研究背景

我國(guó)大中城市生活垃圾的產(chǎn)量由2009年的1.57億t增加至2014年的1.79億t。一方面，巨量生活垃圾的產(chǎn)生給生態(tài)環(huán)境安全造成危害；另一方面，生活垃圾中富含有機(jī)物組分(如餐廚垃圾、木屑等)，因此可通過(guò)資源化利用技術(shù)實(shí)現(xiàn)生活垃圾中有機(jī)質(zhì)的回用。堆肥工藝是生活垃圾常用的處理技術(shù)，該技術(shù)在微生物的調(diào)控下將生活垃圾中有機(jī)物礦化，腐殖化。其中，好氧堆肥是堆肥工藝中常采用的策略，該過(guò)程中微生物通過(guò)分泌多種功能性酶分解有機(jī)物，最終獲得腐殖化的堆肥產(chǎn)品。

超高溫(>80 ℃)自發(fā)熱好氧堆肥具有致害病毒/蟲卵滅活率高，堆肥品質(zhì)佳的優(yōu)點(diǎn)。然而，生活垃圾超高溫自發(fā)熱好氧堆肥過(guò)程中物理性質(zhì)及腐熟指標(biāo)的變化尚不清楚。此外，好氧堆肥過(guò)程會(huì)導(dǎo)致溫室氣體(如甲烷、N2O)的釋放，從而加劇溫室效應(yīng)，并且降低堆肥樣品品質(zhì)。固氮?jiǎng)┏Ｓ糜诳刂贫逊手械�的流失，固氮�(jiǎng)┚哂辛己玫目紫抖群捅缺砻娣e，能夠通過(guò)吸附作用氣體。磷酸類固氮?jiǎng)��?duì)氨的揮發(fā)及氮素控制具有良好的效果，此外，磷酸鹽類固氮?jiǎng)┏杀据^低，因此過(guò)磷酸鹽常用于控制有機(jī)物堆肥過(guò)程中氮的損失。然而過(guò)磷酸鈣(CS)對(duì)超高溫自發(fā)熱好氧堆肥工藝處理生活垃圾過(guò)程中溫室氣體的排放及微生物的種群特征影響不明確。因此，本研究探究了超高溫自發(fā)熱好氧堆肥工藝處理生活垃圾中CS添加對(duì)溫室氣體減排的影響，并揭示了CS影響下不同價(jià)態(tài)氮的轉(zhuǎn)化規(guī)律，最后揭示了CS對(duì)超高溫自發(fā)熱好氧堆肥工藝處理生活垃圾微生物群落的影響，以期為超高溫自發(fā)熱好氧堆肥工藝處理生活垃圾溫室氣體減排提供數(shù)據(jù)支持。

摘要

超高溫自發(fā)熱已被應(yīng)用于剩余污泥好氧堆肥，然而該技術(shù)對(duì)生活垃圾好氧堆肥過(guò)程的影響尚不清晰。此外，固氮?jiǎng)┻^(guò)磷酸鈣(CS)對(duì)超高溫自發(fā)熱好氧堆肥處理生活垃圾的影響也不明確。以生活垃圾為研究對(duì)象，建立空白組(R1)和添加CS(R2)的生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥體系，探究了CS影響下生活垃圾超高溫自發(fā)熱過(guò)程中溫度、含氧量、含水率、溫室氣體釋放、溶解性COD及腐熟指標(biāo)的變化規(guī)律，分析CS對(duì)生活垃圾堆肥后微生物群落特征的影響。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)組溫度最高為80.3 ℃，高于空白組，且最低含氧量、含水率均低于R1。實(shí)驗(yàn)組中甲烷和N2O的最大釋放速率分別為0.09，1.3 g/(kg·d)，均顯著低于空白組，CS存在有助于生活垃圾堆肥保氮。此外，實(shí)驗(yàn)組中溶解COD的最大含量為42.3 mg/g，略高于R1，CS利于堆體中有機(jī)物釋放。微生物群落分析表明，實(shí)驗(yàn)組中Sacomonospor和Planifilum的相對(duì)豐度分別為25.6%和10.3%，堆體腐熟程度較高。

