微生物菌劑在園林廢棄物資源化處理中的應(yīng)用

程文娟 ，梁海恬 ，肖 輝 ，王德芳

（1.天津市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，天津300192；2.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，天津300192）

園林綠化廢棄物是指在城市綠化過程中所產(chǎn)生的修剪枝條、枯枝、落葉、草屑、敗花以及其他綠化修剪物等廢棄物[1-3]。近年來，園林綠化發(fā)展迅速，綠化采用植大樹、現(xiàn)大綠的生態(tài)理念，園林樹木的存量迅速增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，天津市現(xiàn)有城市綠化樹木2 801.5萬株，每年有大量整形修剪下來的樹枝需要處理，僅2017年天津市產(chǎn)生的綠化廢棄物就超過1 000萬t，園林廢棄物的資源化處理問題亟待解決。

1994年美國環(huán)境保護(hù)署頒布了園林廢棄物和城市固體廢棄物堆肥的法則，制定相關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)園林廢棄物收儲(chǔ)運(yùn)、處理及應(yīng)用等環(huán)節(jié)均有嚴(yán)格的規(guī)定，并要求政府部門收購使用符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的園林廢棄物資源化產(chǎn)品[4-6]。20世紀(jì)90年代初，日本提出了《再生資源利用促進(jìn)法》，要求對(duì)園林廢棄物進(jìn)行堆肥處理后作為肥料施用[7-8]。經(jīng)過近30 a的發(fā)展，日本在微生物菌劑方面的研究較為成熟，采用EM菌及酵素接種可以顯著縮短園林廢棄物的腐熟時(shí)間和腐熟度，制成的有機(jī)肥料可顯著提高作物的產(chǎn)量。

與國外相比，我國園林廢棄物處理在技術(shù)環(huán)節(jié)、產(chǎn)品質(zhì)量、法律法規(guī)等方面均存在較大的差距，園林廢棄物主要采用填埋方式處理[9-10]。北京市從2006年開始對(duì)園林廢棄物的處理及利用技術(shù)進(jìn)行研究，通過添加高效微生物菌劑、控制粉碎粒徑及發(fā)酵過程參數(shù)等進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。上海市建立了專門的園林廢棄物處置場(chǎng)，將園林廢棄物的資源化產(chǎn)物制成基質(zhì)或營養(yǎng)土，改良周邊土壤有機(jī)質(zhì)含量少、偏堿性、黏性大等土壤問題[11-13]。廣州市2005年建立了首家枯枝落葉堆肥場(chǎng)，采用好氧堆肥處理技術(shù)，通過添加微生物菌劑加快物料的腐熟速度，生產(chǎn)環(huán)保肥料，用于屋頂綠化、邊坡綠化等方面，效果顯著[14-16]。

已有的研究表明，園林廢棄物主要含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、多糖等成分，是一類可以循環(huán)利用的生物質(zhì)資源，好氧生物發(fā)酵技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)園林廢棄物的減量化、無害化和資源化的處理目標(biāo)，利用好氧微生物降解園林廢棄物中的有機(jī)物質(zhì)，高溫發(fā)酵過程中殺滅物料中的病原菌、蟲卵和草籽，其發(fā)酵產(chǎn)物可作為土壤改良劑和植物營養(yǎng)源[17-19]。

本研究以草屑、樹枝等園林廢棄物作為發(fā)酵原料，調(diào)節(jié)粉碎粒徑大小、水分、pH值等參數(shù)，通過添加高溫發(fā)酵菌劑，研究好氧微生物對(duì)園林廢棄物發(fā)酵過程的影響以及園林廢棄物資源化產(chǎn)物的腐熟度，旨在為好氧生物發(fā)酵技術(shù)處理園林廢棄物的應(yīng)用效果提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于天津海泰市政綠化公司園區(qū)，園區(qū)擁有100萬m2的養(yǎng)管綠地。根據(jù)華苑產(chǎn)業(yè)區(qū)2010年公共綠地養(yǎng)護(hù)面積匯總統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，目前園區(qū)內(nèi)的草坪面積910 780 m2、綠籬面積215 553 m2、行道樹7 362株、花卉26 179株。根據(jù)環(huán)衛(wèi)作業(yè)人員日常的統(tǒng)計(jì)，園區(qū)年產(chǎn)園林綠化廢棄物約7 000 t，主要包括夏季草坪修剪下的草屑，約占50%，秋冬季的枯枝落葉，約占20%，樹木修剪后的枝條，約占30%，并呈逐年上升趨勢(shì)。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 試驗(yàn)物料 供試物料為天津海泰市政綠化公司提供的園林剪切物，主要包括草屑、落葉和樹枝，粉碎后粒徑為2～10 cm，對(duì)粉碎物料的基本性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如表1所示。

