研究背景
我國大中城市生活垃圾的產量由2009年的1.57億t增加至2014年的1.79億t。一方面，巨量生活垃圾的產生給生態環境安全造成危害；另一方面，生活垃圾中富含有機物組分(如餐廚垃圾、木屑等)，因此可通過資源化利用技術實現生活垃圾中有機質的回用。堆肥工藝是生活垃圾常用的處理技術，該技術在微生物的調控下將生活垃圾中有機物礦化，腐殖化。其中，好氧堆肥是堆肥工藝中常采用的策略，該過程中微生物通過分泌多種功能性酶分解有機物，最終獲得腐殖化的堆肥產品。
超高溫(>80 ℃)自發熱好氧堆肥具有致害病毒/蟲卵滅活率高，堆肥品質佳的優點。然而，生活垃圾超高溫自發熱好氧堆肥過程中物理性質及腐熟指標的變化尚不清楚。此外，好氧堆肥過程會導致溫室氣體(如甲烷、N2O)的釋放，從而加劇溫室效應，并且降低堆肥樣品品質。固氮劑常用于控制堆肥中氮的流失，固氮劑具有良好的孔隙度和比表面積，能夠通過吸附作用氣體。磷酸類固氮劑對氨的揮發及氮素控制具有良好的效果，此外，磷酸鹽類固氮劑成本較低，因此過磷酸鹽常用于控制有機物堆肥過程中氮的損失。然而過磷酸鈣(CS)對超高溫自發熱好氧堆肥工藝處理生活垃圾過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熱好氧堆肥工藝處理生活垃圾中CS添加對溫室氣體減排的影響，并揭示了CS影響下不同價態氮的轉化規律，最后揭示了CS對超高溫自發熱好氧堆肥工藝處理生活垃圾微生物群落的影響，以期為超高溫自發熱好氧堆肥工藝處理生活垃圾溫室氣體減排提供數據支持。
摘要
超高溫自發熱已被應用于剩余污泥好氧堆肥，然而該技術對生活垃圾好氧堆肥過程的影響尚不清晰。此外，固氮劑過磷酸鈣(CS)對超高溫自發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象，建立空白組(R1)和添加CS(R2)的生活垃圾超高溫自發熱堆肥體系，探究了CS影響下生活垃圾超高溫自發熱過程中溫度、含氧量、含水率、溫室氣體釋放、溶解性COD及腐熟指標的變化規律，分析CS對生活垃圾堆肥后微生物群落特征的影響。結果表明：實驗組溫度最高為80.3 ℃，高于空白組，且最低含氧量、含水率均低于R1。實驗組中甲烷和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，實驗組中溶解COD的最大含量為42.3 mg/g，略高于R1，CS利于堆體中有機物釋放。微生物群落分析表明，實驗組中Sacomonospor和Planifilum的相對豐度分別為25.6%和10.3%，堆體腐熟程度較高。
01.結果與討論
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程有機質降解的重要參數，堆肥靜態通風要求55 ℃持續不低于5 d或者65 ℃持續不低于4 d才能滿足無害化要求。圖1為超高溫自發熱好氧堆肥處理生活垃圾過程中溫度的變化。可知：室溫維持在15 ℃左右，而在R1和R2組別中，堆肥溫度呈現先急劇上升后下降最后平穩的趨勢。R1中，堆肥溫度在7 d時超過50 ℃并在13 d達到最高值78.5 ℃。在添加CS的R2中，堆肥溫度同樣在7 d內升高至50 ℃以上，并在13 d達到最大值80.3 ℃，在18 d時，堆肥溫度仍高達56.5 ℃，而此時R1中堆肥溫度則下降至42.3 ℃，即R2中高溫期較R1延續2 d。在30 d后，由于堆體中有機物分解殆盡，堆肥溫度基本維持在24 ℃。本研究在無外源熱能條件下，堆體中微生物利用生活垃圾中有機物(蛋白質、碳水化合物、脂類等)氧化分解產生熱量。在CS存在下，生活垃圾堆肥過程最高溫度略高于空白組，且超過50 ℃的堆肥時間也長于空白，說明CS的存在能夠促進生活垃圾堆肥過程中微生物的活性。之前研究表明CS對豬糞堆肥過程微生物的活性具有一定的提高作用。
圖1 超高溫自發熱好氧堆肥工藝處理生活垃圾過程中溫度的變化
圖2為超高溫自發熱好氧堆肥工藝處理生活垃圾過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，即含氧量歷時呈現先下降后升高至初始含量的趨勢。R1和R2中含氧量最低分別為8.5%和8.1%，并均出現在第13天。含氧量下降的主要原因在于生活垃圾堆肥過程中微生物活性加強消耗供給的氧氣。R2中氧含量最低值低于R1，說明CS的存在對微生物消耗有機物具有一定促進作用。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。經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，說明CS存在促進了堆肥過程中含水率降低。CS的存在堆體中高溫持續期較長于空白組，從而導致該堆體含水率下降更加明顯。之前研究表明，含水率對微生物的代謝功能產生影響，且當含水率<40%時，微生物代謝活性會受到抑制，而本研究中采用的特定菌種，其對高溫和低含水率具有一定耐受性，從而在堆肥過程后期仍能進行代謝活動。
