EM菌液对活性污泥好氧堆肥过程的影响

宋朝霞，曹 理，李国辉

(河南工程学院 环境与生物工程学院，河南 郑州 451191)

随着我国城镇化进程的加快，城市污水处理厂每天都会产生大量污泥。2020年城市建设统计年鉴数据显示，2020年我国污水处理厂干污泥产量高达1 162.76万t[1]。城市污泥处理方法主要有卫生填埋、焚烧和农田利用等。在我国，卫生填埋法占比达到65%[2]，但填埋处理易形成大量渗滤液、恶臭气体等，严重影响周围环境。焚烧法成本高、污染物产量大。农田利用法可回收污泥中的氮、磷、钾和有机质等作为营养物质及土壤改良剂，是一种安全有效的污泥处理方法[3]。好氧堆肥法能够将污泥转化成容易被作物吸收利用的无机盐和小分子有机质，可实现污泥的减量化、资源化和无害化处理，是目前处理城市污泥的主流技术[4]。该方法简单有效，可促进天然物质良性循环，对农业发展极为有利，具有良好的环境效益、经济效益和社会效益。

有效微生物(effective microorganisms,EM)菌是由光合细菌、乳酸菌、酵母菌、放线菌和丝状菌5大类10个属80余种微生物以适当比例组成的混合菌群[5]。国内外研究表明，EM菌剂可用于缩短堆肥发酵时间，减少堆肥过程中的臭味，有利于堆肥腐殖化，提高堆肥品质[6-8]。本研究采用脱水污泥和玉米秸秆粉为原料，控制污泥和秸秆混合物总碳氮质量比为22∶1，添加不同比例的EM菌液进行好氧堆肥处理，分析堆肥处理过程中主要理化指标和微生物种群数量的变化，参照NY 884—2012《生物有机肥》[9]相关指标确定堆肥品质。

1 实验部分

1.1 材料

实验所用污泥为新郑市某生活污水处理厂产生的脱水污泥，含水率为70%，碳氮质量比为9∶1。玉米秸秆粉和EM菌液购自网络平台。玉米秸秆粉的含水率为12%，碳氮质量比为50∶1；EM菌液的主要成分为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、酵母菌等。

1.2 实验方法

1.2.1堆肥发酵

将污泥与玉米秸秆粉按2.5∶1的质量比均匀混合，控制碳氮质量比为22∶1，设置5组堆肥样本，每组质量为2.2 kg，分别添加质量分数为0%、0.08%、0.16%、0.24%和0.32%的EM菌液后进一步混合均匀，分别装入内径为251 mm×131 mm×146 mm的泡沫塑料箱内，在箱体顶部和底部分别开10个直径1 cm的孔洞，并把堆肥箱架空，以保证空气能够顺利进入箱体。整个堆肥发酵过程采用强制通风和人工翻堆的方法保证氧气供应。在堆肥发酵的前3 d，每隔6 h进行一次强制通风；第3～10 d，每隔24 h进行一次强制通风；第10 d后每两天进行一次强制通风。强制通风采用鼓风机自下而上进行，每次持续2 min。分别在堆肥的第0 d、3 d、10 d、18 d和23 d取样进行各项指标的检测，人工翻堆设在每次采样前一天。

1.2.2堆肥理化指标的测定

采用多次烘干差量法计算堆肥含水率。取堆肥样品10 g加入90 mL水中混合并于150 r/min振荡30 min，静置10 min后用pH计测定上清液的pH值。采用凯氏定氮法测定全氮含量[10]，采用氧化镁-代氏合金蒸馏法测定氨氮含量[11]，采用碱熔钼锑抗分光光度法测定全磷含量[12]。在(600±20)℃对烘干试样进行灼烧，利用失重法测定堆肥中有机质含量。

