（环境工程专业论文）餐厨垃圾与牛粪混合堆肥及其肥效研究.pdf

中山人学硕士学位论文 素酶的酶活随着堆肥温度升高迅速提高，在第4 d 达到了最高值8 6m g 葡萄糖 ( g 7 2 h ) ，第1 4 d 后下降至4m g 葡萄糖( g 7 2 ”左右的稳定水平。蛋白酶在第 6 d 达到最高活性0 2 1n h 2 - n m g ( g 2 4 h ) ，高温期结束时酶活降为0 1 4n h 2 - nm g ( g 2 4 h ) ，达到堆肥前的水平。过氧化氢酶的酶活维持在9 0 1 0 0m lo 1 n 高锰酸 钾。堆肥产品的部分质量指标除含水量外都满足城镇垃圾农用控制标准 ( g b 8 1 7 2 8 7 ) 和有机肥料( n y5 2 5 2 0 0 2 ) 要求，含水率高的堆料可通过自 然堆放风干。 利用自制肥料进行肥效试验，发现有机无机肥配施处理的生菜的株高、叶宽、 总产量比单独施用有机肥的植株高1 5 2 8 ，2 3 6 7 和3 1 3 8 。采用不同的施肥 方式，各处理的生菜的含水率、维生素c 无明显变化，而施用无机肥和有机无 机肥配施的生菜的叶绿素和可溶性糖含量较高。除总氮外，不同施肥处理对土壤 有机质、总磷和腐殖质含量均没有显著性差异，微生物数量基本维持在同一数量 级，差异不明显。但有机无机肥配施的处理有使土壤中养分和微生物数量增大的 趋势。实验发现，最佳的施肥方式为：以有机肥为底肥，在植株生长期以有机无 机肥配施处理。 关键词：餐厨垃圾处理，牛粪，好氧堆肥，肥效 中山大学硕七学位论文 s t u d yo nk i t c h e nw a s t e sa n dd a i r ym a t u r ec o c o m p o s t i n g a n dt h ef e r t i l i z e re f f i c i e n c y m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：l uj i a n c h a n g s u p e r v i s o r ：w a n gg u o h u i a b s t r a c t a e r a t e da e r o b i cc o m p o s t i n gs y s t e mi su s e dt od e a lw i t hk i t c h e nw a s t e sa n dd a i r y m a t u r et om a n u f a c t u r eo r g a n i cf e r t i l i z e r i nt h i st h e s i e d e s i g n e dc o m p o s t i n g e q u i p m e n t ，、) l ，i t l lg o o di n s u l a t i n ge f f e c t ，c a nc o n t r o lt h ev e n t i l a t i o na n dc o n t i n u o u s l y m o n i t o rt h et e m p e r a t u r ec h a n g e s ，t oe n s u r es m o o t hc o m p o s t i n gp r o c e s s u s i n g o n e p h a s ef e r m e n t a t i o n t h ep i l ei sa b o u t5 0 m o i s t u r ec o n t e n tt ob es a t i s f i e dw i t l lt h e w a t e rr e q u i r e m e n t so fm i c r o b i a l ，s h o r t e n i n gt h ec o m p o s t i n gc y c l e t h r o u g hp r o c e s s o p t i m i z a t i o n ，t h eo p t i m a lv e n t i l a t i o nv o l u m ei s0 0 2 5 m 3 ( m i n m ) a n dt h eb e s t m a s sr a t i oo fk i t c h e nw a s t e sa n dd a i r ym a t u r ei s1 ：2 u n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n s f o rt h ee x p a n s i o ne x p e r i m e n t s ，t h ec h a n g er u l e so fp a r a m e t e r sd u r i n gc o m p o s t i n ga s f o l l o w s ：( 1 ) p i l et e m p e r a t u r er i s e sr a p i d l ya n dr e a c h e st h eh i g ht e m p e r a t u r ei n2 n dd a y t h em a x i m u mt e m p e r a t u r er e a c h e su pt o7 0 a n dm a i n t a i n sa tah i g hl e v e l ( 5 5 ) f o r7 3 d ，a n df i n a l l yr e a c h e sa m b i e n tt e m p e r a t u r ei n3 0 md a y ( 2 ) m o i s t u r ec o n t e n t d u r i n gc o m p o s t i n gi sa b o u t5 0 a n di n i t i a l l yi n c r e a s e sa n dt h e nd e c r e a s e s ( 3 ) p h g r a d u a l l yi n c r e a s e e sf r o mt h eo r i g i n a lv a l u e 4 8 9t ot h em a x i m u mv a l u eo f8 6 7i nt h e 2 2 n da n de n d s 谢t h7 4 2 ( 4 ) o r g a n i cm a t t e rc o n t e n tf a l l s r a p i d l y i nt h e h i g h - t e m p e r a t u r ep e r i o da n ds l o w l yi nt h ec o o l i n g d o w np e r i o d o r g a n i cm a t t e r c o n t e n td e c r e a s e sf r o m7 6 8 6 t o6 1 5 3 ( 5 ) t h e r ei sl o s so fn i t r o g e ni nt h e c o m p o s t i n g b u t 而t l lt h ec o n c e n t r a t i o ne f f e c to fp i l em a t e r i a l ，t nc o n t e n td o e sn o t c h a n g es i g n i f i c a n t l y t nc o n t e n tr i s e si nt h ee a r l yp e r i o da n dd e c r e a s e s i n t h e c o o l i n g d o w np e r i o d t nb