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厨余垃圾好氧堆肥优势细菌的分离及处理效率研究 * 林山杉赵冰乔美姣刘爽 东北师范大学环境学院， 长春 130024 摘要 以城市厨余垃圾为研究对象， 筛选优势菌种， 缩短堆肥周期。试验中， 分别从升温、 高温和降温 3 个阶段进行菌 种筛选， 通过基因测序鉴定， 得到 2 种优势菌分别为甲基营养芽孢杆菌、 巴伐利亚鸟氨酸菌。将 2 种细菌按 1∶ 1、 1∶ 2、 2∶ 1、 1∶ 3、 3∶ 1的接种配比， 以 1. 5的接种量投加到堆体中， 并以空白组作为对照， 进行堆肥对比试验。结果表明 2∶ 1 的混合比例对厨余垃圾堆肥处理效果最佳， 堆肥 C/N 和种子发芽率分别为 4. 89、 95. 9， 堆肥周期由 25 d 缩减至 22 d。其中含水率、 有机质和 TN 分别比空白试验降低了 1. 90、 4. 27、 11. 96， pH 值和氨氮均达到堆肥产品稳定 化、 无害化程度的评价标准。 关键词 厨余垃圾; 秸秆; 好氧堆肥; 堆肥周期; 优势菌 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201407025 PＲEDOMINANT BACTEＲIAS ISOLATION AND TＲEATMENT EFFICIENCY DUＲING KITCHEN WASTE COMPOSTING Lin ShanshanZhao BingQiao MeijiaoLiu Shuang School of Environmental Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China AbstractUrban kitchen waste was set as the research object，according to the change of composting temperature gradient， bacteria strains were screened from the heating， high temperature and cooling stages of the experiment． After genetic sequencing identification，two kinds of predominant bacteria were obtained at last which were respective Proteus mirabilis strain -singular Proteus strains and Bacillus methylotrophicus strain- methyl nutrition Bacillus． Then two kinds of predominant bacteria were added into the aerobic composting again with the reactor volume quantity of 1. 5，according to the different ratio of 1∶ 1， 1∶ 2， 2∶ 1， 1∶3， 3∶ 1． Compared to the control test，the results showed that the best composting effect of kitchen waste was under the condition of the bacteria ratio 2∶1，then C/N and the seeds germination rate were 4. 89 and 95. 9 respectively． The aerobic composting period of kitchen waste and straw shrank from 25 to 22 days． Compared with the control test，moisture content，the organic matter and TN were reduced respectively by 1. 90， 4. 27 and 11. 96． These results indicated that fertilizer made by kitchen waste and straw had the stabilization of plants，and met the harmless requirements of fully maturity． Keywordskitchen waste;straw;aerobic composting;composting period;predominant bacteria * 吉林省科技厅科技支撑计划社会发展重点项目 20110406 。 