1.2.3堆肥中微生物数量的测定

分别采用NA培养基、PDA培养基和高氏1号培养基对细菌、真菌和放线菌进行培养[13]。取不同堆肥样品10 g置于90 mL无菌水的锥形瓶中，以200 r/min在室温下振荡30 min，稀释至适当倍数后取0.1 mL均匀涂布在平板上，在30 ℃经过适当时间的培养后，采用平板计数法进行测定。

1.3 数据处理

采用Origin 2021软件进行实验数据分析与作图。

2 结果与讨论

2.1 堆肥过程中含水率的变化

水在堆肥过程中的作用是溶解有机物并参与微生物代谢，这也是进行各种化学反应的必要条件。堆肥过程中含水率的变化见图1。从图1可以看出，在好氧堆肥发酵过程中，随着水分的不断蒸发，5组堆肥的含水率都呈不断下降趋势。但随着EM菌液质量分数的增大，堆肥含水率降低趋势有所缓解，尤其是在堆肥发酵第18 d左右差别较大。原因可能是随着堆肥发酵过程的进行，堆肥体系中微生物不断增多、代谢活跃，有机物不断被分解并产生水分，故相较于未加EM菌液的体系，在通风条件相同的情况下，含水率下降速率会变慢。当堆肥腐熟后，体系中可利用的有机质被耗尽，微生物代谢缓慢，通风失水成为含水率变化的主要因素，故第23 d时5组堆肥含水率差别不大，均为36%～38%。

图1 堆肥过程中含水率的变化Fig.1 Changes of moisture content during composting

2.2 堆肥过程中pH值的变化

添加不同质量分数EM菌液的堆肥发酵过程中pH值的变化如图2所示。从图2可以看出，随着发酵时间的延长，5组堆肥的pH值都呈现先升高后降低的趋势。在第3～10 d，pH值迅速升高，原因可能是发酵前中期堆肥体系中有机物含量高，微生物代谢活跃，堆肥中含氮化合物氨化产生的氨气在堆肥箱内累积，在未大量释放之前，使得堆肥体系pH值迅速升高[14]。堆肥中后期，由于硝化作用利用了部分氨气，通风和定时翻堆又使部分氨气挥发，导致pH值降低[15]。5组堆肥经过18 d的发酵后，pH值稳定在7.4～7.5，满足NY 884—2012中pH值5.5～8.5的要求。其中，添加质量分数0.16%～0.32% EM菌液的堆肥在发酵后期直至发酵结束，pH值稳定在7.5左右。Sánchez-Monedero等[16]在研究中发现堆肥发酵过程中当pH值为7.5～8.5时，微生物生长速度最快，堆肥效率最高。从pH值的波动范围看，添加质量分数0.16%～0.32% EM菌液的堆肥腐熟时间要比另外两组短。

图2 堆肥过程中pH值的变化Fig.2 Changes of pH value during composting

2.3 堆肥过程中全氮和氨氮含量的变化

堆肥过程中全氮含量的变化如图3所示。从图3可以看出，随着发酵时间的延长，5组堆肥体系中全氮含量都呈现逐渐下降的趋势，但添加EM菌液的堆肥中全氮含量比对照组高。尤其是当EM菌液质量分数为0.16%时，经过23 d 堆肥处理后，全氮含量比未添加EM菌液组高2.8%。堆肥过程中氨氮含量的变化呈现先升高后降低的趋势，如图4所示。这是由于在堆肥前期微生物开始大量繁殖，体系中含氮化合物迅速氨化，氨氮含量明显升高，堆肥后期由于微生物本身会利用部分氮素，再加上硝化反应及热量升高等因素，都会导致氮损失，故氨氮含量大幅降低[15]，这与堆肥发酵过程中pH值的变化趋势一致。堆肥腐熟后氨氮质量分数一般在0.4 g/kg以下[17]，从图4中可以看出，添加质量分数0.24%和0.32% EM菌液的堆肥经过23 d发酵后氨氮质量分数在0.4 g/kg以下，说明EM菌液的添加能够有效缩短堆肥发酵周期，这与Jiang等[18]的研究结论一致。

