詹亞斌， 陳云峰， 陶興玲， 于科， 魏雨泉*， 李季

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100193； 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)有機循環(huán)研究院(蘇州)， 蘇州 215100； 3.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所， 武漢 430064； 4.桓臺縣生態(tài)環(huán)境管理服務(wù)中心， 淄博 256499)

餐廚垃圾是中國主要的城市有機廢棄物之一，每年產(chǎn)生量約為1億t[1]，如此多的餐廚垃圾如不及時處理，將會給居民的生產(chǎn)、生活帶來不利影響。餐廚廢棄物的處置方式主要包括填埋、焚燒、厭氧產(chǎn)甲烷、飼料化、好氧發(fā)酵等[2]。填埋會占用大量土地，且滲濾液會污染地下水；焚燒會污染大氣，且餐廚廢棄物含水率高、熱值低，焚燒需要添加大量熱值高的物料，增大了處理成本；厭氧發(fā)酵成本較大，且產(chǎn)甲烷純度往往較低；而飼料化存在同源污染的問題。好氧發(fā)酵由于可以實現(xiàn)有機廢棄物的無害化、減量化和資源化，在餐廚廢棄物處理中越來越受到政府、科研工作者的關(guān)注[3]。

堆肥過程中面臨著臭氣排放影響居民生產(chǎn)、生活的問題，已有大量關(guān)于添加輔料、物理試劑、化學(xué)試劑減少臭氣排放的報道[4]。席北斗等[5]研究發(fā)現(xiàn)，添加鋸末、樹葉、秸稈和馬糞等膨松劑可以控制H2S氣體含量。李赟等[6]研究發(fā)現(xiàn)，添加15%的鋸末可以減排84.08%的H2S，添加15%的菌糠可以減排53.60%的NH3。張曉旭等[7]研究表明，添加5%～15%的玉米秸稈可以減少NH3、H2S的排放；但當(dāng)玉米秸稈添加量過大(20%)時，不利于堆肥的腐熟。除了輔料以外，物理、化學(xué)添加劑也可以減少臭氣的排放[8-11]。泥碳、沸石、蛭石、膨潤土、普鈣等物理添加劑可以減少20.10%～87.70%的NH3排放、減少50.30%～89.80%的H2S排放；磷酸、磷酸鈣、綠化鐵、過磷酸鈣等化學(xué)添加劑可以減少43.40%～84.10%的NH3排放、減少22.90%～62.90%的H2S排放。由于物理、化學(xué)添加劑成本較高，導(dǎo)致生產(chǎn)中較難推廣應(yīng)用，因此生產(chǎn)中一般會通過添加輔料達(dá)到減排臭氣的目的，同時起到調(diào)節(jié)物料含水率、碳氮比，利于堆肥啟動的目的。輔料雖然較物理、化學(xué)添加劑便宜，但是生產(chǎn)中需求量大，導(dǎo)致生產(chǎn)廠家難以承受輔料成本。在生產(chǎn)實踐中，一個日處理量100 t的餐廚廢棄物好氧堆肥廠，每天需要添加20 t輔料(按照濕基的20%添加輔料)，一年需要添加7 300 t輔料，每天輔料按照500元計算，輔料成本為365萬元。高昂的輔料購買成本顯然不利于餐廚廢棄物好氧發(fā)酵肥料化產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

因此，亟待尋找一種來源穩(wěn)定、價格便宜的物料替代輔料與餐廚廢棄物堆肥，使之快速腐熟并減少臭氣排放。通過添加不同比例回料替代堆肥輔料，分析熟料回用對餐廚廢棄物好氧堆肥過程溫度、含水率、pH、發(fā)芽指數(shù)(GI)、氨氣(NH3)、硫化氫(H2S)、細(xì)菌群落變化的影響，探究回料替代輔料的可行性和最佳比例，研究成果將對降低餐廚廢棄物好氧堆肥處理成本、減少臭氣排放具有重要指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

餐廚垃圾取自蘇州市某中學(xué)食堂，鋸末購買自蘇州市某木材廠，上一批堆肥產(chǎn)品(貯存20 d)作為回料。試驗材料基本性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗材料基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of test materials

