以菌糠为调理剂的餐厨垃圾好氧堆肥技术及其机制研究

摘要

餐厨垃圾是当前城市垃圾中所占组分最大的生物质废物，具有含水量大、有机物含量高、易腐败以及来源分散不易收集等特点。堆肥化是当前处理此类生物质废物经济可行的方法之一。本文在以废治废、互补联合的思路指导下，探索餐厨垃圾与菌糠混合堆肥的可行性与优势；并在此基础上针对餐厨垃圾堆肥过程中存在的臭气污染、肥效较低以及周期较长等问题，以微生物学技术及控制工程为主要手段，进行了餐厨垃圾堆肥过程抑臭保氮技术、餐厨垃圾堆肥用高温纤维素降解菌的筛选与应用等研究。
　　通过分析菌糠的粒径、容重、含水量、C/N和pH值等指标，表明菌糠是一种良好的餐厨垃圾堆肥调理剂。餐厨垃圾+菌糠堆肥的升温速度较快，并在高温期持续9d，达到城市生活垃圾好氧静态堆肥处理标准要求（CJJ T52-93）；与常用的秸秆调理剂相比，餐厨垃圾+菌糠堆料在堆肥一次发酵结束后含水量下降率提高了3.66个百分点，有机物降解率提高了6.7个百分点，最终发芽指数提高了15.8个百分点，其腐熟程度明显优于餐厨垃圾+秸秆堆肥，说明菌糠的加入可提高餐厨垃圾堆肥处理的速度。此外，餐厨垃圾堆肥中NH3的释放规律分析结果表明：NH3的释放主要集中在7-12d，占NH3释放总量的53％-54%，因此，此阶段是控制NH3释放的关键时期。另一方面，餐厨垃圾+菌糠处理NH3的释放量仅占餐厨垃圾+秸秆处理释放量的36.49%，堆肥过程的臭味也明显减少，说明菌糠具有一定的抑臭保氮作用。电镜检测表明，菌糠的结构粗糙、多孔，比秸秆更有利于对NH3的吸附和为微生物提供栖息地。
　　采用生物滴滤塔法除氨后的含氮喷淋液作为堆肥水分补充源，回用于堆肥体系，堆肥结束后喷淋液回用处理比对照处理的物料干重累计减重率高12.9个百分点，种子发芽指数提高16.3个百分点，说明喷淋液回用处理减量化作用明显，能有效地提高堆肥的腐熟度。同时，与对照处理相比，喷淋液回用处理氮素损失率比对照低16.0个百分点，说明添加喷淋液作为水分补充源可有效减少堆体的氮素损失。喷淋液回用处理在发酵过程中累计加入总氮量为6.644g，加入的氮素中有34.3%得以保留。以喷淋液回用处理为例，分析了堆肥过程中主要微生物区系变化，结果表明各类微生物在堆肥高温期数量均有所下降，但细菌数量始终高于真菌。硝化菌对温度较为敏感，在堆肥高温期和50℃培养条件下均检测不到硝化菌的存在。通过PCR-DGGE技术对氨氧化菌群落（包括硝化菌和亚硝化菌）分析也表明堆肥起始阶段氨氧化菌较为丰富，但当堆肥进入高温期后氨氧化菌种类迅速减少，直到堆肥后期才开始恢复，由此进一步说明在高温期堆肥体系中氨的硝化作用较少，主要是挥发和微生物同化。
　　经连续富集驯化、初筛和复筛等试验，从餐厨垃圾与菌糠混合堆肥高温期样品中筛选出一株在高温条件下对纤维素有较强降解能力的菌株，经鉴定确定为短芽孢杆菌属（Brevibacillus sp.），命名为Brevibacillus sp. FA2，简称FA2。FA2对秸秆和滤纸具有良好的减重效果，减重率分别可达25.8%和48.2%，与对照菌种地衣芽胞杆菌（B. licheniformis）相比，秸秆和滤纸的减重率分别提高了17.0%和35.7%；同时扫描电镜对降解物的微观结构观察表明FA2可以破坏滤纸和秸秆的微观结构，使其分散、絮化。FA2生物学特性分别表明：FA2在30℃-60℃范围内均能生长，最适生长温度为60℃，是一种耐热菌；FA2适宜的pH值范围较宽，为6-8.5；对氧气要求不苛刻；在含盐量<10%的条件下均能生长，因此比较适宜对高含盐量餐厨垃圾的高温好氧堆肥处理。将FA2应用到实际堆肥体系中，结果表明：在初始物料在不灭菌的条件下，接种菌株 FA2的有机质降解率为31.26%，木质纤维素降解率为10.43%，种子发芽率可达61.67%，分别比不接种的对照提高4.49、5.09和3.65个百分点。
　　综上所述，利用菌糠作为餐厨垃圾堆肥调理剂可以起到改善堆料性质、抑臭保氮和加快腐熟的作用，是一种以废治废的有效手段。生物滴滤塔除氨后的喷淋液回用于堆肥体系，不仅提高了堆肥的氮素含量，也为生物滴滤塔持续脱臭工艺的发展提供了技术途径。堆肥过程微生物生态演替机理解析以及高温高效降解菌的获得，将有助于对堆肥机理的进一步认识，同时也为今后提高堆肥工艺的调控效果提供了技术依据和菌种资源。

目录

以菌糠为调理剂的餐厨垃圾好氧堆肥技术及其机制研究

RESEARCH ON AEROBIC COMPOSTING TECHNOLOGY OF KITCHEN WASTE WITH SPEND MUSHROOM SUBSTRATE AS AMENDMENTS AND ITS MECHANISM

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 餐厨垃圾资源化利用的现状和发展趋势

1.3 菌糠资源化利用的现状和发展趋势

1.4 堆肥技术的研究进展

1.5 主要研究内容及技术路线

第2章 试验材料和方法

2.1 试验材料

2.2 试验方法与试验装置

2.3 主要分析项目及方法

第3章 餐厨垃圾与菌糠混合好氧堆肥效果研究

3.1 引言

3.2 不同调理剂基本特性对比分析

3.3 餐厨垃圾与菌糠混合好氧堆肥的理化过程研究

3.4 餐厨垃圾与菌糠堆肥过程中NH3 和CO2 释放规律的研究

3.5 本章小结

第4章 餐厨垃圾与菌糠好氧堆肥抑臭保氮机制研究

4.1 引言

4.2 菌糠抑臭保氮机理分析

4.3 含氮喷淋液回用对堆肥过程与氮素的影响

4.4 含氮喷淋液回用对堆肥微生物的影响

4.5 本章小结

第5章 餐厨垃圾堆肥用高温纤维素降解菌的研究

5.1 引言

5.2 高温纤维素降解菌的富集和初筛

5.3 高温纤维素降解菌的复筛

5.4 高温纤维素降解菌的鉴定

5.5 短芽孢杆菌FA2 的生物学特性研究

5.6 本章小结

第6章 短芽孢杆菌FA2的降解能力研究

6.1 引言

6.2 短芽孢杆菌FA2 对天然纤维素底物的降解研究

6.3 接种短芽孢杆菌FA2 对堆肥的影响

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历