有機固體廢物高效腐殖化微生物調(diào)控原理與技術(shù)

馬彩云，李 偉，李 杰，吳偉霞，4，唐朱睿

（1.蘭州交通大學 環(huán)境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.中國環(huán)境科學研究院 環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012；3.中國環(huán)境科學研究院 國家環(huán)境保護地下水污染模擬與控制重點實驗室，北京 100012；4.桂林理工大學 環(huán)境科學與工程學院，廣西 桂林 541006）

隨著社會的發(fā)展和全球人口的增長，畜禽糞便、污泥、農(nóng)林廢棄物、生活垃圾等有機固體廢物的產(chǎn)量逐年上升，如何處理已經(jīng)成為各國尤其是發(fā)展中國家面臨的環(huán)境問題挑戰(zhàn)。據(jù)2017年國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2016年生活垃圾收集和運輸量已高達2.03億噸，畜禽糞便年產(chǎn)生量約38億噸，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生量近9億噸，市政污泥年產(chǎn)生量也已超過700萬噸。這些有機固體廢物若處理不當，會向周圍的土壤、空氣、地下水中釋放病菌、重金屬元素等，從而直接或間接危害人體健康，并通過物質(zhì)轉(zhuǎn)移和運輸造成更大的環(huán)境污染。

堆肥作為有機固體廢物資源化處理處置的方式之一，其原理是在微生物作用下將復雜的有機物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、成熟的最終有機產(chǎn)品——腐殖質(zhì)。腐殖質(zhì)作為堆肥的終端產(chǎn)物，在土壤修復、改善植物生長力以及土壤肥力方面發(fā)揮著重要作用。但目前有機固體廢物腐殖化效率低是制約堆肥技術(shù)發(fā)展的瓶頸，主要表現(xiàn)在以下兩方面：一是木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等有機物的降解效率低；二是C、N等元素大量流失使得礦化程度高，降低了堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，提高有機固體廢物腐殖化效率既可提升堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量，又可削弱礦化作用，抑制堆肥過程中CO等的排放，避免增強溫室效應，具有經(jīng)濟和環(huán)境雙重效益。

堆肥是以微生物為主導的生物化學過程。因此，通過調(diào)控微生物促進腐殖質(zhì)形成對于提高有機固體廢物腐殖化效率更為有效。腐殖化微生物調(diào)控方法包括生物強化調(diào)控、微環(huán)境調(diào)控和調(diào)理劑調(diào)控，其機理是通過改變微生物群落特征、優(yōu)化堆肥微環(huán)境為微生物創(chuàng)造適宜的生存環(huán)境，以提高核心微生物活性，進而促進有機物的降解和提高腐殖化效率。

本文從生物強化調(diào)控、微環(huán)境調(diào)控和調(diào)理劑調(diào)控3方面介紹了有機固體廢物腐殖化微生物調(diào)控原理和調(diào)控技術(shù)，以期為提高有機固體廢物腐殖化效率提供科學參考。

1 有機固體廢物腐殖化微生物調(diào)控原理

堆肥原理如圖1所示。在堆肥過程中，大分子有機物被微生物分解為小分子物質(zhì)，小分子有機物合成腐殖質(zhì)的前體，再合成腐殖質(zhì)。腐殖質(zhì)前體的形成一般在堆肥的升溫期和高溫期，而腐殖質(zhì)的形成一般在降溫期和腐熟期。堆肥腐殖質(zhì)的形成理論是在土壤腐殖質(zhì)形成的基礎上發(fā)展而來的，常見的腐殖質(zhì)形成理論包括木質(zhì)素理論、多酚理論和美拉德理論。木質(zhì)素理論認為木質(zhì)素是形成腐殖質(zhì)前體的底物和骨架，木質(zhì)素降解為酚和醌，可作為腐殖質(zhì)前體，進而形成腐殖質(zhì)；多酚理論認為腐殖質(zhì)是由許多小分子物質(zhì)縮合而成的，例如多糖和蛋白質(zhì)等；美拉德理論認為氨基酸、多糖和還原糖通過聚合、縮合等反應形成腐殖質(zhì)。腐殖質(zhì)形成理論如圖2所示。然而在堆肥過程中多酚、醌、還原糖、氨基酸等物質(zhì)是共同存在的，故腐殖質(zhì)的形成是幾種理論共同作用的結(jié)果。此外，氨基酸在堆肥過程中普遍存在，證明了美拉德理論存在于不同堆肥物料腐殖質(zhì)形成過程中。但由于堆肥物料不同，腐殖質(zhì)形成的主要途徑有所差異，例如在雞糞和秸稈堆肥過程中，腐殖質(zhì)的形成途徑主要遵循多酚理論；而堆肥物料為樹葉等木本植物時，腐殖質(zhì)的形成主要遵循木質(zhì)素理論。

