超高温自发热好氧堆肥处理生活垃圾中添加过磷酸钙对温室气体、氮、微生物群落的影响

研究背景

我国大中城市生活垃圾的产量由2009年的1.57亿t增加至2014年的1.79亿t。一方面，巨量生活垃圾的产生给生态环境安全造成危害；另一方面，生活垃圾中富含有机物组分(如餐厨垃圾、木屑等)，因此可通过资源化利用技术实现生活垃圾中有机质的回用。堆肥工艺是生活垃圾常用的处理技术，该技术在微生物的调控下将生活垃圾中有机物矿化，腐殖化。其中，好氧堆肥是堆肥工艺中常采用的策略，该过程中微生物通过分泌多种功能性酶分解有机物，最终获得腐殖化的堆肥产品。

超高温(>80 ℃)自发热好氧堆肥具有致害病毒/虫卵灭活率高，堆肥品质佳的优点。然而，生活垃圾超高温自发热好氧堆肥过程中物理性质及腐熟指标的变化尚不清楚。此外，好氧堆肥过程会导致温室气体(如甲烷、N2O)的释放，从而加剧温室效应，并且降低堆肥样品品质。固氮剂常用于控制堆肥中氮的流失，固氮剂具有良好的孔隙度和比表面积，能够通过吸附作用气体。磷酸类固氮剂对氨的挥发及氮素控制具有良好的效果，此外，磷酸盐类固氮剂成本较低，因此过磷酸盐常用于控制有机物堆肥过程中氮的损失。然而过磷酸钙(CS)对超高温自发热好氧堆肥工艺处理生活垃圾过程中温室气体的排放及微生物的种群特征影响不明确。因此，本研究探究了超高温自发热好氧堆肥工艺处理生活垃圾中CS添加对温室气体减排的影响，并揭示了CS影响下不同价态氮的转化规律，最后揭示了CS对超高温自发热好氧堆肥工艺处理生活垃圾微生物群落的影响，以期为超高温自发热好氧堆肥工艺处理生活垃圾温室气体减排提供数据支持。

摘要

超高温自发热已被应用于剩余污泥好氧堆肥，然而该技术对生活垃圾好氧堆肥过程的影响尚不清晰。此外，固氮剂过磷酸钙(CS)对超高温自发热好氧堆肥处理生活垃圾的影响也不明确。以生活垃圾为研究对象，建立空白组(R1)和添加CS(R2)的生活垃圾超高温自发热堆肥体系，探究了CS影响下生活垃圾超高温自发热过程中温度、含氧量、含水率、温室气体释放、溶解性COD及腐熟指标的变化规律，分析CS对生活垃圾堆肥后微生物群落特征的影响。结果表明：实验组温度最高为80.3 ℃，高于空白组，且最低含氧量、含水率均低于R1。实验组中甲烷和N2O的最大释放速率分别为0.09，1.3 g/(kg·d)，均显著低于空白组，CS存在有助于生活垃圾堆肥保氮。此外，实验组中溶解COD的最大含量为42.3 mg/g，略高于R1，CS利于堆体中有机物释放。微生物群落分析表明，实验组中Sacomonospor和Planifilum的相对丰度分别为25.6%和10.3%，堆体腐熟程度较高。

01.结果与讨论

1.温度、含氧量及含水率的变化

温度是衡量生活垃圾堆肥过程有机质降解的重要参数，堆肥静态通风要求55 ℃持续不低于5 d或者65 ℃持续不低于4 d才能满足无害化要求。图1为超高温自发热好氧堆肥处理生活垃圾过程中温度的变化。可知：室温维持在15 ℃左右，而在R1和R2组别中，堆肥温度呈现先急剧上升后下降最后平稳的趋势。R1中，堆肥温度在7 d时超过50 ℃并在13 d达到最高值78.5 ℃。在添加CS的R2中，堆肥温度同样在7 d内升高至50 ℃以上，并在13 d达到最大值80.3 ℃，在18 d时，堆肥温度仍高达56.5 ℃，而此时R1中堆肥温度则下降至42.3 ℃，即R2中高温期较R1延续2 d。在30 d后，由于堆体中有机物分解殆尽，堆肥温度基本维持在24 ℃。本研究在无外源热能条件下，堆体中微生物利用生活垃圾中有机物(蛋白质、碳水化合物、脂类等)氧化分解产生热量。在CS存在下，生活垃圾堆肥过程最高温度略高于空白组，且超过50 ℃的堆肥时间也长于空白，说明CS的存在能够促进生活垃圾堆肥过程中微生物的活性。之前研究表明CS对猪粪堆肥过程微生物的活性具有一定的提高作用。

