添加高溫菌CHB1對污泥堆肥性質和酶活性的影響

方宇　賈憲波　陳濟琛

摘 要：該文以污泥和木屑為原料進行堆肥試驗，研究添加高溫菌CHB1對堆肥過程中溫度、碳氮比、pH、蛋白酶、脫氫酶和纖維素酶的影響。結果表明，接種高溫菌能提高堆體溫度，高溫維持時間長，達到堆肥無害化的要求。堆肥結束時，接菌處理碳氮比顯著低于對照組。堆肥后接菌組和對照的pH值由弱酸性轉變?yōu)槿鯄A性。除纖維素酶外，CHB1處理的蛋白酶和脫氫酶活性在整個堆肥過程中都顯著高于對照組。

關鍵詞：污泥；堆肥；高溫菌；酶活

中圖分類號 S141.4 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）02-0046-03

Abstract：In this research，the sludge and saw dust were used as the compost materials.Effect of inoculation of thermophilic bacteria on the compost property including temperature，C/N，pH，and enzyme activities including protase，dehydrogenase and cellulose were investigated.The results showed that，inoculation of thermophilic bacteria could increase the compost temperature and had a longer high-temperature duration.At the end of the compost，C/N in the compost with thermophilic bacteria was significantly lower than the control.After the compost，pH at the both treatments increased and became slightly alkaline.Protase and dehydrogenase activities in the compost with microbial agent were higher than those in the control.

Key words：Sludge；Compost；Thermophilic bacteria；Enzyme activity

據(jù)中國污泥處理處置市場分析報告，2015年我國生活污泥產(chǎn)量為3500萬t。城市污泥中含有豐富的植物營養(yǎng)元素和有機質，是一種潛在的有機肥源[1]，若進行合理的開發(fā)，可以減少對化石能源的依賴性。

堆肥化作為一種保持良好環(huán)境效應的產(chǎn)物，具有生物處理的可持續(xù)性和廢棄物資源的循環(huán)利用等特征，已成為處理有機固體廢棄物的有效方法之一[2]。污泥經(jīng)過堆肥化處理可以降解有機物質、殺死病原菌，還可以將部分有機物轉化為腐殖質，實現(xiàn)污泥的無害化和資源化[3]。然而傳統(tǒng)的污泥堆肥存在發(fā)酵時間長、產(chǎn)生臭味及肥效低等問題。堆肥是利用微生物群落通過高溫發(fā)酵使有機物腐殖化的一種好氧生物過程[4]。因此在堆肥過程中添加微生物菌劑是促進堆肥腐熟的一個有效嘗試。目前許多研究都已證實在堆肥化過程中添加微生物菌劑尤其是高溫菌能夠促進料溫升高，加速堆肥腐熟[5-7]。本試驗中選擇自主分離的高溫菌CHB1為試驗材料，驗證其污泥堆肥生物發(fā)酵的效果，為城市污泥無害化、減量化處理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 本實驗以城市污水處理廠剩余污泥為堆肥基質，木屑為輔料，由福州某水務有限公司提供。根據(jù)原料性質，調(diào)節(jié)C/N比為25左右，水分為55%左右。試驗接種的高溫菌為本實驗室分離出的嗜熱脂肪土芽孢桿菌CHB1（Geobacillus stearothermophilus CHB1），有效活菌數(shù)為109CFU/mL，為液體狀。

1.2 堆肥試驗設計 污泥與木屑按照質量比4∶1的比例混勻進行堆制。堆體約1m3。試驗設2個處理：CHB1為接菌堆肥，按照1%（質量比）的接種量加入堆肥中。CK為不加菌劑的對照。堆肥時間為21d。每3d翻堆一次。

1.3 測定項目及方法 堆體溫度采用溫度記錄儀實時監(jiān)測堆肥中心溫度。在堆體上、中、下部多點采樣，混勻備用。一部分風干用于理化性質測定，另一部分4℃保存用于酶活分析。含水率通過105℃烘干法測定。碳氮比：樣品風干后，過1mm篩，用于測定總有機碳和全氮，測定方法分別為重鉻酸鉀容量法和凱氏定氮法[8]。蛋白酶：采用茚三酮比色法測定活性[9]。脫氫酶：新鮮堆肥樣品中加入氫受體三苯基四唑氯化物（TTC）后培養(yǎng)24h，測定在脫氫酶作用下生成紅色甲臜（TPF）的含量，活性單位用μg TPF·g-1·h-1表示[10]。纖維素酶：新鮮堆肥樣品中加入羧甲基纖維素鈉后，50℃培養(yǎng)24h，在纖維素酶的作用下，纖維素水解成葡萄糖，測定葡萄糖的生成量表征纖維素酶活，活性單位用mg Glucose·g-1·d-1表示[11]。

