歐陽建新,施 周,崔凱龍,鐘 華,梁運姍(.湖南大學土木工程學院,湖南 長沙 40082；2.廣州市水務局,廣東 廣州 50640；.湖南大學環(huán)境科學與工程學院,湖南 長沙 40082)

微生物復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,梁運姍3(1.湖南大學土木工程學院,湖南 長沙 410082；2.廣州市水務局,廣東 廣州 510640；3.湖南大學環(huán)境科學與工程學院,湖南 長沙 410082)

研究了黃孢原毛平革菌與枯草芽孢桿菌復合菌劑在剩余污泥靜態(tài)強制通風好氧堆肥中的作用.結果表明,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,復合菌劑的變化導致堆體細菌數(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,促進了有機物的降解,加速了堆體的腐熟.試驗組蘿卜種子發(fā)芽指數(shù)(GI)相對空白組提前3d達到了50%,表明復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使得堆肥產(chǎn)品Cd含量略有增加.

剩余污泥；復合菌劑；靜態(tài)強制通風好氧堆肥；種子發(fā)芽指數(shù)；相對濃縮效應

相對于傳統(tǒng)的污泥處理方法為填埋、焚燒和遠洋投海等,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.它具有有機物分解率高,周期短、運行費用低、二次污染小等優(yōu)點,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,但往往達不到縮短堆肥時間、提高堆肥質量的目的,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,加快污泥微生物細胞的裂解及有機物的分解,促進污泥腐熟,從而加速堆肥過程[3].

充分降解堆肥物料中的木質纖維素和有毒有害的高分子有機物是堆肥是否充分腐熟的關鍵[4].白腐真菌可降解木質素以及許多持久性和有毒有機污染物[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],但關于它在污泥堆肥中的作用研究卻鮮有報道.枯草芽孢桿菌對于木質素的降解也有很好的促進作用,與其他菌劑復合更能夠有效的促進大分子及復雜有機物的降解,如與其他芽孢桿菌桿菌屬細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合菌劑對城市污泥靜態(tài)強制通風好氧堆肥過程的影響,旨在為復合菌劑在污泥堆肥中的應用提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 堆肥原料

試驗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、干燥的空氣中風干 48h,使得污泥初始含水率降為 64.3%.鋸末來自于湖南大學海捷模具加工廠,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.將風干污泥 25kg與稻草秸稈、鋸末按照質量比25/0.8/3.5混合,其中鋸末和稻草秸稈用來調節(jié)污泥堆體的含水率、C/N和機械性能.各物料性質見表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準曲線,然后參照標準曲線,把真菌菌劑濃度按照其濁度調至2×106個孢子/mL,枯草桿菌的濃度調為 2×106cfu/mL,將兩種菌劑按照體積比1:1混合配制成為復合菌劑懸液.

1.2 試驗裝置

堆肥反應器是體積為 70cm×50cm×50cm的整理箱,在反應器底部外壁安裝一個轉動閥門,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,在反應器底部鋪有一層鵝卵石.同時在基質上方布集 8個曝氣頭,曝氣由一個動力為 12L/min的空壓機提供,為堆肥提供一個好氧的環(huán)境.在基質上方堆置污泥與調理劑的混合堆料,溫度計定時檢測溫度.實驗裝置如圖1.

圖1 靜態(tài)強制通風好氧堆肥反應裝置Fig.1 Static forced ventilation-aeration composting system

1.3 試驗方法

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

1.4 分析方法

堆體溫度采用水銀溫度計在堆體 5個不同位置和深度進行溫度測定,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:

揮發(fā)性有機物含量測定: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)性有機物的含量用式(2)表達:

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液體滴入含細菌或真菌瓊脂培養(yǎng)基的平皿中并涂勻.細菌放入 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,遂采用平板計數(shù)法進行菌落計數(shù),最后采用式(3)進行每g干污泥中菌數(shù)的計算:

種子發(fā)芽指數(shù)GI值:取3個直徑為9cm的平皿,每個平皿在底部鋪一張吸水紙,并分別注入浸提液6ml,并在每個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)計算GI值:

浸提液pH值采用pHS-3C型pH計測定.

樣品重金屬離子Pb()Ⅱ和Cd()Ⅱ含量測定:準確稱取干樣品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,其間反復滴加王水,共 20mL,使大部分有機物分解,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,計算出每克堆肥樣品重金屬含量.