图1 超高温自发热好氧堆肥工艺处理生活垃圾过程中温度的变化

图2为超高温自发热好氧堆肥工艺处理生活垃圾过程中氧气含量及含水率变化。由图2a可知：含氧量的变化与温度呈相逆趋势，即含氧量历时呈现先下降后升高至初始含量的趋势。R1和R2中含氧量最低分别为8.5%和8.1%，并均出现在第13天。含氧量下降的主要原因在于生活垃圾堆肥过程中微生物活性加强消耗供给的氧气。R2中氧含量最低值低于R1，说明CS的存在对微生物消耗有机物具有一定促进作用。2组别在堆肥13 d后含氧量逐渐升高，这归因于微生物活性下降。由图2b可知：两堆体中含水率均呈下降趋势。经35 d堆肥，R1中含水率由62.3%下降至39.8%，而R2堆体中含水率由初始的62.8%下降至39.7%。R2堆体中含水率幅度略高于R1，说明CS存在促进了堆肥过程中含水率降低。CS的存在堆体中高温持续期较长于空白组，从而导致该堆体含水率下降更加明显。之前研究表明，含水率对微生物的代谢功能产生影响，且当含水率<40%时，微生物代谢活性会受到抑制，而本研究中采用的特定菌种，其对高温和低含水率具有一定耐受性，从而在堆肥过程后期仍能进行代谢活动。

图2 CS对超高温自发热好氧堆肥工艺处理生活垃圾过程中氧气含量及含水率的影响

2.生活垃圾超高温自发热堆肥过程温室气体排放规律

甲烷和N2O是生活垃圾堆肥过程有机物裂解释放的温室气体。甲烷主要由产甲烷古菌利用堆体中简单有机物如乙酸、甲酸及甲基胺类，在辅酶F420的调控下生产。图3a为生活垃圾超高温自发热堆肥过程甲烷日释放速率。两堆体中甲烷的日释放速率在前25 d内较高，这主要是因为该时期内有机物较充足。在R1中，甲烷日释放速率最大值为0.21 g/(kg·d)，且出现在第8天；而添加CS的堆体甲烷日释放速率最大值为0.09 g/(kg·d)，出现在第11天。整个生活垃圾超高温自发热堆肥过程中添加CS的组别甲烷日释放速率均低于空白组别，说明CS能够有效实现甲烷减排。产甲烷古菌对温度较敏感，本研究中生活垃圾堆肥过程处于超高温已对甲烷古菌的活性产生一定抑制，而添加CS的堆体中温度更高，从而导致甲烷日释放速率的降低。此外，CS中SO42--S同样会抑制产甲烷古菌的活性，进而导致甲烷释放速率的下降。生活垃圾堆肥过程中固有的硫酸盐还原菌以有机物如[H]、乳酸、乙酸等为电子供体将SO42--S还原为S2-，在此生化过程中产甲烷古菌亦利用上述底物实现甲烷化，进而两生化过程存在对有限碳源的竞争，硫酸盐还原过程产生的S2-对产甲烷古菌具有强烈的抑制作用。含有CS的生活垃圾堆体中含水率低于空白组，好氧环境随之凸显，进一步抑制了产甲烷古菌代谢提供条件。

