不同cn比对餐厨垃圾肥效的影响

不同cn比对餐厨垃圾肥效的影响

0堆腐过程的生物作用机理烹饪垃圾是生活垃圾的重要组成部分。厨师的残余水含量很高，脱水能力很低。在高温下很容易分解。因此，产生的蚊子、苍蝇和病毒可以迅速有效地处理，有效地缓解环境压力，改善人们的生活质量。餐厨垃圾中富含大量的淀粉和纤维素等有机物质,营养物质丰富全面,生物可降解性强,因此生物方法已经逐渐成为处理餐厨垃圾的主要发展方向。对餐厨垃圾进行堆腐是在微生物作用下,通过发酵使有机物矿质化、腐殖化和无害化而变成腐熟肥料的过程。在微生物分解有机物的过程中,不但可以生成大量可被植物吸收利用的有效态氮、磷、钾化合物,还会合成新的高分子有机物——腐殖质。由于这一过程是在微生物分泌酶的作用下进行的酶促反应过程,研究酶活性变化可以从本质上揭示堆腐过程的生物作用与机理,对餐厨垃圾的有效利用有着重要的科学价值。堆肥化中生物酶可分为胞内酶和胞外酶。堆肥中的胞内酶和胞外酶很难直接通过悬液将它们区分,但可通过简单培养实现分离,并且发现胞外酶数量占优,其中水解酶是参与堆腐过程生物化学反应的一类重要的胞外酶,研究水解酶活性的变化,可以推断堆腐过程和矿质化进度和强度,但国内外相关研究大多是以畜禽粪便、污泥和生活垃圾为主料进行的,餐厨垃圾由于含水率高、油脂含量高、易腐烂等特点,针对上述有机固体垃圾的研究成果对其未必适用。本研究以小麦秸秆作为膨松剂,利用静态高温堆腐装置,系统性研究了不同C/N比条件下堆肥过程中纤维素酶、蔗糖酶、脲酶、蛋白酶等水解酶的活性,以了解餐厨垃圾堆肥过程的生物化学过程,推断腐解进程和机理。1材料和方法1.1筛选麦秸的制备试验用餐厨垃圾取自郑州航空工业管理学院食堂,经人工筛选出其中的大块骨头和筷子等杂物;小麦秸秆取自河南省中牟县,经粉碎后选取粒径为1~2cm的麦秸待用。实验材料性质见表1。1.2筛选堆肥物料采用静态高温好氧堆肥装置,由堆肥反应器、塑料膜、导气杆、内袋、温度控制器等组成。堆体采用强制通风供养方式,每间隔1h进行2h的通气。将餐厨垃圾和麦秸按C/N为20,25,30的比例均匀地混合,调节混合物料水分含量在65%左右,将混合均匀的堆肥物料装入4个堆肥反应器中。堆制期间,每天早晚测定温度2次,设置。堆制开始1天后取样,以后每隔2天取样,重量在100~300g,样品分成两份,一份为鲜样储存4℃冰箱中待用,另1份在105℃下烘干测定水分,粉碎留做干样待用。在每次取样时采用人工翻堆方法翻堆。1.3基础养分的测定与表征酶活性测定方法参照关松荫的方法,其中纤维素酶活性是在样品中加入羧基纤维素钠后培养,使纤维素在纤维素酶作用下水解成葡萄糖,测定葡萄糖生成量以表征纤维素酶活性,活性单位用mg/(g·d)表示;蔗糖酶活性测定及表示方法与纤维素酶活性相似,不同的是以加入蔗糖代替纤维素;脲酶活性测定是在样品中加入尿素后培养,使尿素在脲酶作用下水解为氨,测定氨量以表示其活性,单位用mg/(g·d)表示,蛋白酶活性测定是在样品中加入酪素液培养,蛋白质物质在蛋白酶作用下水解成氨基酸,测定氨基酸生成量以表征蛋白酶活性,单位用mg/(g·h)表示。堆肥物料中基础养分的分析方法:有机碳含量采用重铬酸钾氧化法测定;全氮采用凯氏定氮法。2结果与分析2.1堆制后期温度变化堆肥过程中的温度变化趋势如图1所示,基本符合堆肥过程中的4个温度阶段,即升温阶段、高温阶段、降温阶段、腐熟阶段。3个不同处理的温度变化趋势基本相同,没有明显差异。高温期温度持续在40℃以上达10天左右,降温阶段在12天和13天时温度下降迅速并达到最低值是受外界温度的影响所致,在堆制后期堆体温度缓慢回升是由于环境温度在5月下旬不断升高。温度的变化反映了堆肥过程中微生物活性的变化,一般来说,这种变化与堆肥中可被氧化分解有机质的含量呈正相关,见图1。