表1 不同類型園林廢棄物的基本理化性質(zhì)

1.2.2 菌種來源 試驗(yàn)所用的微生物發(fā)酵菌劑為有機(jī)物料腐熟劑優(yōu)化提升后制成，發(fā)酵菌劑所用菌株來源于中國農(nóng)業(yè)微生物菌種保藏管理中心（ACCC）及實(shí)驗(yàn)室保存菌株，由哈茨木霉（Trichoderma harzianum）（來源于ACCC，編號(hào)①）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）（來源于 ACCC，編號(hào)②）、膠胨樣芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosus）（來源于ACCC，編號(hào)③）、酵母菌Y-15（實(shí)驗(yàn)室保存菌株，編號(hào)④）、乳酸菌R31（實(shí)驗(yàn)室保存菌株，編號(hào)⑤）、高溫菌株GW-25（實(shí)驗(yàn)室保存菌株，編號(hào)⑥）菌株按照不同比例制成高溫發(fā)酵菌劑用于試驗(yàn)，有效活菌數(shù)大于2×108cfu/g。

1.2.3 菌劑制備

1.2.3.1 PDA培養(yǎng)基 取去皮的馬鈴薯200 g，切成小塊，加水1 000 mL煮沸30 min，濾去馬鈴薯塊，將濾液補(bǔ)足至1 000 mL，加葡萄糖20 g，瓊脂15 g，溶化后分裝，121℃滅菌30 min，pH值自然，配制液體培養(yǎng)基時(shí)不加瓊脂。

1.2.3.2 營養(yǎng)肉汁培養(yǎng)基 蛋白胨5 g，氯化鈉5 g，牛肉膏3 g，蒸餾水1 000 mL，pH值7.0（固體培養(yǎng)基加入瓊脂15～20 g）。

1.2.3.3 鉀細(xì)菌培養(yǎng)基 酵母膏0.4 g，甘露醇10.0 g，K2HPO40.5 g，MgSO4·7H2O0.2 g，F(xiàn)eCl30.005 g，CaCO31.0 g，蒸餾水1 000 mL，pH值7.0，配制固體培養(yǎng)基時(shí)加15 g瓊脂。

1.2.3.4 菌劑制備 通過斜面培養(yǎng)和搖瓶培養(yǎng)獲得單菌株菌液，通過種子罐和發(fā)酵罐在液體發(fā)酵培養(yǎng)基上發(fā)酵，在28～30℃培養(yǎng)發(fā)酵24～48 h，達(dá)到對(duì)數(shù)生長期后，接種到固體發(fā)酵培養(yǎng)基上，接種量10%，25℃固體發(fā)酵培養(yǎng)48 h，菌數(shù)達(dá)108cfu/g，即獲得微生物發(fā)酵菌劑。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 發(fā)酵菌劑效果篩選試驗(yàn) 試驗(yàn)在天津海泰市政綠化公司園區(qū)進(jìn)行，園林廢棄物發(fā)酵配方及試驗(yàn)條件反應(yīng)器為容積200 L的保溫發(fā)酵桶，分別設(shè)有進(jìn)氣口、出氣口，反應(yīng)器外部隔板上方由保溫材料包裹。試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，調(diào)節(jié)水分至60%。

將菌種經(jīng)擴(kuò)繁后獲得的發(fā)酵菌液，按照不同的比例配制成5種復(fù)合發(fā)酵菌劑，按0.5%比例加入園林廢棄物物料中，添加輔料調(diào)節(jié)物料碳氮比至25∶1，混合均勻后裝入自制生物反應(yīng)器內(nèi)，于20℃環(huán)境溫度下進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每天9：00測(cè)定應(yīng)器內(nèi)上層中心點(diǎn)的環(huán)境溫度（表2）。

