本文摘要：摘要：本研究提出廚余垃圾協同園林綠化垃圾及返料的靜態生物干化工藝，探討了靜態生物干化過程的溫度、含水率等的變化規律，并利用宏基因組學技術對生物干化過程中的微生物群落結構的演替進行了探究。結果表明靜態生物干化技術升溫速率快，4個小時內即可讓物料從室溫升
摘要：本研究提出廚余垃圾協同園林綠化垃圾及返料的靜態生物干化工藝，探討了靜態生物干化過程的溫度、含水率等的變化規律，并利用宏基因組學技術對生物干化過程中的微生物群落結構的演替進行了探究。結果表明靜態生物干化技術升溫速率快，4個小時內即可讓物料從室溫升至65°C以上。料堆的含水率在48小時內由36%迅速降低至20%左右。其過程主要作用的菌門有厚壁菌(Firmicutes)和放線菌(Actinomycetes)兩種。屬層面分析則發現主導的菌屬有芽孢桿菌屬(Bacillus)、糖單孢菌屬(Saccharomonas)、葡萄球菌屬(Staphylococcus)和高溫放線菌屬(Thermoactinomycetes)。靜態生物干化工藝使物料主要處在高溫發酵段，微生物群落結構和代謝通路相對穩定，保證了工業化操作的穩定性和高效率，是一種具有廣泛應用潛力和前景的生物干化新策略。
關鍵詞：廚余垃圾;靜態生物干化;宏基因組學;微生物群落
0.引言
由于廚余垃圾含油和含水率高，對其運輸、貯存、處理及再生利用存在一定的困難[1-3]。厭氧消化是對廚余垃圾無害化和資源化最常見的技術，但會產生大量的高濃廢液及大量沼渣[4,5]。生物干化技術可以低成本地將高含水垃圾進行減量化和初步穩定化[6]，有利于后續的運輸，貯存和利用，且過程不產生高濃度廢液或殘渣，因此被用于生活垃圾[7-10]和污泥[11-15]等高含水固廢的處理處置。生物干化[6,8]是微生物作用下料堆中有機物降解并釋放熱量，使得料堆升溫，水分蒸發攜帶走水分的過程。主要影響因素有物料透氣性、通風強度、反應溫度、C/N比、pH值和微生物濃度等。
目前高含水固廢生物干化的工藝絕大多數通過翻堆和鼓風[16-19]等輔助手段增強物料堆的供氧，提高水蒸汽的蒸發量，雖然優化了干化效率，但也消耗大量的能量[20]，而且需要專門機械設備，增加了工藝的復雜性。此外還有些學者研究了添加菌種[10,21]或添加輔料[22-24]的生物干化過程，一定程度地改善了干化效果。另一方面，隨著生物技術的迅速發展，變形梯度凝膠電泳、聚合酶鏈式反應、高通量測序等技術日趨成熟，成本迅速降低，已經被廣泛應用于健康、生物工程、環境工程和生態等領域[25]。
高通量測序能定性分析微生物菌群的多樣性，對分析生物干化堆料中微生物菌群和功能基因的組成有重要意義，借助宏基因組測序技術可以深入地了解堆料系統菌群之間的相互作用[26]。為了進一步降低生物干化的成本，本研究提出一種基于自然對流的靜態生物干化工藝：將高含水的新鮮物料與返料進行一定的比例混合并置于鏤空的模塊化小型發酵筒中，不進行強制通風或翻堆，利用料堆本身的熱量和溫差促使料堆內外發生自然對流，實現快速生物干化。
針對該工藝，本研究進行了廚余垃圾、園林綠化垃圾及返料的協同生物干化實驗，揭示了靜態生物干化過程的溫度、含水率、電導率和pH等各項指標的變化規律。生物干化過程的微生物群落結構演替規律已有較多報道[24,27-30]，但鑒于靜態生物干化過程生物速度快，干化周期短的特點，其優勢微生物種群及演替尚未明晰，因此利用宏基因組學技術對廚余垃圾生物干化過程中的微生物群落結構的演替進行了分析討論，探討了生物干化過程與微生物群落變化的相互關聯。
1實驗部分
1.1發酵原料準備
廚余垃圾來源于廣西力源寶科技有限公司員工食堂，園林綠化垃圾為南寧市經濟技術開發區街道的綠化垃圾。首先對廚余垃圾及園林綠化垃圾進行破碎，并與多次生物干化的返料按一定比例均勻混合，配置成發酵物料待用。各原料的基本物化性質，經過一定比例混合，使得初始含水率為36%左右以保證料堆孔隙率。
1.2生物干化的實驗過程
首先在廚余垃圾啟動初期，利用蔗糖濾泥生物干化產物作為發酵母料，與廚余垃圾及園林綠化垃圾進行一定比例混合后進行生物干化。干化后的物料作為新一輪的生物干化的返料。經過十次反復生物干化后使得返料性質相對穩定后再進行本實驗。將物料裝入發酵筒(150mm*150mm*500mm)中靜置，進行生物干化。每隔一定的時間對物料堆中的溫度進行記錄，測溫點位于每個發酵筒的中心，最終的溫度為六個發酵筒的平均溫度。對料堆進行采樣，采樣位置為發酵筒中心往下25cm。將6個發酵筒樣品進行混合后進行分析檢測，以便降低由于采樣不均產生的實驗誤差。
由于新鮮廚余垃圾存儲時間不宜過長，如每天收集一次，則生物干化應該每天進行一個批次，即生物干化周期應該為24h的整數倍。經過前期十次實驗發現48h的干化時間可以將料堆含水率降至20%以下，可相對穩定貯存，且可作為理想的返料進行下一批次的生物干化，因此將干化時間設定為48h。