2.2堆肥中初始c/n比堆肥化效果C/N比是最常用于评价腐熟度的参数,理论上C/N比值在腐熟的堆肥产品中像腐殖质一样的约为10,一般认为腐熟的堆肥C/N比小于20,但许多堆肥原料的C/N比较低,如污泥、农用废弃物等,此时C/N比就不适于作腐熟度参数。Morel等认为C/N比小于20只是堆肥腐熟的必要条件,建议采用:T=(终点C/N)/(初始C/N比)评价腐熟度。他们收集并分析了的许多数据,认为当T值小于0.6时堆肥达到腐熟。也有人认为腐熟的堆肥T值应在0.53~0.72或0.49~0.59,见图2。从图2中可以看出,堆肥过程中几个处理的C/N比整体上均呈下降趋势,20C/N,25C/N,30C/N的C/N比分别从20.46,25.31,30.37降低到16.91,14.06,15.02,其T值分别0.83,0.56,0.49,可见C/N比较高的2个处理基本都有较好的腐熟效果。这是因为初始C/N比低的堆肥化处理虽然氮素养分含量相对较高,使开始堆肥的初期阶段微生物迅速繁殖,微生物表现出较高的活性,但很快碳源相对缺乏的特点就暴露出来,微生物的活性受到抑制,大量氮素损失,故其腐熟时间较长。可见餐厨垃圾中的易腐物质多,分解容易,在堆制20天左右基本就可以达到腐熟。2.3堆肥温度和时间对纤维素酶活性的影响堆肥过程中的一切生物化学变化,都是在各种酶的参与下进行的,餐厨垃圾中的可溶性糖和淀粉含量较高,粗纤维含量一般在2.61%~4.64%之间,而麦秸是以木质纤维物质组成为主要成分的,在堆肥中纤维素既是微生物的能源物质,也可以为微生物提供碳源,它可在纤维素酶作用下水解为纤维二糖,进而水解为葡萄糖,因此纤维素酶活性的变化可以反映堆肥过程中碳素物质的降解情况。从图3可以看出,纤维素酶在堆肥起始阶段堆体温度上升时,酶活性也有所上升,但高峰期出现滞后于高温期。从图1可知堆肥高温期出现在第5天,而三种处理的纤维素酶活出现在第9天左右,此后缓慢下降,持续保持在0.15mg/(g·天)以上,这是因为在冷却腐解期,随着腐殖化过程的进行,大量有机物和矿质养分的耗尽,纤维素酶活性和温度都趋于下降。而且25C/N、30C/N条件下的纤维素酶活整体比20C/N要高,见图3。2.4不同c/n对餐厨堆肥蔗糖酶活性的影响蔗糖酶是一种重要的水解酶,可以把蔗糖分解为葡萄糖和果糖,以满足微生物生长发育对碳素物质和能量的需求,另一方面单糖等物质成为堆肥后期有机物腐殖化过程的原料物质,而且蔗糖酶作用的底物正是纤维素酶分解的产物,因而蔗糖酶活性与纤维素酶活性关系密切。从图4可以看出,在本研究实验中,不同C/N条件下,餐厨垃圾堆肥的蔗糖酶活性变化趋势基本相似,与纤维素酶活变化相比(见图3),酶活高峰期出现提前,且与温度高峰期出现同步,20C/N条件下的蔗糖酶活性在堆制前期与25C/N、30C/N没有显著差异,但高峰过后下降速度比另两个处理快,说明微生物的活性受到较大抑制。由于餐厨垃圾中易降解的糖类物质较多,使得蔗糖酶活性在前期未出现下降现象,而只保持持续上升的趋势,这与畜禽粪便堆肥过程中蔗糖的变化趋势有所不同。2.5不同堆肥期对含氮有机物降解的影响脲酶活性与微生物数量、有机物质含量、全氮和速效氮的含量呈正相关,脲酶活性的高低反映了有机物腐解过程中含氮物质的矿化进程,也是堆肥腐熟程度的一个指标。从图5可以看出,3种处理的脲酶活性具有相似的变化趋势:先升高,然后迅速降低。30C/N条件下的脲酶活性在第3天达到峰值,其后缓慢下降,20C/N和25C/N条件下的脲酶活性在第5天达到峰值,其后下降较快,最终脲酶活性下降到比堆肥初期还要低的程度,说明含氮有机物的降解主要发生在堆肥初期,属于易分解有机物,且碳氮比在20~30之间对其影响不大。与猪粪堆肥相比,餐厨垃圾中的脲酶活性明显要高,并没有前期的下降现象,这与梁东丽等对猪粪接菌堆肥的研究结果不同,见图5。