收稿日期 2013 －09 －29 0引言 厨余垃圾是指各饮食单位抛弃的剩余饭菜的统 称。城市厨余垃圾有机质和水分含量极高， 容易发 酵、 变质、 腐烂， 产生大量致病菌， 造成疾病的传播， 同 时散发恶臭气体， 污染环境。近年来， 随着全球经济 的迅速发展， 我国城市化规模日益扩大以及人民生活 水平的不断提高， 城市生活垃圾的产量呈现明显的递 增趋势。我国每年产生城市生活垃圾约 1. 6 亿 t［1 ］， 其中厨余垃圾所占的比例为 30 ～ 50［2 ］。因此， 厨余垃圾的问题已经成为困扰我国各城市发展的焦 点与难点 ［3- 4 ］， 如何早日实现厨余垃圾的资源化、 减量 化、 无害化的处理， 已成为社会各界普遍关注的问题。 目前处理城市厨余垃圾的多种方法均可以实现 厨余垃圾减量化， 但是填埋、 焚烧等处理方式会产生 严重的二次污染， 不利于环境和经济的可持续发展。 因此， 本文从厨余垃圾的资源化角度出发， 利用厨余 垃圾堆肥处理中分离出来的优势细菌， 与秸秆按不同 比例混合， 通过好氧堆肥试验将其转化成有机肥料， 511 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 缩短了厨余垃圾好氧堆肥的堆肥周期， 减少污染的同 时实现了资源的再利用。 1试验部分 1. 1堆肥试验的设计与运行 本试验采用 20 L 的圆柱形装置， 容器底部是孔 径约为 0. 4 cm 的塑料通风板， 通风板下面设有渗滤 液排出管阀， 外侧中心点设一搅拌口， 距底部约 17. 0 cm， 通过翻推搅拌进行通风供氧， 并在堆肥前用 石灰石调节堆料的 pH 值为中性或弱碱性， 以满足微 生物的生长环境要求。 根据对堆肥原料的理化性质分析， 本试验将 C/N、 含水率作为试验的影响因素， 并在 C/N、 含水率 的理想区间内， 对因素分别取值为 25∶ 1、 30∶ 1、 35∶ 1 和 55、 60、 65， 然后将两种影响因素的每个取 值分别组合作为一组试验， 共计 9 组。根据每组试验 中影响因素的不同取值， 将厨余垃圾、 秸秆和豆渣进 行配比混合， 试验中堆料达到腐熟所用时间最短的一 组， 即为厨余、 秸秆及豆渣混合的最佳配比∶ 厨余垃圾 5 000 g、 秸秆 1 062 g 及豆渣 380 g， 此时的 C/N 为 30∶ 1， 含水率 60。 1. 2优势细菌的来源、 筛选及分离 从最佳配比试验中， 对厨余垃圾堆肥试验每个温 度阶段 升温、 高温、 降温 的堆肥样品进行分批取 样， 并将采集的样品置于 － 4 ℃ 下冷藏， 以保持微生 物的活性。经对每次采集的样品中菌种的分离提纯， 及细菌检测比对， 各温度阶段一直都存在的细菌， 即 为所要获得的优势细菌。 称取已保存的堆肥样品 5. 0 g， 放入经过灭菌并 装有玻璃珠的锥形瓶内， 并加入 45 mL 0. 9 的无菌 生理盐水， 摇匀后放入 25 ℃恒温振荡培养箱 1 h， 然 后在无菌工作台内用移液枪从锥形瓶中吸取 0. 1 mL 菌液， 加到装有 0. 9 mL 无菌水的 EP 管中， 混合均 匀， 以此类推依次制成不同倍数 10 －2、 10－3、 10－4、 10 －5、 10－6、 10－7 的稀释菌液。 对 10 －3、 10－5、 10－7 3 个不同倍数的稀释菌液， 在 固体 LB 培养基上分别进行涂布和划线分离， 每个浓 度的菌液分别取两个平行样， 同时标明日期和编号， 然后将其与一个空白培养基置于 37 ℃ 恒温培养箱 48 h 后， 观察菌落的生长情况和形态特征。用接种环 挑取形态特征相同的单菌落， 重新接种到无菌的 LB 培养基中， 在 37 ℃ 恒温振荡培养箱培养 24 ～ 48 h 后， 再次对 LB 菌液进行稀释， 然后采用上述 2 种方 法对菌落做进一步的分离纯化， 经过反复筛选， 即可 获得纯种细菌。 1. 3优势细菌的鉴定 对分离出来的单菌落， 采用微量样品基因组 DNA 提取试剂盒 TIANampMicroDNAKit， 天 根生化科技 北京 有限公司 提取 DNA， 并将其进行 PCＲ 扩增。PCＲ 反应体系见表 1。引物为细菌通用 引物 357f 5- CCTACGGGAGGCAGCAG- 3 和 1492r 5- GGTTACCTTGTTACGACTT- 3 。反应的运行条 件见表 1表 2。 表 1 PCＲ 反应体系参数 Table 1Parameters of PCＲ reaction 药 品 ddH2O 引物 357f 引物 1492r DNA 模板2 Taq 酶 用量/μL13. 