01.結(jié)果與討論

1.溫度、含氧量及含水率的變化

溫度是衡量生活垃圾堆肥過(guò)程有機(jī)質(zhì)降解的重要參數(shù)，堆肥靜態(tài)通風(fēng)要求55 ℃持續(xù)不低于5 d或者65 ℃持續(xù)不低于4 d才能滿足無(wú)害化要求。圖1為超高溫自發(fā)熱好氧堆肥處理生活垃圾過(guò)程中溫度的變化。可知：室溫維持在15 ℃左右，而在R1和R2組別中，堆肥溫度呈現(xiàn)先急劇上升后下降最后平穩(wěn)的趨勢(shì)。R1中，堆肥溫度在7 d時(shí)超過(guò)50 ℃并在13 d達(dá)到最高值78.5 ℃。在添加CS的R2中，堆肥溫度同樣在7 d內(nèi)升高至50 ℃以上，并在13 d達(dá)到最大值80.3 ℃，在18 d時(shí)，堆肥溫度仍高達(dá)56.5 ℃，而此時(shí)R1中堆肥溫度則下降至42.3 ℃，即R2中高溫期較R1延續(xù)2 d。在30 d后，由于堆體中有機(jī)物分解殆盡，堆肥溫度基本維持在24 ℃。本研究在無(wú)外源熱能條件下，堆體中微生物利用生活垃圾中有機(jī)物(蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂類等)氧化分解產(chǎn)生熱量。在CS存在下，生活垃圾堆肥過(guò)程最高溫度略高于空白組，且超過(guò)50 ℃的堆肥時(shí)間也長(zhǎng)于空白，說(shuō)明CS的存在能夠促進(jìn)生活垃圾堆肥過(guò)程中微生物的活性。之前研究表明CS對(duì)豬糞堆肥過(guò)程微生物的活性具有一定的提高作用。

圖1 超高溫自發(fā)熱好氧堆肥工藝處理生活垃圾過(guò)程中溫度的變化

圖2為超高溫自發(fā)熱好氧堆肥工藝處理生活垃圾過(guò)程中氧氣含量及含水率變化。由圖2a可知：含氧量的變化與溫度呈相逆趨勢(shì)，即含氧量歷時(shí)呈現(xiàn)先下降后升高至初始含量的趨勢(shì)。R1和R2中含氧量最低分別為8.5%和8.1%，并均出現(xiàn)在第13天。含氧量下降的主要原因在于生活垃圾堆肥過(guò)程中微生物活性加強(qiáng)消耗供給的氧氣。R2中氧含量最低值低于R1，說(shuō)明CS的存在對(duì)微生物消耗有機(jī)物具有一定促進(jìn)作用。2組別在堆肥13 d后含氧量逐漸升高，這歸因于微生物活性下降。由圖2b可知：兩堆體中含水率均呈下降趨勢(shì)。經(jīng)35 d堆肥，R1中含水率由62.3%下降至39.8%，而R2堆體中含水率由初始的62.8%下降至39.7%。R2堆體中含水率幅度略高于R1，說(shuō)明CS存在促進(jìn)了堆肥過(guò)程中含水率降低。CS的存在堆體中高溫持續(xù)期較長(zhǎng)于空白組，從而導(dǎo)致該堆體含水率下降更加明顯。之前研究表明，含水率對(duì)微生物的代謝功能產(chǎn)生影響，且當(dāng)含水率<40%時(shí)，微生物代謝活性會(huì)受到抑制，而本研究中采用的特定菌種，其對(duì)高溫和低含水率具有一定耐受性，從而在堆肥過(guò)程后期仍能進(jìn)行代謝活動(dòng)。

