劉曉佩，李鳴曉，戴昕，李雪琪，竇潤琪，王勇，賈璇，馮作山，安立超?

1.南京理工大學環(huán)境與生物工程學院

2.環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室,中國環(huán)境科學研究院

3.南京萬德斯環(huán)保科技股份有限公司

4.北京工商大學生態(tài)環(huán)境學院,國家環(huán)境保護食品鏈污染防治重點實驗室

5.湖北綠道農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司

與城市生活垃圾相比,我國村鎮(zhèn)生活垃圾一般具有組分復雜、來源分散等特點,容易造成集中收運困難[1-2]。當前,我國村鎮(zhèn)生活垃圾人均產(chǎn)量為0.77~1.10 kg∕d,其中村鎮(zhèn)餐廚垃圾占43.56%[3],餐廚垃圾富含糖類、蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪等有機物及豐富的微量元素[4],若不及時收運處理將產(chǎn)生大量滲濾液及惡臭氣體,滋生蚊蟲,對環(huán)境造成惡劣影響[5]。因此,急需對村鎮(zhèn)餐廚垃圾進行就地快速降解。

餐廚垃圾液態(tài)有機肥含有可溶性糖、游離氨基酸等作物能直接吸收利用的小分子物質(zhì)[6],具有較好的水溶性。研究[7-9]表明,液態(tài)有機肥在改善土壤養(yǎng)分狀況,提高作物產(chǎn)量方面效果較佳。如Zewde等[10]發(fā)現(xiàn),將無機肥料和有機液體肥料混合使用可有效促進農(nóng)作物生長；寇娟妮[11]發(fā)現(xiàn)使用牛蒡根下腳料制備的液態(tài)有機肥對番茄枯萎病具有較好的防治效果；李惋瑾等[12]發(fā)現(xiàn)鮮海帶生物酶解有機肥可增加土壤水分和養(yǎng)分含量。因此利用餐廚垃圾快速制備液體有機肥并將其用于農(nóng)田,可實現(xiàn)村鎮(zhèn)餐廚垃圾的就地快速處理和資源化利用。

在餐廚垃圾液態(tài)有機肥快速制備過程中,需實現(xiàn)餐廚垃圾中蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪等大分子物質(zhì)的快速轉(zhuǎn)化[13]。研究表明,在餐廚垃圾降解過程中添加外源微生物菌劑可增加餐廚垃圾中的微生物數(shù)量,加快有機物分解進程[13]。如Li等[14]發(fā)現(xiàn),制備的功能性芽孢桿菌可提高餐廚垃圾底物利用率；Ke等[15]發(fā)現(xiàn),放線菌接種可促進餐廚垃圾中脂肪的降解,縮短餐廚垃圾降解周期；Zhao等[16]研發(fā)了新型餐廚垃圾降解菌劑,發(fā)現(xiàn)其在餐廚垃圾降解過程中可顯著抑制NH3和H2S的排放。但是在餐廚垃圾液態(tài)有機肥制備過程中,往往存在酸化問題[17],從而抑制餐廚垃圾的快速降解。目前,克服餐廚垃圾酸化抑制主要有添加調(diào)理劑和接種微生物菌劑2種方式。Bergersen等[18]研究發(fā)現(xiàn)外源調(diào)理劑的添加顯著提高底物耗氧量和微生物活性,但是添加大量調(diào)理劑將導致成本增加。相比之下,接種微生物菌劑更具有優(yōu)勢,Song等[19]將耐酸菌劑接種于餐廚垃圾,使好氧發(fā)酵過程酸化問題得到解決。可見,添加外源微生物菌劑可有效緩解餐廚垃圾酸化作用。

為強化液態(tài)有機肥的制備過程,筆者選用課題組自主篩選的抗酸化復合菌劑制備餐廚垃圾液態(tài)有機肥,并選用商品化的餐廚垃圾降解菌劑對比分析制備液態(tài)有機肥過程中固液兩相物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效果,以探究餐廚垃圾固液兩相物質(zhì)的轉(zhuǎn)化規(guī)律,以期為實現(xiàn)餐廚垃圾高值化制備液態(tài)有機肥提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 餐廚垃圾

餐廚垃圾取自北京某大學食堂,分揀出餐廚垃圾中骨頭、塑料袋等雜質(zhì),將剩余部分混合打漿,過20目篩后置于4℃冰箱備用[20]。餐廚垃圾基本理化指標如表1所示。

表1 餐廚垃圾基本理化指標Table 1 Basic physical and chemical indexes of food waste

1.1.2 微生物菌劑

餐廚垃圾降解菌劑購于廣州某生物公司,主要由乳桿菌(Lactobacillus)、酵母菌(Saccharomyces)、芽孢桿菌(Bacillus)、雙歧桿菌(Bifidobacterium)等組成,活菌數(shù)達24×1010個∕g,該菌劑耐鹽、耐油,適用于餐廚垃圾降解。抗酸化復合菌劑是課題組從餐廚垃圾好氧發(fā)酵酸化階段分離篩選制備的復合菌劑,由假單胞菌(Pseudomonas)、芽孢桿菌、葡萄球菌(Dysgonomonas)、唾 液 乳 桿 菌 (Lactobacillus salivarius)和蒼白桿菌(Aeribacillus pallidus)組成[19]。

