張 璇，鄧秀汕，鄧秀泉，馬大朝，1b，吳燕萍，馮慶革，1b

（1.廣西大學(xué)，a.土木建筑工程學(xué)院；b.資源環(huán)境與材料學(xué)院，南寧 530004；2.廣西力源寶科技有限公司綠色技術(shù)研究院，南寧 530000）

隨著中國城市化的快速推進(jìn)及人口的不斷增長，城市固體廢棄物尤其是廚余垃圾的產(chǎn)生量也在不斷提高，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)僅2019 年的產(chǎn)生量就已達(dá)1.2 億t［1］。堆肥作為一種比較適合廚余垃圾的無害化處理技術(shù)，能利用有機(jī)廢料為原料，經(jīng)自然界廣泛存在的微生物作用將廢料中可降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定產(chǎn)品［2］。目前中國商品有機(jī)肥料的最新標(biāo)準(zhǔn)NY/T 525—2021［3］對堆肥產(chǎn)品的水分、有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分、衛(wèi)生指標(biāo)做出了具體的要求，其中水分含量要求控制在30%以下，而一般廚余垃圾含水率均在70%以上［4］，因此如何在堆肥工藝中高效節(jié)能地將含水率降低至30%以內(nèi)是一個(gè)迫切需要解決的問題［5］。

傳統(tǒng)的高溫、超高溫好氧堆肥工藝依靠其中的嗜熱微生物在降解有機(jī)物時(shí)釋放出的熱量使堆體溫度升高，從而使廚余垃圾中的水分蒸發(fā)，但傳統(tǒng)的條垛式和槽式堆肥工藝存在物料堆積厚度大、水分蒸發(fā)效率低、發(fā)酵干化時(shí)間長等問題［6］；另外一些有輔助加熱裝置的容器堆肥，雖然能快速實(shí)現(xiàn)廚余垃圾的干化，但能耗巨大［7］，導(dǎo)致肥料產(chǎn)品生產(chǎn)成本較高，市場競爭力低，而且不符合“碳達(dá)峰”“碳中和”的時(shí)代背景。因此，本研究提出基于新型發(fā)酵筒的靜態(tài)好氧堆肥工藝［8］，無需強(qiáng)制通風(fēng)和外部熱源，將廚余垃圾與綠化垃圾、腐熟堆肥進(jìn)行混合，經(jīng)過8 d 的靜態(tài)堆肥，實(shí)現(xiàn)物料的快速分解、干燥和腐熟，同時(shí)研究在堆肥過程中理化性能參數(shù)的變化并分析微生物群落的演變規(guī)律，以期為廚余垃圾的無害化與資源化處理提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 發(fā)酵筒

本試驗(yàn)堆肥裝置采用專利發(fā)酵筒［8，9］，如圖1 所示。發(fā)酵筒是高度為500 mm、橫截面邊長為250 mm的正方形，發(fā)酵筒由絲徑為1 mm、孔徑為5 mm 的不銹鋼絲網(wǎng)編織制成。

圖1 發(fā)酵筒

1.2 堆肥試驗(yàn)

廚余垃圾取自高校食堂，綠化垃圾為園林修剪廢棄物，腐熟堆肥為廣西力源寶科技有限公司生產(chǎn)。廚余垃圾首先進(jìn)行破碎處理制成均勻漿液，綠化垃圾粉碎至5~10 mm，腐熟堆肥取自該公司上一批廚余垃圾堆肥結(jié)束后的樣品。廚余垃圾、綠化垃圾和腐熟堆肥按質(zhì)量比10∶1∶16 的比例混合均勻后，再次粉碎并裝入發(fā)酵筒中?；旌隙蚜铣跏妓趾考s為42%，堆肥周期為8 d。上述材料理化性質(zhì)如表1所示。分別于0、12、24、36、48、60、72、96、120、192 h用取樣器從堆體頂部、中部和底部進(jìn)行取樣并混合均勻（注明樣品重復(fù)幾次及樣品量），采集3 個(gè)樣品作為重復(fù)樣品，重復(fù)3次，每個(gè)樣品量約200 g。樣品分為2 份，一份用于理化性質(zhì)測定，另一份裝入無菌取樣袋，-20 ℃保存，用于微生物DNA 提取和檢測。

