本文摘要：摘要：本研究提出厨余垃圾协同园林绿化垃圾及返料的静态生物干化工艺，探讨了静态生物干化过程的温度、含水率等的变化规律，并利用宏基因组学技术对生物干化过程中的微生物群落结构的演替进行了探究。结果表明静态生物干化技术升温速率快，4个小时内即可让物料从室温升
摘要：本研究提出厨余垃圾协同园林绿化垃圾及返料的静态生物干化工艺，探讨了静态生物干化过程的温度、含水率等的变化规律，并利用宏基因组学技术对生物干化过程中的微生物群落结构的演替进行了探究。结果表明静态生物干化技术升温速率快，4个小时内即可让物料从室温升至65°C以上。料堆的含水率在48小时内由36%迅速降低至20%左右。其过程主要作用的菌门有厚壁菌(Firmicutes)和放线菌(Actinomycetes)两种。属层面分析则发现主导的菌属有芽孢杆菌属(Bacillus)、糖单孢菌属(Saccharomonas)、葡萄球菌属(Staphylococcus)和高温放线菌属(Thermoactinomycetes)。静态生物干化工艺使物料主要处在高温发酵段，微生物群落结构和代谢通路相对稳定，保证了工业化操作的稳定性和高效率，是一种具有广泛应用潜力和前景的生物干化新策略。
关键词：厨余垃圾;静态生物干化;宏基因组学;微生物群落
0.引言
由于厨余垃圾含油和含水率高，对其运输、贮存、处理及再生利用存在一定的困难[1-3]。厌氧消化是对厨余垃圾无害化和资源化最常见的技术，但会产生大量的高浓废液及大量沼渣[4,5]。生物干化技术可以低成本地将高含水垃圾进行减量化和初步稳定化[6]，有利于后续的运输，贮存和利用，且过程不产生高浓度废液或残渣，因此被用于生活垃圾[7-10]和污泥[11-15]等高含水固废的处理处置。生物干化[6,8]是微生物作用下料堆中有机物降解并释放热量，使得料堆升温，水分蒸发携带走水分的过程。主要影响因素有物料透气性、通风强度、反应温度、C/N比、pH值和微生物浓度等。
目前高含水固废生物干化的工艺绝大多数通过翻堆和鼓风[16-19]等辅助手段增强物料堆的供氧，提高水蒸汽的蒸发量，虽然优化了干化效率，但也消耗大量的能量[20]，而且需要专门机械设备，增加了工艺的复杂性。此外还有些学者研究了添加菌种[10,21]或添加辅料[22-24]的生物干化过程，一定程度地改善了干化效果。另一方面，随着生物技术的迅速发展，变形梯度凝胶电泳、聚合酶链式反应、高通量测序等技术日趋成熟，成本迅速降低，已经被广泛应用于健康、生物工程、环境工程和生态等领域[25]。
高通量测序能定性分析微生物菌群的多样性，对分析生物干化堆料中微生物菌群和功能基因的组成有重要意义，借助宏基因组测序技术可以深入地了解堆料系统菌群之间的相互作用[26]。为了进一步降低生物干化的成本，本研究提出一种基于自然对流的静态生物干化工艺：将高含水的新鲜物料与返料进行一定的比例混合并置于镂空的模块化小型发酵筒中，不进行强制通风或翻堆，利用料堆本身的热量和温差促使料堆内外发生自然对流，实现快速生物干化。
针对该工艺，本研究进行了厨余垃圾、园林绿化垃圾及返料的协同生物干化实验，揭示了静态生物干化过程的温度、含水率、电导率和pH等各项指标的变化规律。生物干化过程的微生物群落结构演替规律已有较多报道[24,27-30]，但鉴于静态生物干化过程生物速度快，干化周期短的特点，其优势微生物种群及演替尚未明晰，因此利用宏基因组学技术对厨余垃圾生物干化过程中的微生物群落结构的演替进行了分析讨论，探讨了生物干化过程与微生物群落变化的相互关联。
1实验部分
1.1发酵原料准备
厨余垃圾来源于广西力源宝科技有限公司员工食堂，园林绿化垃圾为南宁市经济技术开发区街道的绿化垃圾。首先对厨余垃圾及园林绿化垃圾进行破碎，并与多次生物干化的返料按一定比例均匀混合，配置成发酵物料待用。各原料的基本物化性质，经过一定比例混合，使得初始含水率为36%左右以保证料堆孔隙率。
1.2生物干化的实验过程
首先在厨余垃圾启动初期，利用蔗糖滤泥生物干化产物作为发酵母料，与厨余垃圾及园林绿化垃圾进行一定比例混合后进行生物干化。干化后的物料作为新一轮的生物干化的返料。经过十次反复生物干化后使得返料性质相对稳定后再进行本实验。将物料装入发酵筒(150mm*150mm*500mm)中静置，进行生物干化。每隔一定的时间对物料堆中的温度进行记录，测温点位于每个发酵筒的中心，最终的温度为六个发酵筒的平均温度。对料堆进行采样，采样位置为发酵筒中心往下25cm。将6个发酵筒样品进行混合后进行分析检测，以便降低由于采样不均产生的实验误差。
由于新鲜厨余垃圾存储时间不宜过长，如每天收集一次，则生物干化应该每天进行一个批次，即生物干化周期应该为24h的整数倍。经过前期十次实验发现48h的干化时间可以将料堆含水率降至20%以下，可相对稳定贮存，且可作为理想的返料进行下一批次的生物干化，因此将干化时间设定为48h。
对样品进行含水率测定后放入-20℃冰箱保存，收集完一个批次的样品后统一进行理化性质(pH值、EC、TN、TP、TK、TOC等)检测。此外，部分样品用EP样品瓶封装，置于有干冰的保温箱，寄送上海美吉生物医药科技有限公司(ShanghaiMajorbioBio-pharmTechnologyCo.,Ltd)进行微生物信息分析。