表2 園林廢棄物好氧發(fā)酵菌劑篩選試驗(yàn)方案

1.3.2 園林廢棄物處理工藝 廢棄物處理過程：園林廢棄物集中→粉碎（碎草不需）→投加輔料→微生物菌劑腐熟→出料靜置腐熟→資源化利用。

1.3.2.1 集中 將運(yùn)來的樹枝、落葉分別堆放。

1.3.2.2 粉碎 選用了美國進(jìn)口粉碎機(jī)，性能穩(wěn)定、效率高。樹枝先用一級(jí)粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，然后和落葉一起用二級(jí)粉碎機(jī)粉碎，在粉碎過程中，降塵室噴淋降塵，使對(duì)環(huán)境影響最小化。

1.3.2.3 投料 將二級(jí)粉碎后的廢棄物用鏟車送到指定微生物處理池中。

1.3.2.4 腐熟處理 處理池：在廠房內(nèi)平地上設(shè)置2個(gè)處理池及地面軌道，可交替處理廢棄物。培養(yǎng)菌床：加入微生物發(fā)酵菌劑，并使之達(dá)到充分活躍程度。發(fā)酵處理：通過翻拋攪拌車，使廢棄物和微生物充分混合，經(jīng)過7～14 d的高溫發(fā)酵期，綠化廢棄物基本完成腐熟過程。

1.3.2.5 出料靜置 用鏟車將處理物取出，堆放在指定區(qū)域內(nèi)，進(jìn)一步熟化穩(wěn)定，待溫度降到環(huán)境溫度后，可以去除雜質(zhì)，直接作為肥料使用。

1.3.3 好氧微生物菌劑在園林廢棄物發(fā)酵工藝的應(yīng)用試驗(yàn) 試驗(yàn)在發(fā)酵池內(nèi)進(jìn)行，調(diào)節(jié)物料的C/N為（25～30）∶1，水分含量為50%～60%，pH值為6～8，接種量0.5%，設(shè)2個(gè)處理，即加入1.2.1篩選出的復(fù)合菌劑處理和未加菌劑的空白對(duì)照處理（CK），每個(gè)處理原料5 m3，發(fā)酵池內(nèi)堆制，每天測(cè)定堆體中層中心點(diǎn)溫度。堆溫降至40℃以下即為堆肥結(jié)束。發(fā)酵結(jié)束后采用平板計(jì)數(shù)法測(cè)定腐熟產(chǎn)物的微生物指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)、圖表采用Excel 2007軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵菌劑效果篩選試驗(yàn)結(jié)果

發(fā)酵桶試驗(yàn)結(jié)果表明，添加菌劑B的處理2升溫較快，高溫期持續(xù)時(shí)間較長，物料的發(fā)酵效果較其他處理好。因此，在后續(xù)的發(fā)酵試驗(yàn)中選擇菌劑B作為發(fā)酵菌劑進(jìn)行試驗(yàn)（圖1）。

2.2 高溫好氧發(fā)酵菌劑對(duì)園林廢棄物發(fā)酵溫度的影響

園林廢棄物經(jīng)過破碎、碾絲揉搓后進(jìn)入發(fā)酵池，加入好氧微生物菌劑，每天翻倒一次，每次使物料前行3 m左右。由表3可知，24 h后，物料溫度大約升至30℃；48 h后，物料溫度大約升至46℃；72 h后，物料溫度升至58.6℃；96 h后，物料溫度升至68℃；120 h后，物料溫度升至74.5℃；144 h后，物料溫度為68.6℃；168h后，物料溫度為67.2℃。第8～10天，物料發(fā)酵的高溫過程基本完成，脫臭、脫毒，含水率降至45%以下，將物料置于2次腐熟車間，進(jìn)行物料的脫水和穩(wěn)定化。物料含水率降至30%左右，顏色為黃色至深棕色，質(zhì)地疏松，無明顯異味，容重減小，可被植物利用的營養(yǎng)成分增加，病原菌和寄生蟲卵未檢出。整套工藝包括處理池、遠(yuǎn)程控制自動(dòng)翻拋攪拌設(shè)備和不同廢棄物種類的粉碎設(shè)備。物料移動(dòng)采用鏟車和人工操作來完成，高效實(shí)用。

