沼渣與餐廚廢棄物、牛糞聯(lián)合堆肥的腐殖化進程研究

白 玲 李 倩 鄧 蕓 黃振興 謝利娟 阮文權

(1.江南大學環(huán)境與土木工程學院， 無錫 214122； 2.江蘇省厭氧生物技術重點實驗室， 無錫 214122)

0 引言

隨著沼氣工程的快速發(fā)展，厭氧發(fā)酵技術已廣泛應用于處理各種有機廢棄物，但是產(chǎn)生大量的沼渣亟需處理。污泥沼渣和秸稈沼渣分別是城市污水處理廠污泥和稻秸經(jīng)過厭氧發(fā)酵后的渣滓，可能含有病原微生物和氨氧化物質等污染物；醋糟是玉米、高粱等與大量麩皮和稻殼等添加物進行醋酸發(fā)酵后的剩余物，含有大量木質纖維等不可分解物質，影響其利用效率[1]。這些沼渣中含有豐富的營養(yǎng)物質和有益微生物，可用作肥料或土壤改良劑，但是直接施用可能會給土壤和水帶來潛在風險。堆肥被認為是循環(huán)再利用有機廢棄物的有效方法之一，且可產(chǎn)生安全穩(wěn)定的堆肥產(chǎn)品[2]。但有學者指出沼渣中可降解物質含量較低，不適宜單獨堆肥[3-4]，聯(lián)合餐廚廢棄物和牛糞進行混合堆肥可彌補沼渣單獨堆肥的缺陷。

堆肥過程是有機物質在多種微生物及其分泌的酶共同作用下，發(fā)生礦化和腐殖化作用，轉化為穩(wěn)定的腐殖質類物質，堆肥的質量也與其穩(wěn)定性存在顯著相關性[5]。礦化過程主要是在水解酶作用下進行，而腐殖化過程則是在氧化還原酶作用下進行[6]，因此，堆肥過程中酶活性的變化可反映堆肥的腐殖化程度。腐殖化過程也是小分子有機物逐漸形成大分子腐殖質類物質過程。研究表明，在堆肥過程中微生物可以利用富里酸作為能源物質形成更加穩(wěn)定的胡敏酸[7-8]，增加腐殖質中胡敏酸的含量[9]，從而加速堆肥的腐熟。目前對于堆肥過程腐殖化研究較多[8, 10-12]，沼渣堆肥的研究也主要集中在禽畜糞便的沼渣[3, 13-15]，而對于其他沼渣堆肥腐殖化過程腐殖酸的分子量及腐殖化特征變化研究較少。本文分別以污泥沼渣、秸稈沼渣和醋糟為主原料，與餐廚廢棄物和牛糞聯(lián)合進行堆肥，探究其堆肥過程中脫氫酶、纖維素酶、過氧化氫酶和多酚氧化酶活性的變化及腐殖化特征，為沼渣的高效資源化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

污泥沼渣取自無錫新城污水處理廠厭氧發(fā)酵、壓濾后污泥；秸稈厭氧沼渣取自江蘇省厭氧生物技術重點實驗室中長期穩(wěn)定運行的厭氧反應器中；醋糟取自江蘇省某食醋生產(chǎn)企業(yè)；餐廚廢棄物取自江南大學食堂；牛糞和秸稈取自江蘇省某農(nóng)場，其基礎理化性質見表1。

表1 堆肥原材料基礎理化性質Tab.1 Physicochemical characteristics of different raw materials for composting

1.2 實驗設計

本實驗采用模擬堆肥，在江蘇省厭氧生物技術重點實驗室進行。設置污泥沼渣(Sludge residue, SLR)、秸稈沼渣(Straw residue, STR)、醋糟(Vinegar residue, VR)為主要原料的3組實驗，每組實驗重復3次。混合物料初始碳氮比約為25，含水率為60%～70%，其中SLR組沼渣、餐廚廢棄物、牛糞、秸稈干質量比為13∶3∶3∶6，STR和VR組相應值為13∶3.25∶3.25∶3.25和13∶3∶3∶1。將混合物料混合均勻后裝入體積為5 L的泡沫箱中，整個堆肥發(fā)酵周期為30 d，采用翻堆方式進行通風。在堆肥前10 d，每2 d翻堆一次，以保證足夠的通氣量，在11～30 d，每5 d翻堆一次。每6 d取一次樣品，采用多點法取樣，混合均勻后分為兩部分，一部分保存在4℃冰箱中，用于酶活性、溶解性有機物(DOM)含量的測定；另一部分在陰涼通風處風干后，磨碎，過1 mm篩，用于腐殖質各組分及分子量的測定。

