白腐菌对城市污泥堆肥效率及木质纤维素降解的影响

中国环境学会  2011年 03月31日

  隆梦佳 鲁  娟 胡承孝※ 孙学成 谭启玲
  (农业部亚热带农业资源与环境重点实验室,武汉,430070;华中农业大学微量元素中心,武汉,430070;华中农业大学资源与环境学院,武汉,430070)
   
  摘要:以城市污泥为主要原料,接种0%、1%、2%、5%(质量比)白腐菌孢子悬液,进行堆肥试验。结果表明,接种白腐菌能够延长污泥堆肥高温期,加速堆体有机质降解,提高种子发芽率,堆肥周期缩短4-8天,效率提高;尽管接种白腐菌没有影响物料半纤维素、纤维素降解,但是显著促进木质素降解,其中5%接种剂量物料木质素降解率增加最多。
  关键词:白腐菌,污泥,堆肥,木质纤维素,堆肥效率。
   
  Effect of White-Rot Fungi on Efficiency of Composting and Degradation of Ligin in Sewage Compost
  Long Meng-jia,Lu Juan,Hu Cheng-xiao
  (Huazhong Agricultural University, Wuhan, 430070)
   
  ABSTRACT: Compost experiment was conducted with sewage sludge as the main raw material, while 0%、1%、2%、5% of suspension liquid with white-rot conidium were added to the compost respectively. The results were showed as follow: the high-temperature period of the composting was lasted, the seed germination index was raised by infecting compost with white-rot fungi. It meant that infection with white-rot fungi accelerated the degradation of organic matter in compost, and shortened the time of compost maturity. Even though there were no effect on degradation of hemicelluloses and celluloses, the infection with white-rot fungi improved the lignin degradation significantly, especially with 5% white-rot fungi.
  Keywords: sewage sludge, compost, lignin, white-rot fungi.
  
  城市污泥中富含有机质和氮、磷、钾等养分,是良好的植物养分来源和土壤物理性状改良剂,将其用于农业和园林,可促进植物生长,改良土壤,也为污泥处理与处置找到了一条化害为利、变废为宝的出路,因而具有很好的经济效益、环境效益和社会效益。堆肥技术是一种既古老又不断发展的垃圾处理技术,堆肥过程就是微生物作用的过程,由于其生物化学反应的复杂性,堆肥过程中的理化指标如有机质、酸碱度、温度、水分、C/N比等因素的变化很难控制,其影响并控制着微生物生长繁殖,从而最终影响堆肥反映的速度和过程以及堆肥肥效,是实现优质、高产、低消耗堆肥目标的重要限制因素[9]。不仅如此,温度、有机质、水分、腐殖质、种子发芽指数这些理化指标的变化也反映了堆肥腐熟程度及堆肥的品质。木质素的降解一直是堆肥中的难点之一[1],白腐菌是自然界中木质素最有效的降解者[2],并对重金属有强烈的吸附作用[3]、对降解污染物的具广普性。本研究通过检测接种白腐菌堆肥发酵过程中各指标的动态变化,揭示接种白腐菌在城市污泥堆肥中的作用。
   
  1.材料与方法


  试验材料:供试污泥来源于武汉沙湖污水处理厂脱水污泥;实验选用的菌种为白腐菌的典型种黄孢原毛平革菌(BKMF-1767) ,购自武汉大学中国典型培养物中心。
  堆肥方法:选取城市污泥、稻草、麸皮作为堆肥原料,稻草经风干后切断成10-20 mm,堆肥物料采用污泥:稻草:麸皮按12:3:1.5(湿重比)比例混合,调节水份为65%,堆肥第8天按接种量为0%、1%、2%、5%(质量比)白腐菌孢子悬液4个处理,混合物料有机质含量达83%,C/N比约为22:1。将混合物料装入13 L的塑料桶,桶底部钻孔并与通风装置相连通风,放入光照培养箱进行为期48天的堆肥试验,光照培养室温度为30℃,每4天采样,一部分样品放于4℃的冰箱中保存,另外一部分风干后保存。
  分析方法:温度每天上午9点,下午4点各测温度一次,取平均值,有机质含量采用灼烧法,取新鲜堆样4.00g于100ml锥形瓶中,加入40ml的蒸馏水,放入200r/min的摇床中震荡1h,取部分上清液用pH计测定pH,在洁净无菌的9 cm 培养皿中铺上摆有20 颗黑麦草种子的滤纸。准确吸取5mL浸提过的滤液于培养皿中,25 ℃下于暗处培养24 h,发芽指数=样品发芽率(根长) / 空白发芽率(根长),半纤维素、纤维素、木质素用范式洗涤法。
   