01. 0 1. 01. 09. 0 表 2 PCＲ 反应运行程序 Table 2Process of PCＲ reaction 程序温度/℃时间/min循环 预变性955 变性941 退火54. 51 延伸721 后延伸 } 7210 30 个循环 最后15 所得产物经过 16S rＲNA 测序及比对， 确认筛选 的 2 种单一细菌分别为甲基营养芽孢杆菌 Bacillus methylotrophicus 和 巴 伐 利 亚 鸟 氨 酸 菌 Ornithinibacillus 。 1. 4优势菌投加比例的确定 本试验选用分离出来的 2 种优势细菌 甲基营养 芽孢杆菌， 巴伐利亚鸟氨酸菌 分别以 1∶ 1、 1∶ 2、 2∶ 1、 1∶3及3∶ 1的不同配比 菌液体积比 ［ 5- 6 ］， 对堆体进行 接种， 并以空白试验作为对照组， 共设6 组堆肥试验。 以 2 种细菌的菌液总体积与堆体体积比为 15∶ 1 000的比例进行接种， 即以 1. 5 的接种量对 1. 1 所述堆体进行投加。 1. 5好氧堆肥过程中各参数指标的确定及变化特征 厨余与秸秆好氧堆肥是一个复杂的生物学过程， 同时在堆肥过程中， 伴随着一系列物理、 化学及生物 学指标的变化。研究这些指标的变化规律， 对于揭示 整个堆肥过程中微生物种群结构的演替规律及堆肥 腐熟度的评价具有非常重要的意义。本试验以温度、 含水率、 有机质、 pH、 电导率 EC 、 氨氮、 TN 为参数 指标， 研究分析了各参数指标在堆肥过程中的变化 611 环境工程 Environmental Engineering 特征。 2结果与讨论 2. 1优势细菌最佳投加比例的确定 通过考察 1. 4 中 6 组不同配比优势细菌， 在堆肥 过程中各参数指标及腐熟度的变化特征， 最终确定以 甲基营养芽孢杆菌、 巴伐利亚鸟氨酸菌菌液体积为 2∶ 1为最佳投放比进行堆肥试验。 2. 2堆肥过程各参数指标的变化特征 2. 2. 1堆体温度的变化 用最佳配比下的 2 种优势细菌对厨余垃圾好氧 堆肥进行了处理， 对照空白试验的温度变化见图 1a。 图 1优势细菌最佳投加比堆肥过程各参数指标的变化 Fig． 1Several inds during kitchen waste composting by predominant bacterias 在空白试验中， 堆体温度经过 4 d 的发酵后达到 高温阶段， 并维持了 4 d 的高温期， 然后随着堆肥有 机物的减少， 温度降低并维持在稳定状态。在优势菌 组试验中， 堆肥温度在第 3 天便迅速上升至高温阶 段， 经过几天的高温堆肥， 随后进入稳定阶段， 所需时 间较短。主要因为甲基营养芽孢杆菌能够产生大量 的纤维素酶， 将大分子有机物分解为可溶性小分子， 加快有机物的分解速率， 使巴伐利亚鸟氨酸菌在减少 氮源的同时， 可以利用足够的碳源， 形成种间协同 作用。 711 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 2. 2. 2堆体含水率的变化 2 组试验中含水率的变化趋势见图 1b。空白组 和优势菌组的含水率分别由最初的 60. 43、 60. 00， 降低至堆肥结束后的 37. 00、 34. 67， 优势菌组比 空白组降低了 1. 90。这主要是因为甲基营养芽孢 杆菌所占比重较多， 纤维素酶对有机物降解速率高， 产生大量的热量 ［7 ］， 从而使水分快速蒸发散失， 导致 堆肥的含水率较低。 2. 2. 3堆体有机质的变化 通过向堆肥中投加优势细菌， 对比空白试验， 2 组 试验的有机质含量均呈现出不同程度的变化， 如图 1c 所示。经过 22 d 的堆肥反应， 空白组和优势菌组的 有机质降解率分别为 27. 07 及 31. 34。说明最优 配比下的两种细菌对堆肥有机物的分解效果较好。 2. 2. 4堆体氨氮的变化 在 2 组对比试验中， 各组试验的氨氮变化如 图 1d所示。空白组的氨氮在堆肥第 710 天出现 峰值， 而优势菌组经过 4 d 的好氧堆肥， 氨氮浓度达 到最高值。主要原因是好氧堆肥初期， 由于优势菌 组的堆体温度处于高温阶段， 导致硝化细菌的活动 受到抑制， 氨氮的转化率降低， 大量积累在堆肥中。 随着堆体温度下降， 硝化细菌活性增强， 氨氮通过 硝化作用转化为硝态氮， 因此浓度逐渐降低并趋于 稳定［8］。 2. 2. 5堆体电导率 EC 的变化 好氧堆肥中， 由于堆肥物料分解生成小分子有机 酸和各种离子， 使堆肥中电导率的含量增加。但是堆 肥产品中的 EC 不宜过大， 否则会影响植物的生长。 在图 1e 中， 经过 22 d 的堆肥处理后， 空白组及优势 菌组的 EC 分别是 1 332， 1 404 μS/cm。