1.3 測定項目與方法

1.3.1酶活性的測定

脫氫酶活性采用氯化三苯基四氮唑(TTC)比色法[16]；多酚氧化酶活性的測定采用鄰苯三酚比色法[17]；脲酶活性的測定采用靛酚藍比色法[17]；纖維素酶活性的測定采用DNS(3,5-二硝基水楊酸)比色法[17]。

1.3.2腐殖質各組分的提取與分析

稱取2 g樣品于50 mL離心管中，加入40 mL 0.1 mol/L NaOH與0.1 mol/L Na4P2O7混合液，混合均勻后，在30℃ 150 r/min條件下振蕩24 h，靜置后5 000 r/min離心10 min，用0.45 μm濾膜過濾，得到濾液，此為腐殖質(HS)；取一定量濾液用6 mol/L HCl調至pH值至1，在4℃保存12 h，此時沉淀為胡敏酸(HA)，上清液為富里酸(FA)，慢速定性濾紙過濾后，用0.05 mol/L NaHCO3溶液溶解沉淀，富里酸(FA)利用差減法計算，各組分中TOC(總有機碳)含量利用TOC測定儀測定。

1.3.3腐殖質分子量測定

采用高效凝膠色譜法(HPGFC)，色譜條件：色譜柱Ultrahydrogel TM Linear 300 mm×7.8 mm id×2；流動相為0.1 mol/L硝酸鈉，流速為0.9 mL/min，柱溫為30℃。分子量校正曲線所用葡萄糖標準品(均購置于Sigma公司)為：Dextran T-2000、Dextran T-150、Dextran T-40、Dextran T-10、Dextran T-5、葡萄糖180。

1.3.4熒光光譜測定

熒光光譜測定儀器為F-7000型熒光光度計(日本日立公司)。該儀器激發(fā)光源為150 W氙燈，PMT(光電倍增管)電壓400 V；響應時間為自動，掃描光譜進行儀器自動校正。三維熒光光譜掃描時激發(fā)波長為220～450 nm，發(fā)射波長為220～500 nm，掃描速度設定為2 400 nm/min，每個樣品TOC濃度調至10 mol/L。

1.3.5數(shù)據(jù)計算與統(tǒng)計分析

腐殖化系數(shù)(Humification ratio,HR)計算公式為

(1)

式中S——腐殖質碳質量比,g/kg

T——總有機碳質量比,g/kg

腐殖化指數(shù)(Humification index,HI)計算公式為

(2)

式中H——胡敏酸碳質量比,g/kg

聚合程度(Degree of polymerization,DP)計算公式為

(3)

式中F——富里酸碳質量比,g/kg

胡敏酸占有率(Percentage of HA，PHA)計算公式為

(4)

采用Excel 2016和Origin 2016進行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計。

2 結果與討論

2.1 溫度和含水率

圖1 堆肥過程中溫度和含水率變化曲線Fig.1 Changes of temperature and moisture content during composting

在堆肥過程中，溫度的變化直接影響微生物的活性并決定有機物質的穩(wěn)定性[18]。由圖1a可知，堆肥進行第1天溫度逐漸升高，其中STR在第2 天就達到50℃，最高溫度出現(xiàn)在第4天(56℃)且高溫期(≥50℃)持續(xù)7 d；SLR在第7天達到50℃并維持3 d；VR分別在第2天和第16天出現(xiàn)高溫(50℃)但也僅維持1 d，隨后呈波動性下降，這可能是由于醋糟顆粒較大，使得堆體的孔隙較大，導致熱量容易散失，到后期充足的氧氣和有機物質使微生物活性增加，提高了堆肥溫度。STR有較長時間的高溫期，可能是由于復雜有機成分降解為簡單的小分子化合物供微生物利用造成堆肥過程中持續(xù)的高溫[19-20]，加速堆肥腐熟。堆肥前期出現(xiàn)的短期低溫現(xiàn)象是由翻堆所致，但不到1 d溫度會回升，這與MUKESH等[16]和AWASTHI等[21]研究結果一致。

