生活垃圾堆肥中微生物接种技术-生物医学工程论文发表

生活垃圾堆肥中微生物接种技术

陆瑞良

摘要：介绍了堆肥工艺及其中的微生物学过程，总结了接种菌剂在堆肥过程中的作用，提出了用垃圾渗滤液微生物循环接种强化堆肥工艺。

关键词：堆肥，微生物，接种。

Composting Technology of Municipal Solid Waste with Inoculation Agent

of Microbe

Abstract: Introduced the composting technology and it’s microbiological process , sum up the effection of Inoculation community in composting process ,a new process of enhanced composting by cyclic inoculation of microbe from refuse leachate was advanced.

Key Word: Composting, Microbe, Inoculation.

1． 前言

垃圾处理是当代世界各国共同关注并亟待解决的环境问题之一，也是城市与健康领域中的一项重要研究内容。随着绿色浪潮和生态农业的兴起，垃圾堆肥化比率正呈上升趋势。垃圾堆肥化是将由多种不同组分构成的有机物料堆聚在一起，以保存发酵过程中产生的热量，在温暖湿润、通风或厌氧条件下，通过多种微生物共同作用，将垃圾中的易腐有机质分解，转变成富含有机质和氮、磷、钾等营养元素的有机质肥料对物料中有机物质进行的生物化学转化的过程。该过程的目的是实现生活垃圾的无害化，使城市生活垃圾中的有机物向稳定的腐殖质转化，并使之成为可供农作物吸收利用的肥料。

生活垃圾经发酵后可作为有机肥料。传统堆肥法[1 ]一般都是采用增加营养和改善环境条件的方法，利用堆制原料中的土著微生物来降解有机污染物。但传统堆肥法存在发酵时间长，产生臭味且肥效低等问题。为了缩短堆肥周期，早在20 世纪40 年代,美国就通过接种微生物使堆肥时间缩短1～3d[2 ]。 近年来，国内外在堆肥过程中进行微生物接种的研究报道也较多[3] 。

2．垃圾堆肥工艺的分类

堆肥工艺发展至今，已形成很多类型，可以按照堆肥工艺的特点进行如下分类。

2.1 按堆肥微生物对氧的需求分类

按堆肥微生物对氧的需求可将堆肥工艺分为好氧堆肥和厌氧堆肥[4]。

好氧堆肥具有对有机物分解速度快，降解彻底，化学性质稳定，堆肥周期短的特点，一般一次发酵10 ～ 15 d，二次发酵在10 ～ 20 d 便可完成。目前采用的堆肥工艺一般均为好氧堆肥。当然，由于好氧堆肥必须维持一定氧浓度，保证通风和降温控制，因此运行费用高。

传统的厌氧堆肥特点是工艺简单，通过自然发酵分解有机物，不必由外界提供氧气，消耗能量，因而运行费用低，产生的甲烷气还可用作能源加以利用。但传统的厌氧堆肥发酵周期长（一般需3 ～ 6 个月），易产生恶臭，且占地面积大，成品稳定性差等缺点。近年来，随着厌氧处理技术的发展，一种新型的厌氧技术—湿式厌氧处理，已在欧洲得到应用发展，是一种很有前途的厌氧技术，该技术通过前处理将垃圾中的有机物分选出来，制成含固率15%，水分含量85%的浆状物，进行厌氧发酵，发酵周期可缩至15 ～ 20 d。

2.2 按堆肥微生物对温度的需求分类

按堆肥微生物对温度的需求，可将堆肥工艺分为中温堆肥和高温堆肥。中温堆肥主要利用嗜温性微生物进行堆肥的过程，最佳温度范围为35 ～ 45 ℃；高温堆肥主要利用嗜热性微生物进行培肥的过程，最佳温度范围为35 ～ 65 ℃。

3． 堆肥中的生物化学过程

3.1 堆肥物料的化学组成

堆肥物料无论其来源如何，这些有机废物均由单糖、淀粉、蛋白质、脂类、纤维素、半纤维素和木质素等以不同比例构成［3］。植物残体中各种物质的比例因植物种类、生长环境及阶段不同而异。新鲜的牧草含有许多水溶性物质、矿物和蛋白质等，当植物成熟衰老时，矿物质又逐渐回到土壤中，小分子物质聚合形成大分子纤维素、半纤维素和木质素。动物排泄物成分取决于动物种类及食物，与其年龄关系不大。在垃圾堆肥过程中，碳水化合物最容易降解，如单糖、淀粉等，而且高温和高湿条件更有助于以上物质的降解。