1.4 統(tǒng)計分析 采用Excel2003以及SPSS19.0進行數(shù)據(jù)處理和作圖。

2 結果與分析

2.1 添加高溫菌CHB1對污泥堆肥過程中溫度的影響

溫度是反映堆體內(nèi)微生物活性變化的一個重要指標。如圖1所示，在污泥堆肥過程中，CK和CHB1處理的堆體溫度均呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢。CHB1處理堆肥開始后，堆體溫度在第6天達到55℃以上，到第9天達到最高溫60.9℃。CHB1處理持續(xù)高溫（>50℃）時間能維持6d，認為堆肥達到無害化標準[12]。而CK處理從第7天開始才達到50℃，且>50℃的時間僅能維持3d，自第8天開始溫度降低。說明接種CHB1菌劑有助于堆肥在高溫期保持較高的溫度和更長的時間。

2.2 添加高溫菌對污泥堆肥碳氮比的影響 堆肥的碳氮比（C/N）是檢測堆肥腐熟的一個重要指標，通常認為C/N由堆肥初始的25～30下降到20以下為堆肥腐熟的主要標志[13]。從圖2可知，CK和CHB1處理堆肥的C/N均隨著發(fā)酵時間的增加而逐漸降低，CK處理最終降低為17，而CHB1處理則降低至14，這是因為隨著好氧堆肥的進行，碳和氮同時減少，而碳的損失比氮要高[14]。

2.3 添加高溫菌對污泥堆肥pH值的影響 不同堆肥處理過程中的pH值變化如圖3所示。由圖3可知，2種堆肥處理的pH值變化趨勢相同，先升高再趨于穩(wěn)定，即從弱酸性演變?yōu)槿鯄A環(huán)境。CK和CHB1處理的pH值均在12d達到最高峰7.4。

2.4 添加高溫菌對污泥堆肥酶活性的影響

2.4.1 蛋白酶 由圖4可知，堆肥過程中蛋白酶活性的變化趨勢隨著堆肥的進行先上升后下降。CK和CHB1處理分別在堆肥第9和第6d達到峰值，分別為2.34、3.55Ug-1。接菌組蛋白酶酶活均高于對照組，并且在堆肥前6d兩堆肥處理的蛋白酶差異較顯著（P<0.05）。蛋白酶主要參與含氮化合物的分解和蛋白質、氨基酸及其他含氮化合物的轉化[15]。堆肥前6d蛋白酶酶活不斷升高，可能與蛋白類物質快速分解有關，而堆肥后期蛋白酶活性趨于穩(wěn)定，此結果與Aira等[16]相一致。在污泥的整個堆肥過程中，添加CHB1菌劑的蛋白酶酶活均高于對照組，這可能與CHB1菌株具有產(chǎn)蛋白酶特性有關[17]。

2.4.2 脫氫酶 脫氫酶在有機化合物的氧化過程中發(fā)揮著重要作用，它將氫從底物傳遞給受體[18]。在整個堆肥過程中，脫氫酶活性先上升后下降（圖5）。由圖5可知，堆肥前12d，2個處理的脫氫酶酶活呈增加趨勢，CHB1處理的脫氫酶活性高于CK處理，且差值隨著堆肥的進行越來越大。堆肥12d后脫氫酶活性下降，可能與有機物被大量消耗有關。Paola等[19]研究表明，脫氫酶活性與水溶性有機碳呈正相關，隨著有機物的降解，導致脫氫酶活性下降。

2.4.3 纖維素酶 纖維素酶是碳代謝的重要酶類，其酶活強弱反映了堆肥過程中碳素的降解情況。在污泥堆肥過程中，CK處理的纖維素酶活在前12d呈增加趨勢后趨于穩(wěn)定，在18～21d期間呈下降趨勢（圖6）。CHB1處理的纖維素酶活在堆肥前15d上升，之后下降。與蛋白酶和脫氫酶有所不同的是，堆肥的前13d期間CK的纖維素酶活高于CHB1處理，之后則相反。可見添加CHB1高溫菌對纖維素的降解能力并沒有得到明顯的提高。

3 結論

堆肥過程中，添加高溫菌可增強蛋白酶和脫氫酶的活性，可提高污泥堆肥溫度，維持較長的高溫時間，達到堆肥的無害化要求。堆肥結束時，接菌處理碳氮比顯著低于對照組。堆肥后接菌組和對照的pH值由弱酸性轉變成弱堿性。

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（責編：張宏民）