商 平，李芳然

(天津市海洋資源與化學重點實驗室，天津科技大學海洋科學與工程學院，天津 300457)

垃圾焚燒技術(shù)可以有效實現(xiàn)垃圾無害化、穩(wěn)定化、資源化處置技術(shù)，憑借其特有優(yōu)勢性近年來備受關(guān)注[1]．而由于我國城市生活垃圾含水量普遍較高(40%～60%)[2]，焚燒廠廣泛采用的傳統(tǒng)垃圾堆酵技術(shù)能夠在一定程度上實現(xiàn)新鮮垃圾水分脫除，但焚燒過程仍需要混合添加大量助燃劑提高垃圾整體低位熱值，導致該工藝處理成本相對較高[3]．

傳統(tǒng)堆酵技術(shù)脫水主要通過以下過程實現(xiàn)[4]：堆酵初期(1～2,d)通過重力擠壓作用脫除大部分外部水分，后經(jīng)微生物對有機成分降解作用瀝出部分結(jié)合水及其他液態(tài)物質(zhì)．從該技術(shù)原理出發(fā)，選擇在第二階段即微生物降解階段接種外源微生物方法，從加速垃圾生物降解速率的角度提升其脫水效果具有一定的理論依據(jù)．

微生物接種技術(shù)是垃圾生物處理技術(shù)中常用方法，具有特定效用或適應(yīng)特定環(huán)境的人工篩選合成微生物菌劑的加入能夠縮短垃圾堆酵反應(yīng)進程[5]．相關(guān)研究表明，采用接種微生物的方法可顯著增加垃圾堆體微生物數(shù)量，提高纖維素酶活性[6–7]．而就微生物接種技術(shù)加快堆酵脫水反應(yīng)速率方面國內(nèi)外研究甚少．本文從不同菌源篩選出不同種類及功能的菌種(高溫纖維素分解霉菌與細菌、除臭菌、軟腐菌)，進行一定組合后接種于垃圾堆體中，探討垃圾脫水量變化情況．

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 堆酵原料

原料取自天津科技大學食堂及水果店，分類后粉碎至5,mm粒徑，按照生活垃圾組成成分配制為模擬垃圾，組成成分為果蔬60%、廚余 15%、渣土10%、紙張10%、麥麩5%．添加鋸末調(diào)節(jié)碳氮比至25[8]，含水量為70%左右．

1.1.2 菌源

礦化腐熟垃圾，取自大連某垃圾填埋場；風干牛糞堆肥；大白菜軟腐組織．

1.1.3 培養(yǎng)基

察氏培養(yǎng)基(g/L)：蔗糖 30，硝酸鉀 3，氯化鉀0.5，磷酸氫二鉀1，硫酸亞鐵0.01，硫酸鎂0.5．

LB培養(yǎng)基(g/L)：蛋白胨 10，酵母浸出汁 5，氯化鈉10．

牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基(g/L)：蛋白胨 10，牛肉膏 5．

剛果紅(CMC)培養(yǎng)基(g/L)：磷酸氫二鉀1，羧甲基纖維素鈉 10，硝酸鈉 2.5，硫酸鎂 0.3，氯化鈣 0.1，氯化鈉0.1，氯化亞鐵0.01．

以上培養(yǎng)基中以 20,g/L的量加入瓊脂粉即制備成為固體培養(yǎng)基．

滅菌麥麩：霉菌擴培，含水量60%．

1.2 方法

1.2.1 菌體篩選

(1) 高溫纖維素分解菌(霉菌、細菌)篩選

初篩：取 10,g礦化腐熟垃圾樣品加入至 90,mL生理鹽水中，振蕩20,min后靜置，制備 10-6稀釋液；取稀釋液分別涂布接種于察氏培養(yǎng)基和牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基中，55,℃恒溫培養(yǎng)24,h．

復(fù)篩：分別取兩種培養(yǎng)基長勢良好的菌落1環(huán)接種于 5,mL的 LB液體培養(yǎng)基中，35,℃、130,r/min恒溫搖床振蕩培養(yǎng)1,d即成種子液．無菌條件下分別吸取 1,mL種子液于 100,mL的 LB液體培養(yǎng)基中，35℃、130,r/min恒溫搖床振蕩培養(yǎng) 1,d即成擴培液．分別吸取1,mL擴培液于剛果紅培養(yǎng)基上進行平板涂布培養(yǎng)，55,℃恒溫培養(yǎng) 24,h，形成透明圈的菌株接種于斜面培養(yǎng)基，恒溫 35,℃培養(yǎng) 24,h，4～6,℃保存．具有纖維素分解功能的霉菌與細菌各 1株分別標記為 M1、GX1．

