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有机废弃物好氧堆肥:调控手段、微生物及酶活性变化、臭气产生

(来源:环境工程  原文标题:有机废弃物好氧堆肥:调控手段、微生物及酶活性变化、臭气产生  原创马 闯 扈 斌 刘福勇 张宏忠 魏明宝 赵继红(郑州轻工业学院/环境污染治理与生态修复河南省协同创新中心))
 
研究背景
        有机固体废物的处理已经成为全球范围内重要的环境问题和社会问题。传统的焚烧、土地填埋等处理方式不仅会产生温室气体,同时也占用了宝贵的土地资源。堆肥发酵处理具有无害化成本低、操作简单以及将有机质、氮、磷等养分可资源化利用的优点,是适合我国目前经济发展状况的处理方式。好氧堆肥严格来说是在有氧条件下微生物降解有机废弃物并产生热量、H2O和CO2的过程,利用微生物进行一系列的生化反应,最终将不稳定的有机物转化为不含植物毒性、不含病原体的稳定堆肥产品。这种堆肥产品既可农用,也可以用于半干旱土地恢复土壤肥力。但是自然堆肥过程缓慢,也会产生NH3、H2S,同时也造成了堆肥的氮损失。因此,工业化的堆肥一般要进行人工调控。本文综述了好氧堆肥过程的调控手段以及好氧堆肥过程中的微生物群落、酶、臭气变化状况,探索了堆肥过程中微生物、酶与臭气之间的关系,以期为控制有机废弃物堆肥处理过程中的臭气提供参考。
 
摘  要
        系统总结了有机固体废物好氧堆肥化处理过程的调控手段、堆肥各个阶段的微生物群落演替、堆肥过程中酶活性的变化以及臭气的产生情况。堆肥过程中温度变化对微生物的生长繁殖产生显著影响,微生物群落先由嗜温菌演替至嗜热菌,再由嗜热菌演替至嗜温菌,有机物被逐步降解。各种有机物降解需不同酶参与,主要有芳基硫酸酯酶、脲酶、蛋白酶、葡萄糖激酶、纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、过氧化物酶等;微生物发酵过程蛋白质的降解产生NH3,厌氧条件下硫酸盐还原菌与产甲烷菌的生命活动产生H2S,氨基酸脱羧作用、厌氧降解及局部厌氧发酵产生挥发性有机物(VOCs),这些臭味物质均会对环境造成二次污染。可以尝试调控微生物酶系统来提高堆肥效率,并阻断发酵过程中臭气物质的产生。
 
01
堆肥的调控手段
1.上堆前的调节
        添加调理剂是物料堆肥上堆前的主要调节手段。原有机废弃物的C/N、含水率等初始参数通常难以满足微生物的生长需求,不适合好氧发酵。通过添加调理剂,可以改善堆肥物料的理化条件和物料结构,增加堆料与空气的接触面积,满足好氧微生物对生长环境的要求,并提高堆肥产品的最终品质。
 
        Hay等利用秸秆与锯末,分别与污泥进行质量比为1∶1的共堆肥,发现2种调理剂均能有效地杀死堆体中细菌和病原微生物,产生稳定且无臭的堆肥产品。          Zavala等以锯末为调理剂对人粪渣进行堆肥试验,发现混合物料含水率调节至65%时可达到有机物最大降解速率。Eklind等分别添加秸秆、树叶、硬木片等作为调理剂与城市生活垃圾共堆肥,发现随着初始堆体C/N的升高(13~34),有机质降解速率也逐渐增大。Bhamidimarri等以锯末为调理剂与猪粪进行不同C/N堆肥试验,发现最佳C/N为20~30。Huang等以锯末为调理剂时与猪粪进行共堆肥试验,发现添加少量调理剂造成低C/N比共堆肥时,堆肥周期明显变长,且堆肥产品不能完全腐熟。
        因此,上堆前通过添加调理剂适当地调节堆体的初始C/N、含水率等参数,可以起到除臭、保氮和提高堆肥效率的作用。
 
2.上堆后的调控
        上堆后物料依靠自然通风一般难以满足微生物对O2的需求,容易发生厌氧发酵产生H2S等恶臭气体。强制通风能够改善堆体的通风供氧状况,调控堆体温度,是上堆后堆肥过程调控的最主要手段。Fernandes等研究发现:采用强制通风系统的堆体温度>55 ℃的时间少于采用自然通风系统堆体>55 ℃的时间;张向阳等通过强制通风对城市生活垃圾进行堆肥试验,发现不同的堆肥物料最适宜的通风量不同。
 
