复合菌剂在强化污泥和秸秆的好氧堆肥中应用研究

摘要 好氧堆肥是能同时实现污泥减量化、无害化、资源化最有发展潜力的处置方式之一，为强化污泥的好氧堆肥进程和提高堆肥质量，将圆褐固氮菌（Azotobacter chroococcum）、蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）和解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）等比例混合组建为复合菌剂，污泥与玉米秸秆按体积比1∶1.5混合，烘干调节混合物的含水率至60%后接种10%的复合菌剂，装入堆肥装置中，调节空气流量为0.20 L/min进行通气发酵15 d，所得堆体的TN、TC、TP、TK分别为（23.20±0.21）、（230.80±0.56）、（3.13±0.03）、（1.55±0.01） g/kg，发芽指数为（129.95±5.42）%。比较于未加菌剂空白组，营养基质含量均有提高，且重金属含量均大幅度降低，除As外，其他重金属指标均低于有机肥国标的限值。复合菌剂发酵的堆料中总氮减少量降低，总磷含量增高，重金属含量减少，表明该混合菌剂具有固氮、聚磷和钝化重金属的作用，有助于解决市政污泥堆肥中存在的堆肥效率低、营养流失大、重金属超标等瓶颈难题。

关键词 市政污泥；污泥堆肥；秸秆；复合菌剂

中图分类号 S141.4  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）11-0036-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.11.009

Research on the Application of Compound Microbial Agent in Aerobic Composting of Sludge and Straw

FANG Chun-yu1，2， ZHENG Dan-ping2， YU Jia-yi2  et al

（1.Solid-state Fermentation Resource Utilization Key Laboratory of Sichuan Province，Yibin，Sichuan 644000.2.Biotechnology Engineering Dept，Sichuan University of Science&Engineering，Zigong，Sichuan 643000）

Abstract Aerobic composting is one of the most potential disposal methods realizing sludge reduction， innocuity and resource utilization simultaneously. To strengthen the aerobic composting process of sludge and improve composting quality， compound bacterial agent were formed by mixing Azotobacter chroococcum，Bacillus cereus and Bacillus amyloliquefaciens with the equal ratio. The sludge was mixed with corn straw according to the volume ratio of 1∶1.5， the moisture content of the mixture was adjusted to 60% by drying， then the mixture was inoculated with 10% compound microbial agent and put into the composting device， and the air flow is adjusted to 0.20 L/min for aeration fermentation for 15 d， the TN， TC， TP and TK of the sludge composting were （23.20±0.21） g/kg， （230.80±0.56） g/kg， （3.13±0.03） g/kg and （1.55±0.01） g/kg， respectively， the germination index was （129.95±5.42）%. Compared with the control group， the contents of nutrient substrate were increased， and the contents of heavy metals were decreased significantly， except As， other heavy metal indexes were lower than the limits of national standard of organic fertilizer. The decrease of total nitrogen， the increase of total phosphorus and the decrease of heavy metals in the compost of the compound microbial agent fermentation indicated that the compound microbial agent had the functions of nitrogen fixation， phosphorus accumulation and passivation of heavy metals， this will help to solve the problems of low composting efficiency， high nutrient loss and excessive heavy metals in municipal sludge composting.

Key words Municipal sludge;Sludge compost;Straw;Compound microbial agent

基金项目 固态发酵资源利用四川省重点实验室项目（2020GTJ003）；四川轻化工大学创新创业项目（CX2024139）；四川省大学生创新创业训练项目（S202310622079）；四川轻化工大学-五粮液集团合作项目（CXY2019ZR008）。

作者简介 方春玉（1977—），女，四川遂宁人，高级实验师，硕士，从事环境生物技术研究。

*通信作者，从事环境生物技术研究。

收稿日期 2023-05-02；修回日期 2023-06-27

“双碳”战略倡导绿色、环保、低碳的生活方式，节能减排和废弃物的循环利用是实现“双碳”目标的重要举措［1］。污泥问题成为中央生态环保督察特别关注的问题，我国出台相应政策、法律法规，规定污泥或废渣（符合卫生条件的可综合利用除外）必须作最终处置，污泥处置成为打通污水处理的“最后一公里”，污泥处置的出路成为亟待解决的难题。污泥农用是污泥最终处置手段中的最佳选择，由污泥有机质含量、庞大的数量和增值潜力所决定［2］。近年来，我国市政污泥产生量逐年上升，到2021年达到5 552万t，预计2025年我国污泥年产量将突破9 000万t，生活污水作为市政污泥的来源之一，是市政污泥产生量快速增多的原因，污泥处置问题面临严峻挑战［3］。好氧堆肥是达到污泥农用有效方式之一，也是同时实现污泥环保化、稳定化、无害化、资源化最有发展潜力的处置方式。侯静怡等［4］通过系动力学法和数值模拟法，对比了市政污泥减污与降碳的4条路径效果，得出市政污泥堆肥和厌氧发酵能有效提高减污降碳协同度。好氧堆肥具有能耗低、处理量大、经济且环保等优点，但也具有好氧自然堆肥效率低、臭味大、肥效低和重金属难以稳定化等缺点。研究表明［5-10］，外加微生物可强化堆肥，外源接种微生物可加快堆肥进程，缩短堆肥周期，提高对非温度杀死堆体中的病原微生物，提高肥效和降低臭味。微生物是污泥堆肥的生力军，能将污泥中的有机质分解，产生堆料肥体物和热量，促进污泥堆肥的腐熟。目前市场已有微生物菌剂品种繁多，如日本的EM菌剂，已有菌剂在餐厨垃圾和牲畜粪便的堆肥中得到了较好的应用［11-12］。实际应用中，部分菌剂存在质量差异较大、微生物活性不稳定、应用效果不理想等问题。