含水率是堆肥過程中重要的指標之一，水分為養(yǎng)分的運輸和有機質的降解提供介質。堆肥過程中含水率的變化如圖1b所示。SLR、STR和VR的初始含水率分別為63.94%、65.32%和67.88%，隨著堆肥的進行，含水率逐漸降低，這主要是由微生物活動產(chǎn)生熱量導致水分蒸發(fā)所致。SLR在堆肥前6 d含水率增加，可能是由于部分有機物質發(fā)生水解。到堆肥結束時，SLR的含水率較高，為47.45%，其次是STR，為37.01%，VR的含水率最低。在堆肥后期，堆體溫度已降低，水分的減少主要依靠翻堆或通氣。醋糟的顆粒較大，導致堆體的通氣性較好，保水性能較差，因此，在堆肥后期，與SLR相比，VR的含水率下降較快。

2.2 堆肥過程酶活性的變化

2.2.1脫氫酶和纖維素酶

脫氫酶直接參與微生物的呼吸作用，其活性可反映微生物對有機物降解能力和有機物腐殖化程度[22-23]。3組實驗中脫氫酶活性變化均呈現(xiàn)先升高后逐漸降低的趨勢(圖2a、2b、2c)，且最高值均出現(xiàn)在堆肥的第6天(此時處在高溫階段)，分別為63.79、50.18、63.81 μg/(g·h)。在高溫期，微生物分泌大量脫氫酶以分解有機物質為自身的生長和繁殖提供營養(yǎng)。堆肥結束時，SLR脫氫酶依然保持較高活性，為19.25 μg/(g·h)，說明還存在部分不穩(wěn)定有機物；而STR和VR的脫氫酶活性較低，分別為4.45 μg/(g·h)和1.18 μg/(g·h)，表明大部分有機物質已被微生物降解并轉化為穩(wěn)定的物質，呼吸過程減慢[24]。由此說明，STR和VR均已腐熟，而SLR還不穩(wěn)定。

纖維素酶與纖維素代謝有關，可將纖維素水解為葡萄糖等小分子化合物。如圖2d、2e、2f所示，在堆肥前12 d，3組實驗的纖維素酶活性隨著堆肥時間逐漸降低，主要由于溫度開始上升，微生物的代謝活力和水平處在較低狀態(tài)，此時微生物只利用簡單易降解的小部分纖維素類有機物，而體系中可被利用的有機物質僅供微生物大量繁殖，無法刺激微生物大量產(chǎn)生酶類等次生代謝產(chǎn)物。12 d后，SLR和 STR的纖維素酶活性逐漸增加，表明易降解有機物質被消耗殆盡，微生物開始利用大分子纖維素等有機物質分解代謝，刺激微生物次生代謝，產(chǎn)生纖維素酶，使纖維素酶活性增加，與SLR相比，STR的纖維素酶活性較高，為5.06 mg/(g·d)；VR在12 d以后，纖維素酶活性先增加后降低，在第24天后又增加，主要由于堆肥體系中水分、營養(yǎng)物質等減少，使微生物活性降低，次生代謝產(chǎn)物部分有累積。由此可見，在秸稈沼渣堆肥中更有利于纖維素的降解，從而使堆肥產(chǎn)品更穩(wěn)定。

圖2 堆肥過程中脫氫酶和纖維素酶活性變化Fig.2 Changes of dehydrogenase and cellulase activities during composting