表1 堆肥材料的理化性質(zhì)（平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差）

1.3 理化指標(biāo)測定

用紅水溫度計(jì)測定堆體頂部（50 mm）、中部（250 mm）、底部（450 mm）3 個(gè)位置的溫度，同時(shí)記錄環(huán)境溫度。樣品與去離子水按質(zhì)量比1∶10 振蕩后靜置，用pH 計(jì)和DDS-11A 型電導(dǎo)率儀分別測定pH 和電導(dǎo)率（Electrical conductivity，EC）。采用烘干法（105 ℃干燥12 h）測定水分。TN、P2O5、K2O、總養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)含量根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)NY/T 525—2021［3］測定，NH4+-N 含量參考國家標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1116—2014［10］測定。

1.4 微生物多樣性分析

將堆肥樣品交由北京百邁客科技有限公司進(jìn)行16S rDNA 和ITS1 高通量測序。使用DNA 分離試劑盒（Omega Biotech，Norcross，GA，USA）從0.25 g 堆肥樣品中提取總DNA。使用表2 所列引物進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在Illumina MiSeq 2500 平臺(tái)上進(jìn)行細(xì)菌和真菌群落的高通量測序。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用IBM SPSS v 24.0 軟件通過單因素方差分析（ANOVA）比較顯著性水平為5%的理化特性差異。圖形由OriginPro2019b 創(chuàng)建。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中理化參數(shù)的變化

溫度是保證堆肥質(zhì)量和進(jìn)度的關(guān)鍵因素，也是堆肥無害化的重要標(biāo)志。在初始階段，從腐熟堆肥中接種的好氧微生物快速將堆體中的淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)分解成H2O、CO2和NH3，釋放出大量的熱量，使得堆體溫度在0~12 h 快速上升（圖2a）。在12~72 h，由于微生物代謝活動(dòng)產(chǎn)生的熱量和堆體向環(huán)境中散失的熱量維持動(dòng)態(tài)平衡，堆體溫度保持在70 ℃左右。隨著堆肥的進(jìn)行，嗜熱微生物可以快速分解的有機(jī)質(zhì)逐漸被消耗，堆體溫度逐漸降低，最終接近環(huán)境溫度。在整個(gè)堆肥過程中，堆肥溫度大于55 ℃的階段持續(xù)時(shí)間超過72 h，達(dá)到消除廢棄物中致病菌和抑制雜草種子生長的最低要求［11］。

圖2 堆肥過程中溫度（a）、含水率（b）、pH（c）、電導(dǎo)率（d）、有機(jī)質(zhì)含量（e）和C/N（f）的變化

水分是堆肥中一個(gè)關(guān)鍵的控制因素，水分影響堆體中可溶性物質(zhì)的傳遞，進(jìn)而影響微生物代謝和有機(jī)物的分解轉(zhuǎn)化，40%~60%的含水率最有利于微生物分解［12］。本試驗(yàn)中，廚余垃圾料漿黏稠度大，若混合料水分配比超過42%，堆體物料容易粘結(jié)成團(tuán)狀，因而混合料初始水分控制在42%左右。從圖2b 可以看出，0~12 h，堆體處于升溫期，水分變化不大，在12~72 h 的高溫期，堆體中的水分快速蒸發(fā)，含水率從40.7%迅速降至21.3%，隨著堆體溫度下降，含水率下降減緩，在192 h 降至18.5%，符合商品有機(jī)肥的含水率要求（≤30%）［3］。值得注意的是，本試驗(yàn)在堆肥過程中不進(jìn)行翻堆操作，堆體中的物料不是均一的整體。實(shí)際上，堆體水分的蒸發(fā)是由外往內(nèi)層次進(jìn)展的過程，堆體表面供氧充足，嗜熱微生物代謝活躍，產(chǎn)生的熱量首先促使表面物料含水率下降和腐熟穩(wěn)定，表面物料干化穩(wěn)定后變得松散，透氣性增加，氧氣更容易往堆體內(nèi)部的物料傳遞，促進(jìn)內(nèi)部物料腐熟干化，如此循環(huán)直至整個(gè)堆體發(fā)酵完成。因此，在堆肥過程中，堆體整體水分呈下降趨勢，但物料含水率始終維持在有利于微生物分解代謝的范圍。