3.2 堆肥中的生物化学变化

城市垃圾中的有机物是堆肥微生物赖以生存、繁殖的物质条件，如果在一定堆积状态的垃圾中含有适量的水分和有机质，则在一定的通风条件下，借好氧微生物的作用，垃圾有机废物中的可溶性有机物透过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物所吸收；而垃圾中的固体和胶体有机物则先附着的胞外酶，分解为可溶性物质再渗入细胞。然后微生物通过自身的生命活动—氧化还原和生物合成过程，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并放出生物生长、活动所需的能量，把另一部分有机物转化合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体。

由于微生物在利用垃圾中的有机物进行耗氧分解过程中，需要提供大量的电子受体，而氧气就是堆肥过程中最主要的电子受体，因此，通风供氧和水分控制是堆肥工艺设计需要考虑的主要问题。目前，堆肥过程中主要采用的通风方式为自然通风、定期翻堆、被动通风和强制通风。二次发酵好氧堆肥中通风量主要由微生物需氧量和水份蒸发量所需的空气量组成，后者需气量往往大于前者，有时高达2 ～ 6 倍［5］

4．微生物接种技术对堆肥的作用

在人工条件下通过接种可提高堆肥微生物数[7]量，加速堆肥反应进程 。早在40年代，美国就通过接种[2]细菌使堆肥时间缩短1~3 d 。许多研究结果对堆肥过程中接种菌剂的促进作用还是充分肯定的，不少学者已致力于研究堆肥不同阶段起关键作用的微生物，并在自然界进行优质高效菌群的筛选和接种技术的探讨。

4.1.1 接种菌剂可以提高堆肥的腐熟速度

Ichida等[8]认为土著微生物种群可以降解畜禽废物，但是用羽毛降解菌可以加快降解进程，电镜扫描结果表明，接种细菌比不接种细菌的处理角蛋白降解更完全，生物被膜形[9]成的更早。Ohtake等 在实验室控制台式堆肥反应器条件下研究温度和接种菌剂的类型对PCL的生物降解能力，结果表明，PCL的最适宜的降解温度是50℃，两种菌剂的降解能力显著不同。近年来[10~20]，我国学者广泛进行了接种效应研究 。其中李国学[10]等 用鸡粪、稻壳和猪粪堆肥，添加质量分数为0.5%的快速发酵菌剂，能加速稻壳堆肥腐熟，显著缩短发酵时间，一般堆制14~21 d 即达到要求。庞金华等[13]在猪粪堆肥制作时，加入两种微生物制剂，这两种制剂可以快速提高堆肥温度，促进发酵腐熟，缩短堆制时间。席北斗等[15] 将高效复合微生物菌群应用在生活垃圾和污泥混合堆肥中，复合微生物菌群各菌种之间相互协同作用，生成抗氧化物质，形成复杂而稳定的生态系统，增加堆肥过程中细菌总数，接种质量分数为2%、3%、5%的处理，与灭活菌的对照组比较，垃圾堆肥腐熟时间分别缩短6 d、12 d、18 d。可见，在不同堆肥原料下，接种微生物能提高堆肥腐熟速度，是加速固体废弃物资源化的一条有效途径。

4.1.2 接种菌剂可以提高堆肥的腐熟质量

Marcello等[21]用3种菌株来降解烟草废弃物中尼古丁的含量，发现Pseudomonas putida效果显著，表明用生物技术方法降解尼古丁毒性的可行性。高温堆肥处理对毒性有机物的降解有显著效果。据研究[22, 23],在城市污泥堆肥过程中，微生物类群的数量变化与毒性有机物的含量呈正相关关系。石春芝等[9]和蒲一涛等[24]在生活垃圾中接种固氮菌，堆肥的含氮量有一定提高。沈根祥等[12]报道了Hsp菌剂能迅速提高牛粪堆肥的发酵温度，有效杀灭粪中所含的杂草种子和虫卵病菌，具有快速堆肥腐熟和无害化的功效。庞金华等[14]和顾希贤等[16]分别用菌剂堆肥成品进行肥效试验，结果证明:施接菌堆肥比施不接菌堆肥增产显著。席北斗等[15]接种高效复合微生物菌群生产的堆肥成品中含有大量生物活性的微生物，是一种良好的生物活性有机肥料。赵京音等[19]在鸡粪中添加微生物制剂EM，显著提高堆肥中有机物质的和氮素的保留率，减少氮的气态损失。

4.1.3 接种菌剂对堆肥除臭效果显著

在堆肥过程中产生大量恶臭气体，会造成严重的大气污染。赵京音等[19]研究在鸡粪中添加微生物制剂EM，堆制9 d后堆肥散发出酿酒的芳香，EM的除臭功能与其促进堆肥中大分子有机物转化为小分子方向有机物和NH4＋-N向其他形态氮的转化有关。