圖1 堆肥原理示意圖

圖2 腐殖質(zhì)形成理論示意圖

腐殖質(zhì)是有機物在微生物作用下聚合或縮合而形成的。因此，微生物調(diào)控的核心在于調(diào)控影響微生物的外界因素，如必要的營養(yǎng)物質(zhì)和適宜的環(huán)境條件等。下文將從生物強化調(diào)控、微環(huán)境調(diào)控和調(diào)理劑調(diào)控3個方面介紹微生物調(diào)控原理。

1.1 生物強化調(diào)控原理

微生物的比表面積大，代謝強度高，數(shù)目巨大，繁殖迅速，對有機物降解起主導作用。通過

接種外源微生物可以改變微生物群落及其代謝功能，加速簡單化合物的降解和復雜化合物的形成，促進腐殖質(zhì)的形成。SUN等發(fā)現(xiàn)，在堆肥過程中細菌群落多樣性越高，對有機物的降解越有利；WU等發(fā)現(xiàn)，在稻草堆肥過程中接種功能性菌劑可以加強酶與核心微生物之間的聯(lián)系，促進有機物和粗纖維的降解；ZHAO等發(fā)現(xiàn)，多階段接種從堆肥樣品中篩選出的纖維素降解嗜熱放線菌可提高纖維素酶活性，在加速纖維素降解、提高腐殖質(zhì)含量的同時降低了堆肥過程中CO的排放量。也有學者發(fā)現(xiàn)，雖然接種的微生物菌劑不是堆肥體系中的優(yōu)勢菌，但它與其他微生物相互作用，可提高難降解有機物的降解效率。李昌寧等發(fā)現(xiàn)，在豬糞堆肥中添加的復合菌中雖沒有放線菌（），但它可以促進堆肥體系中土著放線菌的大量繁殖；劉東明等發(fā)現(xiàn)在餐廚垃圾堆肥中接種的芽孢桿菌可能沒有降解纖維素的能力，但起到穩(wěn)定菌劑體系、提供生長因子的作用，避免了與土著微生物的功能競爭。接種微生物菌劑對堆肥微環(huán)境也有較大影響，有研究發(fā)現(xiàn)，在豬糞堆肥過程中接種微生物菌劑，在提高有機物降解效率的同時釋放出大量熱量，使高溫期提前出現(xiàn)，并延長高溫期。此外，多種微生物共同作用比單一的細菌、真菌、放線菌加快堆肥進程的效果更好。綜上，外源微生物強化調(diào)控提高腐殖化效率的機理包括：1）提高核心微生物的豐度，合成更多的酶促進有機物的降解；2）豐富堆肥體系中微生物群落的多樣性，共同參與腐殖質(zhì)的合成；3）削弱礦化作用，減少CO和NH的排放，使有機物更多轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，提高腐殖化效率。

