官昭瑛，張 安，朱兆華，徐國鋼，遲國梁，陳曉蓉

（深圳市萬信達(dá)生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518049）

復(fù)合微生物菌劑對河道底泥資源化堆肥效果的影響

官昭瑛，張 安，朱兆華，徐國鋼，遲國梁，陳曉蓉

（深圳市萬信達(dá)生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518049）

研究了外源添加不同配比的復(fù)合微生物菌劑對河道底泥堆肥發(fā)酵的影響，為篩選促腐效果更好的優(yōu)質(zhì)微生物菌種配方提供依據(jù)。通過不同比例組成的微生物菌劑進(jìn)行底泥堆肥試驗(yàn)，并對堆肥溫度、水分、pH 值、電導(dǎo)率、可溶性有機(jī)碳、氮等進(jìn)行分析。結(jié)果表明，添加的復(fù)合菌劑以嗜熱脂肪芽孢桿菌∶枯草芽孢桿菌∶地衣芽孢桿菌∶巨大芽孢桿菌=2∶1∶1∶1的配比效果最好，2 d就能達(dá)到最高溫度63.3℃，明顯加速堆肥的腐熟；以底泥為原料的堆肥過程升溫迅速，具備堆肥資源化利用的良好前景?？赏麨槌鞘泻拥赖啄嗟目茖W(xué)處理，純凈城市水體和陸地生態(tài)環(huán)境提供有用的數(shù)據(jù)支持，為開發(fā)相應(yīng)的技術(shù)，緩解城市生態(tài)環(huán)境的容量壓力，促進(jìn)城市社會(huì)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

河道底泥；堆肥；嗜熱脂肪芽孢桿菌；復(fù)合微生物菌劑；資源化

河流是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是城市主要的生物廊道，在城市泄洪、灌溉及生態(tài)景觀等社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用［1-2］。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量生活污水和工業(yè)廢水排入城市河道，使城市河道受到了極大的污染［3］。河流底泥既是接納和分解河道水體污染物的“庫”，也是向上覆水體釋放有機(jī)污染物和營養(yǎng)鹽的“源”［4］。河道底泥中有機(jī)物在厭氧細(xì)菌作用下產(chǎn)生甲烷、硫化氫等發(fā)臭物質(zhì)，魚蝦不生，植物不長，已嚴(yán)重影響人們生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。以深圳為例，深圳市主要有深圳河、茅洲河、觀瀾河、龍崗河及坪山河等主干及支流310條，根據(jù)初步估算河道淤泥總量約為808萬 m3［5-6］。當(dāng)前國內(nèi)外底泥處理方法有海洋傾倒、填埋、填海等，但較為常用的還是堆放、填埋方法，這樣就造成了長時(shí)間堆場占用土地資源，不利于土地價(jià)值開發(fā)利用和生態(tài)景觀修復(fù)［7-8］。隨著城市用地的緊張，堆場污泥長期占用土地，成為影響環(huán)保工程效率和經(jīng)濟(jì)效益的重要因素，特別是在深圳等東部沿海人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，這一矛盾尤為突出。此外，采用堆場處理污泥的方法，還存在著一定的環(huán)境和安全隱患，對周邊水體造成二次污染［9］。因此，科學(xué)處理城市污泥，保護(hù)城市人居環(huán)境安全，是城市化進(jìn)程中又一大亟待解決的環(huán)境問題。

生物堆肥處理相對成本低、不破壞原有環(huán)境，有利于推廣，是河道底泥實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化、無害化、資源化、減量化的重要方法［10-11］。在生物堆肥處理工藝中，微生物菌劑的使用可提高堆肥的效率與質(zhì)量［12］。在研究單一菌劑作用的基礎(chǔ)上，堆料中接種復(fù)合微生物菌劑的作用逐漸被挖掘出來，并被發(fā)現(xiàn)比單一菌種的菌劑更加具有應(yīng)用價(jià)值［13］。復(fù)合微生物菌劑的添加可以有效提高堆肥有益微生物的群體數(shù)目，促進(jìn)微生物群落之間相互協(xié)同作用，在堆體中形成復(fù)雜穩(wěn)定且適合微生物生長繁殖的生態(tài)系統(tǒng)，從而增強(qiáng)微生物的降解活性，使堆肥溫度迅速升高并維持較長時(shí)間，有效地加速了堆料中有機(jī)物的降解，并在更大程度上控制臭氣的產(chǎn)生，提高堆肥效率與質(zhì)量，增強(qiáng)堆肥腐熟程度［14-15］。不同組配的復(fù)合微生物菌劑對堆肥效果的影響很大［16-17］，篩選出合理配比的復(fù)合微生物菌劑是實(shí)現(xiàn)河道底泥資源化堆肥的首要環(huán)節(jié)，也是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本研究以深圳沙井河中游河道底泥為堆肥原料，分別添加不同配比的復(fù)合微生物菌劑（以嗜熱脂肪芽孢桿菌為主的4 種不同微生物按照不同比例配制而成），進(jìn)行高溫堆肥試驗(yàn)，分析堆肥過程中理化指標(biāo)的變化，評價(jià)河道底泥可持續(xù)處理方式資源化效果，揭示影響河道底泥堆肥的主要因素，從而為堆肥外源菌劑選擇、堆肥輔料組合配制及適宜的接種時(shí)間等提供重要理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以深圳茅洲河流域沙井河中游段（113°49'04" E，22°46'24" N）河道底泥為堆肥原料，采用掘式采泥器采集，裝于塑料密封桶中。將采集后的樣品進(jìn)行基本理化性質(zhì)測定，其中含水率為84.5%，底泥樣品顏色呈棕黑色。采集的底泥曬干后備用。輔料為該流域收集的綠地廢棄物（枯枝落葉），曬干、粉碎為粒徑0.5～1.0 cm。原料與輔料按一定比例混合為C/N比32∶1、含水率55%的試驗(yàn)材料，其基本理化性質(zhì)見表1。

