复合微生物菌剂强化堆肥技术研究讲课稿.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。复合微生物菌剂强化堆肥技术研究-复合微生物菌剂强化堆肥技术研究3席北斗1刘鸿亮1黄国和2孟伟1秦肖生2郭强2(1.中国环境科学研究院,北京100012;2.EVSE2FacultyofEngineering,UniversityofRegina,Regina,Sask,S4S0A2,Canada)摘要采用复合微生物菌剂对生活垃圾的接种堆肥技术进行了实验研究。通过测定堆肥过程中反应器出口O2、CO2与H2S气体浓度及对堆肥样品扫描电镜照片分析,比较了3个接种组与1个对照组中堆料中微生物总数变化、种群结构演替及堆肥腐熟速度。试验结果表明,在原料成分为:生活垃圾/成熟堆肥=80/20,有机物约为60%,初始含水率为55%,初始C/N=30时,对于不同接种量的复合微生物接种系统堆料中分别接种0.2%、0.3%、0.5%(质量百分含量),与加入0.3%灭活菌的对照组进行对比实验,接种复合微生物菌剂堆肥系统不仅微生物总数高于对照组,而且其种群结构合理,能明显提高堆肥效率,有效控制臭气的产生,提高堆肥腐熟度。关键词复合微生物菌剂生活垃圾堆肥出口气体微生物量堆肥腐熟度StudyoninoculationtechnologyofcomplexmicrobialcommunityforcompostingenhancementXiBeidou,LiuHongliang,etal.ChineseResearchAcademyofEnvironmentalScience,Beijing100012Abstract:Theeffectofcomplexmicrobialcommunityincompostingprocessesofmunicipalsolidwaste(MSW)wereexaminedthroughinspectingoutletgas(O2,CO2,H2S)andscanningsampleswithscanningelectronicmi2croscopy.Thetotalnumberofmicroorganismsaswellastheirstructureswerealsoexamined.Compostingwasper2formedundersuchconditions:theratioofMSW/compostingis80/20;Organicmatteris60%;originalmoistureis55%;originalratioofC/Nis30;theratesofaddingcomplexmicrobialcommunitytotreatment1,tretment2andtreatment3were0.2%,0.3%,0.5%,respectively,andthecontrolexperimentwasconductedwith0.3%inactivecomplexmicrobialcommunity.Theresultsindicatedthataddingcomplexmicrobialcommunityinamunicipalsolidwastecompostingprocesswaseffectiveforincreasingcompostingrate,controllingH2Sgasemissionandspeedingupthehumusproducing.Keywords:ComplexmicrobialcommunityMSWCompostingOutletgasNumberofmicroorganismsDegreeofhumus-传统堆肥法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。虽然有机废弃物堆肥可利用堆料初期存在的微生物群落(细菌、放线菌、真菌)进行自然发酵,完成堆肥化过程。但堆肥初期土著微生物量少,需要一定时间才能繁殖起来1,2。人工加入高效微生物菌剂可以调节菌群结构、提高微生物活性,从而提高堆肥效率、缩短发酵周期、提高堆肥制品质量3。然而国内外过去的研究往往注重单一菌种的开发,对不同菌种间的相互关系研究不够。开发的菌种大多属于单一种类,而在堆肥复合微生物菌剂的研究和开发方面所做过的工作很少。然而单一的细菌、真菌、放线菌群体,无论其活性多高,在加快堆肥化进程中作用都比不上复合微生物菌群的共同作用3,4。因此,本研究利用课题组筛选培育的堆肥复合微生物菌剂,对生活垃圾接种堆肥,通过测定堆肥过程中出口气体浓度、总菌数、种群结构及样品电镜图,分析堆肥过程中复合微生物菌群结构演替规律,及生物强化作用机理,系统地研究复合微生物菌剂在生活垃圾堆肥系统中的作用。1实验材料和方法1.1试验材料和仪器菌种为高效复合微生物菌剂;堆料比为生活垃圾成熟堆肥=8020,C/N=30;含水率55%60%左右,有机物约60%。仪器静态在线监测堆肥反应器(日本静冈);D2502E型O22H2S测定仪;ANALYZERLX270型CO2测定仪;HPS2160型生物培养箱;HZQ2C型空气浴振荡器;LDS22A型离心机;101A21型干燥箱;RJX25213型马弗炉。