基于静态好氧工艺的厨余垃圾堆肥特性及微生物多样性

张 璇，邓秀汕，邓秀泉，马大朝，1b，吴燕萍，冯庆革，1b

（1.广西大学，a.土木建筑工程学院；b.资源环境与材料学院，南宁 530004；2.广西力源宝科技有限公司绿色技术研究院，南宁 530000）

随着中国城市化的快速推进及人口的不断增长，城市固体废弃物尤其是厨余垃圾的产生量也在不断提高，据相关统计仅2019 年的产生量就已达1.2 亿t［1］。堆肥作为一种比较适合厨余垃圾的无害化处理技术，能利用有机废料为原料，经自然界广泛存在的微生物作用将废料中可降解的有机物转化为稳定产品［2］。目前中国商品有机肥料的最新标准NY/T 525—2021［3］对堆肥产品的水分、有机质、总养分、卫生指标做出了具体的要求，其中水分含量要求控制在30%以下，而一般厨余垃圾含水率均在70%以上［4］，因此如何在堆肥工艺中高效节能地将含水率降低至30%以内是一个迫切需要解决的问题［5］。

传统的高温、超高温好氧堆肥工艺依靠其中的嗜热微生物在降解有机物时释放出的热量使堆体温度升高，从而使厨余垃圾中的水分蒸发，但传统的条垛式和槽式堆肥工艺存在物料堆积厚度大、水分蒸发效率低、发酵干化时间长等问题［6］；另外一些有辅助加热装置的容器堆肥，虽然能快速实现厨余垃圾的干化，但能耗巨大［7］，导致肥料产品生产成本较高，市场竞争力低，而且不符合“碳达峰”“碳中和”的时代背景。因此，本研究提出基于新型发酵筒的静态好氧堆肥工艺［8］，无需强制通风和外部热源，将厨余垃圾与绿化垃圾、腐熟堆肥进行混合，经过8 d 的静态堆肥，实现物料的快速分解、干燥和腐熟，同时研究在堆肥过程中理化性能参数的变化并分析微生物群落的演变规律，以期为厨余垃圾的无害化与资源化处理提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 发酵筒

本试验堆肥装置采用专利发酵筒［8，9］，如图1 所示。发酵筒是高度为500 mm、横截面边长为250 mm的正方形，发酵筒由丝径为1 mm、孔径为5 mm 的不锈钢丝网编织制成。

图1 发酵筒

1.2 堆肥试验

厨余垃圾取自高校食堂，绿化垃圾为园林修剪废弃物，腐熟堆肥为广西力源宝科技有限公司生产。厨余垃圾首先进行破碎处理制成均匀浆液，绿化垃圾粉碎至5~10 mm，腐熟堆肥取自该公司上一批厨余垃圾堆肥结束后的样品。厨余垃圾、绿化垃圾和腐熟堆肥按质量比10∶1∶16 的比例混合均匀后，再次粉碎并装入发酵筒中。混合堆料初始水分含量约为42%，堆肥周期为8 d。上述材料理化性质如表1所示。分别于0、12、24、36、48、60、72、96、120、192 h用取样器从堆体顶部、中部和底部进行取样并混合均匀（注明样品重复几次及样品量），采集3 个样品作为重复样品，重复3次，每个样品量约200 g。样品分为2 份，一份用于理化性质测定，另一份装入无菌取样袋，-20 ℃保存，用于微生物DNA 提取和检测。

表1 堆肥材料的理化性质（平均数±标准差）

1.3 理化指标测定

用红水温度计测定堆体顶部（50 mm）、中部（250 mm）、底部（450 mm）3 个位置的温度，同时记录环境温度。样品与去离子水按质量比1∶10 振荡后静置，用pH 计和DDS-11A 型电导率仪分别测定pH 和电导率（Electrical conductivity，EC）。采用烘干法（105 ℃干燥12 h）测定水分。TN、P2O5、K2O、总养分、有机质含量根据国家标准NY/T 525—2021［3］测定，NH4+-N 含量参考国家标准NY/T 1116—2014［10］测定。

1.4 微生物多样性分析

将堆肥样品交由北京百迈客科技有限公司进行16S rDNA 和ITS1 高通量测序。使用DNA 分离试剂盒（Omega Biotech，Norcross，GA，USA）从0.25 g 堆肥样品中提取总DNA。使用表2 所列引物进行聚合酶链式反应，在Illumina MiSeq 2500 平台上进行细菌和真菌群落的高通量测序。