  2.结果与讨论


  2.1. 接种白腐菌对污泥堆肥基质温度变化的影响
  温度是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素,堆肥温度的变化也常用来作为堆肥过程的评价指标之一。研究表明,堆肥的最适温度为50—60℃,温度过高或过低都不利于堆肥过程的进行,堆肥温度过低会导致有机物分解缓慢,而过高则会抑制并杀死部分有益微生物。堆体温度在55℃保持3d以上,或者50℃以上保持5—7d,是杀灭堆体中致病微生物,保证堆肥的卫生学指标合格和堆肥腐熟的重要条件[4]。
  图1说明,各处理堆肥都经历了升温、高温持续和降温过程,符合污泥堆肥温度动态变化特征。在前8d,4个处理的温度变化是一致的,都是随着天数的增加温度逐步上升,第5d温度达到峰值,4个处理日平均温度分别为60.5℃、60.5℃、60.3℃、60℃,几乎没什么差别;第6d温度有所下降,可能是堆体内氧气不够,抑制了好氧菌的活动;第8d,各处理 
  曲线变化差异明显,4个处理的日平均温度为54.3℃、58.25℃、60.6℃、57.4℃,接种白腐菌堆体分别比未接种白腐菌的堆体高3.95℃、6.3℃、3.1℃;第9d,4个处理日平均温度为46.8℃、52.5℃、55.45℃、51.5℃,分别比未接种白腐菌的堆体高5.7℃、8.65℃、4.7℃。接种白腐菌菌剂的堆体温度从第8d接种白腐菌后温度飙升,进入第二个高温发酵阶段,明显高于未接种堆体,一直持续到第15d,此后一直到堆肥完毕,接种白腐菌的堆体温度开始呈持续下降趋势,直到室温;而未接种的堆体温度一直持续在30℃左右,直到第30d后才开始降温。1%接种剂量堆体在堆肥中后期降温速度略低于2%和5%接种剂量的堆体,2%和5%接种剂量的堆体下降温度大致一致。4个处理堆体高于50℃天数分别为5d、7d、7d、6d;第24d后,接种白腐菌的堆体微生物几乎停止活动,堆体达到腐熟,说明接种白腐菌可以延长堆肥高温期,加快堆肥腐熟,提高堆肥效率。


  2.2. 接种白腐菌对污泥堆肥基质种子发芽指数变化的影响
  未成熟堆肥中含有挥发性脂肪酸及酚酸等会对植物生长产生抑制作用,用种子发芽和根长度计算发芽指数GI,作为评价堆肥腐熟度的指标[5]。
  研究表明,如果GI>50%,当GI达到80-85%时,这种堆肥就可以认为是对植物没有毒性的。本试验采用小白菜种子的发芽指数来评价堆肥的腐熟度,图2表明,4个处理的发芽指数曲线变化规律大致相同,堆肥开始时,混合物料的GI值非常低,随后逐渐升高,到堆肥12d时,GI值显著下降。Zycconic 和deBetoldi 曾报道认为,主要是堆肥高温期对种子发芽具有较大的毒性。此后,随着有机酸、多酚等对植物生长有抑制作用物质的转化和消失,GI值又开始逐渐升高[6]。从第12d开始,4个处理GI值均呈持续上升趋势;到48d时,4个处理的GI值分别为79.2%、96%、96%、88%。4个处理种子发芽率达到50%所需时间分别为36d、32d、28d、28d,1%、2%和5%接种剂量堆体GI值都在第40d达到80%,而未接种的堆体在试验结束时GI值也只有79.2%,说明接种白腐菌能够加快堆肥腐熟,且以白腐菌2%接种剂量最好。
  
  2.3. 接种白腐菌对污泥堆肥基质有机质含量变化的影响
  堆肥就是利用微生物降解有机物的过程,同时有机物也是微生物赖以生存和繁殖的物质基础。在高温好氧堆肥中有机物含量变化的最适合范围为20%—80%[7]。通常,发酵基质有机质含量随着堆肥化的进行而逐渐降低,至腐熟期便趋于稳定,变化不大。图3显示,4个处理的有机质降解变化曲线是一致的,都是随着发酵天数增加而逐步下降。堆肥初期,即升温期和高温期,4个处理有机质都快速下降,易降解的有机物迅速分解,生成二氧化碳和水,挥发至空气中[8]。随着堆体温度的升高,到降温期,微生物开始利用半纤维素、纤维素和木质素等难分解物质,有机质含量缓慢下降,直至恒温期达到稳定。不同接种量对堆肥发酵基质有机质降解的影响不同,接种2%和5%菌剂的堆体在接种第8d后,降解量明显高于未接种和接种1%菌剂的堆体;第12d,4个处理有机质含量分别为76.96%、76.13%、72.74%,72.23%,降解率分别为0.36%、1.46%、5.83%、6.49%;第16d,有机质含量分别为75.05%、73.13%、71.43%、71.81%,降解率分别为2.48%、3.49%、1.80%、0.58%,说明白腐菌对有机质降解的促进作用主要发生在第8天到第12天之间,即接种白腐菌的第二个高温期。从24d到48d,2%和5%接种菌剂的堆体有机质变化曲线平缓,而未接种和接种1%菌剂的堆体仍有缓慢的变化。
  