2.2.2脲酶和多酚氧化酶

脲酶是一種與氮素循環(huán)有關的酶，可促進脲素分子中的酰胺鍵水解，其活性的高低反映有機物降解過程中含氮物質的礦化進程，是表征堆肥腐殖化的重要指標[25]。圖3a、3b、3c為不同沼渣堆肥過程中脲酶活性變化情況。在堆肥前期SLR和STR呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，其原因是開始時易降解有機物質充足，微生物分泌的脲酶將有機物中的脲素態(tài)氮水解為氨，隨著堆肥的進行，脲素態(tài)氮含量減少和微生物活性減弱導致脲酶活性減弱；而VR則為先降低后增加，其中在第6天最低(0.39 mg/(g·d))，第18天達到最大值(270.47 mg/(g·d))，這可能由于在第6天時，pH值較低(4.44)，抑制了脲酶活性，隨后pH值增加，脲酶活性增加。在堆肥18 d后，脲酶活性降低，直至堆肥結束。在堆肥結束時，STR的脲酶活性最低，為1.93 mg/(g·d)，其次為VR(5.45 mg/(g·d))，SLR最高，為6.22 mg/(g·d)，說明STR組有機物質處于穩(wěn)定狀態(tài)且腐殖化程度較高。

多酚氧化酶可以將一些芳香族化合物氧化為醌，同時催化醌與堆肥體系中的蛋白質、氨基酸、糖類及礦物質等反應生成交聯(lián)狀的穩(wěn)定大分子物質，利于堆肥的腐殖化[6]。由圖3d可以看出，SLR的多酚氧化酶活性在整個堆肥過程較低，這可能是因為污泥沼渣中多蛋白質等易降解有機物，可刺激微生物分泌酶的底物含量較少，導致微生物分泌的多酚氧化酶較少；STR和VR在初始時多酚氧化酶活性較高，在第6天最低，隨后變化不大，但VR在24 d時增加隨后又降低，可能是由于微生物活性降低導致次生代謝產(chǎn)物的累積；與SLR和VR相比，STR在整個堆肥過程中多酚氧化酶活性較高，在堆肥結束時，為2.04 mg/(g· h)，說明秸稈沼渣堆肥在后期以蛋白質、氨基酸等物質為營養(yǎng)物質的異養(yǎng)微生物代謝活性較低，促進腐殖質的形成，從而加速堆肥腐殖化進程。

圖3 堆肥過程中脲酶和多酚氧化酶活性變化Fig.3 Changes of urease and polyphenol oxidase activities during composting

2.3 腐殖質各組分含量及腐殖化程度的變化

堆肥過程中，纖維素被微生物降解后轉化為小分子化合物，如多糖等，此類小分子物質具有良好的生物降解性能并與氨基化合物聚合，可形成腐殖質的前體物質[7]。如表2所示，堆肥后，HS-C含量增加，且STR中HS-C含量最高，SLR、STR和VR分別增加了5.71%、10.56%、1.53%。腐殖質主要是由胡敏酸和富里酸組成的一系列與微生物和酶有關的高分子有機聚合物。堆肥的腐殖化過程使HA-C含量增加，而FA-C含量降低，這與許多前人的研究結果一致[7,9,26]。SLR、STR和VR處理HA-C質量比分別增加了17.55、17.30、3.07 g/kg，并且STR胡敏酸含量最高，這可能與原料中纖維素含量有關，同時影響微生物和酶的活性。堆肥后，SLR的FA-C含量變化最大，減少了31.33%，STR次之，VR變化最小。有研究表明富里酸減少主要是由于富里酸的分子較小，微生物可以利用轉化為分子大且結構復雜穩(wěn)定的胡敏酸[27]。

堆肥過程的腐殖化不僅要考慮腐殖質、胡敏酸和富里酸含量的變化，更要認清這些參數(shù)與TOC以及它們之間的相互關系。HR、HI、DP和PHA在堆肥前后變化如表2所示。在堆肥過程中有機碳逐漸腐殖化，最終使得堆肥系統(tǒng)穩(wěn)定。堆肥后HR增加，表明堿性條件下可溶性碳含量增加，而HI的增加則表明腐殖質的結構逐漸復雜，腐殖質分子在逐漸增大。在堆肥過程中，前體物質不僅參與了HS結構的形成，還增加HS的芳香化程度。DP表示在HS中HA與FA的比例，堆肥后DP的增加表明堆肥過程中小分子FA轉化為大分子HA，增加了HS的復雜程度。PHA表示HA在HS中占有率，堆肥后PHA增加，表明HA在HS中的含量增加，由此表明HA是構成HS的主要組分。堆肥后，相比SLR和VR，STR的HR、HI、DP和PHA最大，分別為28.89%、19.24%、1.99和66.60%，其次為SLR，VR最小，這可能原因是在STR中，纖維素的降解可提供更多的芳香化合物，使腐殖質的結構更加復雜和穩(wěn)定，加快堆肥腐熟。

