添加高温菌CHB1对污泥堆肥性质和酶活性的影响
摘 要：该文以污泥和木屑为原料进行堆肥试验，研究添加高温菌CHB1对堆肥过程中温度、碳氮比、pH、蛋白酶、脱氢酶和纤维素酶的影响。结果表明，接种高温菌能提高堆体温度，高温维持时间长，达到堆肥无害化的要求。堆肥结束时，接菌处理碳氮比显著低于对照组。堆肥后接菌组和对照的pH值由弱酸性转变为弱碱性。除纤维素酶外，CHB1处理的蛋白酶和脱氢酶活性在整个堆肥过程中都显著高于对照组。
关键词：污泥；堆肥；高温菌；酶活
中图分类号 S141.4 文献标识码 A 文章编号 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
据中国污泥处理处置市场分析报告，2015年我国生活污泥产量为3500万t。城市污泥中含有丰富的植物营养元素和有机质，是一种潜在的有机肥源[1]，若进行合理的开发，可以减少对化石能源的依赖性。
堆肥化作为一种保持良好环境效应的产物，具有生物处理的可持续性和废弃物资源的循环利用等特征，已成为处理有机固体废弃物的有效方法之一[2]。污泥经过堆肥化处理可以降解有机物质、杀死病原菌，还可以将部分有机物转化为腐殖质，实现污泥的无害化和资源化[3]。然而传统的污泥堆肥存在发酵时间长、产生臭味及肥效低等问题。堆肥是利用微生物群落通过高温发酵使有机物腐殖化的一种好氧生物过程[4]。因此在堆肥过程中添加微生物菌剂是促进堆肥腐熟的一个有效尝试。目前许多研究都已证实在堆肥化过程中添加微生物菌剂尤其是高温菌能够促进料温升高，加速堆肥腐熟[5-7]。本试验中选择自主分离的高温菌CHB1为试验材料，验证其污泥堆肥生物发酵的效果，为城市污泥无害化、减量化处理提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料 本实验以城市污水处理厂剩余污泥为堆肥基质，木屑为辅料，由福州某水务有限公司提供。根据原料性质，调节C/N比为25左右，水分为55%左右。试验接种的高温菌为本实验室分离出的嗜热脂肪土芽孢杆菌CHB1（Geobacillus stearothermophilus CHB1），有效活菌数为109CFU/mL，为液体状。
1.2 堆肥试验设计 污泥与木屑按照质量比4∶1的比例混匀进行堆制。堆体约1m3。试验设2个处理：CHB1为接菌堆肥，按照1%（质量比）的接种量加入堆肥中。CK为不加菌剂的对照。堆肥时间为21d。每3d翻堆一次。
1.3 测定项目及方法 堆体温度采用温度记录仪实时监测堆肥中心温度。在堆体上、中、下部多点采样，混匀备用。一部分风干用于理化性质测定，另一部分4℃保存用于酶活分析。含水率通过105℃烘干法测定。碳氮比：样品风干后，过1mm筛，用于测定总有机碳和全氮，测定方法分别为重铬酸钾容量法和凯氏定氮法[8]。蛋白酶：采用茚三酮比色法测定活性[9]。脱氢酶：新鲜堆肥样品中加入氢受体三苯基四唑氯化物（TTC）后培养24h，测定在脱氢酶作用下生成红色甲臜（TPF）的含量，活性单位用μg TPF·g-1·h-1表示[10]。纤维素酶：新鲜堆肥样品中加入羧甲基纤维素钠后，50℃培养24h，在纤维素酶的作用下，纤维素水解成葡萄糖，测定葡萄糖的生成量表征纖维素酶活，活性单位用mg Glucose·g-1·d-1表示[11]。
1.4 统计分析 采用Excel2003以及SPSS19.0进行数据处理和作图。
2 结果与分析