5. 垃圾渗出液微生物循环强化培养菌剂在堆肥中的应用

近年来，国内外学者研究发现垃圾堆肥过程中外加菌剂存在接种后菌剂活性会衰退。垃圾渗滤液微生物循环接种强化堆肥工艺利用垃圾中的土著微生物具有更好适应堆体环境的特点 ,直接将垃圾中的微生物进行强化培养 ,并接种于堆料中 ,通过不断循环和自然选择作用,使菌剂中微生物的多样性和协同作用不断加强。

根据这一问题，彭绪亚等[21]提出一种直接利用垃圾堆肥渗出液中微生物制备高效菌剂的方法。分别以堆肥高温阶段和中温阶段产生的渗出液中微生物为来源,利用自制培养基经4次循环强化培养制得高温菌剂和中温菌剂,进行了接种和不接种的好氧堆肥对比试验,测定了堆肥渗出液中微生物数量、堆体温度、纤维素酶活、pH和好氧速率等指标.实验结果表明:

(1) 接种组渗出液中高温细菌、高温放线菌和高温霉菌数量平均是对照组的2.17倍;中温细菌、中温放线菌和中温霉菌数量平均是对照组的2.41倍,接种组微生

物的数量明显多于对照组;

(2) 接种组的纤维素酶活性较对照组最大提高26 %,且提前4d达到最大值;堆体耗氧速率在高温阶段和中温阶段分别提高37 %和4218 %.说明接种后的微生物经过堆体微生态环境的自然选择作用,其代谢活性增强,对有机垃圾的降解能力明显提高,垃圾中纤维素更快地被分解和转化,有利于加快堆肥腐熟

刘国涛等[22]在一次发酵和二次发酵过程中分别投加高温和中温菌剂,强化它们各自的功能 ,可促进垃圾的快速腐熟,缩短堆腐时间。工艺菌剂培养具有操作程序简单、能连续运行的特点 ,且制备的菌剂为液体 ,使接种过程简单 ,易于掌握。垃圾渗滤液微生物循环接种强化堆肥工艺具有占地少、建设投资省、运行费用低 ,特别适于技术、经济相对欠发达小城镇生活垃圾的堆肥化处理。

6．结论与建议

根据以上国内外的多数研究结果，可以认为，接种菌剂可以使堆肥物料快速达到高温、控制堆肥过程中臭气的产生，缩短堆肥腐熟进程；可以有效杀灭病原体和降解有机污染物，提高堆肥质量；堆肥产品含有生物活性的微生物，作物增产效果显著。但是，值得注意的是，接种菌剂的研究首先应从摸清堆肥过程中微生物活动规律做起，利用先进技术逐步筛选出所需功能性菌群，在堆肥中应用时应确定菌剂的最佳接种时间和接种量；堆肥不同阶段微生物种群的研究方法，不仅可采用平板计数法，也要应用先进的微生物技术比如BIOLOG微平板技术等和分子生物学技术进行分析，才能更有利于揭示堆肥过程中的微生物作用的本质规律，为深入研究提供借鉴作用。

我们要清楚垃圾堆肥是较好实现垃圾减量化、无害化和资源化的垃圾处理方式[6]。但它绝不是人们预期的通过销售堆肥产品赢得利润的技术。垃圾堆肥所能实现的效益究竟有多大，应重新加以正确认识并实事求是地予以评价。垃圾堆肥的主要目的是垃圾处理的无害化和减量化， 其次才是资源化。

其次，在垃圾堆肥中存在的问题决不能忽视，堆肥的有效肥料成分含量低，即使经过精细分选的颗粒肥料，也仍然含有一定的碎玻璃、金属、废塑料等杂物，会造成田间操作的困难，且对固体废物的减量化效果不高，处理后产物体积仍较大，还有筛上物的进一步处理等。尤其是堆肥中含重金属元素问题日益引起人们的关注，工业化将大量的有毒化学物质和高分子塑料带入生活垃圾中，也影响到了堆肥的质量。在欧美发达国家堆肥是受到严格限制的。一是由庭院修剪物、果品蔬菜加工废弃物、养殖场动物粪便和酿造厂废弃物作为原料而获得的有机肥料方可用于农业生产；二是垃圾混合堆肥只能用于城市园林、沙漠、盐碱地、海边滩涂绿化和森林植被保护。此外，在欧美发达国家，垃圾收集大多是分类进行的，垃圾中极少含有灰分和大量无机质，所以其堆肥中的有机质含量是很高的。

在我国垃圾还未实现分类收集，人们对垃圾堆肥对土地和农作物的影响缺乏正确认识和了解的情况下，盲目引进不适合国情的外国设备，或者国产设备不过关，再加上大量低劣肥料根本卖不出去，众多的垃圾堆肥厂，大都处于停产和半停产状态。许多施用过这种粗劣堆肥的地区，目前很少或根本没有对施用过堆肥的土地和产品进行过严格的检测，缺乏有说服力的监测数据或资料。

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