培养基土豆培养基、Dubos纤维素培养基、无菌赫奇逊氏培养基、肉汤培养基、PDA培养基、综合PDA琼脂、高氏合成一号琼脂、固氮菌培养基。主要原料有NaCl、K2HPO4、琼脂、土豆提取液、葡萄糖、酵母汁、蒸馏水等。第一作者:席北斗,1970年出生,清华大学环境系在读博士,已发表论文20余篇。3国家863高技术资助项目(No.2001AA644020);国家“973”计划课题(No.202CB412302)席北斗等复合微生物菌剂强化堆肥技术研究1.2试验方法取500mL培养基装入1000mL锥形瓶,以体积分数10%的接种量接种,种菌为高效复合微生物菌剂(自制),于30、150r/min(偏心距2.6cm),摇床振荡培养,定期观察,用平板计数法每48h测定一次活菌数。为了研究接种量对堆肥效果的影响,复合微生物菌剂按不同接种量进行堆肥(如表1),比较各堆肥系统的指标变化。将上述配好的堆料,分别装入反应器(如图1)。堆体供氧由供氧泵和气体流量计控制,出口氧气浓度一般控制在8%15%范围内。堆层透气性由H2S气体浓度控制,室内温度通常控制在25左右,垃圾配比固定不变,湿度控制在55%60%(堆肥原料)。每天从反应器中取出150g样品,进行生物化学分析。表1复合菌剂投加量处理接种微生物接种量/%(质量百分含量)对照组灭活菌0.31高效复合菌剂V0.22高效复合菌剂V0.33高效复合菌剂V0.51.3分析监测方法(1)温度、供气量、出口气体浓度的测定堆肥温度由反应装置温度传感器在线显示,供气量由气体流量计控制,出口气体浓度由O22H2S、CO2测量仪测定。(2)生物量与生物相10g固体样品和灭菌水90mL混合,摇床振荡20min,得浸出液1;上述固体样品5g干图1堆肥试验装置1.气泵2.气体流量计3.反应堆4.温差控制装置5.恒温箱6.气体测定仪7.过滤装置燥灭菌后加入5mL刚得到的浸出液1,混合20min,得浸出液2;采用平板计数法测浸出液1和浸出液2的微生物数目得N0和N,则微生物浸出率为=N/N0;活菌数的测定采用平板计数法,将稀释后的菌悬液分别接种到普通琼脂培养基、高氏培养基和PDA培养基中培养,通过菌落特征和显微镜观察,对细菌、放线菌和真菌进行计数,菌体总数计数的培养温度为堆肥取样时温度,高温菌培养温度为55,细菌、真菌培养时间为48h,放线菌培养时间为3d,中温菌培养温度为30;扫描电镜观察堆料分解情况由中国科学院微生物研究所宋福老师拍摄。2实验结果与讨论2.1堆肥出口O2、CO2、H2S气体浓度的确定供氧速度为1.0L/(min·kgDM),含水率55%左右,堆肥过程中出口O2、CO2和H2S气体浓度变化见表2。时间/d表2堆肥过程中出口气体浓度变化检测项目出口O2/%出口CO2/%出口H2S/mL·m-3020.920.920.920.900000000116.214.315.512.74.276.004.917.461.00.500214.79.310.18.15.6310.549.8211.643.11.00.34.0312.211.812.59.97.908.277.6410.00305103.2411.213.213.814.58.827.007.105.82284.88.22.8513.615.816.017.16.644.634.453.45202.36.51.9615.818.318.218.54.642.362.452.1815.42.04.30.5717.619.419.319.63.01.361.450.2712.11.02.20.2818.120.220.420.71.630.700.450.187.40.41.10919.320.520.620.90.560.350.2702.30.10.50C0C1C2C3C0C1C2C3C0C1C2C31019.820.820.920.90.410.05000.6000注:C0为对照组;C1为处理1;C2为处理2;C3为处理3。从表2可以看出,出口O2浓度在8%20.9%之间反应均能顺利进行,对照组堆肥至第10d仍有一定的CO2气体产生,而添加复合微生物菌剂的堆肥系统CO2气体产生量远远大于对照组,特别是处理3,堆肥第2dCO2产生量相对百分数即达到9.82%,对照组第4d才达8.82%。证明接种纤维素分解菌和EM菌使耗氧速率大大增加。添加微生物菌剂对于控制臭气效果显著,本试验主要测定H2S气体浓度。对照组从第1d即有H2S气体释放,第3d达到30mL/m3的高浓度,直到一次发酵结束均维持较高的浓度;而添加高效复合微生物菌剂的堆肥系统释放H2S的最高浓度分别为5、10、4mL/m3且维持较短的时间,可见添加微生物菌剂有利于控制H2S气体的浓度。从表2知,出口O2浓度在8%20.9%之间反应均能顺利进行,在好氧堆肥正常过程中出口O2和CO2浓度具有如下关系:CO2=20.9-0.98O2。2.2堆肥中微生物变化情况分析对比传统堆肥和添加高效复合微生物菌剂堆肥中·263·微生物尤其是有益微生物数目的变化,对于了解堆肥的过程具有重要意义。