（环境科学与工程专业论文）堆肥嗜热纤维分解菌的筛选鉴定及其强化堆肥研究.pdf

i s o l a t i o na n b y h u a n gc u i b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 010 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no f t h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n g z h a o h u i p r o f e s s o rz e n g g u a n g m i n g n o v e m b e r ，2 0 1 0 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：嚷器 日期：训加年，z 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：爱翠 刷磁辄一严 日期：枷，矿年，二月7 日 日期：和睥2 月7 日 堆肥嗜热纤维素分解菌的筛选鉴定及其强化堆肥研究 摘要 在堆肥处理中，纤维素由于结构复杂、降解困难，已成为缩短堆肥周期、提 高堆肥效率的限制性因素，因此加速纤维素的分解是实现堆肥物料快速分解、达 到腐熟的关键问题之一。目前对于高温环境下嗜热菌的开发利用已经受到广泛重 视。嗜热菌具有代谢快、活性高、代时短、酶的热稳定性高、营造高温条件杀死 病原菌等特点，对于高温环境下有机物质的生物转化具有不可估量的作用。研究 表明，一些功能性嗜热菌对纤维素类物质有很好的降解性能。然而，以往的研究 往往着重于常温纤维素分解菌的研究和单一分解菌对堆肥进程的影响，而对嗜热 纤维素分解茵及其复合体系的报道很少。为加快堆肥中纤维素的分解，从而进一 步加快堆肥进程，本研究就堆肥嗜热纤维素分解菌进行了研究，以期寻找能在堆 肥高温期强化纤维素降解的菌种。因此，延长高温期和添加嗜热纤维素分解微生 物的设想，可能成为改进堆肥处理工艺、提高堆肥处理效率的新方法。 该研究采用传统的培养方法，从添加有微生物样品的嗜热驯化反应器中筛选 到1 5 株嗜热纤维素分解菌。将筛选得到的分解菌鉴定后添加至堆肥进行效果验证， 通过监测堆肥的温度、p h 、c n 、纤维素和半纤维素等指标，考察了添加分解菌 的堆肥和对照组在各参数变化上的差异，旨在为堆肥提供优良纤维素分解菌株， 以进一步优化堆肥进程。 本实验对采集于农业堆肥高温期的微生物样品进行了3 0 天的高温驯化，驯化 完成后从嗜热驯化反应器中筛选得到1 5 株嗜热纤维素分解菌，经形态学特征、生 理生化反应及1 6 sr d n a 序列同源性比对鉴定为：b a c i l l u ss p 3 株，p a e n i b a c i l l u ss p l 株，b a c i l l u sl i c h e n i f o r m i s 3 株，b a c i l l u ss u b t i l i s 4 株，b r e v i b a c i l l u sb o r s t e l e n s i sl 株， b a c i l l u sc o a g u l a n s 3 株。筛选结果在不同温度下的纤维素酶活性测定结果表明，筛 选得到的菌种均能在5 5 7 0 的范围内发挥高效的纤维素酶活性。 使用p c r d g g e 技术对嗜热驯化反应器内的细菌群落结构的研究发现：细菌 总数呈逐渐降低的趋势，但是整体变化不明显。d g g e 图谱相似性( c s ) 分析显 示：驯化期不同时间的相似性西值均比较高，c s 值最高为9 8 ，最低为6 7 ，其余 。值均在6 7 9 8 之间，驯化过程中存在嗜热细菌的动态变化，但不太明显。3 0 d 时泳道条带为1 5 条，与筛选结果一致。 将筛选得到的菌种添加至高纤维素含量的堆肥进行效果验证，结果表明添加 嗜热纤维素分解菌对堆肥p h 变化无显著影响，但可使高温期平均温度提高0 7 并使高温期延长2 d ，可显著地降低堆肥产品的c n 和有机质含量，显著降低纤维 素和半纤维素含量，加快堆肥腐熟。堆肥有机质降解动力学结果表明，堆肥接菌 和不接菌处理的有机质最大降解度分别为6 2 5 4 8 1 和6 1 7 1 0 1 ，速率常数分别为 o 1 2 5 0 d a y 。1 和0 1 0 5 1 d a y ，接菌处理的堆肥比对照堆肥提前6 天达到稳定。研究 表明，添加筛选的嗜热纤维素分解菌能缩短堆肥周期。 