本文摘要：摘要：本研究提出廚余垃圾協(xié)同園林綠化垃圾及返料的靜態(tài)生物干化工藝，探討了靜態(tài)生物干化過程的溫度、含水率等的變化規(guī)律，并利用宏基因組學(xué)技術(shù)對生物干化過程中的微生物群落結(jié)構(gòu)的演替進(jìn)行了探究。結(jié)果表明靜態(tài)生物干化技術(shù)升溫速率快，4個(gè)小時(shí)內(nèi)即可讓物料從室溫升
摘要：本研究提出廚余垃圾協(xié)同園林綠化垃圾及返料的靜態(tài)生物干化工藝，探討了靜態(tài)生物干化過程的溫度、含水率等的變化規(guī)律，并利用宏基因組學(xué)技術(shù)對生物干化過程中的微生物群落結(jié)構(gòu)的演替進(jìn)行了探究。結(jié)果表明靜態(tài)生物干化技術(shù)升溫速率快，4個(gè)小時(shí)內(nèi)即可讓物料從室溫升至65°C以上。料堆的含水率在48小時(shí)內(nèi)由36%迅速降低至20%左右。其過程主要作用的菌門有厚壁菌(Firmicutes)和放線菌(Actinomycetes)兩種。屬層面分析則發(fā)現(xiàn)主導(dǎo)的菌屬有芽孢桿菌屬(Bacillus)、糖單孢菌屬(Saccharomonas)、葡萄球菌屬(Staphylococcus)和高溫放線菌屬(Thermoactinomycetes)。靜態(tài)生物干化工藝使物料主要處在高溫發(fā)酵段，微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝通路相對穩(wěn)定，保證了工業(yè)化操作的穩(wěn)定性和高效率，是一種具有廣泛應(yīng)用潛力和前景的生物干化新策略。
關(guān)鍵詞：廚余垃圾;靜態(tài)生物干化;宏基因組學(xué);微生物群落
0.引言
由于廚余垃圾含油和含水率高，對其運(yùn)輸、貯存、處理及再生利用存在一定的困難[1-3]。厭氧消化是對廚余垃圾無害化和資源化最常見的技術(shù)，但會(huì)產(chǎn)生大量的高濃廢液及大量沼渣[4,5]。生物干化技術(shù)可以低成本地將高含水垃圾進(jìn)行減量化和初步穩(wěn)定化[6]，有利于后續(xù)的運(yùn)輸，貯存和利用，且過程不產(chǎn)生高濃度廢液或殘?jiān)�，因此被用于生活垃圾[7-10]和污泥[11-15]等高含水固廢的處理處置。生物干化[6,8]是微生物作用下料堆中有機(jī)物降解并釋放熱量，使得料堆升溫，水分蒸發(fā)攜帶走水分的過程。主要影響因素有物料透氣性、通風(fēng)強(qiáng)度、反應(yīng)溫度、C/N比、pH值和微生物濃度等。
目前高含水固廢生物干化的工藝絕大多數(shù)通過翻堆和鼓風(fēng)[16-19]等輔助手段增強(qiáng)物料堆的供氧，提高水蒸汽的蒸發(fā)量，雖然優(yōu)化了干化效率，但也消耗大量的能量[20]，而且需要專門機(jī)械設(shè)備，增加了工藝的復(fù)雜性。此外還有些學(xué)者研究了添加菌種[10,21]或添加輔料[22-24]的生物干化過程，一定程度地改善了干化效果。另一方面，隨著生物技術(shù)的迅速發(fā)展，變形梯度凝膠電泳、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、高通量測序等技術(shù)日趨成熟，成本迅速降低，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于健康、生物工程、環(huán)境工程和生態(tài)等領(lǐng)域[25]。
高通量測序能定性分析微生物菌群的多樣性，對分析生物干化堆料中微生物菌群和功能基因的組成有重要意義，借助宏基因組測序技術(shù)可以深入地了解堆料系統(tǒng)菌群之間的相互作用[26]。為了進(jìn)一步降低生物干化的成本，本研究提出一種基于自然對流的靜態(tài)生物干化工藝：將高含水的新鮮物料與返料進(jìn)行一定的比例混合并置于鏤空的模塊化小型發(fā)酵筒中，不進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)或翻堆，利用料堆本身的熱量和溫差促使料堆內(nèi)外發(fā)生自然對流，實(shí)現(xiàn)快速生物干化。
針對該工藝，本研究進(jìn)行了廚余垃圾、園林綠化垃圾及返料的協(xié)同生物干化實(shí)驗(yàn)，揭示了靜態(tài)生物干化過程的溫度、含水率、電導(dǎo)率和pH等各項(xiàng)指標(biāo)的變化規(guī)律。生物干化過程的微生物群落結(jié)構(gòu)演替規(guī)律已有較多報(bào)道[24,27-30]，但鑒于靜態(tài)生物干化過程生物速度快，干化周期短的特點(diǎn)，其優(yōu)勢微生物種群及演替尚未明晰，因此利用宏基因組學(xué)技術(shù)對廚余垃圾生物干化過程中的微生物群落結(jié)構(gòu)的演替進(jìn)行了分析討論，探討了生物干化過程與微生物群落變化的相互關(guān)聯(lián)。
