yīng)將對堆肥產(chǎn)品品質(zhì)可能造成不利影響.

圖5 復(fù)合菌劑對于堆肥過程中Pb(II)和Cd(II)濃度的影響Fig.5 Effect of compounded microbial inoculants on the concentrations of Pb(II) and Cd(II) in compost

3 結(jié)論

3.1 由于污泥成分具有復(fù)雜性,所以高溫期又分為前、后兩個(gè)階段,分別對應(yīng)污泥菌膠團(tuán)所吸附的有機(jī)質(zhì)的降解和污泥破胞與分解.試驗(yàn)堆體比空白堆體早 3d達(dá)到 50℃,且在高溫時(shí)間維持時(shí)間長.

3.2 復(fù)合菌劑的加入對于pH的影響較小,但是能夠促使有機(jī)物的降解率增加5%,GI值在第14d達(dá)到 0.47,可以看出復(fù)合菌劑促進(jìn)堆體更加迅速和有效地達(dá)到腐熟.

3.3 試驗(yàn)堆體的細(xì)菌數(shù)維持為空白堆體的2倍,在8~14d,試驗(yàn)堆體的真菌數(shù)為空白堆體的3倍,堆肥過程中微生物數(shù)量因?yàn)閺?fù)合菌劑的加入而大量增加,促進(jìn)有機(jī)物的降解,縮短降解時(shí)間.

3.4 由于“相對濃縮效應(yīng)”,堆肥產(chǎn)品中重金屬的含量可能有所提高,這是影響堆肥品質(zhì)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

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50978087)

* 責(zé)任作者, 助教, kclwhy@126.com

歐陽建新(1969-),男,湖南永州人,湖南大學(xué)土木工程學(xué)院博士研究生,研究方向?yàn)閺U物資源化.發(fā)表論文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.