1.2 試驗設計

取餐廚垃圾150 g,與去離子水按照質(zhì)量比1∶1混合,采用1 mol∕L NaOH與1 mol∕L HCl調(diào)整初始pH至7.5,平均分裝至3個錐形瓶中,滅菌后分別接種1 mL餐廚垃圾降解菌劑、1 mL抗酸化復合菌劑和1 mL無菌水(對照組),置于40℃、2.5 r∕min恒溫水浴振蕩器中培養(yǎng)96 h,每隔12 h取樣測定指標。各試驗組分別編號為A組(添加餐廚垃圾降解菌劑組)、B組(添加抗酸化復合菌劑組)和C組(對照組),每組試驗做3個平行,取平均值。

1.3 分析方法

有機質(zhì)濃度采用恒重法[21]測定,溶解性化學需氧量(soluble chemical oxygen demand,SCOD)采用GB 11914—89《水質(zhì) 化學需氧量的測定》測定,粗蛋白濃度采用GB∕T 6432—2018《飼料中粗蛋白的測定凱氏定氮法》測定,游離氨基酸濃度采用茚三酮比色法測定[22],還原糖與總糖濃度采用3,5二硝基水楊酸法測定[23],粗脂肪濃度采用GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》測定。采用SPSS22.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理[24],并使用Pearson進行相關性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 固液兩相有機質(zhì)濃度和SCOD變化

固相大分子有機物的降解是限制餐廚垃圾降解速率的主要因素。有機質(zhì)的降解和SCOD的轉(zhuǎn)化情況可以反映菌劑處理的效果[25-26]。餐廚垃圾制備液態(tài)有機肥前后有機質(zhì)濃度變化如圖1(a)所示。由圖1(a)可知,反應前,餐廚垃圾中有機質(zhì)濃度均為89.27%,反應后,A組、B組、C組的有機質(zhì)濃度分別下降了0.32%、1.17%、0.22%,有機質(zhì)的降解率在3個處理組有明顯差異,B組的有機質(zhì)濃度下降比例是A組的3.66倍,表明抗酸化復合菌劑組的細菌對有機質(zhì)的降解和利用效率優(yōu)于餐廚垃圾降解菌劑組[27]。

接種不同菌劑制備餐廚垃圾液態(tài)有機肥過程中SCOD變化如圖1(b)所示。由圖1(b)可知,A組的SCOD呈先上升后下降的趨勢:0~12 h,A組中的SCOD從42.788 g∕L升至45.236 g∕L,上升了5.7%,此時部分大分子有機物降解為小分子可溶物；12~96 h,在微生物的作用下SCOD持續(xù)降至34.465 g∕L,下降了23.8%,此時微生物利用有機物進行細胞增殖[28]。B組中的SCOD呈先下降后上升的趨勢:0~72 h,SCOD持續(xù)下降,從42.788 g∕L降至29.079 g∕L,可見,與餐廚垃圾降解菌劑相比,抗酸化復合菌劑更易吸收利用餐廚垃圾中可溶性小分子物質(zhì)合成新的細胞,促使微生物生長繁殖[13]；72~96 h,B組中的SCOD升至43.767 g∕L,表明抗酸化復合菌劑繼續(xù)將餐廚垃圾固相大分子有機物水解為小分子物質(zhì),使SCOD上升[25]。C組的SCOD變化不明顯。

圖1 餐廚垃圾制備液態(tài)有機肥過程中有機質(zhì)濃度及SCOD變化Fig.1 Variation of organic matter and SCOD in the process of liquid organic fertilizer from food waste

與餐廚垃圾降解菌劑相比,抗酸化菌劑在提高SCOD方面效果更好,這是由于餐廚垃圾含有豐富的易降解有機質(zhì)(如糖、淀粉),其中間代謝產(chǎn)物會造成發(fā)酵過程中小分子有機酸大量升高,從而導致餐廚垃圾降解菌劑組中pH的降低(由7.50降至4.82),因此微生物活性受到抑制[29],進而降低了有機物的降解效率?？顾峄瘡秃暇鷦┚哂休^強的小分子酸降解能力[30],可在發(fā)酵前期快速分解小分子有機酸,緩解有機酸積累導致的pH降低,有利于微生物對有機物的持續(xù)降解,因此將抗酸化復合菌劑作為接種物可提高餐廚垃圾有機物降解效率。