1.2 實驗機器及處理設(shè)置

餐廚廢棄物堆肥試驗在50 cm(長)×80 cm(寬)×60 cm(高)的堆肥反應(yīng)器(有效容積為 100 L)中進(jìn)行(圖1)。試驗一共設(shè)計5個處理(表2)，分別為CK、R25、R50、R75、R100，即回料替代輔料比例分別為0%、25%、50%、75%、100%。堆肥過程中采用連續(xù)通風(fēng)方式，通風(fēng)量為0.2 L/(kg·min)。堆肥共進(jìn)行30 d，每天上午9:00測定堆體溫度、NH3、H2S的含量，在0、3、6、12、20、30 d取樣，每次取樣300 g，其中200 g保存于4 ℃用于含水率、pH、GI的測定，100 g保存于-20 ℃用于微生物分析。

圖1 好氧堆肥設(shè)備Fig.1 Aerobic composting equipment

表2 試驗處理設(shè)計Table 2 Design of test processing

1.3 采樣及分析方法

含水率、pH、EC的測定，參考《有機肥料》(NY/T 525—2021)。GI測定采用黃瓜種子發(fā)芽計算[12]。氨氣(NH3)用硼酸溶液吸收后，采用H2SO4滴定法測定；堆肥過程中H2S采用生物氣體測定儀(Biogas，Geotech)測定[13]。細(xì)菌總DNA的提取、DNA樣品的PCR擴增，以及分析作圖參考文獻(xiàn)[14]。所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2000、Origin 8.5軟件完成。

2 結(jié)果

2.1 溫度

溫度是堆肥較為關(guān)鍵的指標(biāo)，一般通過溫度判定堆肥是否正常進(jìn)行；通常，廢棄物堆肥溫度在2～3 d內(nèi)會上升到50 ℃以上[15]。在堆肥過程中，微生物分解有機物產(chǎn)熱會導(dǎo)致堆體溫度上升；同時，堆體的熱量會往外界擴散，導(dǎo)致堆體降溫；整個堆肥會經(jīng)歷升溫、保持高溫、降溫3個階段。CK、R25、R50的溫度，在0～12 d呈現(xiàn)上升的趨勢，在13～22 d 一直保持高溫(>50℃)；在0～22 d，3個處理的溫度呈現(xiàn)R50> R25> CK的趨勢；3個處理的溫度在23～30 d逐漸降至室溫，且呈現(xiàn)R50R25>CK>R75>R100的趨勢，說明用25%、50%的回料替代鋸末，可以促進(jìn)堆體的升溫；但是進(jìn)一步加大替代量(75%、100%)會抑制堆體升溫，可能是由于回料的孔隙度較鋸末低，回料替代量大導(dǎo)致堆體孔隙度下降，不利于堆肥的升溫、發(fā)酵。

圖2 溫度隨時間的變化Fig.2 Variation of temperature with time

2.2 含水率

微生物的生長代謝，離不開水分；水分過高過低均不利于堆肥的進(jìn)行，通常合適的堆肥水分應(yīng)該控制在45%～65%。CK、R25、R50、R75、R100的初始含水率在65.44%～70.32%，回料添加量越大，堆體物料的初始含水率越大(圖3)；堆肥結(jié)束，5個處理的含水率在35.15%～65.13%，分別下降了24.29%、31.51%、25.71%、11.98%、5.196%；從水分上看，回料替代25%的鋸末有利于水分的去除。

圖3 含水率隨時間的變化Fig.3 Variation of moisture content with time

2.3 pH

隨著堆肥的進(jìn)行，微生物開始分解蛋白質(zhì)生成氨基酸，會導(dǎo)致pH略微下降；當(dāng)氨基酸進(jìn)一步脫氨基生成氨氮等堿性物質(zhì)，會導(dǎo)致堆肥pH開始上升[16]。堆肥起始，5個處理的pH在4.50～4.92(圖4)，可能是由于餐廚廢棄物在收集運輸過程即在堆肥前經(jīng)歷了厭氧發(fā)酵，導(dǎo)致物料的pH較低。在堆肥第3天，5個處理的pH略有下降，可能是與有機質(zhì)分解產(chǎn)生有機酸有關(guān)，導(dǎo)致物料的pH無法上升。

圖4 pH隨時間的變化Fig.4 Variation of pH with time

在6～20 d，5個處理的pH呈現(xiàn)上升的趨勢。堆肥結(jié)束，CK、R25、R50的pH為7.19、8.01、7.49(均大于7.0)；R75、R100的pH為5.98、5.17(均小于6.0)；說明用25%、50%的回料替代鋸末，可以促進(jìn)堆肥pH的上升；而用75%、100%的回料替代鋸末，則不利于餐廚廢棄物好氧堆肥產(chǎn)品的pH達(dá)標(biāo)。