1.5 数据分析

使用IBM SPSS v 24.0 软件通过单因素方差分析（ANOVA）比较显著性水平为5%的理化特性差异。图形由OriginPro2019b 创建。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中理化参数的变化

温度是保证堆肥质量和进度的关键因素，也是堆肥无害化的重要标志。在初始阶段，从腐熟堆肥中接种的好氧微生物快速将堆体中的淀粉、脂肪、蛋白质分解成H2O、CO2和NH3，释放出大量的热量，使得堆体温度在0~12 h 快速上升（图2a）。在12~72 h，由于微生物代谢活动产生的热量和堆体向环境中散失的热量维持动态平衡，堆体温度保持在70 ℃左右。随着堆肥的进行，嗜热微生物可以快速分解的有机质逐渐被消耗，堆体温度逐渐降低，最终接近环境温度。在整个堆肥过程中，堆肥温度大于55 ℃的阶段持续时间超过72 h，达到消除废弃物中致病菌和抑制杂草种子生长的最低要求［11］。

图2 堆肥过程中温度（a）、含水率（b）、pH（c）、电导率（d）、有机质含量（e）和C/N（f）的变化

水分是堆肥中一个关键的控制因素，水分影响堆体中可溶性物质的传递，进而影响微生物代谢和有机物的分解转化，40%~60%的含水率最有利于微生物分解［12］。本试验中，厨余垃圾料浆黏稠度大，若混合料水分配比超过42%，堆体物料容易粘结成团状，因而混合料初始水分控制在42%左右。从图2b 可以看出，0~12 h，堆体处于升温期，水分变化不大，在12~72 h 的高温期，堆体中的水分快速蒸发，含水率从40.7%迅速降至21.3%，随着堆体温度下降，含水率下降减缓，在192 h 降至18.5%，符合商品有机肥的含水率要求（≤30%）［3］。值得注意的是，本试验在堆肥过程中不进行翻堆操作，堆体中的物料不是均一的整体。实际上，堆体水分的蒸发是由外往内层次进展的过程，堆体表面供氧充足，嗜热微生物代谢活跃，产生的热量首先促使表面物料含水率下降和腐熟稳定，表面物料干化稳定后变得松散，透气性增加，氧气更容易往堆体内部的物料传递，促进内部物料腐熟干化，如此循环直至整个堆体发酵完成。因此，在堆肥过程中，堆体整体水分呈下降趋势，但物料含水率始终维持在有利于微生物分解代谢的范围。

在堆肥过程中，含碳有机物产生的有机酸与含氮有机物产生的氨共同作用导致pH 发生改变。如图2c 所示，pH 在前期快速上升，48 h 后基本趋于稳定。这是因为在堆肥升温期，堆料中有机质被快速分解，产生大量的氨态氮，部分溶解于堆料中，使得pH 迅速升高。随着堆肥反应的进行，氨释放量减少，有机质分解产生的有机酸能够起到中和的作用，酸碱的动态平衡使pH 基本保持不变，维持在偏碱性水平，在此pH 条件下，适宜微生物的生长繁殖［13］。电导率能够反映堆体中总的可溶性盐含量，从图2d可以看出，电导率先快速上升，96 h 后趋于稳定。在堆肥过程中有机质的分解会产生大量的矿物质盐［14］，电导率上升。

有机质作为微生物所需碳和能量的重要来源，参与了多种复杂的微生物代谢过程，其含量的变化反映了堆肥的成熟度和质量［15］。堆肥原料的有机质为77.35%，在堆肥前期被迅速分解，生成CO2和H2O 挥发到空气中。如图2e 所示，前期有机质含量快速下降。在整个堆肥过程中，有机质含量总体趋势是先下降后基本保持不变，120 h 后有机质含量稳定在66%左右，能够满足有机肥料标准（≥30%）［3］。一般认为，有机质含量下降至一个相对稳定的水平是堆肥腐熟的一个重要标志［16］。在厨余垃圾静态堆肥过程中，C/N（碳氮比）逐渐降低，如图2f 所示，C/N 从16.7 下降至14.6，堆肥产品可用于农田土壤（C/N≤15）［17］。随着降解过程的进行，由于碳水化合物的分解，堆体碳含量减少，导致C/N 降低。