圖2 CS對(duì)超高溫自發(fā)熱好氧堆肥工藝處理生活垃圾過(guò)程中氧氣含量及含水率的影響

2.生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥過(guò)程溫室氣體排放規(guī)律

甲烷和N2O是生活垃圾堆肥過(guò)程有機(jī)物裂解釋放的溫室氣體。甲烷主要由產(chǎn)甲烷古菌利用堆體中簡(jiǎn)單有機(jī)物如乙酸、甲酸及甲基胺類，在輔酶F420的調(diào)控下生產(chǎn)。圖3a為生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥過(guò)程甲烷日釋放速率。兩堆體中甲烷的日釋放速率在前25 d內(nèi)較高，這主要是因?yàn)樵摃r(shí)期內(nèi)有機(jī)物較充足。在R1中，甲烷日釋放速率最大值為0.21 g/(kg·d)，且出現(xiàn)在第8天；而添加CS的堆體甲烷日釋放速率最大值為0.09 g/(kg·d)，出現(xiàn)在第11天。整個(gè)生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥過(guò)程中添加CS的組別甲烷日釋放速率均低于空白組別，說(shuō)明CS能夠有效實(shí)現(xiàn)甲烷減排。產(chǎn)甲烷古菌對(duì)溫度較敏感，本研究中生活垃圾堆肥過(guò)程處于超高溫已對(duì)甲烷古菌的活性產(chǎn)生一定抑制，而添加CS的堆體中溫度更高，從而導(dǎo)致甲烷日釋放速率的降低。此外，CS中SO42--S同樣會(huì)抑制產(chǎn)甲烷古菌的活性，進(jìn)而導(dǎo)致甲烷釋放速率的下降。生活垃圾堆肥過(guò)程中固有的硫酸鹽還原菌以有機(jī)物如[H]、乳酸、乙酸等為電子供體將SO42--S還原為S2-，在此生化過(guò)程中產(chǎn)甲烷古菌亦利用上述底物實(shí)現(xiàn)甲烷化，進(jìn)而兩生化過(guò)程存在對(duì)有限碳源的競(jìng)爭(zhēng)，硫酸鹽還原過(guò)程產(chǎn)生的S2-對(duì)產(chǎn)甲烷古菌具有強(qiáng)烈的抑制作用。含有CS的生活垃圾堆體中含水率低于空白組，好氧環(huán)境隨之凸顯，進(jìn)一步抑制了產(chǎn)甲烷古菌代謝提供條件。

圖3 生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥過(guò)程中溫室氣體的排放

圖3b為生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥過(guò)程中N2O日釋放速率的變化規(guī)律。堆肥過(guò)程產(chǎn)生的N2O主要來(lái)自有機(jī)物的硝化和反硝化過(guò)程，NO2--N在亞硝酸鹽還原酶的影響下發(fā)生還原作用會(huì)導(dǎo)致N2O的積累。在本研究中，N2O日釋放速率高峰主要集中于3～8 d和22～31 d，與之前文獻(xiàn)報(bào)道相似。堆肥前期N2O積累較高在于有機(jī)物充足且微生物活性強(qiáng)，硝化作用較強(qiáng)。此外，反硝化細(xì)菌利用堆體中可利用的有機(jī)物進(jìn)行反硝化，在22 d后N2O日釋放速率增加的另一個(gè)原因可在于NH3-N與NO3--N之間轉(zhuǎn)化，并且后期含氧量升高(圖2)利于硝化細(xì)菌繁殖生長(zhǎng)，從而提高硝化作用。在R1堆體中，N2O日釋放速率最大值出現(xiàn)在27 d，其釋放速率為5.6 g/(kg·d)，而R2中N2O日釋放速率最大值出現(xiàn)在19 d，其最大釋放速率為1.3 g/(kg·d)，顯著低于R1堆體(P<0.05)。整個(gè)堆肥過(guò)程中R1堆體N2O釋放積累量為0.19 g/kg，而添加CS的堆體N2O釋放積累量為0.09 g/kg，較空白組減排約52.6%。之前研究表明,CS能夠抑制污泥堆肥過(guò)程中N2O的產(chǎn)生。豬糞堆肥過(guò)程中發(fā)現(xiàn)添加物料占干重4%～34%的CS，N2O的累計(jì)排放量可減少25.6%～37.3%，本研究N2O減排量較高于此數(shù)值，可能在于本研究堆肥過(guò)程溫度較高，而高溫同樣能減少N2O的釋放。