2.4 GI

發(fā)芽率指數(shù)(GI)是一個重要的腐熟度評價指標(biāo)。當(dāng)GI大于50%時可以認(rèn)為堆肥對植物基本沒有毒害，當(dāng)GI大于80%時，可認(rèn)為對植物完全沒有毒性，達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)[17]。隨著堆肥進(jìn)行，5個處理的GI基本呈現(xiàn)上升的趨勢。堆肥結(jié)束，5個處理的GI分別為81.3%、90.2%、88.3%、72.1%、53.1%，如圖5所示。說明用25%、50%的回料替代鋸末，可以促進(jìn)堆肥的腐熟；而大于50%的回料替代鋸末，會減緩堆肥的腐熟，但仍可達(dá)到基本無害化標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 GI溫度隨時間的變化Fig.5 Variation of GI with time

2.5 NH3

堆肥過程中氨氣排放會導(dǎo)致氮素?fù)p失。溫度是決定氮素釋放的重要因子，溫度越高，氮素?fù)p失越大[18]。如圖6所示，堆肥過程中，氮素?fù)p失呈現(xiàn)R50>R25>CK>R75>R1020的規(guī)律，變化規(guī)律基本與溫度一致。堆肥結(jié)束，5個處理的NH3累積排放量為0.50、0.56、0.57、0.28、0.20 g/kg。說明用25%、50%的回料替代鋸末會促進(jìn)NH3的排放，而75%和100%回料替代輔料由于抑制了堆肥升溫過程，減少了NH3的排放。

2.6 H2S

好氧堆肥過程中會存在局部厭氧的情況，會導(dǎo)致H2S的產(chǎn)生[19]。如圖7所示，在整個好氧堆肥過程中，H2S的排放呈現(xiàn)R100>R75>R50>R25>CK的規(guī)律；堆肥結(jié)束時，5個處理的H2S累計排放為0.21、0.23、0.28、0.35、0.42 g/kg，說明回料添加量大，H2S排放量越大；可能是因為回料的孔隙度越小，過量回料替代輔料導(dǎo)致堆肥局部厭氧情況更加嚴(yán)重，從而導(dǎo)致H2S產(chǎn)生量增加。

圖6 NH3隨時間的變化Fig.6 Variation of NH3 with time

圖7 H2S隨時間的變化 Fi越g.7 Variation of H2S with time

2.7 細(xì)菌群落組成與多樣性分析

微生物活動是驅(qū)動堆肥升溫和物質(zhì)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素，在堆肥過程中，細(xì)菌群落豐度較高，普遍超過109CFU/g，對堆肥進(jìn)程的表征尤為重要。如圖8所示，測序結(jié)果表明，堆肥0 d，5個處理中細(xì)菌群落組成以厚壁菌門(Firmicutes)為主(98.0% ～ 99.3%)。堆肥12 d，5個處理的厚壁菌門(Firmicutes)相對豐度有所降低(47.6% ～ 80.8%)，變形桿菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門(Acidobacteria)的相對豐度明顯升高。在堆肥30 d，厚壁菌門(Firmicutes)相對豐度有所增加(72.6% ～ 90.8%)，R50、R75中變形桿菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門(Acidobacteria)相對豐度均高于CK、R75、R100，說明用25%、50%的回料替代鋸末可以抑制厚壁菌門(Firmicutes)的生長，促進(jìn)變形桿菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、放線菌門(Acidobacteria)的生長。在整個堆肥過程中，5個處理的變形桿菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門(Acidobacteria)的相對豐度變化趨勢與厚壁菌門(Firmicutes)相反，可能是高溫會抑制的厚壁菌門(Firmicutes)的生長，而有利于變形桿菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門(Acidobacteria)的生長。

圖8 微生物相對豐度(門水平)隨時間的變化Fig.8 Variation of relative abundance (phylum level) with time