图3 生活垃圾超高温自发热堆肥过程中温室气体的排放

图3b为生活垃圾超高温自发热堆肥过程中N2O日释放速率的变化规律。堆肥过程产生的N2O主要来自有机物的硝化和反硝化过程，NO2--N在亚硝酸盐还原酶的影响下发生还原作用会导致N2O的积累。在本研究中，N2O日释放速率高峰主要集中于3～8 d和22～31 d，与之前文献报道相似。堆肥前期N2O积累较高在于有机物充足且微生物活性强，硝化作用较强。此外，反硝化细菌利用堆体中可利用的有机物进行反硝化，在22 d后N2O日释放速率增加的另一个原因可在于NH3-N与NO3--N之间转化，并且后期含氧量升高(图2)利于硝化细菌繁殖生长，从而提高硝化作用。在R1堆体中，N2O日释放速率最大值出现在27 d，其释放速率为5.6 g/(kg·d)，而R2中N2O日释放速率最大值出现在19 d，其最大释放速率为1.3 g/(kg·d)，显著低于R1堆体(P<0.05)。整个堆肥过程中R1堆体N2O释放积累量为0.19 g/kg，而添加CS的堆体N2O释放积累量为0.09 g/kg，较空白组减排约52.6%。之前研究表明,CS能够抑制污泥堆肥过程中N2O的产生。猪粪堆肥过程中发现添加物料占干重4%～34%的CS，N2O的累计排放量可减少25.6%～37.3%，本研究N2O减排量较高于此数值，可能在于本研究堆肥过程温度较高，而高温同样能减少N2O的释放。

3.生活垃圾超高温自发热堆肥过程中NH3的释放特征

图4为生活垃圾堆肥期间NH3排放的检测结果。NH3释放速率历时呈现先上升后下降并平稳的趋势。NH3释放速率升高主要在于堆体温度升高，微生物活性加强，从而将有机态氮转化为铵态氮。空白组中NH3的最大释放速率为681 mg/(kg·d)，而CS添加组别中NH3的最大释放速率仅为356 mg/(kg·d)，显著低于空白组。从20 d后，两堆体温度回归至常温，堆体进入后腐熟时期，NH3释放量显著下降。由于本研究中翻堆频率固定，堆体的温度与NH3释放具有显著的相关性。此外，之前研究表明添加剂、pH、物料结构同样会影响NH3的释放。由图4可知：生活垃圾超高温自发热堆肥过程中CS的存在同样能够抑制NH3的释放，以NH3累计释放计算，CS能够实现NH3减排约35.6%。CS存在可减少生活垃圾堆肥NH3释放的另一关键原因在于CS中PO43-、促进有机物释放的NH4+-N与堆体中金属离子如Mg2+、Ca2+等结合形成了NH4MgPO4·6H2O结晶等复合体，该反应过程阻断了含氮类有机物向NH3的转化。CS促进堆体中NH4+-N的保留，这也对产甲烷古菌产生一定的抑制作用，从而间接导致甲烷产量下降。此外，NH4+-N向NH3的电离过程更易发生在碱性环境，而本研究中CS存在降低了堆体的pH，也遏制了NH4+-N向NH3的电离过程。

图4 生活垃圾超高温自发热堆肥过程中NH3的释放

4.生活垃圾超高温自发热堆肥过程中有机物含量变化

温室气体及NH3的释放前期伴有有机物的溶解及利用。本研究同样探究了生活垃圾超高温自发热堆肥过程中溶解性COD及TC含量的变化，如图5所示。两堆体中SCOD含量呈现先上升后下降的趋势。初始堆体中有机物多以颗粒状存在，堆体中SCOD能直接被微生物所利用并合成自身所需的物质。空白组中SCOD的含量由初始24.3 mg/g逐渐升高至第14天的41.3 mg/g，而在R2中，SCOD的含量升高至42.3 mg/g，略高于空白组，说明CS的存在同样促进了堆体中有机物的溶解过程。图6进一步展示了堆体中溶解性有机物的EEM变化，三维荧光检测结果同样表明R2中有机物的含量高于R1。

图5 生活垃圾超高温自发热堆肥过程中SCOD及TC含量的变化

图6 CS存在对生活垃圾堆肥过程中有机物含量变化的三维荧光图

此外，堆体中TC的含量历时呈现下降趋势。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，随后两堆体TC含量缓慢降低。TC含量损失的原因在于堆体内微生物通过有氧呼吸及厌氧发酵的方式分解堆体内固有有机物。故TC含量变化趋势与堆体微生物代谢强度的变化趋势吻合。