1.2 微環(huán)境調(diào)控原理

微生物與環(huán)境因子之間相互影響。一方面，微生物需要從環(huán)境中攝入生長和生存所必需的營養(yǎng)物質(zhì)；另一方面，微生物向環(huán)境中排泄各種代謝產(chǎn)物，抵抗和適應環(huán)境的變化，甚至影響和改變環(huán)境。環(huán)境因子對微生物的影響可分為：1）有利于微生物進行正常代謝；2）不利于微生物生長，從而抑制或被迫改變微生物原有的一些特征；3）惡劣的環(huán)境會造成微生物發(fā)生遺傳變異或死亡。以下從溫度、含水率、碳與氮的摩爾比（C/N）、曝氣量、pH等方面進行闡述。

1.2.1 溫度

溫度是影響微生物生長、代謝的重要環(huán)境因子之一。微生物的生長有其特定的最低溫度、最高溫度和最適溫度。當溫度過高時，微生物活性受到抑制，但可促進一些嗜熱細菌和真菌的生長，提高有機物的降解效率，進而間接促進腐殖質(zhì)的合成。也有學者發(fā)現(xiàn)，超高溫預處理可提高堆肥中腐殖酸、多酚、氨基酸、多糖和還原糖的含量，這些物質(zhì)用于合成腐殖質(zhì)，也可用于刺激特定的微生物，使其產(chǎn)生更多腐殖質(zhì)前體來合成腐殖質(zhì)。此外，超高溫預處理還可以促進大分子有機物降解為溶解性有機碳，促進木質(zhì)纖維素組分降解溶出，使其更多轉(zhuǎn)化為多酚，增加了腐殖質(zhì)前體還原糖和氨基酸的含量。

1.2.2 含水率

含水率可影響微生物的代謝過程、營養(yǎng)物質(zhì)的溶解和運輸、微生物的遷移等。堆肥最適含水率為50%~70%。含水率過高會導致堆體中氧分含量不足，微生物厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生惡臭；含水率過低，影響微生物的生長繁殖，延緩堆肥反應的進程。因此，含水率控制在適合微生物發(fā)酵的范圍，能夠促進微生物生長和繁殖，縮短堆肥時間，提高堆肥效率。此外，含水率還可影響微生物對氧氣的利用量，進而影響有機物的降解和有害氣體的排放。KIM等研究發(fā)現(xiàn)，在牛糞堆肥中初始含水率為57%時好氧速率最高。TRéMIER等發(fā)現(xiàn)，在污泥堆肥中初始含水率為55%時有機物的降解最快。

1.2.3 C/N

C/N對微生物分解有機物的速率和最終堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量影響較大。當C/N過高時，氮源不足，微生物生長受到抑制，導致有機物降解速率緩慢，延長堆肥周期；當C/N過低時，碳源缺乏，氮素含量升高，進而轉(zhuǎn)化為NH、NO等揮發(fā)掉，降低堆肥產(chǎn)品質(zhì)量。因此，適宜的C/N可促進腐殖化效率。一般堆肥體系中C/N需調(diào)節(jié)至（25~30）∶1，研究發(fā)現(xiàn)微生物在生長過程中每利用1份N需要消耗25~30份的C，一般通過加入秸稈、鋸末、雜草、樹枝、污泥和畜禽糞便等高C或高N的物質(zhì)來調(diào)節(jié)堆肥C/N。鄧曉等在香蕉堆肥過程中發(fā)現(xiàn)，C/N為25的處理組中細菌數(shù)量比C/N為35時略低，但分解木質(zhì)纖維素的優(yōu)勢菌——放線菌的數(shù)量卻占優(yōu)勢。也有學者發(fā)現(xiàn)在較低的初始C/N下可提高糞肥的處理量，但會增加N的損失。

1.2.4 曝氣量

曝氣可為微生物的生命活動提供充足的氧氣，還可通過供氧帶走堆體中產(chǎn)生的CO和水分，避免厭氧環(huán)境產(chǎn)生臭氣等。研究表明，堆肥體系中氧體積分數(shù)為10%時可滿足微生物代謝的需要，在供氧充分和其他條件適宜的情況下，微生物迅速分解有機物，產(chǎn)生大量的代謝熱能。ZHANG等對餐廚垃圾工業(yè)堆肥的研究發(fā)現(xiàn)，較長的曝氣時間縮短了高溫期，提高了纖維素降解菌的活性，并且適度通氣還可提高纖維素酶和蔗糖酶等的活性，說明曝氣量是提高核心細菌豐度的主要指標。