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1發(fā)酵原料準(zhǔn)備
廚余垃圾來源于廣西力源寶科技有限公司員工食堂，園林綠化垃圾為南寧市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)街道的綠化垃圾。首先對廚余垃圾及園林綠化垃圾進(jìn)行破碎，并與多次生物干化的返料按一定比例均勻混合，配置成發(fā)酵物料待用。各原料的基本物化性質(zhì)，經(jīng)過一定比例混合，使得初始含水率為36%左右以保證料堆孔隙率。
1.2生物干化的實(shí)驗(yàn)過程
首先在廚余垃圾啟動(dòng)初期，利用蔗糖濾泥生物干化產(chǎn)物作為發(fā)酵母料，與廚余垃圾及園林綠化垃圾進(jìn)行一定比例混合后進(jìn)行生物干化。干化后的物料作為新一輪的生物干化的返料。經(jīng)過十次反復(fù)生物干化后使得返料性質(zhì)相對穩(wěn)定后再進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)。將物料裝入發(fā)酵筒(150mm*150mm*500mm)中靜置，進(jìn)行生物干化。每隔一定的時(shí)間對物料堆中的溫度進(jìn)行記錄，測溫點(diǎn)位于每個(gè)發(fā)酵筒的中心，最終的溫度為六個(gè)發(fā)酵筒的平均溫度。對料堆進(jìn)行采樣，采樣位置為發(fā)酵筒中心往下25cm。將6個(gè)發(fā)酵筒樣品進(jìn)行混合后進(jìn)行分析檢測，以便降低由于采樣不均產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。
由于新鮮廚余垃圾存儲時(shí)間不宜過長，如每天收集一次，則生物干化應(yīng)該每天進(jìn)行一個(gè)批次，即生物干化周期應(yīng)該為24h的整數(shù)倍。經(jīng)過前期十次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)48h的干化時(shí)間可以將料堆含水率降至20%以下，可相對穩(wěn)定貯存，且可作為理想的返料進(jìn)行下一批次的生物干化，因此將干化時(shí)間設(shè)定為48h。
對樣品進(jìn)行含水率測定后放入-20℃冰箱保存，收集完一個(gè)批次的樣品后統(tǒng)一進(jìn)行理化性質(zhì)(pH值、EC、TN、TP、TK、TOC等)檢測。此外，部分樣品用EP樣品瓶封裝，置于有干冰的保溫箱，寄送上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司(ShanghaiMajorbioBio-pharmTechnologyCo.,Ltd)進(jìn)行微生物信息分析。
1.3生物信息學(xué)分析
利用PCR技術(shù)對樣品中提取的基因片段進(jìn)行擴(kuò)增，之后利用IlluminaHiseq平臺進(jìn)行測序，測序獲得的原始序列，先進(jìn)行拆分、質(zhì)量剪切以及去除污染等優(yōu)化處理。然后使用優(yōu)化序列進(jìn)行拼接組裝和基因預(yù)測。對得到的基因利用BLASTP將基因與NR數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了比對，獲得了門水平和屬水平的物種的分布情況。此外利用BLASTP將基因與KEGG數(shù)據(jù)庫進(jìn)行功能上的注釋以及分類，獲得了各個(gè)樣品中微生物代謝通路的預(yù)測信息。測序過程在上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進(jìn)行，相關(guān)比對分析則在該公司提供的云平臺上進(jìn)行了。
2結(jié)果與討論
2.1溫度和含水率隨時(shí)間的變化
料堆內(nèi)部的溫度在干化開始4小時(shí)后即迅速由40°C升高至65°C，進(jìn)入高溫發(fā)酵階段，與傳統(tǒng)的生物干化1天至數(shù)天才達(dá)到65°C[12,19,24,27]的相比具有顯著優(yōu)勢。推測因按較高比例的返料與廚余垃圾混合，料堆通風(fēng)性較好，菌種活性高，從而得以快速升溫。隨著干化的進(jìn)行，堆體溫度在65至70°C之間波動(dòng)，直至干化時(shí)間達(dá)到48小時(shí)后料堆溫度才開始出現(xiàn)略微下降趨勢，停止干化過程進(jìn)行出料操作。