图3 堆肥过程中全氮含量的变化Fig.3 Changes of total nitrogen during composting

图4 堆肥过程中氨氮含量的变化Fig.4 Changes of ammonia nitrogen during composting

2.4 堆肥过程中全磷含量的变化

堆肥过程中全磷含量的变化如图5所示。从图5可以看出，在整个堆肥过程中磷元素几乎不会损耗，但随着发酵时间的延长，5组堆肥体系中磷元素含量都呈现不断增长的趋势。这是因为在堆肥过程中，微生物分解有机物产生水分和气体，随着水分的蒸发和气体的逸散，堆肥总质量不断减少，而磷元素质量基本保持不变，导致其在堆肥中的含量呈现逐渐升高的趋势。经过23 d的堆肥过程后，添加EM菌液的实验组的全磷含量明显高于未添加EM菌液组，也从侧面反映出EM菌液能够使堆肥腐熟更彻底，更易实现污泥减量化处理。

2.5 堆肥过程中有机质含量的变化

堆肥过程中有机质含量的变化如图6所示。随着发酵时间的延长，有机质含量呈现逐渐降低的趋势。这是因为在堆肥过程中由于微生物的代谢作用，有机物被降解变成稳定的腐殖质。同时，有机物在分解过程中会产生CO2和水等，从而导致有机质含量降低，这也是能够根据堆肥发酵后有机质变化情况来判断堆肥腐熟程度的原因。从图6可以看出，添加质量分数0.24%和0.32% EM菌液的堆肥经过23 d的发酵后，有机质质量分数分别由发酵初始的83.93%和83.41%降至48.10%和49.56%，比其他3组降解得更彻底，并且满足NY 884—2012中有机质质量分数大于或等于40.0%的技术指标要求。

图5 堆肥过程中全磷含量的变化Fig.5 Changes of total phosphorus during composting

图6 堆肥过程中有机质含量的变化Fig.6 Changes of organic matter during composting

2.6 堆肥过程中三大类微生物数量的变化

微生物种群数量变化显示，各组堆肥中的细菌数量基本都在发酵第3 d达到峰值(6.0×1010CFU/g左右)。这是因为与放线菌和真菌相比，细菌增殖速度快，堆肥初期体系中营养物质丰富，细菌大量繁殖，很快成为优势菌，而到发酵中后期，由于营养物质匮乏，部分细菌衰亡和群内竞争等因素导致堆肥腐熟后的细菌数量减少，发酵第23 d，各组堆肥中细菌数量普遍降到2.0×109CFU/g。在堆肥发酵过程中，放线菌数量都呈现先增加后降低的趋势，在第10 d达到峰值，但堆肥中添加不同比例的EM菌液时，放线菌数量差别较大。添加质量分数0%、0.16%和0.32% EM菌液的堆肥中放线菌数量在第10 d分别达到1.0×108CFU/g、3.7×108CFU/g和5.9×108CFU/g，这可能与放线菌能够适应更高的温度、更易吸收营养物质有关。放线菌数量达到峰值之后又急速下降，可能是因为堆肥发酵过程中氨氮的不断积累引起放线菌生长停滞或死亡，导致其数量降低，堆肥发酵第23 d，各组堆肥中的放线菌数量都降至3.5×107CFU/g左右。5组堆肥样品中真菌数量变化不大。从上述数据可以看出，各组堆肥经过23 d的发酵后，有效活菌数量均超过2.0×109CFU/g，满足NY 884—2012中相应的技术指标要求。

3 结语

添加适量EM菌液的堆肥在发酵第10 d时的pH值、氨氮含量、放线菌和细菌数量较未添加EM菌液组显著提高，含水率、有机质含量稳步下降，全氮和全磷含量也比未添加EM菌液组有所提高。EM菌液质量分数0.24%和0.32%的堆肥经过23 d的发酵后，氨氮质量分数在0.4 g/kg以下。由此可知，适量添加EM菌液可有效缩短堆肥发酵周期，同时提高堆肥品质。