張晶++魯娟++孫學(xué)成++盧琪+隆夢佳++胡承孝++譚啟玲

摘要：研究利用稻草、木屑和麩皮為調(diào)理劑進(jìn)行室內(nèi)城市污泥堆肥模擬試驗(yàn)。同時接種白腐菌，監(jiān)測堆肥過程中微生物指標(biāo)、酶活水平及營養(yǎng)成分的動態(tài)變化，考察其對堆肥效果的影響。結(jié)果表明，與不接種白腐菌的對照相比，接種白腐菌能夠提高堆體的溫度、真菌數(shù)量、纖維素酶和半纖維素酶活性水平，降低氮素?fù)p失、促進(jìn)硝態(tài)氮累積，全面提高堆體有效N、P、K含量。其中，接種2%的白腐菌效果最好，使發(fā)酵結(jié)束時堆料全氮的損失降低8.3個百分點(diǎn)，銨態(tài)氮含量降低31.1%，硝態(tài)氮含量增加14.2%；全磷、全鉀、速效磷、速效鉀含量分別提高42.9%、37.5%、33.4%、13.5%。

關(guān)鍵詞：白腐菌；城市污泥；調(diào)理劑；堆肥效果

中圖分類號：X705 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）11-2601-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.11.011

Effects of Inoculating White Rot Fungi on the Quality of Urban Sewage Sludge Compost

ZHANG Jing1，2a，LU Juan1，2b，SUN Xue-cheng1，2b，LU Qi1，LONG Meng-jia1，2b，HU Cheng-xiao1，2b，TAN Qi-ling1，2b

（1.Hubei Provincial Engineering Laboratory for New-Type Fertilizers，Wuhan 430070，China；

2a. Science College； b. Microelement Research Center， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070，China）

Abstract： In this study， effects of inoculating white rot fungi on the quality of sewage sludge compost were investigated by interior simulated composting experiment using straw， sawdust and bran as the modifier， and the microbiological enzyme activity and nutritional components were analyzed. The results showed that after inoculation of white rot fungi， the composting temperature， fungi number， cellulose and hemicellulose enzyme activity were improved， and nitrogen loss was reduced， as well as nitrate nitrogen accumulation was increased. Contents of available N， P， and K in compost were also raised. While 2% of white rot fungi was used to composting， the total nitrogen loss decreased by 8.3%， and ammonium nitrogen concentration was reduced by 31.1% to obtain a 14.2% increase of nitric nitrogen. Meanwhile， total P， total K， available P， and available K increased by 42.9%， 37.5%， 33.4% and 13.5% respectively.

Key words： white rot fungi； urban sewage sludge； modifier； compost effect

城市污泥是指城市生活污水、工業(yè)廢水處理過程中產(chǎn)生的固體廢棄物[1]。2012年中國廢水排放總量684.8億t，污泥產(chǎn)生量也隨之顯著增加[2]。污泥通常富集大量有毒有害物質(zhì)，得不到有效處理處置就成為新的污染源，并且給生態(tài)環(huán)境帶來極大的安全隱患。目前常采用填埋、焚燒、堆肥、土地利用等方法處置污泥。其中，填埋不僅需要占用大量空間，且易造成有害成分滲透，增加填埋場處理負(fù)荷。污泥焚燒則需要較高的費(fèi)用和技術(shù)，不適合大范圍使用。好氧堆肥處理污泥被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)有效、有發(fā)展前景的污泥處置方法[3]。然而，傳統(tǒng)堆肥耗時長，效果差，并且由于長時間堆肥，容易導(dǎo)致大量的N素?fù)p失，據(jù)統(tǒng)計(jì)，城市污泥堆肥化處理過程中N損失量達(dá)50%～60%[4]。其中，氨揮發(fā)造成氮素養(yǎng)分的損失，不僅降低了其農(nóng)用價值，還會產(chǎn)生嚴(yán)重惡臭、酸雨等新的環(huán)境污染問題[5]。因此如何縮短污泥堆肥腐熟時間、減少氮素?fù)p失、提高堆肥品質(zhì)成為堆肥研究過程中的關(guān)鍵問題。