关键词：嗜热菌；纤维素；堆肥；1 6 sr d n a 鉴定；统发育分析；有机质降解动力学 i l l a b s t r a c t c e l l u l o s e ，w i t ht h ec o m p l e xs t r u c t u r e ，i sd i f f i c u l tt ob ed e g r a d e d i nc o m p o s t i n g p r o c e s s c e l l u l o s eh a sb e c o m et h em a i ni n h i b i t i o nt o s h o r t e nc o m p o s tt i m e t h u s a c c e i e r a t i n gt h ed e c o m p o s i t i o no fc e l l u l o s ei st h eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm a t t e r st o 1 m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fc o m p o s t i n g a tp r e s e n t ， s c i e n t i s t sh a v ep a i de x t e n s i v e a t t e n t i o nt ot h ee x p l o i t a t i o no f t h e r m o p h i l e si nh i g ht e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t w i t ht h e c h a r a c t e n s t i e so ff a s t m e t a b o l i s m ，h i g ha c t i v i t y ，s h o r tg e n e r a t i o n ，e n z y m eo fh i g h t h e r m a ls t a b i l i t ya n dt h ea b i l i t yo fb u i l d i n gh i g h t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n ( w h i c hc a nk i l l p a t h o g e n i c ) ，t h e r m o p h i l e sh a sp l a y e da ni n e s t i m a b l er o l ei nb i o l o g i c a ld e c o m p o s i t i o n o fo r g a n i cm a t e r i a li nh i g ht e m p e r a t u r e e n v i r o n m e n t m a n yr e s e a r c h e ss h o w e dt h a t s o m ef u n c t i o n a lt h e r m o p h i l e sh a v ep e r f o r m e da v e r yg o o dd e g r a d a t i o nf o rc e l l u l o s e h o w e v e r ，i nt h ep a s t ，t h er e s e a r c ho f t e ne m p h a s i z e do nm e s o t h e r m a l c e l l u l o l v t i c t h e r m o p h i l e sa n ds i n g l em i c r o b e sw i t hc e l l u l o s e d e c o m p o s i t i o nf o rc o m p o s t i n g p r o c e s s ，w h i l et h ee f f e c to fc e l l u l o l y t i ct h e r m o p h i l e sa n dc o m p o s i t es y s t e mh a db e e n r e p o r t e dr a r e l y t oa c c e l e r a t et h ep r o c e s so fc e l l u l o s e d e c o m p o s i t i o na n df u r t h e r a c c e j e r a t ec o m p o s t i n gp r o c e s s ，t h e c e l l u l o l y t i ct h e r m o p h i l e sf o rc o m p o s th a db e e n s t u d i e di nt h eh o p eo fl o o k i n gf o rb a c t e r i aw i t hc e l l u l o s ed e g r a d a t i o nf u n c t i o n e d i n h l g ht e m p e r a t u r ep e r i o d t h e r e f o r e ，t h ei d e ao f p r o l o n g i n gt h eh i g ht e m p e r a t u r ep e r i o d a n da d d i n gs o m ec e l l u l o l y t i ct h e r m o p h i l e si nt h e c o m p o s t ，m a yb e c o m ean e wm e t h o d o fi m p r o v i n gc