在堆肥過程中，含碳有機(jī)物產(chǎn)生的有機(jī)酸與含氮有機(jī)物產(chǎn)生的氨共同作用導(dǎo)致pH 發(fā)生改變。如圖2c 所示，pH 在前期快速上升，48 h 后基本趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樵诙逊噬郎仄?，堆料中有機(jī)質(zhì)被快速分解，產(chǎn)生大量的氨態(tài)氮，部分溶解于堆料中，使得pH 迅速升高。隨著堆肥反應(yīng)的進(jìn)行，氨釋放量減少，有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的有機(jī)酸能夠起到中和的作用，酸堿的動(dòng)態(tài)平衡使pH 基本保持不變，維持在偏堿性水平，在此pH 條件下，適宜微生物的生長繁殖［13］。電導(dǎo)率能夠反映堆體中總的可溶性鹽含量，從圖2d可以看出，電導(dǎo)率先快速上升，96 h 后趨于穩(wěn)定。在堆肥過程中有機(jī)質(zhì)的分解會(huì)產(chǎn)生大量的礦物質(zhì)鹽［14］，電導(dǎo)率上升。

有機(jī)質(zhì)作為微生物所需碳和能量的重要來源，參與了多種復(fù)雜的微生物代謝過程，其含量的變化反映了堆肥的成熟度和質(zhì)量［15］。堆肥原料的有機(jī)質(zhì)為77.35%，在堆肥前期被迅速分解，生成CO2和H2O 揮發(fā)到空氣中。如圖2e 所示，前期有機(jī)質(zhì)含量快速下降。在整個(gè)堆肥過程中，有機(jī)質(zhì)含量總體趨勢是先下降后基本保持不變，120 h 后有機(jī)質(zhì)含量穩(wěn)定在66%左右，能夠滿足有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)（≥30%）［3］。一般認(rèn)為，有機(jī)質(zhì)含量下降至一個(gè)相對穩(wěn)定的水平是堆肥腐熟的一個(gè)重要標(biāo)志［16］。在廚余垃圾靜態(tài)堆肥過程中，C/N（碳氮比）逐漸降低，如圖2f 所示，C/N 從16.7 下降至14.6，堆肥產(chǎn)品可用于農(nóng)田土壤（C/N≤15）［17］。隨著降解過程的進(jìn)行，由于碳水化合物的分解，堆體碳含量減少，導(dǎo)致C/N 降低。

2.2 堆肥過程中養(yǎng)分含量的變化

堆肥的最終產(chǎn)品是作為有機(jī)肥料施入土壤中進(jìn)行利用，因此，在堆肥過程中有必要對堆料的N（以TN 計(jì)）、P（以P2O5計(jì)）、K（以K2O 計(jì)）的含量進(jìn)行監(jiān)測，而總養(yǎng)分作為有機(jī)肥質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，是指N、P、K 元素的含量之和。

在堆肥過程中，氮素的轉(zhuǎn)化受到通風(fēng)、pH、溫度等因素的影響。其損失主要方式有有機(jī)氮的礦化、氨的揮發(fā)以及反硝化作用［18］。堆肥過程中全氮含量的變化情況如圖3a 所示。在前期伴隨著堆體的升溫及空氣的自然對流，水分蒸發(fā)加速，堆體的體積和總質(zhì)量減少，使總氮含量由于“濃縮”作用而相對富集［19］。隨著堆肥反應(yīng)的進(jìn)行，由于氨化作用產(chǎn)生氨揮發(fā)，硝化作用氧化氨及反硝化作用還原硝酸鹽，總氮含量上下波動(dòng)，直至堆肥結(jié)束時(shí)，總氮含量由初始時(shí)的2.68%下降至2.61%，含量略有減少。堆料中有機(jī)物的礦化作用會(huì)導(dǎo)致P、K 在堆肥過程中含量有所波動(dòng)，但相比于C、N 這些元素會(huì)由于微生物的異化分解和同化吸收，在堆肥結(jié)束時(shí)含量有所下降，微生物對P、K 的吸收利用率則較低，如圖3b、3c 所示，最終狀態(tài)和起始狀態(tài)時(shí)P2O5、K2O 的含量差別不大。堆肥的總養(yǎng)分含量最終為7.49%，達(dá)到有機(jī)肥料國家標(biāo)準(zhǔn)（≥4%）［3］。