調(diào)理劑是堆肥的重要輔料，堆肥中加入調(diào)理劑可以起到調(diào)節(jié)物料W（C）/W（N）比、含水率、自由空域、堆肥養(yǎng)分等作用，達(dá)到好氧微生物對生長環(huán)境的要求[6-10]。稻草、麩皮富含纖維素是較好的碳源，來源廣泛，適宜用作堆肥調(diào)理劑[11]。其中，稻草是中國第一大作物秸稈，其產(chǎn)量占全國農(nóng)作物秸稈總產(chǎn)量的1/5以上，由于秸稈的綜合利用具有限制性導(dǎo)致大量的稻草剩余，焚燒稻草的現(xiàn)象屢禁不止，造成環(huán)境污染、影響居民生活。采用稻草為調(diào)理劑旨在提高稻草資源化利用，變廢為寶，增加其附加值[12]。endprint

在城市污泥堆肥處理過程中，由于許多微生物不能分解木質(zhì)素，而纖維素有外層木質(zhì)素的包裹保護(hù)，導(dǎo)致纖維素分解也受到限制[13]。稻草富含纖維素、木屑中木質(zhì)素含量豐富，它們的加入更增加了堆肥中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的含量。在所有能降解木素質(zhì)的微生物中，白腐菌是目前研究最充分的、對木質(zhì)素具有最強(qiáng)降解能力的一類真菌，白腐菌的應(yīng)用是最有前景的微生物預(yù)處理方法[14]。因此，本研究采用稻草、木屑和麩皮為調(diào)理劑，接種白腐菌進(jìn)行城市污泥堆肥試驗(yàn)，為城市污泥、稻草、木屑的資源化、堆肥化利用探索新途徑。

1 材料與方法

1.1 供試材料

污泥取自武漢沙湖污水處理廠脫水污泥。稻草取自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)科研基地；木屑取自湖北工業(yè)大學(xué)木材加工廠；麩皮取自武漢北湖，曬干備用。試驗(yàn)所用白腐菌為黃孢原毛平革菌（BKMF21767），購自武漢大學(xué)中國典型培養(yǎng)物中心。試驗(yàn)原料的基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

本試驗(yàn)選用稻草、木屑、麩皮組合充當(dāng)污泥堆肥的調(diào)理劑，調(diào)整污泥、稻草、木屑、麩皮的添加比例為12∶2∶1∶1.5，C/N為22，共設(shè)置4個處理，分別接種0%、1%、2%、5%的白腐菌孢子懸液（接種量為1.6×106個/mL），每個處理3組重復(fù)。將脫水污泥與稻草、木屑、麩皮按比例混合，制成體積約13 L，重量約10 kg的堆體進(jìn)行堆肥試驗(yàn)。堆肥試驗(yàn)裝置如圖1，塑料桶底墊網(wǎng)篩，外壁鉆一孔連接通風(fēng)機(jī)，通風(fēng)量為0.1 m3/h。桶蓋上鉆一孔，便于插入溫度計(jì)測量溫度（圖1）。

堆肥第四天時翻堆1次，以后每7 d翻堆1次。第八天時，接種白腐菌孢子懸液，并調(diào)整堆體含水率均為65%，再繼續(xù)堆制40 d。試驗(yàn)過程中每3天取1次鮮樣用于pH、種子發(fā)芽率、纖維素、半纖維素酶活、全氮、全磷、全鉀、以及氨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的測定。

1.3 測定方法

酶活測定：用纖維素酶或半纖維素酶分解待測樣品后，采用FPA法檢測[15]。

銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量測定：KCl浸提后，采用流動分析注射儀檢測[16]。

全氮含量測定：凱氏定氮法檢測[16]。

全磷含量測定：H2SO4-H2O2消解后采用釩鉬黃顯色法檢測[16]。

全鉀含量測定：H2SO4-H2O2消解后采用火焰光度計(jì)檢測[16]。

速效磷含量測定：CH3COONa浸提后，用釩鉬黃顯色法檢測[16]。

速效鉀含量測定：CH3COONH4浸提后采用火焰光度計(jì)檢測[16]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Sigmaplot作圖，DPS軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 接種白腐菌對堆肥過程中溫度的影響