3.生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥過(guò)程中NH3的釋放特征

圖4為生活垃圾堆肥期間NH3排放的檢測(cè)結(jié)果。NH3釋放速率歷時(shí)呈現(xiàn)先上升后下降并平穩(wěn)的趨勢(shì)。NH3釋放速率升高主要在于堆體溫度升高，微生物活性加強(qiáng)，從而將有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮。空白組中NH3的最大釋放速率為681 mg/(kg·d)，而CS添加組別中NH3的最大釋放速率僅為356 mg/(kg·d)，顯著低于空白組。從20 d后，兩堆體溫度回歸至常溫，堆體進(jìn)入后腐熟時(shí)期，NH3釋放量顯著下降。由于本研究中翻堆頻率固定，堆體的溫度與NH3釋放具有顯著的相關(guān)性。此外，之前研究表明添加劑、pH、物料結(jié)構(gòu)同樣會(huì)影響NH3的釋放。由圖4可知：生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥過(guò)程中CS的存在同樣能夠抑制NH3的釋放，以NH3累計(jì)釋放計(jì)算，CS能夠?qū)崿F(xiàn)NH3減排約35.6%。CS存在可減少生活垃圾堆肥NH3釋放的另一關(guān)鍵原因在于CS中PO43-、促進(jìn)有機(jī)物釋放的NH4+-N與堆體中金屬離子如Mg2+、Ca2+等結(jié)合形成了NH4MgPO4·6H2O結(jié)晶等復(fù)合體，該反應(yīng)過(guò)程阻斷了含氮類有機(jī)物向NH3的轉(zhuǎn)化。CS促進(jìn)堆體中NH4+-N的保留，這也對(duì)產(chǎn)甲烷古菌產(chǎn)生一定的抑制作用，從而間接導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量下降。此外，NH4+-N向NH3的電離過(guò)程更易發(fā)生在堿性環(huán)境，而本研究中CS存在降低了堆體的pH，也遏制了NH4+-N向NH3的電離過(guò)程。

圖4 生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥過(guò)程中NH3的釋放

4.生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥過(guò)程中有機(jī)物含量變化

溫室氣體及NH3的釋放前期伴有有機(jī)物的溶解及利用。本研究同樣探究了生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥過(guò)程中溶解性COD及TC含量的變化，如圖5所示。兩堆體中SCOD含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。初始堆體中有機(jī)物多以顆粒狀存在，堆體中SCOD能直接被微生物所利用并合成自身所需的物質(zhì)�？瞻捉M中SCOD的含量由初始24.3 mg/g逐漸升高至第14天的41.3 mg/g，而在R2中，SCOD的含量升高至42.3 mg/g，略高于空白組，說(shuō)明CS的存在同樣促進(jìn)了堆體中有機(jī)物的溶解過(guò)程。圖6進(jìn)一步展示了堆體中溶解性有機(jī)物的EEM變化，三維熒光檢測(cè)結(jié)果同樣表明R2中有機(jī)物的含量高于R1。

圖5 生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥過(guò)程中SCOD及TC含量的變化

圖6 CS存在對(duì)生活垃圾堆肥過(guò)程中有機(jī)物含量變化的三維熒光圖

此外，堆體中TC的含量歷時(shí)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。R1和R2中TC含量由初始的239 mg/g迅速下降至21 d的123，117.5 mg/g，隨后兩堆體TC含量緩慢降低。TC含量損失的原因在于堆體內(nèi)微生物通過(guò)有氧呼吸及厭氧發(fā)酵的方式分解堆體內(nèi)固有有機(jī)物。故TC含量變化趨勢(shì)與堆體微生物代謝強(qiáng)度的變化趨勢(shì)吻合。

5.生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥過(guò)程中NO2--N、NO3--N及TN的變化規(guī)律

圖7為生活垃圾堆肥過(guò)程中NO2--N、NO3--N及TN的變化�？芍�：整個(gè)堆肥過(guò)程中NO3--N的含量呈現(xiàn)先升高后下降趨勢(shì)，R1和R2中NO3--N含量由初始的34.5 mg/kg逐漸升高至21 d的45.6，48.5 mg/kg，在隨后的時(shí)間NO3--N內(nèi)含量略有下降。NO3--N含量升高主要是由于硝化細(xì)菌在好氧條件下將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N，故CS的存在促進(jìn)了硝化過(guò)程。兩堆體中NO2--N的含量歷時(shí)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并且在堆肥后期NO2--N含量升高率較高，這可能是由于堆肥后期溫度下降，使亞硝化細(xì)菌的活性得到了強(qiáng)化。TN的含量在整個(gè)堆肥周期中呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。堆肥末期，R2中TN含量高于R1 2.9 mg/g，這也側(cè)面印證了CS存在能促進(jìn)生活垃圾堆肥過(guò)程中保氮。

