EM菌液對活性污泥好氧堆肥過程的影響

宋朝霞，曹 理，李國輝

(河南工程學(xué)院 環(huán)境與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市污水處理廠每天都會(huì)產(chǎn)生大量污泥。2020年城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)顯示，2020年我國污水處理廠干污泥產(chǎn)量高達(dá)1 162.76萬t[1]。城市污泥處理方法主要有衛(wèi)生填埋、焚燒和農(nóng)田利用等。在我國，衛(wèi)生填埋法占比達(dá)到65%[2]，但填埋處理易形成大量滲濾液、惡臭氣體等，嚴(yán)重影響周圍環(huán)境。焚燒法成本高、污染物產(chǎn)量大。農(nóng)田利用法可回收污泥中的氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)等作為營養(yǎng)物質(zhì)及土壤改良劑，是一種安全有效的污泥處理方法[3]。好氧堆肥法能夠?qū)⑽勰噢D(zhuǎn)化成容易被作物吸收利用的無機(jī)鹽和小分子有機(jī)質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)污泥的減量化、資源化和無害化處理，是目前處理城市污泥的主流技術(shù)[4]。該方法簡單有效，可促進(jìn)天然物質(zhì)良性循環(huán)，對農(nóng)業(yè)發(fā)展極為有利，具有良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

有效微生物(effective microorganisms,EM)菌是由光合細(xì)菌、乳酸菌、酵母菌、放線菌和絲狀菌5大類10個(gè)屬80余種微生物以適當(dāng)比例組成的混合菌群[5]。國內(nèi)外研究表明，EM菌劑可用于縮短堆肥發(fā)酵時(shí)間，減少堆肥過程中的臭味，有利于堆肥腐殖化，提高堆肥品質(zhì)[6-8]。本研究采用脫水污泥和玉米秸稈粉為原料，控制污泥和秸稈混合物總碳氮質(zhì)量比為22∶1，添加不同比例的EM菌液進(jìn)行好氧堆肥處理，分析堆肥處理過程中主要理化指標(biāo)和微生物種群數(shù)量的變化，參照NY 884—2012《生物有機(jī)肥》[9]相關(guān)指標(biāo)確定堆肥品質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)所用污泥為新鄭市某生活污水處理廠產(chǎn)生的脫水污泥，含水率為70%，碳氮質(zhì)量比為9∶1。玉米秸稈粉和EM菌液購自網(wǎng)絡(luò)平臺。玉米秸稈粉的含水率為12%，碳氮質(zhì)量比為50∶1；EM菌液的主要成分為枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、酵母菌等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1堆肥發(fā)酵

將污泥與玉米秸稈粉按2.5∶1的質(zhì)量比均勻混合，控制碳氮質(zhì)量比為22∶1，設(shè)置5組堆肥樣本，每組質(zhì)量為2.2 kg，分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、0.08%、0.16%、0.24%和0.32%的EM菌液后進(jìn)一步混合均勻，分別裝入內(nèi)徑為251 mm×131 mm×146 mm的泡沫塑料箱內(nèi)，在箱體頂部和底部分別開10個(gè)直徑1 cm的孔洞，并把堆肥箱架空，以保證空氣能夠順利進(jìn)入箱體。整個(gè)堆肥發(fā)酵過程采用強(qiáng)制通風(fēng)和人工翻堆的方法保證氧氣供應(yīng)。在堆肥發(fā)酵的前3 d，每隔6 h進(jìn)行一次強(qiáng)制通風(fēng)；第3～10 d，每隔24 h進(jìn)行一次強(qiáng)制通風(fēng)；第10 d后每兩天進(jìn)行一次強(qiáng)制通風(fēng)。強(qiáng)制通風(fēng)采用鼓風(fēng)機(jī)自下而上進(jìn)行，每次持續(xù)2 min。分別在堆肥的第0 d、3 d、10 d、18 d和23 d取樣進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的檢測，人工翻堆設(shè)在每次采樣前一天。

1.2.2堆肥理化指標(biāo)的測定

采用多次烘干差量法計(jì)算堆肥含水率。取堆肥樣品10 g加入90 mL水中混合并于150 r/min振蕩30 min，靜置10 min后用pH計(jì)測定上清液的pH值。采用凱氏定氮法測定全氮含量[10]，采用氧化鎂-代氏合金蒸餾法測定氨氮含量[11]，采用堿熔鉬銻抗分光光度法測定全磷含量[12]。在(600±20)℃對烘干試樣進(jìn)行灼燒，利用失重法測定堆肥中有機(jī)質(zhì)含量。