(2) 除臭菌的篩選

初篩：取 10,g風干牛糞堆肥樣品同上于牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基進行涂布分離并劃線分離純化 3次，得到4組純化平板，從中分別挑選1個優(yōu)勢單菌落接種于斜面培養(yǎng)基，恒溫 28,℃培養(yǎng) 24,h，4～6,℃保存．

復(fù)篩：將分離得到的 4種菌株分別接種于裝有100,mL垃圾滲濾液(取自泰達環(huán)保)的 250,mL三角瓶中，用保鮮膜封口，30,℃恒溫培養(yǎng)，間隔 24,h用感官法初步判斷除臭效果并進行記錄，選擇除臭效果最好的1株菌標記為CX1．

(3) 軟腐菌的篩選

取大白菜軟腐組織于 70%酒精中浸泡 2～3,s[9]，用去離子水沖洗，將浸泡組織轉(zhuǎn)移至 0.5,mL生理鹽水中搗碎，靜置 15,min，制備菌懸液．稀釋菌懸液于LA培養(yǎng)基上進行平板劃線分離，恒溫 28,℃培養(yǎng)24,h后挑取2個長勢良好、菌落形態(tài)明顯的單菌落進一步轉(zhuǎn)接純化，獲得4組純化平板，從其中挑選1株優(yōu)勢單菌落將其標記為RX1．

1.2.2 堆酵實驗

(1) 堆酵設(shè)備

堆酵反應(yīng)在自行設(shè)計的底部錐形的柱狀 PET材質(zhì)容器中進行，設(shè)備簡圖如圖 1所示．設(shè)備分為堆酵反應(yīng)區(qū)、壓重、出水收集三部分，反應(yīng)區(qū)下部為倒錐形以保證出水效果，柱形區(qū)高度為 20,cm，直徑為6,cm，錐形區(qū)高度為 5,cm，由于堆酵材料量較少且需排除蒸發(fā)失水的測定誤差，為模擬堆酵過程條件，反應(yīng)區(qū)進行密封，底部出水面設(shè)置孔徑為 1,mm 的紗網(wǎng)．壓重的作用為模擬堆酵過程中重力擠壓脫水作用，彌補堆酵材料質(zhì)量較小的不足，壓重質(zhì)量為300,g．

(2) 堆酵方法

實驗過程中，因反應(yīng)器未設(shè)計保溫系統(tǒng)，由于堆酵物料質(zhì)量較小(400,g)，在模擬真實堆酵進程中高溫內(nèi)部環(huán)境有一定困難，反應(yīng)器置于 30,℃恒溫培養(yǎng)箱中以確保所分離微生物均能較好地生長．將篩選出的各菌株進行種子液培養(yǎng)后制備擴培液，霉菌則在含水率為60%的麥麩培養(yǎng)基進行擴培，以10%接種量接種至收集的模擬高含水量垃圾中．由前期初步堆酵可行性實驗得知，燒杯中析出液體為均質(zhì)、密度相同或相近，以析出液體質(zhì)量與初始堆酵材料質(zhì)量比值即減重比率作為表征脫水效果的指標．

圖1 設(shè)備示意圖Fig.1 The equipment diagram

1.2.3 脫臭實驗

將待試菌株按照一定比例接種于模擬垃圾(約300,g)，模擬垃圾置于以保鮮膜密封的大燒杯中，充分攪拌、混勻，以加入等量的自來水實驗組為空白對照組，將各實驗組恒溫 30,℃堆酵處理，采用六階段臭氣強度法[10]每隔 24,h評價各堆酵組產(chǎn)生的臭氣強度．

2 結(jié)果與分析

2.1 堆酵結(jié)果分析

2.1.1 篩選菌株共存性分析

向反應(yīng)器中分別以 10%接種量接種 CX1、GX1、RX1、M1單菌種及任意兩種菌株 1∶1組合菌(CX1＋GX1、CX1＋RX1、CX1＋M1、GX1＋RX1、GX1＋M1、M1＋RX1)，以加入等量自來水實驗組為空白對照組進行 98,h堆酵反應(yīng)，以脫水量所占堆酵原料的比例，即減重比率為指標繪制曲線，結(jié)果如圖 2所示．