表1 堆肥試驗(yàn)材料基本理化性質(zhì)

復(fù)合微生物菌劑菌種購于廣東省微生物研究所，按一定比例混合嗜熱脂肪芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和巨大芽孢桿菌，制成不同比例微生物菌劑，分別為菌劑1、菌劑2、菌劑3、菌劑4和菌劑5，上述4種微生物配比分別為1∶1∶1∶1、2∶1∶1∶1、1∶2∶1∶1、1∶1∶2∶1、1∶1∶1∶2。

1.2 試驗(yàn)方法

堆肥試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，設(shè)6個(gè)處理，包括分別按不同比例添加4 種微生物的5種復(fù)合菌劑和未添加菌劑的對照。堆體均為錐形體，規(guī)格為直徑1.5 m、高1 m。堆肥過程中每隔5 d翻堆1次，共堆制15 d。每天取樣1次，每次從堆肥外層、中層、里層各取樣品約200 g，混勻，用于理化性質(zhì)測定。

1.3 分析方法

堆肥溫度測定：將水銀溫度計(jì)從堆體四周插入，在堆體上（距離地面80 cm）、中（距離地面50 cm）、下層（距離地面20 cm）分別插入溫度計(jì)，插入深度為30 cm，記錄堆溫。pH 值和電導(dǎo)率采用肥水比1∶5（W/W），YSI6600多參數(shù)分析儀測定。含水率、有機(jī)質(zhì)、全氮、灰分、可溶性有機(jī)碳（DOC）、可溶性有機(jī)氮（DON）的測定采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法。有機(jī)物損失率（OM-loss，%）=（X2-X1）/X1×100，其中X1、X2為堆肥開始和結(jié)束時(shí)的灰分含量。

圖表制作及數(shù)據(jù)顯著性分析采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中溫度和水分的變化

堆肥過程中，溫度是決定微生物生長的重要因素，溫度變化是判斷堆肥腐熟程度的重要參數(shù)之一。以河道底泥為主要原料的物料堆肥期間，各處理溫度在堆肥1 d內(nèi)均升至50℃以上，堆肥2 d后各處理溫度依次達(dá)到最高峰，其中添加菌劑2的處理最先（2 d）達(dá)到最高溫度（63.3℃），其次為菌劑3，堆肥3 d達(dá)到最高溫度（60.3℃）；對照溫度最晚（發(fā)酵5 d后）達(dá)到峰值（53.0℃），見表2。

表2 堆肥過程溫度變化（℃）

水分是影響堆肥物料腐熟速度的重要參數(shù)，合適的水分是保持微生物最佳活性的必要條件。堆肥過程中，6種處理堆肥含水率變化如表3所示，各處理初始含水率為55%，隨著堆肥的進(jìn)行，各處理含水率迅速下降，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)所有處理堆肥含水率均下降至30%左右。

2.2 堆肥過程中pH和電導(dǎo)率的變化

pH值也是微生物發(fā)酵的關(guān)鍵環(huán)境因素之一。從表4可以看出，各菌劑處理pH值變化基本一致，總體呈上升趨勢，堆制7 d后，對照表現(xiàn)為pH波動(dòng)較大，但仍符合腐熟時(shí)pH值的標(biāo)準(zhǔn)。在堆肥過程中發(fā)現(xiàn)，對照散發(fā)出的氨味非常濃，這可能是由于較高的pH值加大了氨的揮發(fā)損失、降低了生物肥質(zhì)量，堆肥結(jié)束時(shí)對照pH值是6種處理中最高的、達(dá)8.3。添加菌劑的各處理pH值變化相對穩(wěn)定，發(fā)酵結(jié)束時(shí)pH值為7.8～7.9，達(dá)到腐熟要求，且在發(fā)酵過程中散發(fā)出的氨味較淡，這可能是由于微生物發(fā)酵高峰期相對較低的pH值有利于減少氨的揮發(fā)損失。