1.2.5 pH

pH通過影響微生物的活性而影響有機物的降解。一般堆肥允許的pH范圍為3.0~12.0，而適宜的pH范圍為7.5~8.5。適宜的pH可為微生物提供良好的生長繁殖環(huán)境，促進有機物的降解，而pH過高或過低均會抑制微生物的活性，降低堆肥效率。張云龍等在污泥堆肥中發(fā)現(xiàn)，較低的pH對堆肥效果有一定的影響，添加磷酸鹽可有效控制pH，促進堆肥進程。pH會影響堆料中微生物的活性，從而對堆肥過程中游離腐殖酸及富里酸的合成與轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響。

1.3 調(diào)理劑調(diào)控原理

根據(jù)調(diào)理劑的作用可將其分為調(diào)節(jié)劑、膨脹劑和重金屬鈍化劑，也可按照調(diào)理劑是否參與堆肥反應將其分為活性調(diào)理劑和惰性調(diào)理劑。鋸末、樹葉、秸稈等參與生物化學反應的易降解有機物被稱為活性調(diào)理劑，也稱有機調(diào)理劑；生物炭、沸石、粉煤灰等化學性質(zhì)比較穩(wěn)定，只改變堆體結(jié)構(gòu)，不參與生物化學反應的無機物被稱為惰性調(diào)理劑，也稱無機調(diào)理劑。調(diào)理劑有兩方面作用：1）通過調(diào)整C/N、含水率、改善堆體密度和孔隙率等基本理化參數(shù)為微生物創(chuàng)造適宜的生存環(huán)境，提高微生物活性；2）為微生物提供豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，如氨基酸、還原糖等，使微生物活性保持在較高水平，持續(xù)發(fā)揮作用。以下從有機調(diào)理劑和無機調(diào)理劑兩方面進行闡述。

1.3.1 有機調(diào)理劑

有機調(diào)理劑在不同底物條件下可以促進堆肥反應的進程，其機理是：1）充當微生物可利用的營養(yǎng)物質(zhì)，保障充足的營養(yǎng)源；2）調(diào)控理化參數(shù)，為微生物提供適宜的生長條件。ZHANG等發(fā)現(xiàn)，在甘麥草堆肥過程中添加氨基酸可為微生物提供豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，使微生物快速生長繁殖，生成更多前體參與腐殖質(zhì)的形成。吳傳棟發(fā)現(xiàn)，在污泥堆肥中投加蔗糖后氧氣的消耗速率明顯增大，這是因為投加蔗糖后易降解有機物含量增加，促進了木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的降解效率。WANG等在綠色廢棄物堆肥過程中添加了蛋殼，發(fā)現(xiàn)蛋殼的蛋白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)可以有效改善通風情況和含水率，且蛋殼富含蛋白質(zhì)、糖蛋白和蛋白聚糖纖維，可降低C/N；此外，蛋殼膜中的酶也有助于促進堆肥體系中有機物的分解。