o m p o s t i n gp r o c e s sa n di m p r o v i n gt h et r e a t m e n te f f i c i e n c y t h i s s t u d ya d o p t e dt r a d i t i o n a lc u l t i v a t i o nm e t h o d t oi s o l a t et h e o b j e c t i v e m i c r o b e s f i f t e e n c e l l u l o l y t i ct h e r m o p h i l e sw e r ei s o l a t e df r o ma t h e n n o p h i l i c d o m e s t i c a t i o nr e a c t o r , i nw h i c hm i c r o b i a l s a m p l e sf r o me n v i r o n m e n tw e r ea d d e d a f t e rt h ed e c o m p o s i t i o nm i c r o b e sw e r ei d e n t i f i e d ，t h e yw e r ea d d e dt o c o m p o s tt o a n a l y z et h ee f f e c tb ym o n i t o r i n gt h ei n d i c a t e dp a r a m e t e r s ：t e m p e r a t u r eo f c o m p o s t ，p h ， c n ，h e m i c e l l u l o s ea n dc e l l u l o s e t h er e s e a r c hu s e dt w oc o m p o s t i n gm e t h o d s ，t h eo n e w a st r a d i t i o n a la e r o b i c c o m p o s t i n gw i t h o u ta d d i n gc e l l u l o l y t i c t h e r m o p h i l e s ( t h e c o n t r 0 1 ) ；a n dt h eo t h e rw a sa e r o b i cc o m p o s t i n gw i t hc e l l u l o l y t i ct h e r m o p h i l e sa d d e d t h ed i f f e r e n c eo ft h et w oc o m p o s t i n gi nv a r i o u sp a r a m e t e r s c h a n g e sw e r ec o m p a r e d ， w i t ht h ea i mo ff i n d i n gag r o u po fn e wc e l l u l o l y t i c t h e r m o p h i l e sw h i c hc o u l d a c c e l e r a t et h ep r o c e s so fc e l l u l o s ed e c o m p o s i t i o na n df u r t h e ra c c e l e r a t ec o m p o s t i n g i v p r o c e s s t1 n e e nc e l l u l o l y t i ct h e r m o p h i l e sw e r ei s o l a t e df r o m at h e 珊o p h i l i cd o m e s t i c a t i o n r e a c t o rf o r3 0d a y s ，i nw h i c hm i c r o b i a l s a m p l e sf r o ma na g r i c u l t u r a l e o m p o s t i n g s y s t e md u r i n gt h et h e r m o p h i l i c p h a s ew e r ea d d e d b a s e do ns t a i n m 唧h o l o g i c a l ， p h y s l o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lp r o p e r t i e sa sw e l la st h e16 sr d n a h o m o l o g ya n a l y s i s ， t h ei d e n t i f i c a t i o nr e v e a l e dt h a t ，o f t h e15i s o l a t e db a c t e r i a ，3s h a r e dc l o s eh o m o l o g y t o b n c l t t u s s p ，3t ob a c