如圖9所示，細(xì)菌群落多樣性分析表明，堆肥過程中回料替代鋸末的處理(R25、R50、R75、R100)Chao1、ACE高于未添加回料的處理(CK)；說明添加回料可提高微生物的豐富度和均勻性，特別是R25、R50的Chao1[Chao1是用Chao1 算法估計群落中含OTU(operational taxonomic unit) 數(shù)目的指數(shù)，Chao1 在生態(tài)學(xué)中常用來估計物種總數(shù)]、ACE(ACE是用來估計群落中含有OTU 數(shù)目的指數(shù)，是生態(tài)學(xué)中估計物種總數(shù)的常用指數(shù))比其余處理高，說明用25%、50%的回料替代鋸末，有利于堆肥微生物多功能性，進(jìn)而促進(jìn)堆肥升溫和產(chǎn)品的腐熟程度。

圖9 微生物α多樣性Fig.9 Microorganisms α diversity

在回料替代輔料(鋸末)堆肥過程中，環(huán)境因子與微生物的冗余分析(redundancy analysis，RDA)結(jié)果如圖10所示。溫度與擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形桿菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)相對豐度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05)，說明堆肥過程中擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形桿菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)的代謝活動有助于堆體升溫和高溫期的持續(xù)。含水率與厚壁菌門(Firmicutes)相對豐度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05)，說明水分的下降可以促進(jìn)厚壁菌門(Firmicutes)相對豐度下降。pH、GI、NH3、H2S與放線菌門(Actinobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)相對豐度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05)，說明放線菌門(Actinobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)相對豐度的上升，可能會促進(jìn)NH3、H2S的排放。因此，在堆肥過程中，可以嘗試抑制放線菌門(Actinobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)的生長，從而減少NH3、H2S的排放。

圖10 堆肥過程中環(huán)境因子與微生物 (門水平)的RDA分析Fig.10 RDA analysis of environmental factors and microorganisms (phylum level) during composting

2.8 理化指標(biāo)與微生物相關(guān)性分析

如圖11所示，溫度與綠彎菌門(Chloroflexi)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、放線菌門(Actinobacteria)、變形桿菌門(Proteobacteria)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05)，與厚壁菌門(Firmicutes)呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，這與圖3呈現(xiàn)的結(jié)果一致，隨著堆肥溫度上升，厚壁菌門(Frimicutes)的相對豐度逐漸下降，其余微生物相對豐度逐漸上升。pH、EC、NH3與厚壁菌門(Firmicutes)呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與其他微生物呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；這也說明NH3可能受到pH、EC的影響，pH和EC越高，NH3損失越大。H2S與變形桿菌門(Proteobacteria)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05)，與其他微生物不相關(guān)(P>0.05)；也許變形桿菌門(Proteobacteria)喜好在厭氧環(huán)境中生長，導(dǎo)致H2S產(chǎn)生量較大；可以通過改變堆肥外部環(huán)境。如改善空隙、增加曝氣，從而減少變形桿菌門(Proteobacteria)相對豐度，達(dá)到減少H2S產(chǎn)生的目的。

*表示0.01≤P<0.05；**表示0.001≤P<0.01；***表示P<0.001圖11 堆肥過程中理化數(shù)據(jù)與門水平微生物的Pearson相關(guān)性分析Fig.11 Pearson correlation analysis between physical and chemical data and microorganisms (phylum level) during composting

3 結(jié)論

(1)用回料替代鋸末進(jìn)行餐廚廢棄物堆肥是可行的，一定比例的回料的添加可以促進(jìn)堆體升溫、含水率的下降、pH和GI的上升，有利于微生物的多樣性及均勻性。

(2)用25%、50%的回料替代輔料，有利于餐廚廢棄物堆肥的腐熟；提高堆肥高溫期溫度(平均溫度分別比CK高0.90 ℃、2.36 ℃)，有利于水分的下降(堆肥結(jié)束的含水率分別比CK低7.22%、1.42%)，有利于pH的上升(堆肥結(jié)束的pH分別比CK高0.82、0.30)、有利于GI的上升(堆肥結(jié)束的GI分別比CK高8.9%、7.0%)。

(3)25%、50%的回料替代鋸末，促進(jìn)了NH3和H2S的排放；NH3排放比CK高0.04、0.05 g/kg；H2S排放比CK高0.02、0.03 g/kg。

(4)25%、50%的回料替代鋸末促進(jìn)堆肥中變形桿菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門(Acidobacteria)的生長，提高細(xì)菌群落豐富度和均勻性。

(5)綜合考慮，建議以50%回料替代鋸末用于餐廚廢棄物好氧堆肥，既可減少堆肥處理成本，同時可以提升堆肥升溫和腐熟進(jìn)程。