        合理的通风策略不仅可以改善堆肥发酵效果,缩短堆肥周期,还能有效控制臭味产生。Rasapoor等在不同通风量固体废弃物堆肥过程中发现,通风量在310,470 cm3/(m3·min)时,堆体C/N下降得更为显著;谢军飞等研究表明,高通风速率会增加NH3的挥发,但可以减少甲烷与NO2的排放;过高的通风速率不仅不利于维持堆体温度,还会造成大量的氮素损失,增加堆肥能耗。Patni等研究禽类粪便堆肥,认为与强制通风相比,被动通风具有更低的氮损失;Elwell在采用猪粪与锯末共堆肥的试验中发现,NH3的挥发量与通风量呈线性关系(R2=0.51);De等发现剩余污泥堆肥过程中NH3释放量在一定范围内随曝气量的增加而增加,当曝气量>8.48 L/(h·kg)时,会出现略微下降。而过低通风速率会降低堆体中的氧浓度,造成堆体局部厌氧,从而产生大量的臭气、H2S、甲烷等温室气体。张朋月等也发现:当曝气量较小时,O2供应不足导致有机物分解不彻底,产生硫醇、H2S等含硫化合物。
        因此,上堆后采用合理的通风策略,调节堆体的通风供氧速率,可以起到调控堆温,减少臭气产生,提高堆肥效率的作用。
 
02
堆肥过程中的微生物群落演替
        堆肥过程中,堆体温度会呈现先增高后降低的趋势,这与微生物的活动以及有机物的降解密切相关。温度变化对微生物的生长繁殖产生影响,而微生物的丰度直接影响堆肥的进程,在温度变化过程中,一部分菌种因不适应堆料环境,数量减少甚至死亡,另一部分菌种则大量生长繁殖成为优势种群,引起堆料中微生物群落和数量的演替。
1.升温阶段
        在堆肥过程的升温阶段,温度的上升速率取决于堆体生物易降解的有机质含量与堆体的含水率、O2含量状况。在堆肥的最初阶段,堆体内温度通常为室温,pH呈弱酸性,嗜温菌成为优势菌群,降解堆体中有机物产生有机酸,此时堆体pH迅速下降,温度迅速上升,随后由于有机酸的分解堆体pH又逐渐上升。
 
        细菌的生命活动是堆肥升温期产热和有机物分解的主要原因。由于细菌更短的世代周期,在堆肥初期细菌成为主要优势菌种。Lacey在分离嗜温菌的试验中发现:在堆肥过程中,当堆体营养物质含量过高时,放线菌繁殖速率变慢,细菌与真菌成为有机物的主要降解者。Fagan等的研究表明:在堆肥升温阶段,大量的原核生物产生淀粉酶迅速降解淀粉类物质,在堆肥升温阶段同样重要。Ryckeboer等在利用厨余垃圾高温堆肥试验中分离出升温期的优势菌属包括中温嗜热纤维素分解菌、中温酵母菌、巴氏杆菌、苏云金芽孢杆菌等。Pedro等在堆肥升温期分离出慢生根瘤菌属等优势菌属。Rocha等利用牛粪与园林废弃物共堆肥试验升温阶段分离出的优势菌属为硝化杆菌属。
 
2.高温阶段
        在经过数小时或1~2 d后,堆体会达到高温期,此时堆体内部温度达到55 ℃左右,嗜温微生物逐渐死亡或休眠,嗜热微生物成为主导,纤维素、半纤维素开始被降解。有机废弃物好氧堆肥最佳高温温度为55~60 ℃。通常来讲,堆体温度越高,微生物活性越高,病原微生物的高温灭活效果越好。在55~60 ℃时,堆体中典型的微生物是内生芽孢杆菌,Ryckeboer等在厨余垃圾高温堆肥试验中也证实了这一点;当堆体温度上升至60~70 ℃,堆体中最主要的降解微生物变为嗜热菌,如嗜热孢子丝菌;在堆体温度>70 ℃时,大部分嗜热微生物相继死亡或进入休眠状态,仅剩余少量非芽孢形成菌成为降解微生物,如氢杆菌属、栖热菌属。通常,纤维素的最佳降解温度在65 ℃左右,嗜热菌产生耐热酶对纤维素进行降解。但是,如果堆体温度过高(>70 ℃)时,会导致堆体内溶解氧含量不足,同样会抑制微生物的降解效率。在45~60 ℃,大多数嗜热微生物最为活跃,分解能力最强,且大部分病原微生物均能被杀死。
 
3.降温腐熟阶段
        嗜热微生物随着堆体中底物耗尽而停止活动,温度随即降低,堆肥进入腐熟阶段,木质素等难降解有机物在此阶段被逐渐降解并转化为腐殖质。在腐熟阶段,嗜温微生物替代嗜热微生物重新成为主导微生物,真菌成为主要降解者,生命活动增强,进一步分解剩余难降解的有机物,形成腐殖质。
 