表2 不同沼渣堆肥前后腐殖質各組分及HR、HI、DP、PHA變化Tab.2 Changes of humus composition, HR, HI, DP and PHA before and after composting

注：HS-C表示腐殖質碳，HA-C表示胡敏酸碳，F(xiàn)A-C表示富里酸碳。

2.4 堆肥前后腐殖酸分子量的變化

堆肥使有機物質逐漸穩(wěn)定，轉化為腐殖質類物質，即將小分子轉化為大分子。腐殖酸主要是由胡敏酸和富里酸組成，其中胡敏酸的分子量較大。如圖4所示，堆肥后腐殖酸的分子量增加，其中SLR在堆肥前后腐殖酸分子量的變化不明顯，胡敏酸和富里酸的分子量分別從堆肥前2 024 Da和585 Da變?yōu)槎逊屎? 061 Da和566 Da。對于STR和VR，腐殖酸的分子量分別從堆肥前3 284 Da和2 090 Da變?yōu)槎逊屎? 929 Da和3 990 Da，主要原因是堆肥后胡敏酸的分子量增加，使腐殖酸分子量增加。堆肥前后SLR中腐殖酸分子量沒有變，但其胡敏酸的含量增加(表2)，說明在SLR中是小分子之間相互作用形成大分子胡敏酸，而大分子胡敏酸與小分子之間幾乎不發(fā)生相互作用。而對于STR和VR，不僅小分子之間發(fā)生相互作用，而且小分子與大分子胡敏酸之間也會發(fā)生相互作用，使胡敏酸的分子量增加，最終使腐殖質的分子量增加。

2.5 溶解性有機物的三維熒光特性變化

腐殖質一般是含有大量有機物、結構復雜且不均勻的混合物，也包括不同基團和分子量的多聚體以及各種熒光基團[28]。圖5(圖中Ex、Em表示激發(fā)波長、發(fā)射波長)為不同沼渣堆肥前后DOM的三維熒光光譜變化。不同來源的DOM可能具有不同的熒光基團，主要為類蛋白熒光峰、簡單芳香蛋白熒光峰、可見光區(qū)類腐殖酸峰和紫外光區(qū)類腐殖酸峰[29-31]。如圖5f所示，堆肥后出現(xiàn)了4個不同的熒光峰，在圖中標記為A、B、C和D，其中A表示可見光區(qū)類腐殖酸物質，B表示紫外光區(qū)類蛋白，C和D表示紫外光區(qū)類腐殖酸和簡單芳香蛋白。在堆肥前，SLR、STR和VR主要含B和D兩類熒光物質，且VR中含量更高。堆肥后，SLR處理出現(xiàn)了A類物質，B和D變化不明顯，但在STR和VR中出現(xiàn)了A和C兩類物質，并且B和D兩類物質含量減少，說明A和C可能是由B、D類物質轉化而成。與STR比，VR更明顯，可能是由于VR中B、D類物質含量多。由此可見，秸稈沼渣和醋糟的堆肥腐殖化效果較好。

3 結論

(1)分別以污泥沼渣、秸稈沼渣和醋糟為主要原料，與餐廚廢棄物和牛糞聯(lián)合進行30 d堆肥實驗。結果表明，相比污泥沼渣，以秸稈沼渣和醋糟為主要原料可加快堆肥腐殖化進程。

(2)秸稈沼渣堆肥過程中纖維素酶和多酚氧化酶具有較高的活性，脫氫酶和脲酶活性先增加后降低，加速了有機物的水解和腐殖化。

(3)相比秸稈沼渣和醋糟，污泥沼渣堆肥形成的腐殖酸分子較小，而且是小分子物質之間相互聚合形成分子量較大的胡敏酸分子，為沼渣堆肥產(chǎn)品的應用提供依據(jù)。