为达到减少堆肥进程中营养基质的流失、缩短发酵周期、提高堆肥效率、钝化金属的目的，将自行分离驯化、具有固氮、聚磷和钝化金属的功能性微生物组建为复合菌剂，对市政污泥和秸秆进行强化堆肥，并对堆肥条件进行优化，旨在为污泥堆肥构建高活性、高效能的微生物菌剂、提高污泥堆肥效率，从而推市政动污泥资源化利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

活性污泥，取自宜宾市生活污水处理厂剩余活性污泥。小麦秸秆、玉米秸秆、稻草和小白菜种子均购自淘宝网。白菜种子是由青县兴运蔬菜良种繁育中心生产，一般温度在10～25 ℃时均可播种，其发芽率不低于85%。

试验菌株均为课题组自行从白酒废水剩余污泥中分离所得，并通过鉴定为圆褐固氮菌（Azotobacter chroococcum）、蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）、解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）。

1.2 分析方法

含水率、温度、有机质、pH和种子发芽指数（GI）测定方法参考农业行业标准《有机肥料》（NY/T 525-2021）；电导率EC采用电导率仪直接测定；总碳采用总碳测定仪直接测定，总氮采用凯氏定氮仪直接测定，总磷采用水质分析仪直接测定，总钾采用原子吸收光谱仪测定；重金属含量采用ICP光谱仪测定；E4/E6采用分光光度计法测定，于465和665 nm处测定吸光度，计算比值［13］。

1.3 试验装备

堆肥装置如图1所示，堆体主体设备用塑料桶自制而成，长40 cm、宽40 cm、高50 cm，侧面开有取样口和温度检测口；用空压机供气，在软管底端接有曝气头，曝气头不同方位开孔进行全方位均匀布气。

1.4 试验操作

用LB 培养基斜面活化的菌种，取250 mL的三角瓶15个，分别装入100 mL的LB液体培养基后高温灭菌。各取3环活化菌种接种三角瓶中，每种菌接种5瓶，将三角瓶放在37 ℃、120 r/min的摇床中振荡培养12 h后，取出后按1∶1∶1的比例将3种菌悬液混合，得到混合种子液。

量取市政污泥和秸秆按一定比例混合，接入适量的混菌液后搅拌均匀，装入堆肥装置中，启动空压机进行供气发酵，注意曝气头周围装料不易过紧，或留一通道，保证气流通畅。

2 结果与分析

2.1 辅料的选择

含菌胶团的污泥脱水困难、黏度大，直接堆肥具有含水率高、溶氧低等弊端。添加秸秆能调节含水率、调节孔隙率、补充有机质。秸秆的添加，既能增加污泥之间的孔隙，提高蓬松度，提高溶氧；又能增加堆体物的氮、磷、钾等营养基质，从而提高堆肥的效果。不同原料性能参数测定见表1。

由表1可知，不同种类的秸秆，其组成成分和性能差异较大。确定秸秆种类和添加比例，可以稳定污泥堆肥效率和品质。

2.1.1 秸秆种类的确定。

选用小麦、玉米、稻草的秸秆（XM、YM、SD）为调节剂，取相同质量的秸秆分别和污泥混合均匀，接种10%的混合菌剂，混匀后置于堆肥装置中，以不接种菌剂的为对照组。设置通风量为0.15 L/min，取不同发酵时间的堆料测定其含水率、有机质含量、pH、EC、E4/E6、发芽指数，测定结果如图2所示。

从图2可以看出，综合各参数指标，堆料发酵15 d 后，堆料基本达腐熟程度。图2b显示，堆体有机质含量随发酵时间延长逐渐降低，小麦、玉米、稻草秸秆组（XM、YM、SD）0～15 d时有机质含量分别从80.19%、84.04%、81.00%下降到68.23%、69.00%、74.33%，分别下降了11.96百分点、15.04百分点、6.67百分点，添加菌剂组均小于空白对照组；添加玉米秸秆作为辅料的堆体的硝化作用和有机物降解作用较强，氮的损失较小，堆肥效果较好。从图2c可以看出，所有堆体总的EC值均小于4.0 mS/cm，不会对种子发芽和作物的生长产生影响［14］。