城市污泥堆肥过程中微生物研究

生态环境 2007, 16(2): 462-466 http://www.jeesci.com Ecology and Environment E-mail: editor@jeesci.com 基金项目：广东省科技攻关项目（No.2003A3040404） 作者简介：王春铭（1975－），女，博士研究生，主要从事环境微生物与固体废弃物资源化研究。E-mail: mirian88@126.com *通讯作者 收稿日期：2006-07-30 城市污泥堆肥过程中微生物研究 王春铭 1, 2，卢建文 3，雷恒毅 1 *，陈桂珠 1，李丕学 2，黄洁妍 1 1. 中山大学环境科学与工程学院，广东 广州 510275；2. 湛江市环境保护局总工室，广东 湛江 524022； 3. 广东省昆虫研究所，广东 广州 510260 摘要：采用平板计数法和最大概率法测定城市污泥堆肥干污泥中主要微生物类群的变化。结果表明，中、高温好氧菌在第 6 d达到最大值，分别为 1.05×1015 g-1、5.08×1012 g-1；中、高温厌氧菌在第 9 d达到最大值 5.50×105 g-1和 1.11×105 g-1；中、高 温好氧纤维素分解菌分别在第 3 d和第 6 d达到最大值，分别为 2.66×104 g-1、3.26×106 g-1；整个堆肥过程中，高温厌氧纤维 素分解菌数量不断增加；高温放线菌在第 3 d达到最大值，为 1.12×106 g-1；中温放线菌、真菌、中温厌氧纤维素分解菌、中 温淀粉分解菌、蛋白质分解菌和油脂分解菌在发酵初期迅速下降至零；高温淀粉分解菌、蛋白质分解菌和油脂分解菌在发酵 前 6 d数量上升，随后开始下降。发酵后期，好氧菌中兼性厌氧菌逐渐增多，严格好氧菌逐渐减少；厌氧菌中的兼性厌氧菌 逐渐减少，严格厌氧菌逐渐增多。 关键词：城市污泥；堆肥；微生物 中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2007）02-0462-05 利用堆肥法处理城市污泥，是一条使其无害化 及资源化的重要途径。微生物是堆肥发酵的主体， 其数量变化对城市污泥的发酵影响很大[1]。各种微 生物对不同物质的分解能力和分解速率是不尽相 同的，不同温度条件下堆肥过程中出现的微生物种 群和数量也截然不同，因此堆肥处理是一个复杂的 微生物混合种群生态系统的变化过程。一般地，好 氧堆肥中，有机底物的降解是细菌、放线菌和真菌 等多种微生物共同作用的结果[2]。嗜温细菌是堆肥 系统中最主要的微生物[3]，堆肥高温阶段芽孢杆菌 成为代表性细菌，此时放线菌是分解木质纤维素的 优势菌群[4]。真菌，尤其是白腐真菌可以利用堆肥 底物中所有的木质纤维素，由此，真菌的存在对于 堆肥物的腐熟和稳定具有重要的意义。 传统堆肥法一般都是采用增加营养和改善环 境条件的MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1713921492445_1，利用堆制原料中的土著微生物来降 解有机物，但堆肥初期土著微生物量少，繁殖较慢 [5-6]，因此存在发酵时间长、产生臭味且肥效低等问 题。许多研究认为，人工加入高效微生物菌剂可以 调节菌群结构、缩短发酵周期。早在 20世纪 40年 代，美国就有人通过接种细菌使堆肥时间缩短 1~3 d[7]。Wakasaki,Akiyama,Matthur 等人分别从堆肥中 分离出一些微生物作为接种菌剂施用在堆肥中，发 现这些微生物可以促进堆肥腐殖化过程，避免堆肥 早期 pH 值下降，提高堆肥氮素含量和促进堆肥过 程中磷的可溶性。不少学者已致力于研究堆肥不同 阶段起关键作用的微生物，并在自然界进行优质高 效菌群的筛选和接种技术的探讨。为了研制可以缩 短污泥堆肥处理时间，加快堆肥腐熟进程的微生物 制剂。本实验从微生物种类、数量角度出发，通过 研究城市污泥堆肥制作过程中微生物数量、类群的 变化，反映堆肥代谢情况，阐明其微生物学基本规 律，进而指导和促进城市污泥发酵，并为微生物菌 剂功能菌种的筛选指明方向。 1 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 与方法 1.1 堆制材料 堆肥原料为广州大坦沙污水处理厂脱水污泥 及麦秸。具体性质见表 1。 1.2 堆肥化过程及采样 将脱水污泥与切碎为 3 cm的麦秸按 w(C)/w(N) 为 25~30的比例均匀混合，调节混合物料含水率在 55%~60%，堆制成 1.2 m×1.2 m×1 m的堆体。通风 方式是人工翻堆方法，每 3 d翻堆一次。每次翻堆 表 1 堆肥原料的基本性质 Table 1 The basic characteristics of the compost components 试验材料 w(全 C)/% w(全 N)/% w(C)/w(N) w(水分)/% 污水厂脱水污泥 29.55 2.11 14.0 70% 麦秸 35.65 0.69 51.7 0.21 王春铭等：城市污泥堆肥过程中微生物研究 463 前从堆体上、中、下部分别多点取样。每个样品约 取 1 kg，混合后立即装入灭过菌的塑料袋中。