圖2 CS對超高溫自發熱好氧堆肥工藝處理生活垃圾過程中氧氣含量及含水率的影響
2.生活垃圾超高溫自發熱堆肥過程溫室氣體排放規律
甲烷和N2O是生活垃圾堆肥過程有機物裂解釋放的溫室氣體。甲烷主要由產甲烷古菌利用堆體中簡單有機物如乙酸、甲酸及甲基胺類，在輔酶F420的調控下生產。圖3a為生活垃圾超高溫自發熱堆肥過程甲烷日釋放速率。兩堆體中甲烷的日釋放速率在前25 d內較高，這主要是因為該時期內有機物較充足。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)，出現在第11天。整個生活垃圾超高溫自發熱堆肥過程中添加CS的組別甲烷日釋放速率均低于空白組別，說明CS能夠有效實現甲烷減排。產甲烷古菌對溫度較敏感，本研究中生活垃圾堆肥過程處于超高溫已對甲烷古菌的活性產生一定抑制，而添加CS的堆體中溫度更高，從而導致甲烷日釋放速率的降低。此外，CS中SO42--S同樣會抑制產甲烷古菌的活性，進而導致甲烷釋放速率的下降。生活垃圾堆肥過程中固有的硫酸鹽還原菌以有機物如[H]、乳酸、乙酸等為電子供體將SO42--S還原為S2-，在此生化過程中產甲烷古菌亦利用上述底物實現甲烷化，進而兩生化過程存在對有限碳源的競爭，硫酸鹽還原過程產生的S2-對產甲烷古菌具有強烈的抑制作用。含有CS的生活垃圾堆體中含水率低于空白組，好氧環境隨之凸顯，進一步抑制了產甲烷古菌代謝提供條件。
圖3 生活垃圾超高溫自發熱堆肥過程中溫室氣體的排放
圖3b為生活垃圾超高溫自發熱堆肥過程中N2O日釋放速率的變化規律。堆肥過程產生的N2O主要來自有機物的硝化和反硝化過程，NO2--N在亞硝酸鹽還原酶的影響下發生還原作用會導致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，與之前文獻報道相似。堆肥前期N2O積累較高在于有機物充足且微生物活性強，硝化作用較強。此外，反硝化細菌利用堆體中可利用的有機物進行反硝化，在22 d后N2O日釋放速率增加的另一個原因可在于NH3-N與NO3--N之間轉化，并且后期含氧量升高(圖2)利于硝化細菌繁殖生長，從而提高硝化作用。在R1堆體中，N2O日釋放速率最大值出現在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)。整個堆肥過程中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程中N2O的產生。豬糞堆肥過程中發現添加物料占干重4%～34%的CS，N2O的累計排放量可減少25.6%～37.3%，本研究N2O減排量較高于此數值，可能在于本研究堆肥過程溫度較高，而高溫同樣能減少N2O的釋放。
3.生活垃圾超高溫自發熱堆肥過程中NH3的釋放特征
圖4為生活垃圾堆肥期間NH3排放的檢測結果。NH3釋放速率歷時呈現先上升后下降并平穩的趨勢。NH3釋放速率升高主要在于堆體溫度升高，微生物活性加強，從而將有機態氮轉化為銨態氮。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，堆體進入后腐熟時期，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性。此外，之前研究表明添加劑、pH、物料結構同樣會影響NH3的釋放。由圖4可知：生活垃圾超高溫自發熱堆肥過程中CS的存在同樣能夠抑制NH3的釋放，以NH3累計釋放計算，CS能夠實現NH3減排約35.6%。CS存在可減少生活垃圾堆肥NH3釋放的另一關鍵原因在于CS中PO43-、促進有機物釋放的NH4+-N與堆體中金屬離子如Mg2+、Ca2+等結合形成了NH4MgPO4·6H2O結晶等復合體，該反應過程阻斷了含氮類有機物向NH3的轉化。CS促進堆體中NH4+-N的保留，這也對產甲烷古菌產生一定的抑制作用，從而間接導致甲烷產量下降。此外，NH4+-N向NH3的電離過程更易發生在堿性環境，而本研究中CS存在降低了堆體的pH，也遏制了NH4+-N向NH3的電離過程。
圖4 生活垃圾超高溫自發熱堆肥過程中NH3的釋放
4.生活垃圾超高溫自發熱堆肥過程中有機物含量變化