5.生活垃圾超高温自发热堆肥过程中NO2--N、NO3--N及TN的变化规律

图7为生活垃圾堆肥过程中NO2--N、NO3--N及TN的变化。可知：整个堆肥过程中NO3--N的含量呈现先升高后下降趋势，R1和R2中NO3--N含量由初始的34.5 mg/kg逐渐升高至21 d的45.6，48.5 mg/kg，在随后的时间NO3--N内含量略有下降。NO3--N含量升高主要是由于硝化细菌在好氧条件下将NH4+-N转化为NO3--N，故CS的存在促进了硝化过程。两堆体中NO2--N的含量历时呈现上升趋势，并且在堆肥后期NO2--N含量升高率较高，这可能是由于堆肥后期温度下降，使亚硝化细菌的活性得到了强化。TN的含量在整个堆肥周期中呈现下降趋势。堆肥末期，R2中TN含量高于R1 2.9 mg/g，这也侧面印证了CS存在能促进生活垃圾堆肥过程中保氮。

图7 生活垃圾超高温自发热堆肥过程中NO2--N、NO3--N及TN的变化

6.物理指标及腐熟指标分析

表2为两堆体堆肥结束时物料指标及腐熟指标的变化。在堆肥末期，R1和R2两堆体中pH分别下降至7.51和7.34，pH下降归因于堆体中有机物的水解酸化。R2中pH略低于R1，从而导致R2中吸收更多的NH3，实现保氮。此外，R2中C/N下降至16.5，同样略低于R1，主要是由于R2堆体中碳素散失量大于氮元素。GI是评价堆肥腐熟的重要指标，一般认为GI>80%，堆体达到腐熟，并且堆料可用于农田使用。在本研究中，两堆体GI均>100%，说明生活垃圾超高温自发热堆肥处理后堆料可用于农田使用。电导率过高会导致一定的生物毒性，从而抑制微生物活性，在整个超高温堆肥过程中生活垃圾样品的EC均<4.0 mS/cm，表明堆肥可正常使用。此外，R2中EC略高于R1，并存在显著性差异(P<0.05)，原因在于CS中会产生少量磷酸和无水的硫酸钙，溶解性离子高于空白组，从而增加EC值。E4/E6是评价堆肥腐熟的一个重要指标，在本研究中CS添加降低了生活垃圾堆肥过程中E4/E6，说明堆肥腐殖化程度加剧。

表2 生活垃圾超高温自发热堆肥物理化学及腐熟指标分析

7.微生物群落特征分析

堆肥过程中微生物的种群结构及丰度对腐熟程度具有决定性作用。图8为生活垃圾超高温自发热堆肥后期两堆体中微生物的菌属比较。微生物群落结构大致与文献报道相似，与超高温自发热体系牲相符。由图8可知：两堆体在堆肥后期微生物群落结构具有较大差异，R1，R2堆体中Sacomonospora为主要的微生物，分别占21.3%和25.6%。Sacomonospor可分解大分子有机物并为后续微生物消化利用提供物质。CS的存在在一定程度上提高了Sacomonospor的相对丰度，这也与图5的R2中SCOD含量较高相一致。Bacillus，Melghirimyces及Brevibacterium在两堆体中相对丰度大致相似。Planctomycetes门中的Planifilum在两堆体中同样存在差异，R1中Planifilum的相对丰度为8.9%，而在CS存在的组别中升高至10.3%。Planifilum也是堆肥过程中重要的微生物，能够在一定程度上耐酸，而CS的添加降低了堆体pH，从而导致Planifilum的相对丰度较高。生活垃圾超高温自发热堆肥过程中CS的存在提高Sacomonospora和Planifilum的相对丰度，从而有利于腐熟。

图8 生活垃圾超高温自发热堆肥微生物群落结构比较

04.结论

生活垃圾超高温自发热堆肥过程中CS的添加能够提高堆体温度，降低含氧量、含水率。此外，CS降低了堆体pH、C/N，但提高了发芽率指数GI及电导率。

添加固氮剂CS的生活垃圾堆体中CH4和N2O的最大释放速率分别为0.09，1.3 g/(kg·d)，均显著低于空白组。此外，NH3最大释放速率为356 mg/(kg·d)，同样低于空白组，表明CS利于生活垃圾堆肥温室气体的减排并促进保氮。

微生物群落结构分析表明，CS添加组别中Sacomonospor和Planifilum的相对丰度分别为25.6%和10.3%，系优势菌群，且堆体腐熟程度高。