i l l u s c o a g u l a n s ，4t ob a c i l l u s s u b t i l i s 1 协b r e v i b n c i l l u s b o r s t e l e n s i s , 3t ob a c i l l u sl i c h e n i f o ，m i s ，1t o p a p n i b a c i l l u s 点p a c c o r d i n gt h er e s u l to f t n ec e l l u l a s e a c t i v i t ya td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，t h eh i g h e s tc e l l u l a s ea c t i v i t i e sf o ra l lt h e i s o l a t e sw e r ee x h i b i t e d a ta r a n g et e m p e r a t u r ef r o m5 5 。c t o 7 0 。c ， t h a tw e r e c o n t o n l l a b l et 0t h et e m p e r a t u r eo ft h ec o m p o s ta tt h e h i g h t e m p e r a t u r ep h a s e d g g e p r o f i l e ( b a s e d 。np c r d g g e t e c h n i q u e ) f o rb a c t e r i a o f t h e t h e 加。p h i l i c d o m e s t l c a t i o no fd i f f e r e n td a y sw a sa n a l y z e dt o i n v e s t i g a t et h ed y n a m i cs u c c e s s i o no f t h e 锄o p l l i l 坨b a c t e r i a l c o m m u n i t i e s t h eb a c t e r i a l d i v e r s i t yo ft h et h e m o p h i l i c d o m e s t i c a t i o n , a st h ed g g ep r o f i l e r e v e a l e d ，d e c r e a s e da st h e d o m e s t i c a t i o n p r o g r e s s e d r e s u l t so fs o r e n s o n si n d e x ( d ) r e v e a l e dt h a th i 曲o w a ss h o w e d w h l l et h eh 讪ge s tc sw a s9 8a n dt h el o w e s tw a s 6 7 ，o t h e r sf l u e t u a t e df r o m6 7t o9 8 1n eb a n dp a t t e mo nd g g e g e ls h o w e dn ot r e m e n d o u ss u c c e s s i o no f b a c t e r i a ls p e c i e s o v e rt h ed o m e s t i c a t i o np r o c e s s t h et o t a ln u m b e r o ft h eb a n d sw a sa b o u tf i r e e nf r o m t h e3 0 t hd o m e s t i cd a y ，w h i c hw a s c o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l to f i s o l a t i o n y h ei s o l a t e sw e r et h e n i n o c u l a t e di n h i g h - c e l l u l o s ec o m p o s tf o re f f e c t i v e n e s s t e s t i n g r e s u l t ss h o w e dt h a tt h et h e r m o p h i l i cp h a s eo f c o m p o s t i n gw a sp r o l o n g e d2 d a y sa n di t sa v e r a g et e m p e r a t u r ew 嬲i n c r e a s e d0 7 c ，w h e r e a st h ec n r a t i o ，o r g a n i c m a t e r ( o m ) c o n t e n t ，c e l l u l o s ea n dh e m i c e l l u l o s ec o n t e n tw e r er e