  2.4. 接种白腐菌对污泥堆肥基质pH变化的影响
  在基质的生物降解和发酵过程中,pH值随着时间和温度的变化而变化,因此,pH值可以作为揭示固态基质分解过程指标之一。图4说明,4个处理pH值都是先急剧上升后下降,都在第12天达到最大,最高值分别为9.11、9.15、8.93、9.07;第12天开始,4个处理的pH值开始下降,未接种白腐菌的堆体和1%接种剂量的堆体从第12天开始持续下降直到试验结束,堆肥pH值分别为7.91和7.32;接种2%和5%菌剂的堆体pH值从第12天开始急剧下降,在第16天到第24天期间出现上下波动,随后都急剧下降至结束,其pH值分别为7.12和7.17。2%和5%接种剂量的堆体下降幅度更剧烈,可能是接种白腐菌的堆体微生物活动更为旺盛,导致氨挥发加剧而使pH值下降更为明显。
  
  2.5. 接种白腐菌对污泥堆肥基质半纤维素、纤维素和木质素含量变化的影响
  图5表明,经过48d的堆制,4个处理堆肥半纤维素总重(干重)都有明显减少,其中未接种白腐菌堆体的半纤维素的总重从初始值的0.7815kg降到第48d的0.0807kg.降解率为89.68%;接种1%菌剂堆体半纤维素总重从初始值的0.7831kg降到第48d的0.0885kg,降解率为88.7%;接种2%菌剂堆体的半纤维素总重从初始值的0.7823kg降到第48d的0.1031kg,降解率为86.81%,接种5%菌剂堆体的半纤维素总重从初始值的0.7815kg降到第48d的0.0878kg,降解率为88.76%。由此说明,接种白腐菌对堆肥中半纤维素的分解能力没有影响。
  图6说明,未接种白腐菌的堆体纤维素总重(干重)从0.6122kg降到第48天的0.2188kg,降解率为64.25%;接种1%菌剂的堆体总重从0.6135kg降到第48天的0.211kg,降解率为65.6%;接种2%菌剂的堆体总重从0.6128kg降到第48天的0.1977kg,降解率为67.74%;接种5%菌剂的堆体总重从0.6122kg降到第48天的0.2176kg,,降解率为64.45%。4个处理间没有显著性差异,因此接种白腐菌对污泥堆肥中纤维素的降解没有影响。
  图7表明,未接种白腐菌的堆体木质素总重(干重)从0.2957kg降到第48天的0.2792kg,降解率为5.6%;接种1%菌剂的堆体的木质素总重从0.2963kg降到第48天的0.2293kg,降解率为22.61%;接种2%菌剂的堆体的木质素总重从0.2960kg降到第48天的0.2306kg,降解率为22.11%;接种5%菌剂的堆体的木质素总重从0.2957kg降到第48天的0.2115kg,降解率为28.49 %。接种白腐菌堆体木质素的降解率都明显高于未接种堆体,其中以接种5%菌剂的堆体的木质素降解率最高,因此,接种白腐菌能显著促进污泥堆肥木质素降解。


  3.结论


  (1)接种白腐菌可以延长堆体的高温期,并且2%和5%接种剂量的堆体比其他两个处理提早4-8d进入稳定期。
  (2)堆肥过程中堆体的种子发芽指数随发酵的进行而上升,接种白腐菌的堆体的GI值要高于相应天数的未接种白腐菌堆,4个处理达到50%所需时间分别为36 d、32d、28d、28d,说明白腐菌可以缩短堆肥发酵时间,加快堆肥腐熟。
  (3)接种白腐菌高温阶段可以加快堆体有机质的降解,并使堆体提早进入腐熟期。
  (4)接种白腐菌对堆体中半纤维素、纤维素的降解没有影响,但是可以显著促进堆体中木质素的降解,其中5%接种剂量的效果最好。


  参考文献
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