表3 堆肥過程含水率變化（%）

表4 堆肥過程pH值變化

堆肥過程中電導(dǎo)率的變化是堆肥中有機(jī)、無機(jī)氮的相互轉(zhuǎn)化程度和可溶性鹽濃度的一種表征，從而間接地反映了物料的腐熟程度。從表5可以看出，菌劑處理和對照堆肥電導(dǎo)率均呈先上升后下降趨勢，但對照堆肥電導(dǎo)率在前期上升更明顯。

表5 堆肥過程電導(dǎo)率變化（mS/m）

2.3 堆肥過程中DOC、DON含量變化

堆肥過程中DOC、DON的變化趨勢十分接近。堆肥前期各處理DOC呈波動(dòng)上升趨勢，可能是因?yàn)槎逊是捌谖锪现杏袡C(jī)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機(jī)碳含量增加；堆肥5 d后，DOC含量趨于穩(wěn)定；整個(gè)過程對照與處理的變化差異不顯著（表6）。此外，一般土壤的DOC含量不超過200 mg/kg，徐秋芳等［18］研究認(rèn)為我國亞熱帶林地土壤DOC含量在80～156 mg/kg之間。本研究底泥堆肥結(jié)束時(shí)，產(chǎn)物的DOC含量高于一般土壤的DOC含量，可見，施用此類有機(jī)肥能改變土壤C/N比。

表6 堆肥過程可溶性有機(jī)碳含量變化（mg/kg）

DON含量在堆肥前期亦表現(xiàn)為上升趨勢，菌劑處理DON含量在堆肥2 d內(nèi)增幅最明顯，分別由初始的 0.85 g/kg上升到0.96～1.21 g/kg，對照的DON含量也在堆肥2 d內(nèi)由初始的0.85 g/kg上升到0.93 g/kg（表7）。堆肥前期各處理DON含量接近，后期菌劑2組和菌劑3組的DON含量顯著高于其他處理，對照最低，說明菌劑2組和菌劑3組對物料中的無機(jī)N 轉(zhuǎn)變成有機(jī)N（同化固定）的作用較強(qiáng)。

表7 堆肥過程可溶性有機(jī)氮含量變化（g/kg）

由表8可知，添加菌劑處理與對照的C/N均為下降趨勢，這是由于堆肥過程中氮的下降幅度低于碳，因此氮的相對含量增加，使物料的C/N逐漸減小。C/N的下降表明物料向著穩(wěn)定化、腐熟化、無害化方向演變。發(fā)酵結(jié)束時(shí)，菌劑處理的C/N為17∶1～20∶1，表明物料己達(dá)腐熟，以菌劑2組的C/N最低；而對照的C/N為25∶1，說明對照需要更長的時(shí)間才能腐熟。

從堆肥過程中有機(jī)質(zhì)的消耗情況（表9）來看，添加菌劑處理的有機(jī)質(zhì)消耗速率在堆肥3 d前最大，此后逐漸放緩，對照堆肥5 d前有機(jī)質(zhì)消耗最快，此后也逐漸放緩。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，添加菌劑的5個(gè)處理有機(jī)質(zhì)分別損失22%、34%、31%、29%、23%。所有處理堆肥結(jié)束時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量滿足國家標(biāo)準(zhǔn)值要求（≥45%）。

3 討論

城市河道底泥是城市生活排污中高濃度的養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)、惡臭物質(zhì)淤積而成的，這類廢棄物的傳統(tǒng)處理方式以填埋或焚燒為主，這兩種方式除了占用土地、能耗高外，其潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)大，極易產(chǎn)生二次污染［19］。例如，填埋廢棄物中的臭氣和滲濾液會(huì)污染空氣和地下水，而焚燒雖然能最大程度地對廢棄物進(jìn)行減容減量和無害化，但是能耗高，同時(shí)存在排放粉塵、二噁英等有害廢氣的風(fēng)險(xiǎn)［20-21］。利用現(xiàn)代堆肥技術(shù)，能最大程度地將經(jīng)篩選的有機(jī)廢棄物資源進(jìn)行科學(xué)利用、變廢為寶［22-23］。