d u c e d s i g n i f i c a n t l v b ya d d l n gt h ei s o l a t e s t h ep h w a sn o ta f f e c t e d ，h o w e v e r o m1 0 s sk i n e t i c e q u a t i o nf o r c o m p o s t l n gs h o w e dt h a tt h em a x i m u mo md e g r a d a t i o n d e g r e e o fc o m p o s t i n g e x p e r i m e n t sw i t h w l t h o u t c e l l u l o l y t i c t h e r m o p h i l e sw e r e 6 2 5 4 8 1 ，6 1 7 1 0 l r e s p e c t l v e l y ，a n dt h er a t ec o n s t a n tw e r e0 12 5 0 d a y 一，0 10 5 1d a y l ，r e s p e c t i v e l y t h e t i m et or e a c hm a t u r i t yf o rc e l l u l o l y t i c t h e r m o p h i l e st r e a t e dc o m p o s tw a sr e d u c e d6 d a y sc o m p a r e qw i t ht h e c o n t r a s t r u n t h e r e f o r e ， b ya d d i n gt h ec e l l u l o l y t i c h e r m o p h i l e si nt h i sp a p e r , t h ec o m p o s t i n gt i m ew a ss h o r t e n e d k e y w o r d s ：t h e r m o p h i l e s ；c e l l u l o s e ；c o m p o s t i n g ；16 sr d n ai d e n t i f i c a t i o n ： p h y l o g e n e t i ca n a l y s i s ；o r g a n i cm a t t e r1 0 s sk i n e t i c s v 堆肥嗜热纤维索分解菌的筛选鉴定及其强化堆肥研究 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i v 插图索引v i i i 附表索引i x 第1 章绪论1 1 1 城市生活垃圾的概述1 1 1 1 城市生活垃圾的定义及分类1 1 1 2 我国城市生活垃圾的危害及存在的问题2 1 1 3 城市生活垃圾的收集、运输与处理一5 1 2 堆肥1 0 1 2 1堆肥的定义l0 1 2 2 堆肥过程1 0 1 2 3 堆肥的优缺l l 1 3 城市生活垃圾中的纤维素和半纤维素1 1 1 3 1 纤维素1 l 1 3 2 半纤维素1 4 1 4 微生物的鉴定方法1 5 1 4 1 传统鉴定1 5 1 4 2b i o l o g 快速鉴定1 6 1 4 3 分子生物学鉴定1 6 1 4 4 其他手段1 7 第2 章嗜热微生物和纤维素分解菌的研究进展1 8 2 1嗜热纤维素分解菌的定义1 8 2 2 嗜热纤维素分解菌的生存机理1 8 2 3纤维素分解菌的研究现状1 9 2 4嗜热纤维素分解菌的应用潜力2 0 2 4 1 嗜热纤维素分解菌在工业生产中的应用潜力2 0 2 4 2 嗜热纤维素分解菌在堆肥中的应用潜力2 l 第3 章堆肥嗜热纤维素分解菌的筛选与鉴定2 2 3 1材料与方法2 2 3 1 1材料2 2 v l 硕l 学位论文 3 1 2 实验方法2 4 3 2结果与讨论3 2 3 2 1 菌种的筛选与鉴定3 2 3 2 2 。菌种的降解性能3 6 3 2 3 菌种的系统发育分析3 8 3 2 4 嗜热驯化反应器中样品总d n a 的提取与纯化。3 9 3 2 5d n a 纯化样品的p c r 扩增4 0 3 2 6 嗜热驯化期细菌群落分析4 l 3 3 结论4 3 第4 章堆肥嗜热纤维素分解菌的强化堆肥研究4 5 4 1实验材料与方法4 5 4 1 1 实验材料。4 5 4 1 2 堆肥理化参数测定方法4 7 4 2结果与讨论5 l 4 2 1 添加t o c 1 5 对温度和p h 的影响5 2 4 2 2添加t o c 15 对c n 的影响5 3 4 2 3 添加t o c 1 5 对纤维素等的影响5 4 4 2 4 添加t o c 1 5 对有机质的影响及有机质动力学研究5 5 4 2 5 讨论5 6 4 3 结论5 7 结论5 9 参考文献6 l 附录a 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录6 7 致j 射6 8 v i i 插图索引 图1 12 0 0 5 2 0 0 8 年全国城市生活垃圾处理量比例4 图1 2 纤维素的结构13 图1 3 