带回 实验室进行计数 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。 1.3 培养基 （1）真菌培养基[8]：马丁--孟加拉红；（2）放 线菌培养基[8]：改良高氏一号；（3）好氧菌培养基 [8]：牛肉膏蛋白胨；（4）厌氧菌培养基[8]：高泽有 机氮；（5）好氧和厌氧纤维素分解菌培养基[8]；（6） 淀粉分解菌培养基[9]：蛋白胨 10 g、牛肉膏 3 g、 NaCl 5 g、可溶性淀粉 20 g、琼脂 20 g、蒸馏水 1 000 mL，pH 7.4；（7）蛋白质分解菌培养基[10]：蛋白胨 10 g、葡萄糖 1 g、酪蛋白 5 g、NaCl 5 g、CaCl2 0.1 g、L-酪氨酸 0.1 g、琼脂 15 g、蒸馏水 1 000 mL， pH 7.4，灭菌后冷却至 60 ℃加入 1%已灭菌的吐温 80；（8）油脂分解菌培养基[11]：牛肉膏蛋白胨培养 基中加入 1%的花生油。 厌氧菌、厌氧纤维素分解菌置 SHELLAB 牌 BACTRONTM1.5厌氧培养工作箱中培养。其余各菌 置福玛隔水式恒温培养箱培养。纤维素培养基试管 中加入 0.8~5.0 cm滤纸条，一半浸入培养基中。马 丁--孟加拉红培养基在使用时每 100 mL中加 1%链 霉素液 0.3 mL（30 ppm）。 1.4 方法 好、厌氧菌、真菌、放线菌用平皿菌落法计 数[8]。好、厌氧纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋 白质分解菌、油脂分解菌用 MPN法计数[8]。 从样品中称取 30 g 泥样（鲜质量），放入内 装玻璃珠的 270 mL灭菌生理盐水三角瓶中。150 r·min-1振荡 30 min，以使底泥中的微生物充分且 均匀地分布于液体中。土悬液被用来进行微生物 计数。 从三角瓶中取出 1 mL土悬液放到 9 mL无菌 水中，依次按十倍稀释度作一系列稀释，稀释到 10-6。再从每一个稀释度中取 1 mL 稀释液接种于 含有 9 mL培养基的试管中。从前 4个稀释度中各 取 0.1 mL悬液滴入牛肉膏蛋白胨培养基平皿、高 泽有机氮培养基平皿、马丁-孟加拉红培养基平皿、 改良高氏一号培养基平皿，用玻璃涂布棒涂布均 匀，将真菌放于 28 ℃培养，其余各菌分别在 35 ℃、 55 ℃下培养[12]。 2 实验结果 2.1 城市污泥发酵过程中的中温、高温好氧菌和厌 氧菌的数量变化 测定城市污泥发酵过程中的中温、高温好氧菌 和中温、高温厌氧菌在不同发酵时间的数量变化。 其结果见图 1。 图 1的中温好氧菌和高温好氧菌的数量在发酵 的第 3 d, 6 d, 9 d, 12 d, 15 d的变化表明：在发酵前 6 d，中温好氧菌和高温好氧菌的数量增加，这是因 为此时堆体内氧气充足和营养物质较丰富。随着微 生物旺盛繁殖，消耗了大量的氧气，好氧菌数量从 第 6 d后开始下降，第 15 d达到最低值。每克干污 泥中的中温厌氧菌和高温厌氧菌数量在发酵的第 3 d, 6 d, 9 d, 12 d, 15 d分别为 1.69×105、2.08×105、 5.50×105、3.65×103、2.28×102和 5.23×103、5.15×104、 1.11×105、5.47×103、6.13×102。结果表明，中温厌 氧菌在发酵前 6 d基本稳定，中温、高温厌氧菌在 第 9 d达到高峰，从第 9 d后开始下降。从图 1可 知，无论是好氧菌还是厌氧菌，均在第 15 d达到最 低值，说明此时城市污泥中的营养物质即将耗尽， 城市污泥达到腐熟。 将在 35 ℃和 55 ℃生长的好氧菌分别接种到厌 氧培养基中，同样将在 35 ℃和 55 ℃下生长的厌氧 菌分别接种到好氧培养基中。其生长情况见表 2。 将第 3 d和第 9 d的中、高温好氧菌接种到厌 氧培养基中 35 ℃和 55 ℃下培养，生长率分别为 31%、76%和 28%、68%。表明在发酵前 3 d因堆体 内氧气充足，处于好氧发酵阶段，好氧菌中严格好 氧菌占绝大多数，而兼性厌氧菌只有少数。发酵的 0 5 10 15 20 0 3 6 9 12 15 时间/d lo gN •g -1 中温好氧菌 高温好氧菌 中温厌氧菌 高温厌氧菌 图 1 发酵过程中每克干污泥好氧菌及厌氧菌数量变化 Fig. 1 The quantity change of aerobic bacteria and anaerobic bacteria of per gram dry sludge during fermentation 表 2 好氧、厌氧菌交叉接种培养的存活率 Table 2 The livability of aerobic and anaerobic bacteria crossing inoculated 中温好、厌氧菌互接后于 35 ℃培养的存活率/% 高温好、厌氧菌互接后于 55 ℃培养的存活率/% 发酵时 间/d 好氧菌接 入厌氧管 厌氧菌接 入好氧管 好氧菌接 入厌氧管 厌氧菌接 入好氧管 3 31 65 28 86 9 76 18 68 13 464 生态环境 第 16卷第 2期（2007年 3月） 第 9 d，由于大部分氧气被消耗，堆体接近厌氧状 态，中、高温好氧菌中兼性厌氧菌占大多数，严格 好氧菌占少部分。