2.1 添加高温菌CHB1对污泥堆肥过程中温度的影响
温度是反映堆体内微生物活性变化的一个重要指标。如图1所示，在污泥堆肥过程中，CK和CHB1处理的堆体温度均呈现出先升高后降低的变化趋势。CHB1处理堆肥开始后，堆体温度在第6天达到55℃以上，到第9天达到最高温60.9℃。CHB1处理持续高温（>50℃）时间能维持6d，认为堆肥达到无害化标准[12]。而CK处理从第7天开始才达到50℃，且>50℃的时间仅能维持3d，自第8天开始温度降低。说明接种CHB1菌剂有助于堆肥在高温期保持较高的温度和更长的时间。
2.2 添加高温菌对污泥堆肥碳氮比的影响 堆肥的碳氮比（C/N）是检测堆肥腐熟的一个重要指标，通常认为C/N由堆肥初始的25～30下降到20以下为堆肥腐熟的主要标志[13]。从图2可知，CK和CHB1处理堆肥的C/N均随着发酵时间的增加而逐渐降低，CK处理最终降低为17，而CHB1处理则降低至14，这是因为随着好氧堆肥的进行，碳和氮同时减少，而碳的损失比氮要高[14]。
2.3 添加高温菌对污泥堆肥pH值的影响 不同堆肥处理过程中的pH值变化如图3所示。由图3可知，2种堆肥处理的pH值变化趋势相同，先升高再趋于稳定，即从弱酸性演变为弱碱环境。CK和CHB1处理的pH值均在12d达到最高峰7.4。
2.4 添加高温菌对污泥堆肥酶活性的影响
2.4.1 蛋白酶 由图4可知，堆肥过程中蛋白酶活性的变化趋势随着堆肥的进行先上升后下降。CK和CHB1处理分别在堆肥第9和第6d达到峰值，分别为2.34、3.55Ug-1。接菌组蛋白酶酶活均高于对照组，并且在堆肥前6d两堆肥处理的蛋白酶差异较显著（P<0.05）。蛋白酶主要参与含氮化合物的分解和蛋白质、氨基酸及其他含氮化合物的转化[15]。堆肥前6d蛋白酶酶活不断升高，可能与蛋白类物质快速分解有關，而堆肥后期蛋白酶活性趋于稳定，此结果与Aira等[16]相一致。在污泥的整个堆肥过程中，添加CHB1菌剂的蛋白酶酶活均高于对照组，这可能与CHB1菌株具有产蛋白酶特性有关[17]。
2.4.2 脱氢酶 脱氢酶在有机化合物的氧化过程中发挥着重要作用，它将氢从底物传递给受体[18]。在整个堆肥过程中，脱氢酶活性先上升后下降（图5）。由图5可知，堆肥前12d，2个处理的脱氢酶酶活呈增加趋势，CHB1处理的脱氢酶活性高于CK处理，且差值随着堆肥的进行越来越大。堆肥12d后脱氢酶活性下降，可能与有机物被大量消耗有关。Paola等[19]研究表明，脱氢酶活性与水溶性有机碳呈正相关，随着有机物的降解，导致脱氢酶活性下降。
2.4.3 纤维素酶 纤维素酶是碳代谢的重要酶类，其酶活强弱反映了堆肥过程中碳素的降解情况。在污泥堆肥过程中，CK处理的纤维素酶活在前12d呈增加趋势后趋于稳定，在18～21d期间呈下降趋势（图6）。CHB1处理的纤维素酶活在堆肥前15d上升，之后下降。与蛋白酶和脱氢酶有所不同的是，堆肥的前13d期间CK的纤维素酶活高于CHB1处理，之后则相反。可见添加CHB1高温菌对纤维素的降解能力并没有得到明显的提高。
3 结论
堆肥过程中，添加高温菌可增强蛋白酶和脱氢酶的活性，可提高污泥堆肥温度，维持较长的高温时间，达到堆肥的无害化要求。堆肥结束时，接菌处理碳氮比显著低于对照组。堆肥后接菌组和对照的pH值由弱酸性转变成弱碱性。
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（责编：张宏民）