對于堆肥系統(tǒng)來說，溫度是影響微生物活性和堆肥工藝過程的重要因素，又是堆肥狀態(tài)的具體表現(xiàn)[17]。由圖2可知，4個處理污泥堆肥溫度變化趨勢相同，均經(jīng)歷升溫期、保溫期、降溫期和穩(wěn)定期四個階段。在溫度下降后的第8天接種白腐菌，之后溫度進(jìn)一步升高。最高溫度分別為60.5、60.5、60.8、60 ℃。接種后高溫持續(xù)4 d后，堆體溫度逐漸下降，逐漸進(jìn)入后熟階段，4個堆體的溫度趨于一致。一般污泥堆肥的較佳溫度為50～65 ℃，不能超過80 ℃。本試驗(yàn)4個堆體溫度在50～65 ℃之間的天數(shù)分別有5、7、7、6 d。所以，接種白腐菌更有利于延長堆料的高溫時間，其中接種1%、2%的白腐菌能進(jìn)一步提高堆肥溫度，進(jìn)而可能提高腐熟效率。

2.2 接種白腐菌對堆肥過程中真菌、細(xì)菌數(shù)量的影響

真菌的存在對于堆肥物的腐熟和穩(wěn)定具有重要的意義。堆體真菌數(shù)量隨堆肥時間變化先降后升，最后逐漸消亡（圖3）。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是由于堆體溫度快速升至60 ℃以上，嗜溫真菌受到抑制，休眠或死亡。當(dāng)堆體進(jìn)入降溫期時，真菌又繁殖旺盛，數(shù)量增長迅速，在堆肥后期，由于物料中有機(jī)物的分解，營養(yǎng)物的消耗，真菌數(shù)量開始減少[18]。堆體真菌數(shù)量初始值為3.5×104個/g。各處理的堆體真菌數(shù)量分別在第12、16、16、16天達(dá)到最大，分別為18.7×104、24.1×104、26.2×104、19.0×104個/g，分別比對照增加28.9%、40.1%、1.6%。發(fā)酵終點(diǎn)各體系的真菌數(shù)量均為0。白腐菌的添加有利于增加堆肥中的真菌數(shù)量，其中，接種2%的白腐菌對堆體真菌數(shù)量的提高效果更明顯。

堆肥體系的溫度、養(yǎng)分、水分、通氣量均對細(xì)菌的生長有著很大的影響。堆肥初期，微生物分解有機(jī)質(zhì)使堆溫上升，當(dāng)溫度上升到40 ℃左右，常溫菌受到抑制、總菌數(shù)有所下降；堆體溫度上升到50 ℃左右時，嗜溫菌受到抑制，嗜熱菌開始活躍，當(dāng)溫度大于60 ℃，嗜熱菌部分死亡或休眠，細(xì)菌總數(shù)和堆肥溫度均開始下降。4個處理的總細(xì)菌數(shù)分別在第16、12、16、16 d達(dá)到最大，分別為28.1×108、22.3×108、23.6×108、21.5×108個/g，之后細(xì)菌總數(shù)呈起伏下降趨勢，細(xì)菌數(shù)量最終分別降至2.6×108、2.0×108、2.2×108、2.0×108個/g。相比對照分別降低23.1%、15.4%、23.1%（圖4）。接種白腐菌使得堆肥體系中總細(xì)菌數(shù)有所減少?？赡苁前赘奶砑訉Χ逊手屑?xì)菌的繁殖存在競爭、抑制作用。

2.3 接種白腐菌對堆肥過程中纖維素、半纖維素酶活的影響

堆肥中的纖維素、半纖維素均能限制堆肥的腐熟進(jìn)程，研究纖維素、半纖維素的酶活水平能側(cè)面反映堆肥中纖維素、半纖維素的分解情況。

接種白腐菌能顯著增加堆肥過程中纖維素、半纖維素酶活水平。由圖5可知，4個處理中纖維素酶活分別在第24、32、24、20天達(dá)到峰值，最高值分別為117.1、221.0、238.1、196.5 U/L，纖維素酶活水平按序排列為接種2%白腐菌>接種1%白腐菌>接種5%白腐菌>對照，分別比對照提高103.3%、88.7%、67.8%。堆肥末期，各處理纖維素酶活分別為94.3、198.9、168.5、133.8 U/L，酶活水平按序排列為接種1%白腐菌>接種2%白腐菌>接種5%白腐菌>對照，分別比對照提高110.9%、78.7%、41.9%。endprint