将第 3 d和第 9 d的中、高温厌 氧菌接种到好氧培养基分别于 35 ℃和 55 ℃下培 养，生长率分别为 65%、18%和 86%、13%。表明 在发酵前 3 d因好氧发酵，计数的厌氧菌中绝大部 分为兼性厌氧菌；在发酵的第 9 d，因处于厌氧发 酵，兼性厌氧菌数量减少，而专性厌氧菌数量增多。 2.2 真菌、放线菌和纤维素分解菌 测定城市污泥发酵过程中每克干污泥放线菌、 真菌、纤维素分解菌在不同时间的数量变化。测定 结果见表 3。 结果表明，在发酵前 3 d，因好氧发酵，高温 放线菌和中温好氧纤维素菌的数量增加，第 3 d后 这两类菌数量逐渐下降，说明这两类菌对氧含量敏 感。中温放线菌和真菌在第 6 d未能 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 到其数量， 主要是因为这两类菌生长温度在 27 ℃~35 ℃，当堆 体温度处于高温时便无法生长。高温好氧纤维素分 解菌在发酵前 6 d数量逐渐上升，随后逐渐下降， 第 15 d未测定到其生长。高温厌氧纤维素分解菌数 量则在整个发酵过程中不断上升。 2.3 大分子有机物降解菌 测定干污泥中淀粉分解菌、蛋白质分解菌、油 脂分解菌数量，结果如表 4所示。由表 4可见，发 酵第 9 d 三类中温菌的数量均降为零，发酵前 6 d 三类高温菌的数量在不断增加，第 6 d后数量开始 减少，到第 15 d下降至零。 3 分析与讨论 （1）本实验的目的是通过研究污泥堆肥制作过 程中微生物区系的动态变化，阐明其微生物变化基 本规律，进而指导和促进污泥发酵。为城市污泥发 酵提供工艺参考；为研制可以缩短污泥堆肥处理时 间，加快堆肥腐熟进程的微生物制剂指明方向。 （2）发酵过程中，细菌、淀粉分解菌、蛋白质 分解菌、油脂分解菌主要受营养状况和氧气的影 响，而放线菌、真菌和纤维素分解菌则更多地受温 度和氧气含量的影响。 （3）发酵高温期，即第 6 d，每克干污泥中温 和高温好氧菌的数量分别为 1.04×1015·g-1、 5.69×1012·g-1。中温和高温厌氧菌也分别为 1.69×105·g-1、5.15×104·g-1。可见高温期堆体内仍有 较多微生物存在，而且细菌是整个堆肥过程中不可 忽视的类群。 （4）堆肥发酵中使用的原料为城市污泥，其主 要组分为生物残体及颗粒胶质微粒；填充剂和调节 剂绝大部分来自植物，它们的主要成分是碳水化合 物（即纤维素）、蛋白质、脂肪和淀粉。因此中温 期及高温期微生物能否将有机物快速充分地降解 决定了堆肥发酵升温及腐熟的速度。在发酵过程 中，纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌和 油脂分解菌数量较少，应该在发酵初期补加一定量 的可在高温条件下生存的上述微生物，以加快堆肥 发酵升温的速度。在发酵后期，补加一定量的厌氧 微生物，尤其是厌氧纤维素分解菌，以利后熟。 表 3 干污泥中放线菌、真菌和纤维素分解菌数量统计 Table 3 The quantity statistic of actinomycete, fungi and fibrin decomposed bacteria in dry sludge 放线菌数/g-1 纤维素分解菌数/g-1 发酵时间/d 中温菌 高温菌 真菌数/g-1 中温好氧 中温厌氧 高温好氧 高温厌氧 0 6.55×106 3.11×104 4.62×109 7.45×103 3.69×103 3.60×104 1.33×102 3 18 1.12×106 2.65×105 2.66×104 4.11×102 9.65×105 1.89×102 6 0.00 2.26×105 0.00 5.23×103 0.00 3.26×106 5.85×102 9 0.00 1.30×104 0.00 0.00 0.00 1.40×104 1.60×103 12 0.00 5.06×102 0.00 0.00 0.00 2.03×102 3.33×104 15 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 6.55×104 表 4 干污泥中淀粉、蛋白质和油脂分解菌数量统计 Table 4 The quantity statistic of fungi,actinomycete and fibrin decompose bacteria in dry sludge 淀粉分解菌数 /g-1 蛋白质分解菌数 /g-1 油脂分解菌数 /g-1 发酵 时间 /d 中温菌 高温菌 中温菌 高温菌 中温菌 高温菌 0 5.11×108 6.36×105 8.55×105 3.96×104 3.31×106 1.68×105 3 2.30×109 7.66×107 6.13×105 4.78×105 7.71×104 9.10×105 6 3.33×102 4.22×109 3.22×103 6.56×106 1.66×103 2.63×107 9 0.00 1.05×106 0.00 1.23×102 0.00 6.12×104 12 0.00 8.05×104 0.00 0.00 0.00 50 15 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 王春铭等：城市污泥堆肥过程中微生物研究 465 4 结论 （1）中、高温好氧菌在前 6 d上升，随后开始 下降，第 15 d达到最低值。 （2）中、高温厌氧菌分解菌在前 9 d上升，随 后开始下降，第 15 d达到最低值。 （3）中温好氧纤维素分解菌的数量在前 3 d上 升，随后很快下降。 （4）高温好氧纤维素分解菌在前 6 d数量上升， 随后开始下降，第 15 d达到最低值。 （5）高温厌氧纤维素分解菌在整个过程中数量 不断增加。 （6）高温放线菌在发酵初期有一个缓慢的上升 过程，然后逐渐下降。 （7）中温放线菌、真菌、中温厌氧纤维素分解 菌因不耐高温，在发酵初期即迅速下降至零。 （8）发酵后期，好氧菌中的兼性厌氧菌逐渐增 多，严格好氧菌逐渐减少；厌氧菌中的兼性厌氧菌 逐渐减少，而严格厌氧菌逐渐增多。 （9）中温淀粉分解菌、蛋白质分解菌和油脂分 解菌从发酵开始数量便迅速下降，到第 9 d全部降 为零；高温淀粉分解菌、蛋白质分解菌和油脂分解 菌发酵前 6 d数量上升，随后开始下降，第 15 d达 到最低值。 参考文献： [1] 徐曾符. 沼气工艺学[M]. 北京: 农业出版社, 1981: 28-33. 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Guangdong Entomological Institute, Guangzhou 510260, China Abstract: The change of microbial flora in dry sludge during sewage municipal sludge compost was studied using Most-Probable-Number (MPN) and plate counting. The results showed that the number of mesophile and thermophile reached the peak at the 6th day, and were 1.05×1015 g-1 and 5.08×1012 g-1. The number of moderate temperature anaerobe and high temperature anaerobe reached the peak at the 9th day, and were 5.50×105·g-1and 1.11×105 g-1. The number of moderate temperature fibrin de- composed bacteria reached maximum at 3th day and was 2.66×104·g-1. The number of high temperature fibrin decomposed bacteria reached maximum at 9th day and was 3.26×106 g-1. The number of high temperature fibrin decomposed anaerobic bacteria increased continuing during composting. Thermo-actinomycete reached maximum at 3th day and was 1.12×106 g-1. The number of moderate temperature actinomycete, fungi, moderate temperature fibrin decomposed anaerobic bacteria, moderate temperature amylolysis bac- teria, lipin decomposed bacteria, protein decomposed bacteria decreased to zero rapidly at the beginning of compost. The number of high temperature amylolysis bacteria, lipin decomposed bacteria, protein decomposed bacteria increased in the first 6 days and then decreased gradually. During the latter of fermentation, The number of facultative bacteria of aerobes increased gradually, and abso- lute aerobes decreased gradually. The number of facultative bacteria of anaerobes decreased gradually, and absolute anaerobes in- creased gradually. Key words: sewage municipal sludge; compost; microbe