1.3.2 無機調(diào)理劑

無機調(diào)理劑不同的晶體結(jié)構(gòu)和電子傳遞能力改變了微生物群落多樣性和某些特定酶活性，從而優(yōu)化微生物的生長環(huán)境，促進腐殖化程度。WU等發(fā)現(xiàn)，在堆肥過程中添加MnO可促進堆肥的腐殖化進程。這是因為MnO可吸收電子轉(zhuǎn)化為Mn，而Mn是各種代謝酶最重要的輔助因子之一，可作為酶促進劑來發(fā)揮作用；同時，Mn結(jié)核內(nèi)有豐富的原核生物群落，可改變微生物群落多樣性。JIANG等在牛糞堆肥中加入赤泥，發(fā)現(xiàn)赤泥中的FeO能吸收電子并轉(zhuǎn)化為Fe，增加了漆酶的活性，提高了木質(zhì)素的降解效率。LIU等發(fā)現(xiàn)，在堆肥中添加生物炭既可為微生物提供更多的空間，又有利于水分的保持和熱量的散失，還可改變微生物群落多樣性，提高核心微生物的豐度。但過量添加生物炭可能會延緩堆肥過程。YU等發(fā)現(xiàn)，在雞糞堆肥過程中添加生物炭和蒙脫石改變了腐殖酸形成過程中專性或兼性微生物群落的多樣性，促進了腐殖酸的形成。

2 有機固體廢物腐殖化微生物調(diào)控技術(shù)

2.1 接種外源微生物

接種外源微生物對提高有機固體廢物腐殖化效率效果顯著。XU等在牛糞堆肥過程中接種多功能嗜熱菌后發(fā)現(xiàn)腐殖質(zhì)含量提高了3.7%。HU等在豬糞堆肥中發(fā)現(xiàn)接種纖維素降解菌后糖苷水解酶基因GH3E（真菌GH3）、GH6和GH7的相對豐度分別提高了0.45、0.09和0.39個數(shù)量級，纖維素的降解率提高了8.77%~34.45%。LI等發(fā)現(xiàn)在雞糞堆肥中接種微生物菌劑后5個處理組的腐殖化程度（胡敏酸與富里酸的質(zhì)量比）分別為1.41、1.89、2.17、1.72和1.70，而未接種組為1.30。HENRY等發(fā)現(xiàn)，在木質(zhì)纖維素廢料堆肥中接種嗜熱嗜酸有效微生物后，兩組接種組的平均微生物數(shù)量分別增加了12.0%和6.7%，生物多樣性分別增加了34.7%或43.7%。李恕艷等在雞糞堆肥中接種微生物菌劑后，其總有機碳含量提高了16.1%，同時總腐殖酸、游離腐殖酸以及水溶態(tài)腐殖酸及胡敏酸的含量分別提高了38.7%，45.7%、39.0%及54.9%。綜上，接種外源微生物可以有效提高堆肥的腐殖化水平。

2.2 調(diào)控微環(huán)境

探索微環(huán)境與微生物群落的關(guān)系對于提高堆肥產(chǎn)品的成熟度和安全性具有重要意義，微環(huán)境因子可以直接或間接影響微生物以及酶的活性進而影響有機物的代謝。ZHU等發(fā)現(xiàn)，高溫預處理后纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解率分別比傳統(tǒng)堆肥提高了78%、10%和109%，腐殖質(zhì)含量和腐殖化指數(shù)（胡敏酸與總有機碳的質(zhì)量比）分別提高了14%和38%。李丹陽等在羊糞堆肥中設計了不同含水率（70%、65%、60%和55%）的4組實驗，發(fā)現(xiàn)當含水率為65%時效果最好，物料干質(zhì)量降解率達45%，總氮損失降低4.81%~16.99%，總溫室氣體排放減少7.56%~48.62%。尹瑞等發(fā)現(xiàn)，在牛糞堆肥過程中，當C/N為20~25時總腐殖酸的降幅較其他組低8.7%~31.1%，其中當C/N為25時腐殖化率（腐殖質(zhì)與總有機碳的質(zhì)量比）比其他組高0.4~1.4。WU等在雞糞堆肥過程中發(fā)現(xiàn)，曝氣量為0.1 L/（min·kg）比曝氣量為0.05 L/（min·kg）和0.15 L/（min·kg）的堆肥體系中腐殖質(zhì)含量分別高5.3%和1.3%。因此，在堆肥過程中調(diào)控適合微生物生存的微環(huán)境條件，對于促進高效腐殖化有重要意義。