1.3生物信息学分析
利用PCR技术对样品中提取的基因片段进行扩增，之后利用IlluminaHiseq平台进行测序，测序获得的原始序列，先进行拆分、质量剪切以及去除污染等优化处理。然后使用优化序列进行拼接组装和基因预测。对得到的基因利用BLASTP将基因与NR数据库进行了比对，获得了门水平和属水平的物种的分布情况。此外利用BLASTP将基因与KEGG数据库进行功能上的注释以及分类，获得了各个样品中微生物代谢通路的预测信息。测序过程在上海美吉生物医药科技有限公司进行，相关比对分析则在该公司提供的云平台上进行了。
2结果与讨论
2.1温度和含水率随时间的变化
料堆内部的温度在干化开始4小时后即迅速由40°C升高至65°C，进入高温发酵阶段，与传统的生物干化1天至数天才达到65°C[12,19,24,27]的相比具有显著优势。推测因按较高比例的返料与厨余垃圾混合，料堆通风性较好，菌种活性高，从而得以快速升温。随着干化的进行，堆体温度在65至70°C之间波动，直至干化时间达到48小时后料堆温度才开始出现略微下降趋势，停止干化过程进行出料操作。
将一部分干化产物与新鲜的厨余垃圾及园林垃圾混合进入下一个生物干化的周期，其余的产物进行贮存或后续资源化利用。水是生物干化过程中微生物繁殖和有机物分解所需的重要物质[6,8,31]，含水率影响着发酵进程和腐熟度，同时含水率也是评估料堆干化效果的关键指标，水分的变化是含有有机质的物料氧化分解和蒸发作用两方面共同的结果。
静态生物干化物料的含水率由初始的36%下降到干化结束时的约20%，下降了将近15%。整个干化过程中含水率呈现下降趋势，说明总的蒸发的水分损失量高于有机物料被微生物分解所释放的水分量。虽然在干化开始后含水率即已经低于35%，但堆体还是可以保持在高温状态，这与文献中所述低于35%的含水率使得大多数维生物休眠并不完全相符[6]，这可能是由于一些适应低含水率的菌群在干化过程中起到主导作用有关[32]。
相较传统的生物干化，静态生物干化技术通过合理地配比对干化原料进行混合，改善了料堆的孔隙率，使得堆体迅速进入发酵的高温阶段，避免了传统生物干化中耗时较长的升温阶段[23,33]。此外，静态生物干化在堆体进入降温阶段立即出料，避开了耗时数天的降温和腐熟阶段。虽然静态生物干化在一定程度上降低了单次单位体积料堆的处理产能，但整个干化过程不用翻堆，不用强制通风，所需时间较传统生物干化大大缩减，具有一定的技术优势及应用前景。
2.2物料的理化性质随时间的变化
TOC含量在发酵过程中总体呈现逐步降低趋势，由最高的39.62%降至干化终点的36.86%，这是由于微生物降解了堆体中的有机质[8]，有机碳的降解也是干化过程中料堆升温热量的来源[20]。下降趋势不是特别明显，推测是因为静态生物干化速度快，只经历了48小时，避免了干化过程中有机质过多损失。此外氮磷钾等元素的变化不明显。整个发酵干化周期中，物料pH值呈现微小的下降趋势，但变化不明显，均属于微碱性的状态。物料的电导率在整个生物干化周期中保持在较高的4.56至5.2之间，而氨氮随着生物干化的进行略有升高，表明生物干化过程中把有机的氮元素转化为了氨氮[17]。
3结论
本研究提出一种基于自然对流的静态生物干化工艺：将高含水的新鲜物料与返料进行一定的比例混合并置于镂空的模块化小型发酵筒中，利用料堆本身的热量和温差促使料堆内外发生自然对流，实现快速生物干化。实验表明静态生物干化中料堆的含水率可以在48小时内从36%迅速降低至20%左右。相交传统的生物干化，该工艺升温快，不用翻堆，不需要强制通风，具有较明显的技术优势。静态生物干化过程主要作用的菌门有厚壁菌门和放线菌门，这与传统的生物干化中还有变形门和拟杆菌门优势菌种形成较明显的差异。
属层面分析发现主导的菌属有芽孢杆菌属、糖单孢菌属、葡萄球菌属和高温放线菌属。虽然属层面菌群结构在静态干化过程中发生了变化，但其主要的代谢通路种类和丰度在发酵周期中并未监测到有明显变化，这也保障了静态干化工艺的稳定运行。静态生物干化工艺流程主要利用高温发酵阶段进行干化，保证了微生物群落结构和功能的稳定性，从而可以保障工业化操作的稳定性和高效率，是一种具有应用潜力和前景的生物干化新策略。
参考文献
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[2]KIBLERKM,REINHARTD,HAWKINSC,etal.Foodwasteandthefood-energy-waternexus:Areviewoffoodwastemanagementalternatives[J].WasteManag,2018,74(52-62.
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作者：马大朝1，2，邓秀汕1，邓秀泉1，张璇2，梁政武1，冯庆革2*
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