圖7 生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥過(guò)程中NO2--N、NO3--N及TN的變化

6.物理指標(biāo)及腐熟指標(biāo)分析

表2為兩堆體堆肥結(jié)束時(shí)物料指標(biāo)及腐熟指標(biāo)的變化。在堆肥末期，R1和R2兩堆體中pH分別下降至7.51和7.34，pH下降歸因于堆體中有機(jī)物的水解酸化。R2中pH略低于R1，從而導(dǎo)致R2中吸收更多的NH3，實(shí)現(xiàn)保氮。此外，R2中C/N下降至16.5，同樣略低于R1，主要是由于R2堆體中碳素散失量大于氮元素。GI是評(píng)價(jià)堆肥腐熟的重要指標(biāo)，一般認(rèn)為GI>80%，堆體達(dá)到腐熟，并且堆料可用于農(nóng)田使用。在本研究中，兩堆體GI均>100%，說(shuō)明生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥處理后堆料可用于農(nóng)田使用。電導(dǎo)率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致一定的生物毒性，從而抑制微生物活性，在整個(gè)超高溫堆肥過(guò)程中生活垃圾樣品的EC均<4.0 mS/cm，表明堆肥可正常使用。此外，R2中EC略高于R1，并存在顯著性差異(P<0.05)，原因在于CS中會(huì)產(chǎn)生少量磷酸和無(wú)水的硫酸鈣，溶解性離子高于空白組，從而增加EC值。E4/E6是評(píng)價(jià)堆肥腐熟的一個(gè)重要指標(biāo)，在本研究中CS添加降低了生活垃圾堆肥過(guò)程中E4/E6，說(shuō)明堆肥腐殖化程度加劇。

表2 生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥物理化學(xué)及腐熟指標(biāo)分析

7.微生物群落特征分析

堆肥過(guò)程中微生物的種群結(jié)構(gòu)及豐度對(duì)腐熟程度具有決定性作用。圖8為生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥后期兩堆體中微生物的菌屬比較。微生物群落結(jié)構(gòu)大致與文獻(xiàn)報(bào)道相似，與超高溫自發(fā)熱體系牲相符。由圖8可知：兩堆體在堆肥后期微生物群落結(jié)構(gòu)具有較大差異，R1，R2堆體中Sacomonospora為主要的微生物，分別占21.3%和25.6%。Sacomonospor可分解大分子有機(jī)物并為后續(xù)微生物消化利用提供物質(zhì)。CS的存在在一定程度上提高了Sacomonospor的相對(duì)豐度，這也與圖5的R2中SCOD含量較高相一致。Bacillus，Melghirimyces及Brevibacterium在兩堆體中相對(duì)豐度大致相似。Planctomycetes門中的Planifilum在兩堆體中同樣存在差異，R1中Planifilum的相對(duì)豐度為8.9%，而在CS存在的組別中升高至10.3%。Planifilum也是堆肥過(guò)程中重要的微生物，能夠在一定程度上耐酸，而CS的添加降低了堆體pH，從而導(dǎo)致Planifilum的相對(duì)豐度較高。生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥過(guò)程中CS的存在提高Sacomonospora和Planifilum的相對(duì)豐度，從而有利于腐熟。

圖8 生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥微生物群落結(jié)構(gòu)比較

04.結(jié)論

生活垃圾超高溫自發(fā)熱堆肥過(guò)程中CS的添加能夠提高堆體溫度，降低含氧量、含水率。此外，CS降低了堆體pH、C/N，但提高了發(fā)芽率指數(shù)GI及電導(dǎo)率。

添加固氮?jiǎng)〤S的生活垃圾堆體中CH4和N2O的最大釋放速率分別為0.09，1.3 g/(kg·d)，均顯著低于空白組。此外，NH3最大釋放速率為356 mg/(kg·d)，同樣低于空白組，表明CS利于生活垃圾堆肥溫室氣體的減排并促進(jìn)保氮。

微生物群落結(jié)構(gòu)分析表明，CS添加組別中Sacomonospor和Planifilum的相對(duì)豐度分別為25.6%和10.3%，系優(yōu)勢(shì)菌群，且堆體腐熟程度高。