1.2.3堆肥中微生物數(shù)量的測定

分別采用NA培養(yǎng)基、PDA培養(yǎng)基和高氏1號培養(yǎng)基對細(xì)菌、真菌和放線菌進(jìn)行培養(yǎng)[13]。取不同堆肥樣品10 g置于90 mL無菌水的錐形瓶中，以200 r/min在室溫下振蕩30 min，稀釋至適當(dāng)倍數(shù)后取0.1 mL均勻涂布在平板上，在30 ℃經(jīng)過適當(dāng)時(shí)間的培養(yǎng)后，采用平板計(jì)數(shù)法進(jìn)行測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 2021軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥過程中含水率的變化

水在堆肥過程中的作用是溶解有機(jī)物并參與微生物代謝，這也是進(jìn)行各種化學(xué)反應(yīng)的必要條件。堆肥過程中含水率的變化見圖1。從圖1可以看出，在好氧堆肥發(fā)酵過程中，隨著水分的不斷蒸發(fā)，5組堆肥的含水率都呈不斷下降趨勢。但隨著EM菌液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，堆肥含水率降低趨勢有所緩解，尤其是在堆肥發(fā)酵第18 d左右差別較大。原因可能是隨著堆肥發(fā)酵過程的進(jìn)行，堆肥體系中微生物不斷增多、代謝活躍，有機(jī)物不斷被分解并產(chǎn)生水分，故相較于未加EM菌液的體系，在通風(fēng)條件相同的情況下，含水率下降速率會(huì)變慢。當(dāng)堆肥腐熟后，體系中可利用的有機(jī)質(zhì)被耗盡，微生物代謝緩慢，通風(fēng)失水成為含水率變化的主要因素，故第23 d時(shí)5組堆肥含水率差別不大，均為36%～38%。

圖1 堆肥過程中含水率的變化Fig.1 Changes of moisture content during composting

2.2 堆肥過程中pH值的變化

添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)EM菌液的堆肥發(fā)酵過程中pH值的變化如圖2所示。從圖2可以看出，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，5組堆肥的pH值都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。在第3～10 d，pH值迅速升高，原因可能是發(fā)酵前中期堆肥體系中有機(jī)物含量高，微生物代謝活躍，堆肥中含氮化合物氨化產(chǎn)生的氨氣在堆肥箱內(nèi)累積，在未大量釋放之前，使得堆肥體系pH值迅速升高[14]。堆肥中后期，由于硝化作用利用了部分氨氣，通風(fēng)和定時(shí)翻堆又使部分氨氣揮發(fā)，導(dǎo)致pH值降低[15]。5組堆肥經(jīng)過18 d的發(fā)酵后，pH值穩(wěn)定在7.4～7.5，滿足NY 884—2012中pH值5.5～8.5的要求。其中，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.16%～0.32% EM菌液的堆肥在發(fā)酵后期直至發(fā)酵結(jié)束，pH值穩(wěn)定在7.5左右。Sánchez-Monedero等[16]在研究中發(fā)現(xiàn)堆肥發(fā)酵過程中當(dāng)pH值為7.5～8.5時(shí)，微生物生長速度最快，堆肥效率最高。從pH值的波動(dòng)范圍看，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.16%～0.32% EM菌液的堆肥腐熟時(shí)間要比另外兩組短。

圖2 堆肥過程中pH值的變化Fig.2 Changes of pH value during composting

2.3 堆肥過程中全氮和氨氮含量的變化

堆肥過程中全氮含量的變化如圖3所示。從圖3可以看出，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，5組堆肥體系中全氮含量都呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，但添加EM菌液的堆肥中全氮含量比對照組高。尤其是當(dāng)EM菌液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%時(shí)，經(jīng)過23 d 堆肥處理后，全氮含量比未添加EM菌液組高2.8%。堆肥過程中氨氮含量的變化呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，如圖4所示。這是由于在堆肥前期微生物開始大量繁殖，體系中含氮化合物迅速氨化，氨氮含量明顯升高，堆肥后期由于微生物本身會(huì)利用部分氮素，再加上硝化反應(yīng)及熱量升高等因素，都會(huì)導(dǎo)致氮損失，故氨氮含量大幅降低[15]，這與堆肥發(fā)酵過程中pH值的變化趨勢一致。堆肥腐熟后氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.4 g/kg以下[17]，從圖4中可以看出，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.24%和0.32% EM菌液的堆肥經(jīng)過23 d發(fā)酵后氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.4 g/kg以下，說明EM菌液的添加能夠有效縮短堆肥發(fā)酵周期，這與Jiang等[18]的研究結(jié)論一致。