试验采用平板计数法测定堆肥过程中活菌数的变化,见图2。因为堆肥过程温度发生很大变化,计数时本实验结合堆体的温度,采用相应的温度在培养箱中进行培养,并采用Dubos纤维素培养基观察纤维素菌数的变化。堆肥5d后,堆肥种群结构变化见表3。图2堆肥中微生物总数变化根据分析可知,堆肥中的纤维素在微生物的作用下,维管束周围的薄壁细胞最先受到菌的作用,其胞间层和细胞壁的一些成分被分解,纤维逐渐分离成单根纤维。对照组纤维分解最不彻底,大多数微生物仍处于纤维素的表面,部分微生物嵌入纤维的裂缝处,但纤维基本没有断裂。而处理1、处理2、处理3堆料中的纤维分解较彻底,特别是处理3,堆肥7d后已基本观察不到整束的纤维,纤维被附着在其上和深深嵌入内部的各种微生物(球状、杆状、丝状菌等)分解的支离破碎。处理1纤维素尽管没有完全破碎但微生物在其内部大量繁殖,已使纤维大量分裂。对处理3堆肥系统第3d、第5d、第7d样品进行电镜扫描。可以看出复合微生物菌剂堆肥3d后堆料上附有大量微生物,纤维素也开始部分降解;第5d菌丝也侵入到纤维素的细胞腔内,菌丝在植物组织内部的蔓延主要是通过组织细胞间的连通口(如纹孔),或者在薄壁细胞壁和纤维细胞壁上钻图2中对照组第1、2次峰值出现的时间及菌数为48h、孔,由于纤维胞间层木素被逐渐降解,纤维很容易分离。第78.63LogCFU/g,120h、8.63LogCFU/g;处理1相应的数据d纤维素就已从母体开始剥离,其纤维细胞壁沿着过渡层出为18h、9.71LogCFU/g,84h、9.86LogCFU/g;处理2相应的数据为19h、10.32LogCFU/g,60h、10.5LogCFU/g;处理3相应的数据为20h、11.0LogCFU/g,48h、10.66LogCFU/g。可见处理3堆肥微生物生长迅速,其微生物数目远远高于对照组,且堆肥过程中始终维持在一个较高的水平。从表3可见,随着堆肥的进行,微生物大量繁殖,5d后,堆肥系统中微生物种群结构发生了变化。处理1中细菌和放线菌数目增多,而真菌和纤维素分解菌的数量明显较低。处理2细菌、纤维素分解菌和真菌微生物量较大,但放线菌数目明显较低。处理3不仅放线菌和细菌数目多,其真菌和纤维素分解菌也处于较高水平。而对照组细菌、真菌和放线菌微生物数目均较低。这是因为所接种的微生物菌剂,不仅增加了堆层中微生物初始浓度,而且改善了堆肥微生物种群结构,复合微生物菌群中既有分解性细菌,又有合成性细菌,既有纤维素分解菌、真菌,又有放线菌。作为多种细菌共存的一种生物群落,依靠相互间共生增殖及协同作用,代谢出抗氧化物质,生成稳定而复杂的生态系统,在整个堆肥过程中微生物菌数保持相对稳定。而处理3由于加量合适,依靠菌种之间的协同作用,受抑制影响较少,所以各菌种均维持在一个较高水平上分解有机物,快速完成堆肥过程。表3接种微生物菌剂5d后堆肥中微生物结构变化现分离现象。实验结果表明,高效复合微生物菌剂堆肥能有效降解垃圾中的有机污染物,对木质纤维素的降解首先在纤维的胞间层,使纤维本身在保持基本完整的状态下彼此分离;与对照组相比,微生物生长、繁衍速度快,处理效果好,堆肥7d后几乎可以使全部纤维呈单根状态,彼此分离。3结论利用复合微生物菌剂对生活垃圾进行堆肥,堆料初始有机物含量约60%,含水率为55%,初始C/N比为30;接种复合微生物菌剂0.2%、0.3%、0.5%(质量百分含量)的处理1、处理2、处理3堆肥系统与加入0.3%灭活菌的对照组进行对比实验。试验结果表明,接种复合微生物菌剂堆肥可明显增加堆料中有益微生物总数,有效改善种群结构,从而提高堆肥效率,增加堆肥腐熟度。且当复合微生物菌剂添加量为0.5%时,堆肥效果较佳。参考文献1席北斗,刘鸿亮,孟伟等.高效复合微生物菌群在垃圾堆肥中的应用.环境科学,2001,22(5):1421462HaugRT.DevelopmentofSimulationModels,In:ThePracticalHandbookofCompostEngineering,LewisPublishers,1993.342处理细菌放线菌真菌纤维素分解菌436/108个·g-1/106个·g-1/103个·g-1/103个·g-13顾希贤.垃圾堆肥微生物接种实验.应用与环境生物学,1995,1对照组60.112.511.810.0处理18795.65.618.6处理258.210.5643.645.8处理39890.528.931.22.3堆肥腐熟情况对比采用扫描电镜,观察对照组、处理1、处理2、处理3堆肥10d后堆料微观结构的变化、微生物的形状及其在植物内部的生长蔓延情况,扫描电镜图省略。(3):2742784HSShin,EJHwang,BSPark,etal.Theeffectsofseedinocu2lationontherateofgarbagecomposting.EnvironmentalTech2nology,1999,20:2933005李国学,张福锁.固体废物堆肥化与有机复混肥生产.北京:化学工业出版社,2000.8182责任编辑:陈泽军(收到修改稿日期:2003204214)·264·