2.3 添加調(diào)理劑

調(diào)理劑通過影響微生物間接影響腐殖化效率。張海濱等發(fā)現(xiàn)，添加生物炭可以影響沼渣堆肥理化性質(zhì)，進而影響微生物種群，從而影響腐殖化水平。ZHANG等發(fā)現(xiàn)，在干稻草堆肥過程中添加氨基酸后腐殖化指數(shù)顯著提高。JIANG等發(fā)現(xiàn)，在牛糞堆肥中添加赤泥后木質(zhì)素的降解率和腐殖質(zhì)含量分別提高了18.67%和16.39%。ZHANG等發(fā)現(xiàn)，在雞糞堆肥中添加丙二酸和MnO后CO的排放量減少了36.8%，腐殖酸含量提高了38.7%。YU等在雞糞和稻殼堆肥過程中分別添加生物炭、蒙脫石以及兩者的混合物后，腐殖酸的含量與初期相比分別提高了40.79%，45.39%，38.96%。宋修超等發(fā)現(xiàn)在中藥渣堆肥中添加質(zhì)量分數(shù)為10%的腐熟堆肥可提前20 d進入高溫期，游離腐殖酸及水溶性腐殖酸含量分別增加7.8%和30.1%，胡敏酸含量增加15.2%?？傊诙逊手刑砑诱{(diào)理劑可有效提高腐殖化程度。

3 結(jié)語和展望

微環(huán)境、調(diào)理劑和外源微生物可影響堆肥體系中的微生物群落多樣性和豐度，從而促進腐殖化效果，進而提升土壤有機碳等養(yǎng)分含量、改良土壤質(zhì)量等。其中，外源微生物強化調(diào)控技術(shù)在腐殖化研究中前景較好，外源微生物在木質(zhì)纖維素等有機物的降解和腐殖質(zhì)的形成過程中發(fā)揮著重要作用，如VT菌劑、RW酵素劑、生物菌肥發(fā)酵劑、有機肥發(fā)酵劑等。但該技術(shù)尚存在以下問題：外源微生物與土著微生物存在競爭關(guān)系，其作用效果被削弱，且促進腐殖化和抑制礦化不能同時滿足；微生物與微環(huán)境的響應關(guān)系不明確，堆肥不同階段核心微生物不同，其生存需要的微環(huán)境條件不同，現(xiàn)階段對優(yōu)化堆肥不同階段微環(huán)境研究尚不深入。

在堆肥過程中微生物的作用不容忽視，探明其在堆肥中的作用效果對于調(diào)控十分關(guān)鍵。但當前堆肥體系中微生物的作用網(wǎng)絡不清晰，研究尚不夠深入，特別是接種微生物菌劑后如何與土著微生物協(xié)同促進腐殖化進程，是堆肥研究的難點。因此，今后應加強以下兩方面的研究。

a）基礎理論層面。厘清堆肥過程中微生物代謝網(wǎng)絡，重點關(guān)注腐殖化和礦化過程中核心微生物的作用關(guān)系，通過微生物的正向調(diào)控促進腐殖化、抑制礦化，為功能性微生物菌劑的研發(fā)做好理論支撐。此外，通過統(tǒng)計分析或網(wǎng)絡分析篩選出影響不同階段核心微生物的主控微環(huán)境因子，為優(yōu)化堆肥微環(huán)境和精準調(diào)控提供理論指導。

b）技術(shù)研發(fā)層面。用固定化等技術(shù)研發(fā)高效降解菌，使其既具有降解木質(zhì)纖維素等大分子物質(zhì)的能力，又可抑制礦化作用。為促進外源微生物的生長與繁殖，可從堆肥體系中篩選進行接種。優(yōu)化堆肥微環(huán)境，調(diào)控不同階段核心微生物適宜的微環(huán)境條件，升級堆肥工藝或設備。多階段接種、多階段調(diào)控微環(huán)境和添加調(diào)理劑相結(jié)合，高效發(fā)揮微生物菌劑的作用。