2.3 微生物群落結(jié)構(gòu)的變化

堆肥的效率以及最終獲得的肥料是否符合要求的關(guān)鍵因素在于堆肥過程中的微生物組成。分析微生物的菌落組成，對探究堆肥過程具有重要的意義。

2.3.1 細(xì)菌組成的變化 圖4 和圖5 分別顯示了堆肥過程中細(xì)菌門和屬水平上的相對豐度。3 個(gè)主要門為厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門（Actinobacteria）和變形菌門（Proteobacteria），在0 h 時(shí)的相對豐度分別為81.51%、11.48%和4.80%。在整個(gè)堆肥過程中，3 個(gè)門的平均豐度分別為68.06%、15.15%和6.77%，與之前在廚余垃圾好氧堆肥中發(fā)現(xiàn)的主要細(xì)菌門一致［20-22］。它們作為堆肥階段中最重要的分解者，通常能夠在可溶性蛋白質(zhì)或其他容易獲得的底物上快速生長［23］。

此堆肥系統(tǒng)中，厚壁菌門在堆肥升溫期和高溫期（0~72 h）及后期（192 h）占據(jù)絕對優(yōu)勢，降溫期（96~120 h）急劇減少。其變化主要是由于枝芽孢桿菌屬（Virgibacillus）、葡萄球菌屬（Staphylococcus）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、大洋芽胞桿菌屬（Oceanobacillus）和直絲菌屬（Planifilum）的波動(dòng)變化造成。這些優(yōu)勢菌屬由許多嗜熱性細(xì)菌組成，它們的相對豐度隨著堆體溫度的下降而迅速降低。有研究報(bào)道，在堆肥過程中，由于厚壁菌的耐熱性和對有機(jī)物分解的重大貢獻(xiàn)，其在高溫階段的豐度高于其他階段［24］。厚壁菌門與碳?xì)浠衔锏慕到庀嚓P(guān)，其胞外酶不僅能分解木質(zhì)素、纖維素和半纖維素［25］，還可以水解糖和蛋白質(zhì)，生成酸、醇和脂類物質(zhì)［26］。大多數(shù)厚壁菌有革蘭氏陽性細(xì)胞壁，并能產(chǎn)生有助于其在惡劣條件下生存的內(nèi)孢子，這可能是厚壁菌門在許多堆肥系統(tǒng)中占優(yōu)勢的主要原因［27］。

放線菌門在升溫（12 h，24.44%）、高溫（24 h，28.31%）和降溫（96 h，22.99%）階段相對豐度顯著增加。這一結(jié)果可能歸因于放線菌對木質(zhì)纖維素降解和腐殖質(zhì)形成的關(guān)鍵作用［24］。放線菌被認(rèn)為是一種理想的堆肥菌株，具有菌絲的結(jié)構(gòu)，能夠抵御大多數(shù)微生物無法承受的高溫且在高溫下仍具有很好的穩(wěn)定性［26］。但它們更傾向于在較低的溫度下大量繁殖，即使是那些嗜熱型的放線菌也只是中度嗜熱，最佳生長溫度為28~55 ℃［28］。因此，這些細(xì)菌多數(shù)出現(xiàn)在中溫冷卻階段（96~120 h，平均豐度為21.08%）。放線菌還會(huì)分泌脫氫酶、多酚氧化酶、脲酶等，能夠較好地分解半纖維素和木質(zhì)素［29］，并且能夠在一定程度上改變木質(zhì)素的分子結(jié)構(gòu)［30］。在本研究中，主要放線菌屬從嗜熱階段的棒狀桿菌屬（Corynebacterium1）轉(zhuǎn)變?yōu)槔鋮s階段的鏈霉菌屬（Streptomyces），它們通過木聚糖酶降解木質(zhì)素［31］。在堆肥結(jié)束時(shí)（192 h），放線菌依然保持較高豐度（15.86%）。Xu 等［22］也證實(shí)，放線菌在廚余垃圾堆肥后期仍然占據(jù)細(xì)菌群落的較大部分。