2.6堆肥温度和堆制温度对蛋白酶活性的影响餐厨垃圾中富含蛋白,研究堆肥过程中蛋白酶活性的变化情况有助于了解蛋白物质的转化情况。从图6可以看出,3种处理的蛋白酶活性在堆肥开始后迅速升高,但在堆体温度接近60℃时,蛋白酶活性反而降低,待温度下降时酶活有所升高,在堆肥高温过后的温度下降期,堆制10天后,蛋白酶活性也开始降低,可见高温对蛋白酶活性有抑制作用。25C/N条件下蛋白酶活性峰值出现晚于其他两个处理,与其温度变化有直接关系。3堆肥酶活性的变化规律(1)固体废弃物堆肥化产品具有稳定性等特点,因而能够被贮藏或者被用于有机肥料,很少有或者无不良气味、病原菌等副作用。但是直接利用餐厨垃圾进行堆肥会产生很大臭味,尤其是产生挥发性氨气,因其具有较高的氮素含量和较低的C/N比,所以堆肥物料碳氮比的变化在堆肥中有特殊意义。国内外对不同C/N条件下堆肥过程氮素损失规律研究很多,而关于不同C/N条件下堆肥过程酶活性的变化规律研究很少,而由于堆肥中一切复杂的生化反应过程都是在生物酶催化作用下发生的,而多种水解酶都与碳、氮、磷等基础物质代谢密切相关,所以研究分析不同C/N条件下各类生物酶的活性能更深入地了解堆肥产品的腐熟程度、有机物质的转化及其机理,同时由于酶活与堆体中微生物数量和种类以及生活环境密切相关,酶活性的变化趋势还可以反映堆肥过程中微生物群落的演替过程,而酶活性的测定方法比微生物菌系的检测方法要简单得多,所以在生产中利用酶活性的变化规律对堆肥进程进行监测调控有很大的发展前景。(2)国内外对餐厨垃圾的堆肥研究主要集中在含盐量、通气量和温度影响上,而对堆肥过程中水解酶活性的变化规律大多集中在对畜禽粪便的处理中,对餐厨垃圾堆肥过程中酶活性变化规律的研究还鲜见报道。堆肥原料不同,其所含微生物种类就会有很大差别,相对应在堆肥初期各类酶的活性就会不同。侯宪文等在对木薯皮进行堆肥的过程中,发现纤维素酶活性初始值相对一般原料偏高,这可能是由于木薯皮原料中存在相当数量的纤维素分解菌,而在本研究中,初始纤维素酶活只有0.1mg/(g·d)左右,这说明餐厨垃圾中纤维素菌数量偏少,梁东丽等在对猪粪和鸡粪进行堆肥时,其蔗糖酶的活性在堆肥开始阶段先降后升,而在本研究中持续上升直到高温阶段才开始降低,这可能由于餐厨垃圾中易降解的糖类物质较多有关,对猪粪堆肥中起始阶段脲酶的变化规律也与本研究以餐厨垃圾为材料堆肥不同。这进一步说明堆肥物料来源不同,其堆肥初始阶段的菌群种类组成以及可供微生物分解利用的物质组成不同,相关的生物酶活性变化规律就不同,本研究结果表明在同一堆肥材料条件下,C/N比在20~30范围内变化对酶活性变化影响不大。(3)餐厨垃圾由于含水率高、油脂含量高、易腐烂等特点,针对畜禽粪便、污泥和生活垃圾等有机固体垃圾的研究成果对其未必适用。同时餐厨垃圾由于其含盐量较高,而被普遍认为其堆肥产品品质不高,不仅抑制微生物的活性,降低堆肥效率,而且容易造成土壤酸化和损害作物根部,长期使用还会导致土壤的盐碱化,本研究通过对餐厨垃圾堆肥过程中各阶段纤维素酶、蔗糖酶、脲酶、蛋白酶4种水解酶活性的变化规律进行研究,没有发现酶活性变化的明显异常,但由于本实验并没有对餐厨垃圾进行脱盐处理进行对比研究,所以关于含盐率对餐厨垃圾堆肥过程中酶活性变化的影响以及不同酶类活性之间的相关性还需要进一步研究,以推进餐厨垃圾高效好氧堆肥处理技术在大规模工业化处理中的广泛应用。4堆肥对水解酶活性的影响(1)3个不同C/N比处理的温度变化趋势基本相同,没有明显差异,高温期温度持续在40℃以上达10天左右;(2)堆肥过程中3个处理的C/N比整体上均呈下降趋势,根据T值评价餐厨垃圾堆肥的腐熟度,25C/N和30C/N的T值分别为0.56,0.49,而20C/N处理的T值为0.83,未达到腐熟要求,差异显著。餐厨垃圾在堆制20天左右基本就可以达到腐熟;(3)对堆肥过程中4种