溫室氣體及NH3的釋放前期伴有有機物的溶解及利用。本研究同樣探究了生活垃圾超高溫自發熱堆肥過程中溶解性COD及TC含量的變化，如圖5所示。兩堆體中SCOD含量呈現先上升后下降的趨勢。初始堆體中有機物多以顆粒狀存在，堆體中SCOD能直接被微生物所利用并合成自身所需的物質。空白組中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，說明CS的存在同樣促進了堆體中有機物的溶解過程。圖6進一步展示了堆體中溶解性有機物的EEM變化，三維熒光檢測結果同樣表明R2中有機物的含量高于R1。
圖5 生活垃圾超高溫自發熱堆肥過程中SCOD及TC含量的變化
圖6 CS存在對生活垃圾堆肥過程中有機物含量變化的三維熒光圖
此外，堆體中TC的含量歷時呈現下降趨勢。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微生物通過有氧呼吸及厭氧發酵的方式分解堆體內固有有機物。故TC含量變化趨勢與堆體微生物代謝強度的變化趨勢吻合。
5.生活垃圾超高溫自發熱堆肥過程中NO2--N、NO3--N及TN的變化規律
圖7為生活垃圾堆肥過程中NO2--N、NO3--N及TN的變化。可知：整個堆肥過程中NO3--N的含量呈現先升高后下降趨勢，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，在隨后的時間NO3--N內含量略有下降。NO3--N含量升高主要是由于硝化細菌在好氧條件下將NH4+-N轉化為NO3--N，故CS的存在促進了硝化過程。兩堆體中NO2--N的含量歷時呈現上升趨勢，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，使亞硝化細菌的活性得到了強化。TN的含量在整個堆肥周期中呈現下降趨勢。堆肥末期，R2中TN含量高于R1 2.9 mg/g，這也側面印證了CS存在能促進生活垃圾堆肥過程中保氮。
圖7 生活垃圾超高溫自發熱堆肥過程中NO2--N、NO3--N及TN的變化
6.物理指標及腐熟指標分析
表2為兩堆體堆肥結束時物料指標及腐熟指標的變化。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物的水解酸化。R2中pH略低于R1，從而導致R2中吸收更多的NH3，實現保氮。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是評價堆肥腐熟的重要指標，一般認為GI>80%，堆體達到腐熟，并且堆料可用于農田使用。在本研究中，兩堆體GI均>100%，說明生活垃圾超高溫自發熱堆肥處理后堆料可用于農田使用。電導率過高會導致一定的生物毒性，從而抑制微生物活性，在整個超高溫堆肥過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中會產生少量磷酸和無水的硫酸鈣，溶解性離子高于空白組，從而增加EC值。E4/E6是評價堆肥腐熟的一個重要指標，在本研究中CS添加降低了生活垃圾堆肥過程中E4/E6，說明堆肥腐殖化程度加劇。
表2 生活垃圾超高溫自發熱堆肥物理化學及腐熟指標分析
7.微生物群落特征分析
堆肥過程中微生物的種群結構及豐度對腐熟程度具有決定性作用。圖8為生活垃圾超高溫自發熱堆肥后期兩堆體中微生物的菌屬比較。微生物群落結構大致與文獻報道相似，與超高溫自發熱體系牲相符。由圖8可知：兩堆體在堆肥后期微生物群落結構具有較大差異，R1，R2堆體中Sacomonospora為主要的微生物，分別占21.3%和25.6%。Sacomonospor可分解大分子有機物并為后續微生物消化利用提供物質。CS的存在在一定程度上提高了Sacomonospor的相對豐度，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，從而導致Planifilum的相對豐度較高。生活垃圾超高溫自發熱堆肥過程中CS的存在提高Sacomonospora和Planifilum的相對豐度，從而有利于腐熟。
圖8 生活垃圾超高溫自發熱堆肥微生物群落結構比較
04.結論
生活垃圾超高溫自發熱堆肥過程中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，但提高了發芽率指數GI及電導率。
添加固氮劑CS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保氮。
微生物群落結構分析表明，CS添加組別中Sacomonospor和Planifilum的相對豐度分別為25.6%和10.3%，系優勢菌群，且堆體腐熟程度高。