由圖2可以看出：各實驗組累積出水量變化趨勢大致相同，0～40,h各組脫水量增長速率較大，可能是因為在此階段垃圾自由水含量較高，較易通過重力擠壓及微生物分解作用實現(xiàn)較好脫水效果；各組間總脫水量差別明顯，霉菌第 98,h累積脫水率(總減重比率)達到48.84%，脫水效果最佳，菌株GX1的累積脫水率為 45.69%，僅次于菌株 M1，菌株 CX1第 98,h后累積脫水率為38.36%，與菌株GX1相比脫水率較低，而接種菌株 RX1單菌實驗組該指標值僅為33.98%；菌株 M1、GX1各復(fù)合菌減重比率均低于單菌發(fā)酵減重比率，并且減重比率值大小同單菌脫水效率有關(guān)；菌株CX1、RX1與其他菌種復(fù)合后脫水效率顯著提高；空白對照組 98,h后減重比率僅為30.92%，遠低于以上各組單菌及復(fù)合菌這一比率值，可確定各菌株兩兩間可以共存．

圖2 接種不同菌株對脫水效果的影響Fig.2 Effect of inoculating different microorganismson dehydration

2.1.2 菌種復(fù)合比例

(1) 比例初步確定

以菌株M1為兩兩組合菌的固定菌種，按照表1設(shè)定各菌種的組合比例，根據(jù)各測定階段累積出水量計算出各組垃圾減重比率作為分析指標，得到不同配比各組復(fù)合菌劑的堆酵脫水情況，如圖 3—圖 5所示．

表1 菌株M1與各實驗菌種復(fù)合比例Tab.1 Mixing proportions of M1 with other strains

圖3 菌株M1、GX1接種比例對脫水效果的影響Fig.3 Dehydration curve of different M1/GX1 ratio

圖4 菌株M1、RX1接種比例對脫水效果的影響Fig.4 Dehydration curve of different M1/RX1 ratio

圖5 菌株M1、CX1接種比例對脫水效果的影響Fig.5 Dehydration curve of different M1/CX1 ratio

由圖 3—圖 5可以看出：菌株 M1與 GX1最佳復(fù)合比例為 1∶1，以該比例接種，培養(yǎng) 80,h時累積減重比率可達32.76%；菌株M1與CX1最佳復(fù)合比例為 2∶1，以該比例接種，培養(yǎng) 80,h時累積減重比率可達 37.17%；菌株 M1與 RX1最佳復(fù)合比例為1∶1，以該比例接種，培養(yǎng)80,h時累積減重比率可達37.67%．綜上分析可初步確定菌株 M1、GX1、RX1、CX1組合比例為2∶2∶2∶1．

(2) 多菌組合接種優(yōu)勢性分析

以初步確定的最佳接種比例2∶2∶2∶1同時接種菌株 M1、GX1、RX1、CX1，與以上確定的雙菌優(yōu)勢組合及單菌優(yōu)勢菌進行接種脫水效果對比，以確定4菌株組合接種的脫水優(yōu)勢性．各堆酵組脫水效果見圖 6．

由圖 6可知：菌株 M1、GX1、RX1、CX1復(fù)合實驗組前 24,h優(yōu)勢性并不明顯，可能是因為各菌在發(fā)酵系統(tǒng)中首次組合需要一定的適應(yīng)穩(wěn)定期，24,h后組合優(yōu)勢性逐漸明顯，脫水速率迅速升高，72,h時累積減重比率最高，可達到 52.42%；菌株 M1、RX1復(fù)合實驗組僅次之，累積減重比率為 50.07%．由此可知，菌株 M1、GX1、RX1、CX1復(fù)合菌在加速模擬垃圾堆酵脫水方面具有優(yōu)勢性．

各菌在堆酵過程中協(xié)同作用，共同加速堆酵進程．生活垃圾中水分含量較高的組分為果蔬等有機垃圾，這些有機組分纖維素分解能夠使得細胞壁組織快速降解、加速堆體的腐化及結(jié)合水釋放．通過接種纖維素分解菌，可顯著提高高纖維物質(zhì)的降解率[11]、加快堆肥升溫[12]．從腐熟礦化垃圾中篩選出的高溫纖維素分解功能的霉菌與細菌既具有特定分解功能，同時還長期適應(yīng)垃圾堆酵環(huán)境，能夠縮短接種后適應(yīng)調(diào)整期；從風干牛糞堆肥中篩選得到的除臭菌的復(fù)合加入在加速堆酵脫水方面是明顯增進的；軟腐菌作為一種致病性細菌，能夠起到使果蔬快速腐爛的作用，該部分接種實驗軟腐菌的加入雖效果不太明顯，但對于復(fù)合菌種整體而言，其具有正面的促進作用．

圖6 多菌組合接種與優(yōu)勢組脫水效果對比Fig.6 Contract of dehydration results between the inoculated combined strains and the dominant groups