绳索状纤维素链示意图1 3 图1 4 三种纤维素酶的作用模型1 4 图1 5 从小麦秸秆中分离的半纤维素的假设结构1 5 图3 1 嗜热驯化反应器示意图2 4 图3 2 菌种在电镜下的细胞形态图一3 4 图3 3h c y l l h c y l 5 的酶活性测定结果3 7 图3 4h c y l l h c y l 5 的酶活性测定结果一3 7 图3 5h c y l l h c y l 5 的酶活性测定结果3 8 图3 6 菌株序列和b l a s t 结果建立的系统发育树3 9 图3 7 嗜热反应器内样品粗提纯化后总d n a 电泳图谱4 0 图3 8d n a 纯化样品的p c r 扩增产物电泳图谱4 1 图3 9 嗜热驯化期细菌d g g e 图谱4 2 图4 1 好氧静态堆肥装置图4 7 图4 2 堆肥过程中温度、p h 值的变化5 3 图4 3 堆肥中c n 、o m 消耗量的对比图。5 4 图4 4 堆肥过程中纤维素、半纤维素相对降解率的变化5 5 v i l l 硕- f ：学位论文 附表索引 表1 1 生活垃圾分类及主要成份1 表1 2 城市生活垃圾清运量增长情况3 表1 3 城市生活垃圾清运量增长情况3 表3 1 葡萄糖标准曲线制作2 8 表3 2 菌株的形态和生理生化特征3 3 表3 315 条序列的b l a s t 结果3 5 表3 4 菌种降解性能初测结果3 6 表3 5 基于d g g e 图谱的c s 值分析结果4 3 表4 1 混合后堆肥原料的理化性质4 6 表4 2o ml o s s 一阶动力学方程参数值( 幸p 5 0 0 0 k j k g ；运行时间8 0 0 0 h ； 焚烧炉渣热灼减率s 5 ；出口烟气中氧含量 6 12 ； 炉膛温度8 5 0 12 0 0 。一般焚烧残渣体积为垃圾体积的5 1o ，残渣 质量为原生垃圾质量的l5 2 5 。 焚烧处理方法有一系列优点：处理量大，减量化程度高，处理周期 短，占地面积小，无害化彻底，并且热能可回收利用，所以焚烧处理方 法是世界上大多数国家普遍采用的一种垃圾处理技术。我国生活垃圾焚 烧技术的研究和应用起步于上世纪八十年代中期，随着我国东部和南部 沿海地区和大中城市经济的飞速发展，目前垃圾焚烧技术处于快速发展 阶段。生活垃圾焚烧技术可分为简易焚烧炉、国产化焚烧设施和综合型 焚烧设施三类。 简易焚烧炉主要是利用原有的煤窑或砖窑等改造而成的规模较小、 工艺简单、价格低廉的焚烧炉，简易焚烧炉往往缺乏供风和烟气处理系 统，故生活垃圾无法得以充分燃烧、污染物也不能达标排放f 3j 。简易焚 烧炉主要在中小城镇应用，由于不能满足环保要求，各地也在逐步予以 取缔。 国产焚烧设施按炉型可分为国产炉排炉和国产流化床两大类。采用 国产化炉排炉的垃圾焚烧厂之代表项目有：杭州锦江垃圾发电厂、无锡 益多垃圾发电厂、河南许昌垃圾发电厂、浙江嘉兴垃圾发电厂等。 综合型焚烧设备是指把引进技术与国产技术有机结合起来的垃圾焚 烧系统。综合型焚烧技术的特征是：关键技术和设备大多通过国外引进， 工程规模很大，生产及配套设施比较完整，建设及运行成本较高。目前， 深圳环卫综合处理厂、上海江桥垃圾焚烧厂、上海浦东御桥垃圾焚烧厂、 宁波枫林垃圾发电厂、天津双港垃圾焚烧发电厂等综合型生活垃圾焚烧 厂已建成运行1 3j 。 国外垃圾焚烧技术的应用已有10 0 多年历史。目前，利用垃圾焚烧的 余热发电和供热的新技术发展迅速，欧美及日本等国家，垃圾焚烧的能 源化已普及，并取得了相当的经济效益。目前国际上又产生了新的垃圾 焚烧衍生技术- 垃圾衍生燃料( r d f ) ，它是不同于传统焚烧炉的一种新 技术。r d f 是指将垃圾中的可燃物( 如塑料、纤维、橡胶、木头、食物废 料等) 破碎、干燥后，加入添加剂，压缩成所需形状的固体燃料。目前由 中国科学院广州能源研究所与日本名古屋大学、丰田汽车公司共同研制 的垃圾衍生燃料中试热态试验装置在广州能源所五山园区建成，为我国 硕士学位论文 推广r d f 技术成功地迈出了第一步。 我国生活垃圾焚烧技术的研究起步于2 0 世纪8 0 年代中期，“八五”期 间被列入国家科技攻关项目。在我国，焚烧处理的应用存在一定不足。 首先，我国生活垃圾收集仍以混合收集为主，垃圾含水率高，热值低， 需添加更多的辅助燃料。此外，生活垃圾中灰土含量多也会影响焚烧效 果，提高运行成本。另外，由于我国混合垃圾中餐厨垃圾较多，含盐量 较高，烟气中氯化物含量大，加大了二嗯英等致癌物质产生的几率，增 加了烟气处理难度和成本。 ( 3 ) 堆肥法 生活垃圾堆肥处理方法在我国历史悠久，可分为简易堆肥、好氧高 温堆肥和厌氧消化三大类。 简易堆肥工程规模较小、机械化程度低、主要采用静态发酵工艺、 环保措施不齐全、投资及运行费用均较低。简易堆肥技术在中小型城市 中应用较多。 好氧堆肥是在通气条件好，氧气充足的条件下借助好氧微生物的生 命活动降解有机物。通常，好氧堆肥温度高，一般在55 6 0 时比较好， 所以好氧堆肥也称高温堆肥。根据堆肥过程供氧方式的不同，可进一步 分成静态和动态两种类型。好氧高温堆肥的特征是：工程规模相对较大、 机械化程度较高、一般采用动态或半动态好氧发酵工艺、有较齐全的环 保措施、投资及运行费用均高于简易堆肥技术【3 1 。