對樣品進行含水率測定后放入-20℃冰箱保存，收集完一個批次的樣品后統一進行理化性質(pH值、EC、TN、TP、TK、TOC等)檢測。此外，部分樣品用EP樣品瓶封裝，置于有干冰的保溫箱，寄送上海美吉生物醫藥科技有限公司(ShanghaiMajorbioBio-pharmTechnologyCo.,Ltd)進行微生物信息分析。
1.3生物信息學分析
利用PCR技術對樣品中提取的基因片段進行擴增，之后利用IlluminaHiseq平臺進行測序，測序獲得的原始序列，先進行拆分、質量剪切以及去除污染等優化處理。然后使用優化序列進行拼接組裝和基因預測。對得到的基因利用BLASTP將基因與NR數據庫進行了比對，獲得了門水平和屬水平的物種的分布情況。此外利用BLASTP將基因與KEGG數據庫進行功能上的注釋以及分類，獲得了各個樣品中微生物代謝通路的預測信息。測序過程在上海美吉生物醫藥科技有限公司進行，相關比對分析則在該公司提供的云平臺上進行了。
2結果與討論
2.1溫度和含水率隨時間的變化
料堆內部的溫度在干化開始4小時后即迅速由40°C升高至65°C，進入高溫發酵階段，與傳統的生物干化1天至數天才達到65°C[12,19,24,27]的相比具有顯著優勢。推測因按較高比例的返料與廚余垃圾混合，料堆通風性較好，菌種活性高，從而得以快速升溫。隨著干化的進行，堆體溫度在65至70°C之間波動，直至干化時間達到48小時后料堆溫度才開始出現略微下降趨勢，停止干化過程進行出料操作。
將一部分干化產物與新鮮的廚余垃圾及園林垃圾混合進入下一個生物干化的周期，其余的產物進行貯存或后續資源化利用。水是生物干化過程中微生物繁殖和有機物分解所需的重要物質[6,8,31]，含水率影響著發酵進程和腐熟度，同時含水率也是評估料堆干化效果的關鍵指標，水分的變化是含有有機質的物料氧化分解和蒸發作用兩方面共同的結果。
靜態生物干化物料的含水率由初始的36%下降到干化結束時的約20%，下降了將近15%。整個干化過程中含水率呈現下降趨勢，說明總的蒸發的水分損失量高于有機物料被微生物分解所釋放的水分量。雖然在干化開始后含水率即已經低于35%，但堆體還是可以保持在高溫狀態，這與文獻中所述低于35%的含水率使得大多數維生物休眠并不完全相符[6]，這可能是由于一些適應低含水率的菌群在干化過程中起到主導作用有關[32]。
相較傳統的生物干化，靜態生物干化技術通過合理地配比對干化原料進行混合，改善了料堆的孔隙率，使得堆體迅速進入發酵的高溫階段，避免了傳統生物干化中耗時較長的升溫階段[23,33]。此外，靜態生物干化在堆體進入降溫階段立即出料，避開了耗時數天的降溫和腐熟階段。雖然靜態生物干化在一定程度上降低了單次單位體積料堆的處理產能，但整個干化過程不用翻堆，不用強制通風，所需時間較傳統生物干化大大縮減，具有一定的技術優勢及應用前景。
2.2物料的理化性質隨時間的變化
TOC含量在發酵過程中總體呈現逐步降低趨勢，由最高的39.62%降至干化終點的36.86%，這是由于微生物降解了堆體中的有機質[8]，有機碳的降解也是干化過程中料堆升溫熱量的來源[20]。下降趨勢不是特別明顯，推測是因為靜態生物干化速度快，只經歷了48小時，避免了干化過程中有機質過多損失。此外氮磷鉀等元素的變化不明顯。整個發酵干化周期中，物料pH值呈現微小的下降趨勢，但變化不明顯，均屬于微堿性的狀態。物料的電導率在整個生物干化周期中保持在較高的4.56至5.2之間，而氨氮隨著生物干化的進行略有升高，表明生物干化過程中把有機的氮元素轉化為了氨氮[17]。
3結論
本研究提出一種基于自然對流的靜態生物干化工藝：將高含水的新鮮物料與返料進行一定的比例混合并置于鏤空的模塊化小型發酵筒中，利用料堆本身的熱量和溫差促使料堆內外發生自然對流，實現快速生物干化。實驗表明靜態生物干化中料堆的含水率可以在48小時內從36%迅速降低至20%左右。相交傳統的生物干化，該工藝升溫快，不用翻堆，不需要強制通風，具有較明顯的技術優勢。靜態生物干化過程主要作用的菌門有厚壁菌門和放線菌門，這與傳統的生物干化中還有變形門和擬桿菌門優勢菌種形成較明顯的差異。
屬層面分析發現主導的菌屬有芽孢桿菌屬、糖單孢菌屬、葡萄球菌屬和高溫放線菌屬。雖然屬層面菌群結構在靜態干化過程中發生了變化，但其主要的代謝通路種類和豐度在發酵周期中并未監測到有明顯變化，這也保障了靜態干化工藝的穩定運行。靜態生物干化工藝流程主要利用高溫發酵階段進行干化，保證了微生物群落結構和功能的穩定性，從而可以保障工業化操作的穩定性和高效率，是一種具有應用潛力和前景的生物干化新策略。
參考文獻
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作者：馬大朝1，2，鄧秀汕1，鄧秀泉1，張璇2，梁政武1，馮慶革2*
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