(3) 復(fù)合比例的優(yōu)化

4株菌復(fù)合接種，在初步確定的菌株 M1、GX1、RX1、CX1組合比例為 2∶2∶2∶1上下取值進行 4因素3水平正交實驗，實驗結(jié)果見表2．

表2 正交實驗結(jié)果Tab.2 Results of the orthogonal experiments

由正交實驗結(jié)果可分析得出，菌株最佳復(fù)合配比為菌株 M1∶GX1∶RX1∶CX1＝2.5∶2.5∶2.5：1．按照此比例進行證實性接種堆酵實驗，72,h時脫水比率可達60%．

2.1.3 復(fù)合菌接種量對脫水效果的影響

增大接種量能夠使得引入菌群更快適應(yīng)堆酵環(huán)境從而縮短調(diào)整期，加快堆酵反應(yīng)進程．接種量的多少直接關(guān)系到垃圾生物處理實際應(yīng)用的投入成本，該部分實驗?zāi)康氖窃趯崿F(xiàn)垃圾堆酵脫水量較大的同時盡可能較大程度上減少復(fù)合菌劑接種量．以 4%為最大選擇接種量，結(jié)果如圖7所示．

圖7 不同接種量對脫水效果的影響Fig.7 Dehydration results of different inoculation amount

由圖 7可知，接種量為 4%時堆酵系統(tǒng)脫水效果最好，72,h時累積減重比率為 74.25%，接種量為 2%時次之，累積減重比率為 69.31%，接種量為 0.4%時，前 56,h接種優(yōu)勢性不明顯，小于接種量為 1%、0.8%實驗組，而隨著堆酵反應(yīng)進行，56,h開始該實驗組脫水量以較大速率增加，72,h時其累積減重比率可達61.36%，高于接種量 1%、0.8%實驗組．可能是由于當接種量足夠大(4%、2%)時，引入微生物的優(yōu)勢性比較顯著，大量的外來微生物能夠顯著抑制土著微生物生長代謝作用，成為堆酵反應(yīng)系統(tǒng)的主導菌種，而當接種量減小(1%、0.8%、0.6%)時，外來引入微生物在堆酵前期仍存在優(yōu)勢性，但由于其數(shù)量限制不足以抑制土著微生物的生長繁殖，在堆酵后期，土著微生物適應(yīng)調(diào)整期后數(shù)量增加，引入菌種與土著微生物之間相互抑制，從而導致堆酵后期脫水速率較低，而當接種量為 0.4%時，接種微生物能夠在堆酵前期發(fā)揮主導微生物作用，堆酵后期與土著微生物相互抑制作用減弱，從而使得土著微生物在堆酵后期能夠發(fā)揮降解優(yōu)勢，這一推測可通過空白組脫水率變化印證．

以 0.4%接種量，按照最佳接種條件進行驗證實驗，各組 72,h時累積減重比率分別為 62.35%、61.94%、65.78%．

2.2 組合菌除臭效果分析

分別按照 0.4%的接種量向模擬垃圾中以 M1∶GX1∶RX1∶CX1＝2.5∶2.5∶2.5∶1的比例接種組合菌及菌株 CX1，與空白對照組堆酵產(chǎn)生的臭氣強度對比，結(jié)果見表3．

表3 接種堆酵除臭效果分析Tab.3 Deodorizing result of the inoculated experimental strains

由表 3可以得出，組合菌與除臭菌 CX1的接種均能夠較為顯著降低堆酵垃圾的臭度，發(fā)揮較好的脫臭效果．小試實驗并不能模擬真實產(chǎn)生大量 H2S、NH3的實際堆酵過程，組合菌的脫臭效果需在中試實驗中進行觀察或量化探討．

3 結(jié) 論

從礦化垃圾中篩選出了具有纖維素分解功能的高溫霉菌與高溫細菌各1株，從風干腐熟牛糞中篩選出1株具有除臭效果的細菌，從大白菜軟腐組織中篩選出 1株軟腐菌．各菌種兩兩共存，且都具有較高的有機物降解能力，接種量為 10%時，接種霉菌與高溫菌脫水量可分別提高堆酵脫水量至空白組的 25倍、20倍．

多菌種復(fù)合接種堆酵具有可行性，堆酵脫水結(jié)果較單菌接種及兩兩接種有明顯提升，確定了M1∶GX1∶RX1∶CX1的最佳組合比例為 2.5∶2.5∶2.5∶1．

以 0.4%接種量進行接種，既能夠達到較高的堆酵脫水率(61.36%)，又能保證今后菌種擴大應(yīng)用成本不致過高，且具有一定的脫臭效果，為復(fù)合菌種的實用性提供了理論基礎(chǔ)．

本文以模擬垃圾為堆酵原料，初步確定了篩選所得微生物菌種的最佳接種條件，為在真實生活垃圾的接種堆酵脫水應(yīng)用提供了可行性依據(jù)．

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