2.2 堆肥过程中养分含量的变化

堆肥的最终产品是作为有机肥料施入土壤中进行利用，因此，在堆肥过程中有必要对堆料的N（以TN 计）、P（以P2O5计）、K（以K2O 计）的含量进行监测，而总养分作为有机肥质量的重要指标之一，是指N、P、K 元素的含量之和。

在堆肥过程中，氮素的转化受到通风、pH、温度等因素的影响。其损失主要方式有有机氮的矿化、氨的挥发以及反硝化作用［18］。堆肥过程中全氮含量的变化情况如图3a 所示。在前期伴随着堆体的升温及空气的自然对流，水分蒸发加速，堆体的体积和总质量减少，使总氮含量由于“浓缩”作用而相对富集［19］。随着堆肥反应的进行，由于氨化作用产生氨挥发，硝化作用氧化氨及反硝化作用还原硝酸盐，总氮含量上下波动，直至堆肥结束时，总氮含量由初始时的2.68%下降至2.61%，含量略有减少。堆料中有机物的矿化作用会导致P、K 在堆肥过程中含量有所波动，但相比于C、N 这些元素会由于微生物的异化分解和同化吸收，在堆肥结束时含量有所下降，微生物对P、K 的吸收利用率则较低，如图3b、3c 所示，最终状态和起始状态时P2O5、K2O 的含量差别不大。堆肥的总养分含量最终为7.49%，达到有机肥料国家标准（≥4%）［3］。

2.3 微生物群落结构的变化

堆肥的效率以及最终获得的肥料是否符合要求的关键因素在于堆肥过程中的微生物组成。分析微生物的菌落组成，对探究堆肥过程具有重要的意义。

2.3.1 细菌组成的变化 图4 和图5 分别显示了堆肥过程中细菌门和属水平上的相对丰度。3 个主要门为厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）和变形菌门（Proteobacteria），在0 h 时的相对丰度分别为81.51%、11.48%和4.80%。在整个堆肥过程中，3 个门的平均丰度分别为68.06%、15.15%和6.77%，与之前在厨余垃圾好氧堆肥中发现的主要细菌门一致［20-22］。它们作为堆肥阶段中最重要的分解者，通常能够在可溶性蛋白质或其他容易获得的底物上快速生长［23］。

此堆肥系统中，厚壁菌门在堆肥升温期和高温期（0~72 h）及后期（192 h）占据绝对优势，降温期（96~120 h）急剧减少。其变化主要是由于枝芽孢杆菌属（Virgibacillus）、葡萄球菌属（Staphylococcus）、芽孢杆菌属（Bacillus）、大洋芽胞杆菌属（Oceanobacillus）和直丝菌属（Planifilum）的波动变化造成。这些优势菌属由许多嗜热性细菌组成，它们的相对丰度随着堆体温度的下降而迅速降低。有研究报道，在堆肥过程中，由于厚壁菌的耐热性和对有机物分解的重大贡献，其在高温阶段的丰度高于其他阶段［24］。厚壁菌门与碳氢化合物的降解相关，其胞外酶不仅能分解木质素、纤维素和半纤维素［25］，还可以水解糖和蛋白质，生成酸、醇和脂类物质［26］。大多数厚壁菌有革兰氏阳性细胞壁，并能产生有助于其在恶劣条件下生存的内孢子，这可能是厚壁菌门在许多堆肥系统中占优势的主要原因［27］。

放线菌门在升温（12 h，24.44%）、高温（24 h，28.31%）和降温（96 h，22.99%）阶段相对丰度显著增加。这一结果可能归因于放线菌对木质纤维素降解和腐殖质形成的关键作用［24］。放线菌被认为是一种理想的堆肥菌株，具有菌丝的结构，能够抵御大多数微生物无法承受的高温且在高温下仍具有很好的稳定性［26］。但它们更倾向于在较低的温度下大量繁殖，即使是那些嗜热型的放线菌也只是中度嗜热，最佳生长温度为28~55 ℃［28］。因此，这些细菌多数出现在中温冷却阶段（96~120 h，平均丰度为21.08%）。放线菌还会分泌脱氢酶、多酚氧化酶、脲酶等，能够较好地分解半纤维素和木质素［29］，并且能够在一定程度上改变木质素的分子结构［30］。在本研究中，主要放线菌属从嗜热阶段的棒状杆菌属（Corynebacterium1）转变为冷却阶段的链霉菌属（Streptomyces），它们通过木聚糖酶降解木质素［31］。在堆肥结束时（192 h），放线菌依然保持较高丰度（15.86%）。Xu 等［22］也证实，放线菌在厨余垃圾堆肥后期仍然占据细菌群落的较大部分。