變形菌門是一門革蘭氏陰性細(xì)菌，通常是致病性或固氮細(xì)菌［32］。其相對豐度在高溫階段（24~72 h）處于極低水平（平均豐度為0.40%），降溫時(shí)（96~120 h）急劇增加（平均豐度為26.70%）。在堆肥降溫階段，變形菌門取代了厚壁菌門的優(yōu)勢地位，占比位列第一。由于此時(shí)溫度下降至50 ℃以下，大多數(shù)變形菌能在此條件下存活［33］。其中鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）成為主要的變形菌類型，并對有機(jī)物降解尤其對有機(jī)氮轉(zhuǎn)化起主要作用［34］。120~192 h，變形菌門相對豐度從26.98%下降至0.23%，可能歸因于隨著堆肥時(shí)間的延長，變形菌生長受到限制而消耗殆盡［35］。

2.3.2 真菌組成的變化 在整個(gè)堆肥期間發(fā)現(xiàn)了624 個(gè)真菌OTU，揭示了真菌的復(fù)雜演替（圖6、圖7）。堆肥過程優(yōu)勢真菌門為子囊菌門（Ascomycota）（平均豐度為52.48%；最高豐度為91.26%），其次為擔(dān)子菌門（Basidiomycota）（平均豐度為11.92%）和被孢菌門（Mortierellomycota）（平均豐度為6.80%）。真菌能分泌胞外酶，且由于其菌絲具有機(jī)械穿插的效果，使其能夠較好地降解纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等難降解有機(jī)物，特別是嗜熱真菌在降解羧酸和聚合物方面的潛力巨大［36］。在堆肥升溫期（0~12 h），來自腐質(zhì)霉屬（Humicola）的真菌種類較為突出。由于單純的營養(yǎng)需求，腐質(zhì)霉屬出現(xiàn)在堆肥早期，且在整個(gè)堆肥過程中都存在，因?yàn)樗鼈兣c其他嗜熱微生物共生［37］。在堆肥高溫期和降溫期（24~120 h），優(yōu)勢菌種的多樣性較高。來自鐮刀菌屬（Fusarium）、被孢霉屬（Mortierella）、交鏈孢霉屬（Alternaria）、青霉菌屬（Penicillium）、白環(huán)蘑屬（Leucoagaricus）、短柄菌屬（Solicoccozyma）等真菌屬種類比較豐富。在生活垃圾的好氧堆肥處理中，同樣可觀察到類似的真菌群落［38］。然而，堆肥過程的性質(zhì)、堆肥周期和堆肥條件（溫度、pH、含水量等）的差異可能決定了真菌群落的存在以及具體的演變規(guī)律［39］。

圖6 堆肥過程中真菌群落組成門水平相對豐度的變化

圖7 堆肥過程中真菌群落（屬水平）相對豐度熱圖

3 小結(jié)

1）采用透氣發(fā)酵筒進(jìn)行廚余垃圾靜態(tài)好氧堆肥，省去強(qiáng)制通風(fēng)和外部熱源，節(jié)約了系統(tǒng)能耗；摻入綠化垃圾和腐熟堆肥，縮短了堆肥周期。僅堆肥8 d 后，含水率降至18.5%，有機(jī)質(zhì)含量穩(wěn)定在66%左右，總養(yǎng)分含量保持在7.49%，實(shí)現(xiàn)了物料的快速干燥和腐熟。最終堆肥產(chǎn)品的性能符合商品有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 525—2021）。

2）不同好氧堆肥時(shí)期具有不同的微生物群落多樣性。在細(xì)菌門水平上，堆肥前期（0~72 h）及后期（192 h）的優(yōu)勢菌群為厚壁菌門（Firmicutes），在中溫冷卻階段（96~120 h），放線菌門（Actinobacteria）和變形菌門（Proteobacteria）取代了厚壁菌門的優(yōu)勢地位，且細(xì)菌群落物種組成變得豐富。

3）相對豐度較高的真菌門為子囊菌門（Ascomycota）、擔(dān)子菌門（Basidiomycota）和被孢菌門（Mortierellomycota）。在堆肥高溫期和降溫期（24~120 h），嗜熱真菌保持較高豐度，有利于難降解有機(jī)物的生物降解。

對微生物演替規(guī)律的探究可以使廚余垃圾轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥的生產(chǎn)工藝得到進(jìn)一步的優(yōu)化，使堆肥變得更加高效。