將一部分干化產(chǎn)物與新鮮的廚余垃圾及園林垃圾混合進(jìn)入下一個(gè)生物干化的周期，其余的產(chǎn)物進(jìn)行貯存或后續(xù)資源化利用。水是生物干化過程中微生物繁殖和有機(jī)物分解所需的重要物質(zhì)[6,8,31]，含水率影響著發(fā)酵進(jìn)程和腐熟度，同時(shí)含水率也是評估料堆干化效果的關(guān)鍵指標(biāo)，水分的變化是含有有機(jī)質(zhì)的物料氧化分解和蒸發(fā)作用兩方面共同的結(jié)果。
靜態(tài)生物干化物料的含水率由初始的36%下降到干化結(jié)束時(shí)的約20%，下降了將近15%。整個(gè)干化過程中含水率呈現(xiàn)下降趨勢，說明總的蒸發(fā)的水分損失量高于有機(jī)物料被微生物分解所釋放的水分量。雖然在干化開始后含水率即已經(jīng)低于35%，但堆體還是可以保持在高溫狀態(tài)，這與文獻(xiàn)中所述低于35%的含水率使得大多數(shù)維生物休眠并不完全相符[6]，這可能是由于一些適應(yīng)低含水率的菌群在干化過程中起到主導(dǎo)作用有關(guān)[32]。
相較傳統(tǒng)的生物干化，靜態(tài)生物干化技術(shù)通過合理地配比對干化原料進(jìn)行混合，改善了料堆的孔隙率，使得堆體迅速進(jìn)入發(fā)酵的高溫階段，避免了傳統(tǒng)生物干化中耗時(shí)較長的升溫階段[23,33]。此外，靜態(tài)生物干化在堆體進(jìn)入降溫階段立即出料，避開了耗時(shí)數(shù)天的降溫和腐熟階段。雖然靜態(tài)生物干化在一定程度上降低了單次單位體積料堆的處理產(chǎn)能，但整個(gè)干化過程不用翻堆，不用強(qiáng)制通風(fēng)，所需時(shí)間較傳統(tǒng)生物干化大大縮減，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢及應(yīng)用前景。
2.2物料的理化性質(zhì)隨時(shí)間的變化
TOC含量在發(fā)酵過程中總體呈現(xiàn)逐步降低趨勢，由最高的39.62%降至干化終點(diǎn)的36.86%，這是由于微生物降解了堆體中的有機(jī)質(zhì)[8]，有機(jī)碳的降解也是干化過程中料堆升溫?zé)崃康膩碓碵20]。下降趨勢不是特別明顯，推測是因?yàn)殪o態(tài)生物干化速度快，只經(jīng)歷了48小時(shí)，避免了干化過程中有機(jī)質(zhì)過多損失。此外氮磷鉀等元素的變化不明顯。整個(gè)發(fā)酵干化周期中，物料pH值呈現(xiàn)微小的下降趨勢，但變化不明顯，均屬于微堿性的狀態(tài)。物料的電導(dǎo)率在整個(gè)生物干化周期中保持在較高的4.56至5.2之間，而氨氮隨著生物干化的進(jìn)行略有升高，表明生物干化過程中把有機(jī)的氮元素轉(zhuǎn)化為了氨氮[17]。
3結(jié)論
本研究提出一種基于自然對流的靜態(tài)生物干化工藝：將高含水的新鮮物料與返料進(jìn)行一定的比例混合并置于鏤空的模塊化小型發(fā)酵筒中，利用料堆本身的熱量和溫差促使料堆內(nèi)外發(fā)生自然對流，實(shí)現(xiàn)快速生物干化。實(shí)驗(yàn)表明靜態(tài)生物干化中料堆的含水率可以在48小時(shí)內(nèi)從36%迅速降低至20%左右。相交傳統(tǒng)的生物干化，該工藝升溫快，不用翻堆，不需要強(qiáng)制通風(fēng)，具有較明顯的技術(shù)優(yōu)勢。靜態(tài)生物干化過程主要作用的菌門有厚壁菌門和放線菌門，這與傳統(tǒng)的生物干化中還有變形門和擬桿菌門優(yōu)勢菌種形成較明顯的差異。
屬層面分析發(fā)現(xiàn)主導(dǎo)的菌屬有芽孢桿菌屬、糖單孢菌屬、葡萄球菌屬和高溫放線菌屬。雖然屬層面菌群結(jié)構(gòu)在靜態(tài)干化過程中發(fā)生了變化，但其主要的代謝通路種類和豐度在發(fā)酵周期中并未監(jiān)測到有明顯變化，這也保障了靜態(tài)干化工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。靜態(tài)生物干化工藝流程主要利用高溫發(fā)酵階段進(jìn)行干化，保證了微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性，從而可以保障工業(yè)化操作的穩(wěn)定性和高效率，是一種具有應(yīng)用潛力和前景的生物干化新策略。
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作者：馬大朝1，2，鄧秀汕1，鄧秀泉1，張璇2，梁政武1，馮慶革2*
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