变形菌门是一门革兰氏阴性细菌，通常是致病性或固氮细菌［32］。其相对丰度在高温阶段（24~72 h）处于极低水平（平均丰度为0.40%），降温时（96~120 h）急剧增加（平均丰度为26.70%）。在堆肥降温阶段，变形菌门取代了厚壁菌门的优势地位，占比位列第一。由于此时温度下降至50 ℃以下，大多数变形菌能在此条件下存活［33］。其中鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）成为主要的变形菌类型，并对有机物降解尤其对有机氮转化起主要作用［34］。120~192 h，变形菌门相对丰度从26.98%下降至0.23%，可能归因于随着堆肥时间的延长，变形菌生长受到限制而消耗殆尽［35］。

2.3.2 真菌组成的变化 在整个堆肥期间发现了624 个真菌OTU，揭示了真菌的复杂演替（图6、图7）。堆肥过程优势真菌门为子囊菌门（Ascomycota）（平均丰度为52.48%；最高丰度为91.26%），其次为担子菌门（Basidiomycota）（平均丰度为11.92%）和被孢菌门（Mortierellomycota）（平均丰度为6.80%）。真菌能分泌胞外酶，且由于其菌丝具有机械穿插的效果，使其能够较好地降解纤维素、半纤维素、木质素等难降解有机物，特别是嗜热真菌在降解羧酸和聚合物方面的潜力巨大［36］。在堆肥升温期（0~12 h），来自腐质霉属（Humicola）的真菌种类较为突出。由于单纯的营养需求，腐质霉属出现在堆肥早期，且在整个堆肥过程中都存在，因为它们与其他嗜热微生物共生［37］。在堆肥高温期和降温期（24~120 h），优势菌种的多样性较高。来自镰刀菌属（Fusarium）、被孢霉属（Mortierella）、交链孢霉属（Alternaria）、青霉菌属（Penicillium）、白环蘑属（Leucoagaricus）、短柄菌属（Solicoccozyma）等真菌属种类比较丰富。在生活垃圾的好氧堆肥处理中，同样可观察到类似的真菌群落［38］。然而，堆肥过程的性质、堆肥周期和堆肥条件（温度、pH、含水量等）的差异可能决定了真菌群落的存在以及具体的演变规律［39］。

图6 堆肥过程中真菌群落组成门水平相对丰度的变化

图7 堆肥过程中真菌群落（属水平）相对丰度热图

3 小结

1）采用透气发酵筒进行厨余垃圾静态好氧堆肥，省去强制通风和外部热源，节约了系统能耗；掺入绿化垃圾和腐熟堆肥，缩短了堆肥周期。仅堆肥8 d 后，含水率降至18.5%，有机质含量稳定在66%左右，总养分含量保持在7.49%，实现了物料的快速干燥和腐熟。最终堆肥产品的性能符合商品有机肥料标准（NY/T 525—2021）。

2）不同好氧堆肥时期具有不同的微生物群落多样性。在细菌门水平上，堆肥前期（0~72 h）及后期（192 h）的优势菌群为厚壁菌门（Firmicutes），在中温冷却阶段（96~120 h），放线菌门（Actinobacteria）和变形菌门（Proteobacteria）取代了厚壁菌门的优势地位，且细菌群落物种组成变得丰富。

3）相对丰度较高的真菌门为子囊菌门（Ascomycota）、担子菌门（Basidiomycota）和被孢菌门（Mortierellomycota）。在堆肥高温期和降温期（24~120 h），嗜热真菌保持较高丰度，有利于难降解有机物的生物降解。

对微生物演替规律的探究可以使厨余垃圾转化为有机肥的生产工艺得到进一步的优化，使堆肥变得更加高效。