        在堆肥过程中,微生物的群落随堆肥的温度梯度变化而变化。在堆肥升温期,堆体内温度为室温,嗜温菌作为优势菌群,细菌为主要降解者,迅速降解掉可溶性和易降解的有机物。在温度达到55 ℃以上时,堆肥进程进入高温期,嗜温微生物逐渐死亡或休眠,嗜热微生物成为主导,纤维素、半纤维素开始被降解,病原微生物被高温灭活,且在高温期初期由于蛋白质的降解产生大量NH3。随后,由于堆体中底物耗尽嗜热微生物停止活动,温度随即开始降低,堆肥进入腐熟阶段,嗜温微生物重新成为优势菌种,真菌成为主要降解者,生命活动增强,进一步分解剩余难降解的有机物(木质素)。堆肥过程中不同温度阶段下的优势微生物见表1。
 
表1 堆肥过程不同温度阶段下的优势微生物
 
03
堆肥过程中的酶活性变化
        堆肥是靠酶促进行的生物化学反应系统,依靠温度和微生物之间的关系进行。有机物的减少是微生物同化和异化作用的结果,与微生物组成和活力有很大关系。堆肥物料所含的物质主要有蛋白质、脂肪、淀粉、糖类、纤维素、半纤维素、木质素等。各种有机物需不同微生物群落来进行生物降解,该过程中需要一系列酶的参与。其中,微生物合成的芳基硫酸酯酶,催化裂解硫酸酯键,生成无机硫酸根,在去除有机物中的硫酸盐基团中起重要作用,而脲酶则由微生物合成后分解堆肥物料中所含的尿素,产生NH3和CO2
 
1.蛋白质的降解
        在合适的环境条件下,微生物利用自身合成的蛋白酶将物料中的蛋白质降解为氨基酸,氨基酸经微生物的脱氨作用生成有机酸与NH3,经微生物脱羧作用生成胺与CO2。胺再经一系列酶催化反应(氨氧化酶、脱氢酶等)生成有机酸,后被彻底氧化为H2O和CO2
2.脂质的降解
        脂质经真菌脂肪酶的水解作用分解为脂肪酸和甘油,甘油继续在甘油激酶的作用下生成甘油-3-磷酸,进而在磷酸甘油脱氢酶的作用下生成二羟丙酮磷酸,最终进入真菌线粒体和细菌的拟线粒体的三羧酸循环被彻底氧化为H2O和CO2。脂肪酸进行β-氧化,经过一系列的氧化、水化、进一步氧化、硫解反应下生成乙酰-CoA、FADH2、NADH,乙酰-CoA进入三羧酸循环被分解为H2O和CO2,FADH2、NADH经过氧化磷酸化生成大量ATP供微生物生命活动。
 
3.淀粉的降解
        微生物不能直接利用淀粉,必须先依靠微生物胞外水解酶的作用将其分解为单糖等形式。单糖进入微生物细胞内,经葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶、磷酸甘油酸激酶、丙酮酸激酶等一系列酶促反应生成丙酮酸和NADH,NADH经氧化生成ATP,丙酮酸进入三羧酸循环被分解为H2O、CO2和ATP。
 
4.纤维素、半纤维素的降解
        木质纤维素构成了所有植物的主体部分,通常也大量存在于生活垃圾和农业废物中。木质纤维素中纤维素占40%~60%,半纤维素占20%~35%,木质素占15%~30%。微生物通过合成纤维素酶来降解纤维素,纤维素酶主要包括C1、CX和β-葡萄糖苷酶3部分,C1酶破坏纤维素中晶体状结构后,CX酶进行水解反应,水解部分纤维素及纤维素衍生物,最后由外切β-1,4-葡萄糖苷酶和内切β-1,4-葡萄糖苷酶将纤维素链分解,生成葡萄糖,纤维二糖等小分子物质。最终经糖酵解和三羧酸循环被完全分解。
 
5.木质素的降解
        木质素分子中含有芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基、共轭双键等活性基团,可进行氧化、还原、水解、卤化、硝化、磺化、醇解、烷基化、酰化、缩合或接枝共聚等化学反应,化学性质较为复杂,溶解性差,难以被酸水解。
        微生物依靠自身合成的过氧化物酶,通过从木质素的芳环上夺取电子,形成阳离子自由基,继而以链式反应形成许多不同的自由基,引起纤维素的裂解;或合成锰过氧化物酶氧化木质素酚型结构,使木质素在一定结构上发生裂解。
 