2 0 世纪8 0 年代初期到 9 0 年代中期，北京、上海、武汉、杭州、天津、无锡、常州等城市曾建 有数十个好氧高温堆肥厂，但由于堆肥质量不好、产品销路不畅等大多 已关闭。现如今，随着堆肥技术的发展，好氧高温堆肥方法在我国的部 分城市又重新得以应用。好氧堆肥温度高，分解较彻底，堆制周期短， 异味小，可以大规模采用机械处理，成为普遍推广的现代化堆肥工艺。 厌氧堆肥是在与空气隔绝的情况下，利用厌氧微生物或兼性厌氧微 生物完成分解反应，其温度低，工艺简单，产品中氮保存量较多，但堆 制时间长，有强烈的异味，且分解不充分【3j 。厌氧消化工程规模较大， 机械化程度高，一般采用厌氧发酵工艺，沼气收集后可用于发电，投资 及运行费用高于好氧高温堆肥，占地面积小于好氧高温堆肥【3 l 。厌氧消 化在欧洲有较多应用实例，目前在我国应用较少。 9 堆肥嗜热纤维素分解菌的筛选鉴定及其强化堆肥研究 1 2 堆肥 1 2 1 堆肥的定义 堆肥是指人们利用自然界广泛存在的微生物对有机物的氧化、分解能 力，在一定温度、湿度等人工条件控制下，促进可降解有机物向稳定的 腐殖质土壤转化的生物化学过程，其实质是一种发酵过程，通过堆肥生 成的物质是一类棕色的泥炭般的腐殖质含量很高的疏松物质，稳定且对 环境无害，其体积一般只有原体积的5 0 7 0 f 。目前比较推广使用的 是高温好氧堆肥，下面主要介绍高温好氧堆肥的过程及优缺。 1 2 2 堆肥过程 一般情况下，高温好氧堆肥的堆肥温度变化是堆肥过程( 阶段) 的主 要评价指标。堆肥过程一般可分为三个阶段：升温阶段、高温阶段和降 温腐熟阶段1 7 9 1 。 1 、升温阶段 升温阶段是指堆肥化过程的初期，即温度上升并低于50 的时期。 该阶段嗜温微生物较为活跃并利用堆肥中容易降解的有机物( 如蛋白质、 淀粉、脂肪等) 进行旺盛的生命活动。发挥降解作用的常温微生物包括 真菌、细菌和放线菌，其中细菌在其中发挥的作用很大并能迅速分解易 降解的物质，并在分解有机物过程中释放大量的热量。 2 、高温阶段 当堆肥温度升至5 0 以上时即进入高温阶段，在这一阶段，高温环 境抑制常温微生物的生长，嗜热微生物活跃，微生物群落结构发生改变， 嗜热微生物占优势，成为主导微生物。堆肥中易降解的有机物基本分解 完毕，残留的和新形成的可溶性有机物质继续被分解。该阶段堆肥中的 半纤维素、纤维素也开始被分解。在高温阶段，嗜热微生物的类群和种 群随着温度的波动相互演替。在5o 左右嗜热真菌和放线菌最活跃：当 温度上升到6 0 ，真菌则几乎完全停止活动，嗜热放线菌和细菌继续活 动；温度升到7 0 以上时，大多数嗜热性微生物进入死亡和休眠状态。 3 、降温腐熟阶段 降温腐熟阶在内源呼吸后期，该阶段有机物质和大部分难分解的物 质基本被分解完毕，微生物活动减弱，释放能量较少，嗜温微生物取代 嗜热微生物重新活跃起来分解剩下的较难分解的有机物和新形成的腐殖 质。该阶段微生物活性下降，温度下降，一些嗜温微生物( 如白腐真菌) 对残余较难分解的有机物作进一步分解，腐殖质不断增多且稳化，堆肥 1 0 硕上学位论文 进入腐熟阶段。 1 2 3 堆肥的优缺 堆肥是针对垃圾中有机成分的处理技术，所以堆肥处理方法针对性 强。此外，堆肥法投资较低，技术简单、产物可再利用，垃圾减量明显。 堆肥法适用于卫生填埋场地缺乏，城市生活垃圾垃圾分类系统较完善且 生活垃圾中可生物降解的有机物含量大于4 0 的城市。 堆肥的缺点是对垃圾分类要求高、产生臭味污染环境，成本过高，堆 肥产品销路不畅等。垃圾堆肥处理设备投资额较大而处理量小，环境卫 生条件差，操作过程产生恶臭，需要加以控制。 我国城市生活垃圾收集方式依然是混合收集，垃圾中的许多有毒、有 害物质进入堆肥，如重金属、病原茵等造成潜在污染，甚至不适于农用， 影响堆肥产品的销路。此外，堆肥中如有未被消灭的病原微生物，有致 病作用；堆肥中积累的重金属、未筛分的塑料、玻璃等，施用于农田会 造成重金属污染和地表粗糙。从国内外的实践经验看，垃圾堆肥处理厂 需要政府经济政策的支持，可以尝试将垃圾收费补贴于处理厂的运行。 1 3 城市生活垃圾中的纤维素和半纤维素 随着城市绿化率和人民生活水平的提高，城市生活垃圾中的纤维素类 物质也逐步增多。城市生活垃圾中的纤维素类物质主要包括园林垃圾、 鲜花秸秆和餐厨垃圾中的相关组分等。这些物质包含了少量易降解的蛋 白质、糖类以及大量的难降解的物质，其难降解的物质包括纤维素、半 纤维素等主要成分。据统计，秸秆中含有较多的纤维素( 36 5 38 6 ) 和半纤维素( 38 0 38 8 ) 等难降解性物质【1 0 】。这些潜在的高纤维 素资源在很多国家( 无论作为动物饲料还是制浆造纸原料) 都没有得到 充分利用【l1 1 。目前对于城市生活垃圾中有机成分( 包括难降解的纤维素 类物质) 的处理中，堆肥法被认为是最适合的处理方式。但是，在城市 垃圾堆肥处理过程中，纤维素的难降解性导致纤维素分解受到极大限制， 进而导致堆肥时间过长。故传统堆肥常因含有大量纤维素而致使堆肥效 果不佳，于是加强纤维转化为腐殖质便成为堆肥充分腐熟的关键，也是 近年来针对高效纤维素降解菌的筛选与分离进行大量研究的原因所在。 1 3 1 纤维素 纤维素( c e l l u l o s e ) 是植物细胞壁的主要成分，是由葡萄糖组成的大 堆肥嗜热纤维素分解菌的筛选鉴定及其强化堆肥研究 分子多糖，不