堆肥，傳統(tǒng)的做法是利用原料中原有的土著微生物來降解有機(jī)物，其過程不進(jìn)行控制，所以傳統(tǒng)堆肥法存在周期長、有異臭、效率低且肥力不高的問題［24］。高溫好氧堆肥是利用堆肥過程不同階段中起關(guān)鍵作用的微生物菌群，通過控制水分、pH、溫度等條件，促進(jìn)各類關(guān)鍵微生物的繁殖，達(dá)到降解有機(jī)物的目的，這種方法既高效又容易掌握［24］。許多研究結(jié)果表明，堆肥過程中接種菌劑具有顯著的促進(jìn)作用，不少學(xué)者已研究出不同堆肥階段起關(guān)鍵作用的微生物種群，并在自然界進(jìn)行優(yōu)質(zhì)高效菌群的篩選和接種技術(shù)的探索，以達(dá)到加速堆肥腐熟和改善肥料質(zhì)量的目的［15，25］。

表8 堆肥過程碳氮比變化

表9 堆肥過程有機(jī)質(zhì)損失率變化（%）

相對于單一菌群的菌劑，復(fù)合菌劑具有更高的應(yīng)用價(jià)值［26］。例如，復(fù)合菌劑中添加的纖維素分解菌通過分泌纖維素酶對纖維素、木質(zhì)素等的降解是促成堆肥腐熟的關(guān)鍵［27］。目前人們可利用的堆肥原材料多種多樣，如雞糞、牛糞、豬糞等養(yǎng)殖廢棄物，或者是廚余垃圾、綠地廢物等［12，16，28］。本研究針對目前城市化發(fā)展形成的大量難處理河道底泥進(jìn)行資源化堆肥利用的探討。事實(shí)上，上述各種原料的根本成分主要是可溶性糖類、脂類、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素和纖維素［16，23］。在堆肥初期，存在大量可溶性碳源供微生物利用，但隨著堆肥的進(jìn)行，這些可溶性物質(zhì)被消耗殆盡，剩余物質(zhì)大多為復(fù)雜碳源（如木質(zhì)素、纖維素類）［23，27］。因此，只有充足的纖維素分解菌才能處理這些原料中剩余的難分解物質(zhì)。本研究利用復(fù)合微生物菌劑中的纖維素分解菌類，特別是嗜熱纖維素分解菌可促進(jìn)原料中的難分解物質(zhì)的充分降解，其中溫度對堆肥腐熟具有重要影響。有研究發(fā)現(xiàn)，堆肥溫度與纖維素酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系，嗜熱性纖維素分解菌對纖維素、木質(zhì)素等的礦化和分解及高溫的維持起了重要作用［29］。

另外從整個(gè)堆肥過程來看，本研究中添加的菌劑在堆肥過程中與物料中的土著菌相互配合，加快堆肥中有機(jī)質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化，促進(jìn)腐熟。常溫期（＜55℃），土著菌群活躍地利用物料中的可溶性有機(jī)質(zhì)（主要是單糖）大量繁殖，這些菌群起到降解有機(jī)物和釋放熱量的作用；高溫期（＞55℃），添加的嗜熱脂肪芽孢桿菌等纖維素分解菌開始活躍，起到繼續(xù)分解物料中殘留的難分解有機(jī)化合物（主要為纖維素類和木質(zhì)素），腐殖質(zhì)開始形成，生物肥進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。其中菌劑2組對堆肥發(fā)酵升溫過程的促進(jìn)作用顯著，取得較好的資源化效果，該處理組的嗜熱脂肪芽孢桿菌的比重較大，說明即便以底泥為堆肥原料，由于物料中混合了綠地廢物（枯枝落葉），其堆肥過程中分解纖維素仍是關(guān)鍵因素。而物料中含有的河道底泥由于養(yǎng)分含量豐富，在堆肥前期對微生物的供養(yǎng)充足，相較于其他常規(guī)堆肥原料（牛糞、雞糞、豬糞等養(yǎng)殖廢料［12，16-17，27］）的升溫迅速，說明河道底泥的資源化堆肥利用有著良好的應(yīng)用前景。本研究結(jié)果可望為城市河道底泥的科學(xué)處理、純凈城市水體和陸地生態(tài)環(huán)境提供有用的數(shù)據(jù)支持，為開發(fā)相應(yīng)的技術(shù)、緩解城市生態(tài)環(huán)境的容量壓力、促進(jìn)城市社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

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（責(zé)任編輯 楊賢智）

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

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016B090920059）；深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目（GCZX2015051514435234，CXZZ20140422142833835）

官昭瑛（1982-），女，博士，高級工程師，E-mail：1647368707@qq.com.

朱兆華（1973-），男，碩士，高級工程師，E-mail：20384211@qq.com

官昭瑛，張安，朱兆華，等.復(fù)合微生物菌劑對河道底泥資源化堆肥效果的影響［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，43（12）：41-49.