2.2 還原糖和總糖濃度變化

總糖主要包括蔗糖、麥芽糖等,是微生物有氧呼吸易利用的碳源,易被轉(zhuǎn)化為還原糖[31-32]。還原糖水溶性較強,易被微生物進一步利用[33-35]。餐廚垃圾液態(tài)有機肥制備過程中,總糖及還原糖濃度變化如圖2所示。由圖2可知,C組反應前后總糖及還原糖濃度變化均不大,而2組菌劑組的總糖及還原糖濃度均呈下降趨勢。反應后A組中的總糖濃度降至8.1 mg∕g,B組降至11.07 mg∕g；反應后A組還原糖濃度降至0.3 mg∕g,B組降至0.25 mg∕g,總糖及還原糖利用率均達97%以上。這是由于總糖及還原糖水溶性較強,微生物優(yōu)先利用溶解性糖[36]。反應48 h時,A組和B組的總糖及還原糖利用率分別達到28.52%和91.55%,抗酸化復合菌劑對總糖及還原糖的利用速率更高,這是由于抗酸化復合菌劑接種后避免了酸化反饋抑制作用,微生物代謝活躍,易降解有機質(zhì)快速促進細胞增殖[36]。

圖2 餐廚垃圾制備液態(tài)有機肥過程中總糖及還原糖濃度變化Fig.2 Variation of total sugar and reducing sugar in the process of liquid organic fertilizer from food waste

2.3 粗蛋白和游離氨基酸濃度變化

餐廚垃圾制備液態(tài)有機肥過程中,游離氨基酸以及粗蛋白濃度變化如圖3所示。由圖3可知,A組、B組中游離氨基酸濃度均呈先下降后上升趨勢。處理36 h時,A組游離氨基酸濃度從433.3 mg∕L降至305.0 mg∕L,處理24 h時B組降至308.5 mg∕L,這是由于游離氨基酸是以游離態(tài)存在的單個氨基酸分子,能直接被微生物利用[6]?？顾峄瘡秃暇鷦┛梢种频孜锏乃峄答佔饔?因此游離氨基酸消耗得更快。處理96 h時,B組游離氨基酸濃度從308.5 mg∕L升至770.6 mg∕L,濃度提高了1.49倍,A組游離氨基酸濃度從308.5 mg∕L升至619.3 mg∕L,反應結(jié)束時B組游離氨基酸濃度是A組的1.24倍,這表明微生物可利用固相中的粗蛋白并生成游離氨基酸[37]。結(jié)合圖3(b)可知,反應前后A組、B組中粗蛋白濃度下降比例分別為15.41%、9.29%,表明抗酸化復合菌劑有利于餐廚垃圾中粗蛋白轉(zhuǎn)化為游離氨基酸等可溶性物質(zhì)。

圖3 餐廚垃圾制備液態(tài)有機肥過程中游離氨基酸及粗蛋白濃度變化Fig.3 Variation of free amino acids and crude protein in the process of liquid organic fertilizer from food waste

2.4 不同菌劑制備餐廚垃圾液態(tài)有機肥的組間方差分析

為探討不同菌劑處理后指標變化的差異程度[38],對不同菌劑制備餐廚垃圾液態(tài)有機肥過程中反應96 h時的指標進行最小顯著性差異(leastsignificant difference,LSD)分析,結(jié)果如表2所示。由表2可知,餐廚垃圾制備液態(tài)有機肥過程中,3個試驗組的固液相指標均存在極顯著性差異(P<0.001),這是由于餐廚垃圾降解菌劑是由枯草芽孢桿菌屬、酶制劑等組成,具有降解餐廚垃圾中蛋白質(zhì)、糖類等有機物質(zhì)的功能；抗酸化復合菌劑由假單胞菌、芽孢桿菌、Dysgonomonas、唾液乳桿菌和Aeribacillus pallidus組成,除了具有大分子有機物降解的功能外,其快速的小分子酸利用速率在發(fā)酵過程中可以抑制酸化作用,從而促進餐廚垃圾固相中大分子物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化為可溶性小分子有機物。

表2 不同菌劑處理96 h后各指標的組間方差Table 2 Analysis of variance between groups of each index when treated with different bacterial agents for 96 h

3 結(jié)論

(1)添加商品化的餐廚垃圾降解菌劑和自主篩選的抗酸化復合菌劑制備餐廚垃圾液態(tài)有機肥,均能促進餐廚垃圾固液轉(zhuǎn)化,其中抗酸化復合菌劑效果更佳。當接種抗酸化復合菌劑處理96 h時,餐廚垃圾有機質(zhì)濃度下降比例是接種餐廚垃圾降解菌劑的3.66倍。

(2)抗酸化復合菌劑能加速液相中總糖及還原糖的利用率,處理48 h后其利用率均達91.55%。抗酸化復合菌劑可有效提高促進餐廚垃圾中粗蛋白轉(zhuǎn)化為游離氨基酸,處理96 h后游離氨基酸濃度提高了1.49倍。自主篩選的抗酸化復合菌劑有利于餐廚垃圾固相有機物的降解和游離氨基酸的賦存,有望為餐廚垃圾高值化制備液態(tài)有機肥提供技術(shù)支撐。