堆肥過程中半纖維素酶活變化如圖6所示，4個處理中半纖維素酶活分別在第24、36、24、24 d達(dá)到峰值，最高值分別為195.3、364.3、530.9、567.8 U/L，半纖維素酶活水平按序排列為接種5%白腐菌>接種2%白腐菌>接種1%白腐菌>對照，分別比對照提高190.7%、171.8%、86.5%。堆肥末期，各處理半纖維素酶活分別為144.7、361.4、343.8、326.1 U/L，酶活水平按序排列為接種1%白腐菌>接種2%白腐菌>接種5%白腐菌>對照，分別比對照提高149.7%、137.6%、125.4%。

2.4 接種白腐菌對堆肥全氮、全磷、全鉀含量的影響

堆肥過程中氮素的轉(zhuǎn)化主要包括兩方面，氮素的固定和氮素的釋放。通常在堆肥結(jié)束后，氮素有大量的損失，這是由于有機(jī)氮的礦化和持續(xù)性氮的揮發(fā)以及硝態(tài)氮的反硝化。接種白腐菌能夠降低氮素的損失（圖7），4個處理，堆肥物料全氮的初始含量均為53 g/kg，第8天均下降至49 g/kg，發(fā)酵結(jié)束時各處理組堆料全氮含量分別為37、41、42、40 g/kg，比堆肥開始時的含量分別下降了30.1%、22.6%、21.8%、25.9%，相比對照，全氮含量的損失依次減少7.5、8.3、4.2個百分點(diǎn)，接種2%白腐菌處理組全氮含量下降最少。由于白腐菌在堆肥發(fā)酵的第8天接種，前8 d全氮的下降，主要是由有機(jī)氮的礦化和氨持續(xù)性揮發(fā)造成的。此后，氮含量的下降主要是后期由于硝態(tài)氮的反硝化作用加強(qiáng)造成[19]。

在微生物的作用下，有機(jī)質(zhì)被分解，加之水分不斷蒸發(fā)，使全磷、全鉀含量濃縮上升。堆料全磷含量隨著堆制天數(shù)的延長逐步上升（圖8）。各處理堆料初始全磷含量為7 g/kg，發(fā)酵結(jié)束時全磷含量分別為14、17、20、17 g/kg，分別增加了100%、142.9%、185.7%、142.9%。相比對照，全磷含量分別增加21.4%、42.9%、21.4%。從圖9可以看出，4個處理的全鉀初始含量均為12 g/kg，發(fā)酵結(jié)束時全鉀含量分別為16、20、22、19 g/kg，分別增加了33.3%、66.7%、83.3%、58.3%。相比對照，全鉀含量分別增加25%、37.5%、18.8%。接種白腐菌有利于加速堆料有機(jī)質(zhì)的分解，提高腐熟程度，從而顯著增加發(fā)酵結(jié)束時堆體中全磷、全鉀含量。

2.5 接種白腐菌對堆肥過程中堆料NH4+-N、NO3--N的影響

堆肥化處理特別是好氧發(fā)酵處理過程中，伴隨有機(jī)物料快速分解而產(chǎn)生大量的NH4+-N，造成氨揮發(fā)損失，若堆肥中NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于400 mg/kg便會對作物產(chǎn)生鹽分毒害作用。接種白腐菌能夠顯著降低堆肥中NH4+-N的含量，4個處理NH4+-N的初始含量均為998.4 mg/kg，第四天達(dá)到最大，均為1432.2 mg/kg，發(fā)酵末期NH4+-N含量分別為504.0、382.4、347.5、377.0 mg/kg，分別比對照降低24.1%、31.1%、25.2%，NH4+-N含量的變化情況如圖10所示。硝態(tài)氮是作物最佳氮源，4個處理硝態(tài)氮含量變化均呈先下降后迅速上升的趨勢（圖11）。接種白腐菌顯著提高了堆肥硝態(tài)氮含量，腐熟后期各處理硝態(tài)氮含量分別為1 469.5、1 519.2、1 677.6、1 589.0 mg/kg，分別比對照增加3.4%、14.2%、8.1%。