这是由于细 菌对有机物的降解， 使堆肥中小分子物质和可溶性离 子浓度增加， 因此优势组的 EC 比空白组的 EC 值高， 但均小于 9. 0 103μS/cm， 说明堆肥产品对种子没 有抑制作用 ［9 ］。 2. 2. 6堆体 pH 值的变化 堆体 pH 值变化， 反映了好氧堆肥反应进行的快 慢， 以及达到高温阶段所需的时间， 堆体 pH 的变化 情况见图 1f。由图 1f 可知 空白组的 pH 值在堆肥反 应 7 d 左右达到高温阶段， pH 值上升至最大值点; 优 势菌组试验的 pH 值在堆肥第 4 天便出现最高点， 说 明堆肥反应进行较快从而温度迅速升高， 说明所选的 2∶ 1的优势菌比例对堆肥处理效果较好。 2. 2. 7堆体 TN 的变化 通过 2 组试验对堆肥进行处理， 如图 1g 所示。 优势菌组 TN 降解率比空白组的降解率增加了 11. 96， 说明优势菌对 TN 有较明显地消耗利用， 这 是因为巴伐利亚鸟氨酸菌对氮素转化率较高， 导致 TN 的消耗率随之增大。 2. 3优势细菌堆肥腐熟度的判断 2. 3. 1堆体 C/N 的变化 通过向厨余垃圾中投加最优配比下的 2 种细菌， 在堆肥反应进行至第 22 天时， 空白组及优势菌组的 C/N 分别降低至 6. 57 和 4. 89。在两组试验中， 优势 菌组经过 22 d 的好氧堆肥， C/N 小于 5 ～ 6［10 ］， 说明 该堆肥已经达到腐熟标准。原因可解释为甲基营养 芽孢杆菌所占比重较多， 其对总有机碳的降解速率较 高; 同时巴伐利亚鸟氨酸菌氮素的转化利用率较强， 而该菌数量较少， 对氮素的消耗量降低， 使堆肥中剩 余的氮素含量较多。 2. 3. 2优势细菌堆肥种子的发芽指数 采用植物指标对各组试验的堆肥腐熟度进行了 测定， 空白组及 d 组堆肥产物的种子发芽率分别为 90. 29及 95. 9。在堆肥进行至第 22 天时， 优势 菌组试验的 C/N 达到了堆肥水溶性 C/N 的腐熟标 准， 同时种子发芽指数为 95. 9， 说明该堆肥产品可 以安全使用， 尽管空白组试验的种子发芽率也达到了 90， 但其堆肥 C/N 不满足腐熟要求［11 ］。因为只有 当指标 C/N 和发芽率同时满足要求时， 才能表明肥 料已经完全腐熟。 3结论 通过对试验结果的分析与讨论， 得出如下结论 1 在堆肥周期优化的试验中， 根据反应器内温 度梯度 升温、 高温、 降温 的变化特征， 对不同温度 阶段的微生物分别进行筛选和提取， 通过基因测序鉴 定， 最终得到两种优势细菌， 分别是甲基营养芽孢杆 菌及巴伐利亚鸟氨酸菌。 2 采用甲基营养芽孢杆菌和巴伐利亚鸟氨酸 菌， 以最优配比 2∶ 1 菌液体积比 的比例对厨余垃圾 重新进行堆肥处理， 并以空白试验作为对照组， 根据 堆肥腐熟指标 C/N 和种子发芽指数的判断， 优势菌 对厨余垃圾好氧堆肥处理效果最佳， 堆肥周期可由 25 d 缩短至 22 d。 下转第 146 页 811 环境工程 Environmental Engineering 度污染， 其次为 Zn 和 Ni， 土壤中 Cr 的污染程度最 高， 其从煤矿开采区约 7 km 范围内有不同程度的 污染。 2 通过对研究区土壤重金属空间分析可知， 距 离露天煤矿不同范围内重金属元素含量的变化情况 不同， 土壤中 Cu 的含量随距离没有明显变化， Ni 的 含量随距离的增加而略微增大， Zn 的含量在不同距 离范围内波动比较大， Cr 的含量随距离增加呈现明 显的降低趋势。对于不同高程， Cu 含量在不同高程 上没有显著性变化， Cr 含量随高程变化波动较大， Zn 含量与高程之间呈极显著性正相关， Ni 含量与高程 之间呈显著性负相关。 3 通过对研究区土壤重金属来源分析可知， 研 究区土壤中 Cu 和 Ni 主要来源于土壤母质， Zn 的来 源比较复杂， 自然因素对 Zn 的贡献较大， 煤矿开采对 Zn 含量的影响较小， 而土壤中 Cr 含量主要受煤矿开 采时煤尘和人为因素的影响。 参考文献 ［1］屠世浩， 陈宜先． 煤矿开采对环境的影响及其对策研究［J］． 矿 业研究与开发， 23 4 6- 10． ［2］耿殷明， 姜福兴． 我国煤炭矿区生态环境问题分析［J］． 煤矿环 境保护， 2002 6 5- 9． ［3］田彩霞， 宋晓梅． 论我国煤矿环境问题及对策［J］． 矿业安全 与环保， 2004， 31 2 45- 48． ［4］赵浩， 白润才， 曲叶明． 露天煤矿绿色开采技术［J］． 矿业工程 研究， 2010， 26 3 19- 22． ［5］孙芳， 高优娜， 郝琳， 等． 露天煤矿开采酿成的环境问题及防护 对策［J］． 北方环境， 28 6 63- 64． ［6］白润才， 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