04
堆肥过程中的臭气
        在好氧堆肥过程中最主要的3类恶臭物质为NH3、H2S和VOCs,这些臭气物质在厌氧和好氧条件下均可产生,主要产生于厌氧发酵过程。采用好氧堆肥处理有机废弃物的最终产物臭气较少,但不能完全控制臭气的产生。
 
1.NH3
        NH3主要产生在堆肥的升温期与高温期。在升温过程中,微生物迅速降解氨基酸、蛋白质等易降解的有机物,在进一步的降解过程中,由脱氨作用产生,大部分NH3溶于水中,导致堆体pH在升温过程中迅速上升。在高温期初期,嗜热微生物进一步代谢蛋白质,增加NH3的释放并导致碱化,且由于高温期温度达到55 ℃以上,氨在水中的溶解度逐渐减小,大量NH3从堆体中挥发。当温度从40 ℃升高到50 ℃且pH值增加时,NH3的溶解度约降低30%。堆体中含有的尿素与尿酸被微生物生成的脲酶分解同样会产生NH3。因此需要通过调控高温期温度和末端处理来控制NH3污染。
 
2.H2S
        H2S主要由堆体在厌氧条件下硫酸盐还原菌与产甲烷菌的生命活动产生。在富含有机物的厌氧条件下,氨基酸在芳基硫酸酯酶的作用下生成硫化物甲基化连续生成甲硫醇(MT)与二甲基苏氨酸(DMS)。硫酸盐还原菌以丙酮酸等有机物为碳源,在细胞膜内产生氢将还原为H2S;产甲烷菌产甲烷过程中,DMS被还原为甲烷与MT,MT随后发生歧化反应生成CH4、CO2、H2S,在MT歧化反应过程中生成的还原当量继续用于DMS的初步还原。产甲烷菌对MT于DMS的降解过程与硫酸盐还原菌对的还原过程是最主要的H2S产生途径。
 
        在氨基酸降解过程中,会有芳基硫酸酯酶参与降解,从氨基酸上脱下硫离子生成在厌氧条件下,被硫酸盐还原菌在产氢阶段直接还原为H2S,需要切断硫酸盐还原菌产氢阶段所用的酶;同时好氧堆肥体系中富含有机物,厌氧条件下,硫化物反应产生MT和DMS,在产甲烷菌产甲烷过程中生成H2S,需要切断产甲烷菌的酶系统。因此,可以尝试从酶促反应的角度切断堆肥过程中H2S的产生,在阻断硫酸盐还原菌与产甲烷菌酶系统的条件下,从源头抑制H2S的产生。
 
3.VOCs
        VOCs在堆肥过程中的产生浓度较低,但由于其臭阈值很高,因此对臭味贡献很大。常见的VOCs包括挥发性脂肪酸、醛、酮、酯等,均是由于堆肥局部厌氧,有机物降解不完全导致的,其中以硫醚致臭最为显著。大部分VOCs是在堆肥处理的初期阶段排放的,这是由于堆肥初期蛋白质氨基酸被微生物迅速分解产生挥发性脂肪酸,同时O2含量不足导致VOCs的挥发。Suffet等认为可以将堆肥过程的VOCs分为4类:1)污水携带的VOCs:碳氢化合物、吲哚、粪臭素、吡啶;2)微生物好氧发酵产生的VOCs:挥发性脂肪酸、胺类物质;3)发酵过程局部厌氧产生的VOCs:含硫挥发性有机物;4)堆肥产品中的VOCs:萜烯、呋喃。同样,VOCs的产生是由于蛋白酶的降解过程中,氨基酸脱氨脱羧产生小分子有机酸,脱羧作用产生胺和醛,在好氧发酵升温过程中,随温度升高导致VOCs在还未分解的情况下发生逸散,完全是物理过程,无法通过切断酶促反应控制VOCs的产生。
 
05
结 论
        国内外对于有机废弃物好氧堆肥的研究,普遍关注堆肥过程的通风调控与臭气的末端治理,鲜有研究重视各个阶段微生物群落、酶活性与臭气产生关系的研究,缺乏对酶系统与臭气产生机理的研究。对堆肥各个阶段优势菌属降解有机物所进行的酶促反应进行剖析,有利于了解堆肥过程臭气的产生机理,并从微生物降解过程中产生臭气的酶促反应的角度,切断臭气产生的进程,以达到从源头控制臭气的目的。
 
来源:马闯,扈斌,刘福勇,张宏忠,魏明,赵继红.有机废弃物好氧堆肥过程中微生物及酶活性变化状况综述[J].环境工程.2019,37(9):159-164,187