表3 堆肥初期溫度及完成發(fā)酵過程的天數(shù)

接種復(fù)合菌劑的處理，24 h溫度高于未接菌（CK）的堆肥，并在48 h溫度就達(dá)45℃以上，而對(duì)照的溫度至第4天才上升到45℃以上；復(fù)合菌劑完成發(fā)酵的時(shí)間只需25 d，而CK需50 d以上。接種復(fù)合菌劑的堆肥比對(duì)照提前2 d達(dá)到高溫期，完成發(fā)酵時(shí)間比對(duì)照減少25 d。

2.3 高溫菌劑對(duì)發(fā)酵物料中微生物總數(shù)的影響

采用平板計(jì)數(shù)法對(duì)發(fā)酵后的產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明，接種高溫復(fù)合菌劑的處理，發(fā)酵產(chǎn)物的細(xì)菌數(shù)為 7.9×107cfu/g，真菌數(shù)為 2.6×104cfu/g，放線菌數(shù)為4.3×105cfu/g，均高于CK處理（表4）。

表4 高溫菌劑對(duì)發(fā)酵物料中微生物總數(shù)的影響 cfu/g

3 結(jié)論

本試驗(yàn)以好氧微生物哈茨木霉、枯草芽孢桿菌、膠質(zhì)芽孢桿菌、酵母菌、乳酸菌和高溫菌復(fù)配的發(fā)酵菌劑為對(duì)象，研究好氧微生物發(fā)酵菌劑在園林廢棄物好氧發(fā)酵工藝上的應(yīng)用，結(jié)果表明，哈茨木霉、枯草芽孢桿菌、乳酸菌和高溫菌復(fù)配的發(fā)酵菌劑，應(yīng)用效果較優(yōu)，這可能與菌種的功能有一定的相關(guān)性，多種好氧微生物菌株的協(xié)同作用促進(jìn)了園林廢棄物的腐解[20-22]。

廢棄物原料的持續(xù)供應(yīng)是設(shè)備全天候持續(xù)運(yùn)行的基礎(chǔ)。園林綠化產(chǎn)生的廢棄物具有時(shí)間不確定性和數(shù)量不確定性，為了保證設(shè)備的持續(xù)運(yùn)行，需要進(jìn)行原料的儲(chǔ)存，并且需要購置一定的輔料用于調(diào)節(jié)發(fā)酵物料特性。

流程設(shè)計(jì)和處理場(chǎng)地是綠化廢棄物資源化處理的主要技術(shù)。好的場(chǎng)地流程設(shè)計(jì)模式可以使原料流動(dòng)過程、翻堆、輔料添加等環(huán)節(jié)處于最經(jīng)濟(jì)的位置，減少多次運(yùn)輸環(huán)節(jié)。處理場(chǎng)地采用溫室內(nèi)發(fā)酵技術(shù)，可以利用溫室的升溫、保溫和保濕的特點(diǎn)，滿足微生物發(fā)酵所需的適宜條件。

廢棄物減量化是發(fā)展大勢(shì)。目前，城市廢棄物填埋場(chǎng)是稀缺資源，廢棄物處理壓力很大，會(huì)逐步拒絕接收綠化廢棄物。園林自身就是大量使用有機(jī)肥的部門，綠化廢棄物必然要走資源化處理的模式，自產(chǎn)自消，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)。綠化廢棄物體積大，運(yùn)輸成本高，適合于就地處理，具有可操作性。又因其成分簡(jiǎn)單，可降解率高，又是綠化部門單獨(dú)收集，容易分類收集，不需要增加分類費(fèi)用。目前的處理工藝可實(shí)現(xiàn)無臭處理，對(duì)周圍環(huán)境影響小，綠化廢棄物純凈度高，不含有毒物質(zhì)和污染環(huán)境的物質(zhì)，適合園林用肥。