2 結果與討論

2.1 理化參數(shù)變化

如圖2a所示,與環(huán)境溫度對比,2個堆體溫度變化趨勢類似,整個過程共分為3個階段.第1階段(0~5d)為中溫階段,對應降解微生物的適應和增殖過程.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(約占70%)及其吸附的懸浮態(tài)或溶解態(tài)有機物和無機顆粒(共約占 30%)組成.第 1次升溫對應污泥菌膠團所吸附的易降解有機物的降解,而第 2次升溫對應污泥菌膠團的破胞和細胞組成物的降解.第 3階段(13~28d)為腐熟階段,對應難降解成分(如某些細胞組成物和木質纖維素)的降解和腐殖質的形成.可以看出,試驗堆體溫度普遍高于空白堆體,且在第 10~15d優(yōu)勢明顯,表明復合菌劑對于污泥有機質的降解,特別是污泥菌膠團的破胞和分解具有促進作用.

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物被分解產(chǎn)生大量氨,同時由于高溫致使有機酸揮發(fā),導致初期的堿性增大.隨著堆肥過程的進行,簡單有機物大量分解,逐漸釋放的有機酸多于氨氣,而導致pH值稍微有所下降.兩個堆體的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.由于試驗堆體在高溫期保持了較高溫度和時間,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)性有機物含量變化分為2個階段.第一階段為0~12d對應整個堆肥過程的中溫期和高溫期,主要為易降解有機質的降解,堆體中有機質的含量顯著降低.第二階段為 16~28d,對應堆肥過程的腐熟期,主要為難降解有機質的降解,降解速率相對較低.這2個階段試驗堆體降解速率都要高于空白堆體,反應出不論是易降解成分還是難降解成分,復合菌劑的加入都有促進作用.

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

2.2 細菌和真菌數(shù)量變化

如圖3a所示,細菌總數(shù)在空白堆體和試驗堆體的變化趨勢基本相似,呈先上升后下降的趨勢.0~23d,細菌總數(shù)持續(xù)增加,且在腐熟期開始時迅速上升,并于第23d達到峰值;第23d之后,由于細菌可降解有機質基本耗盡,菌體進入內源呼吸期,數(shù)量開始下降.試驗堆體的細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質的降解和腐熟起到了促進作用.

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,對應高溫期,貢獻來自嗜熱真菌.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,整個過程中試驗堆體的真菌數(shù)量高于空白組,并在 8~14d這段時間內生長極為迅速,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],同時可能也是 10~15d試驗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[13].有研究認為,GI≥50%時,堆肥基本達到腐熟[14].由圖4可知,在堆肥初期,堆肥浸出液強烈抑制蘿卜種子發(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.試驗堆體的GI值增加更為迅速,在14d便達到了0.47,相對空白堆體提前了3d,同時最終的GI值也更高,說明復合菌劑的加入有效地加速了堆體的腐熟.

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

圖4 復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.由于重金屬是不會被降解的,所以堆體中的重金屬總量一定,并以殘渣態(tài)、有機結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、水溶及可交換態(tài)5種形式存在[15].因有機物降解、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”[16].堆肥初期 0~5d,Cd(II)的相對濃縮效應相對于 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.同時也有研究認為,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,導致重金屬的生物有效性降低[18].但是在整個過程中,試驗堆體中重金屬含量總體上略高于空白堆體,特別是 Cd(II),這是由于復合菌劑堆體生化反應更為迅速,“相對濃縮效應”更為顯著所致.該效應將對堆肥產(chǎn)品品質可能造成不利影響.

圖5 復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 結論

3.1 由于污泥成分具有復雜性,所以高溫期又分為前、后兩個階段,分別對應污泥菌膠團所吸附的有機質的降解和污泥破胞與分解.試驗堆體比空白堆體早 3d達到 50℃,且在高溫時間維持時間長.

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

3.3 試驗堆體的細菌數(shù)維持為空白堆體的2倍,在8~14d,試驗堆體的真菌數(shù)為空白堆體的3倍,堆肥過程中微生物數(shù)量因為復合菌劑的加入而大量增加,促進有機物的降解,縮短降解時間.

3.4 由于“相對濃縮效應”,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

國家自然科學基金資助項目(50978087)

* 責任作者, 助教, kclwhy@126.com

歐陽建新(1969-),男,湖南永州人,湖南大學土木工程學院博士研究生,研究方向為廢物資源化.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.