2.6 接種白腐菌對堆肥過程中堆料速效磷、速效鉀的影響

在堆肥過程中，有機(jī)物中難被植物吸收利用的磷可以隨有機(jī)物的腐解轉(zhuǎn)變成植物較易吸收的形態(tài)，從而可提高磷的有效性及磷的利用率[6]。堆體中的速效磷含量在堆肥過程中均呈先升后降的趨勢（圖12）。堆肥初期有效磷含量均為4 255.0 mg/kg，堆肥過程中有效磷的最大值分別為6 132.2、6 112.6、6 875.2、8 223.3 mg/kg，堆肥結(jié)束時各處理有效磷含量分別降到4 523.1、5 643.3、6 034.4、5 858.4 mg/kg，相比對照分別增加24.8%、33.4%、29.5%。白腐菌的添加能顯著增加堆體中有效磷的含量，一方面可能是由于白腐菌對有機(jī)物分解產(chǎn)生了有機(jī)酸和腐殖質(zhì)，這些物質(zhì)由于其本身具有酸性或含有大量酸性基團(tuán)，從而具有較強(qiáng)的溶解難溶磷的能力；另一方面可能是由于有機(jī)質(zhì)的分解、調(diào)理劑的腐解產(chǎn)生可溶性磷，使得有效磷含量增加。但堆肥后期部分有效磷轉(zhuǎn)化為緩效磷，使得有效磷的含量逐漸降低。

速效鉀的初始含量均為5 328.8 mg/kg，4個處理堆料的速效鉀含量分別在第40、40、48、40 d達(dá)到最大，分別為7 943.9、7742.7、9 745.0、8 145.0 mg/kg。堆肥結(jié)束時不同處理速效鉀含量分別為7 541.5、 7 340.4、8558.9、7 742.7 mg/kg，相比對照，接種1%的白腐菌使速效鉀含量降低2.7%，接種2%、5%的白腐菌使速效鉀含量分別增加13.5%、2.7%（圖13）。

3 結(jié)論與討論

1）試驗(yàn)結(jié)果表明，以稻草、木屑、麩皮為調(diào)理劑（比例為12∶2∶1∶1.5），接種2%白腐菌懸液，進(jìn)行城市污泥堆肥模擬試驗(yàn)，能使堆體達(dá)到最佳腐熟效果。

2）4個處理的污泥堆肥溫度變化趨勢相同，均經(jīng)歷升溫期、保溫期、降溫期和穩(wěn)定期4個階段。接種白腐菌能夠提高堆肥溫度、延長堆料高溫期。溫度一定程度影響微生物的繁殖，在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度每升高10 ℃，有機(jī)體生化反應(yīng)速率提高1倍[20]。試驗(yàn)中添加2%的白腐菌，堆體最高溫度及高溫持續(xù)時間均高于其他處理組。堆體真菌數(shù)量明顯增加，有利于提高纖維素、半纖維素酶活水平，進(jìn)而加速纖維素、半纖維素分解，促進(jìn)堆肥進(jìn)程。

3）堆肥過程中有機(jī)氮的礦化和持續(xù)性氮的揮發(fā)以及硝態(tài)氮的反硝化均能造成氮素的損失。接種白腐菌能夠促進(jìn)氮源轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，降低氮源向銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，減少氮的揮發(fā)，從而降低氮素的損失，提高堆肥質(zhì)量。其中接種2%的白腐菌效果最好，能使發(fā)酵結(jié)束時堆料全氮的損失降低8.3個百分點(diǎn)，硝態(tài)氮含量增加14.2%，銨態(tài)氮含量降低31.1%。endprint

4）磷、鉀屬于不揮發(fā)和降解元素，全磷和全鉀含量在堆肥過程中的變化趨勢相同，均隨著有機(jī)質(zhì)的降解及水分的蒸發(fā)呈逐步增加的趨勢。其中接種2%的白腐菌使全磷、全鉀、速效磷、速效鉀含量比對照分別增加42.9%、37.5%、33.4%、13.5%。

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