圖3 堆肥過程中全氮含量的變化Fig.3 Changes of total nitrogen during composting

圖4 堆肥過程中氨氮含量的變化Fig.4 Changes of ammonia nitrogen during composting

2.4 堆肥過程中全磷含量的變化

堆肥過程中全磷含量的變化如圖5所示。從圖5可以看出，在整個(gè)堆肥過程中磷元素幾乎不會(huì)損耗，但隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，5組堆肥體系中磷元素含量都呈現(xiàn)不斷增長的趨勢。這是因?yàn)樵诙逊蔬^程中，微生物分解有機(jī)物產(chǎn)生水分和氣體，隨著水分的蒸發(fā)和氣體的逸散，堆肥總質(zhì)量不斷減少，而磷元素質(zhì)量基本保持不變，導(dǎo)致其在堆肥中的含量呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。經(jīng)過23 d的堆肥過程后，添加EM菌液的實(shí)驗(yàn)組的全磷含量明顯高于未添加EM菌液組，也從側(cè)面反映出EM菌液能夠使堆肥腐熟更徹底，更易實(shí)現(xiàn)污泥減量化處理。

2.5 堆肥過程中有機(jī)質(zhì)含量的變化

堆肥過程中有機(jī)質(zhì)含量的變化如圖6所示。隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。這是因?yàn)樵诙逊蔬^程中由于微生物的代謝作用，有機(jī)物被降解變成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)。同時(shí)，有機(jī)物在分解過程中會(huì)產(chǎn)生CO2和水等，從而導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量降低，這也是能夠根據(jù)堆肥發(fā)酵后有機(jī)質(zhì)變化情況來判斷堆肥腐熟程度的原因。從圖6可以看出，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.24%和0.32% EM菌液的堆肥經(jīng)過23 d的發(fā)酵后，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別由發(fā)酵初始的83.93%和83.41%降至48.10%和49.56%，比其他3組降解得更徹底，并且滿足NY 884—2012中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于或等于40.0%的技術(shù)指標(biāo)要求。

圖5 堆肥過程中全磷含量的變化Fig.5 Changes of total phosphorus during composting

圖6 堆肥過程中有機(jī)質(zhì)含量的變化Fig.6 Changes of organic matter during composting

2.6 堆肥過程中三大類微生物數(shù)量的變化

微生物種群數(shù)量變化顯示，各組堆肥中的細(xì)菌數(shù)量基本都在發(fā)酵第3 d達(dá)到峰值(6.0×1010CFU/g左右)。這是因?yàn)榕c放線菌和真菌相比，細(xì)菌增殖速度快，堆肥初期體系中營養(yǎng)物質(zhì)豐富，細(xì)菌大量繁殖，很快成為優(yōu)勢菌，而到發(fā)酵中后期，由于營養(yǎng)物質(zhì)匱乏，部分細(xì)菌衰亡和群內(nèi)競爭等因素導(dǎo)致堆肥腐熟后的細(xì)菌數(shù)量減少，發(fā)酵第23 d，各組堆肥中細(xì)菌數(shù)量普遍降到2.0×109CFU/g。在堆肥發(fā)酵過程中，放線菌數(shù)量都呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在第10 d達(dá)到峰值，但堆肥中添加不同比例的EM菌液時(shí)，放線菌數(shù)量差別較大。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%、0.16%和0.32% EM菌液的堆肥中放線菌數(shù)量在第10 d分別達(dá)到1.0×108CFU/g、3.7×108CFU/g和5.9×108CFU/g，這可能與放線菌能夠適應(yīng)更高的溫度、更易吸收營養(yǎng)物質(zhì)有關(guān)。放線菌數(shù)量達(dá)到峰值之后又急速下降，可能是因?yàn)槎逊拾l(fā)酵過程中氨氮的不斷積累引起放線菌生長停滯或死亡，導(dǎo)致其數(shù)量降低，堆肥發(fā)酵第23 d，各組堆肥中的放線菌數(shù)量都降至3.5×107CFU/g左右。5組堆肥樣品中真菌數(shù)量變化不大。從上述數(shù)據(jù)可以看出，各組堆肥經(jīng)過23 d的發(fā)酵后，有效活菌數(shù)量均超過2.0×109CFU/g，滿足NY 884—2012中相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)要求。

3 結(jié)語

添加適量EM菌液的堆肥在發(fā)酵第10 d時(shí)的pH值、氨氮含量、放線菌和細(xì)菌數(shù)量較未添加EM菌液組顯著提高，含水率、有機(jī)質(zhì)含量穩(wěn)步下降，全氮和全磷含量也比未添加EM菌液組有所提高。EM菌液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.24%和0.32%的堆肥經(jīng)過23 d的發(fā)酵后，氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.4 g/kg以下。由此可知，適量添加EM菌液可有效縮短堆肥發(fā)酵周期，同時(shí)提高堆肥品質(zhì)。