e f o r ea n da f t e rc o m p o s t i n ga r e1 4 7 a n d1 4 2 ( 6 ) t p c o n t e n ti n c r e a s e si nt h ec o m p o s t i n gp r o c e s s t h et o t a lp h o s p h o r u sc o n t e n tb e f o r ea n d a f t e rc o m p o s t i n ga r e0 38 a n d0 5 9 ( 7 ) t kc o n t e n ti n c r e a s e si nt h ec o m p o s t i n g p r o c e s s t h et o t a lk a l i u mc o n t e n tb e f o r ea n da f t e rc o m p o s t i n ga r e0 8 2 a n d1 0 8 中山大学硕士学位论文 ( 8 ) g ii n c r e a s e dg r a d u a l l yw i t ht h ec o m p o s t i n gp r o c e s s g i b e f o r ea n da f t e r c o m p o s t i n ga r e3 0 5 2 a n d9 2 17 w i t hg ir e a c h i n g8 5 i n2 6 md a y , t h ep i l e r e a c h e sm a t u r i t y ( 9 ) m i c r o o r g a n i s m si nt h ec o m p o s t i n gp r o c e s sh a sc h a n g e d d r a m a t i c a l l y t h e r ei st h el a r g e s tn u m b e ro fb a c t e r i ai nt h eh i g h - t e m p e r a t u r ep e r i o d ， r e a c h i n g2 2 x1 0 1 2c f u g ，d e c l i n i n ga st h et e m p e r a t u r ed r o p p e d f i n a l l yt h en u m b e ro f b a c t e r i am a i n t a i n sa t10 9c f u gl e v e l t h e r ei sa l s ot h el a r g e s ta m o u n to fa c t i n o m y c e t e i nt h eh i g h t e m p e r a t u r ep e r i o d t h em a x i m u ma m o u n ti s1 2x10 8c f u gi n4 md a y t h ea m o u n ti nc o o l i n g d o w np e r i o dm a i n t a i n sa t10 6 10 7 c f u g ，a n di nt h ee n dt h e a m o u n tr e a c h e s10 5 c f u g t h e r ei s l i t t l ea m o u n tw h i c hi s10 4 c 如go ff u n g ii nt h e h i g h - t e m p e r a t u r ep e r i o da n dt h el a r g e s tn u m b e ro f1 o x1 0 6c f u g i n2 0 t hd a y , d e c r e a s i n gt o10 4 c f u ga tt h ee n do fc o m p o s t i n gc y c l e ( 10 ) a c t i v i t yo fs o m ee n z y m e s c h a n g e ds i g n i f i c a n t l yd u r i n gt h ec o m p o s t i n gp r o c e s s u r e a s ea c t i v i t yi n 12 md a y r e a c h e st h em a x i m u mv a l u eo f6 2 3n h 3 - np g ( g 2 4 舢a n di n2 6 md a yd e c r e a s e st o 2 9n h 3 - np ( g 2 4 h ) c e l l u l a s ea c t i v i t yi n c r e a s e sw i t ht h er a p i di n c r e a s eo fp i l e t e m p e r a t u r e ，a n di tr e a c h e st h eh i g h e s tv a l u eo f8 6m gg l u c o s e ( g 7 2 h ) i n4 t hd a y w h i l ei td e c r e a s e st oa b o u t4m gg l u c o s e ( g 7 2 h ) i n14 md a y p r o t e a s ea c t i v i t yi n 6 t h d a yr e a c h e st h em a x i m u mt e m p e r a t u r er e a c h e s o 21n h 2 - nm g ( 9 0 2 4 h ) ，a n d d e c r e a s e st oo 14n h 2 一nm g ( 舻2 4 h ) a tt h ee n do fh i g h - t e m p e r a t u r ep e r i o d ，a n di t a r r i v e sa tt h eo r i g i n a ll e v e lo fc o m p o s t i n g t h ea c t i v i t yo fc a t a l a s er e m a i n e da t9 0 - 10 0 m l0 1 nk m n 0 4i nt h ew h o l ec o m p o s t i n gp r o c e s s s o m ec o m p o s t i n gp r o d u c tq u a l i t y p a r a m e t e r se x c e p tm o i s t u r ec o n t e n tm e e tt h er e q u e s to f ”u r b a nw a s t e sf o ra g r i c u l t u r a l c o n t r o ls t a n d a r d ”( g b 817 2 8 7 ) a n d ”o r g a n i cf e r t i l i z e r ”( n y5 2 5 - 2 0 0 2 ) t h eh i g h m o i s t u r ec o n t e n tc a nb ef a l l sd o w na r e rp i l eb e i n gd r i e dn a t u r a l l y f e r t i l i z e re f f i c i e n c yt e s ti sc a r r i e do u tu s i n gh o m e m a d ef e r t i l i z e r i ts h o w st h a t t h eh e i g h t ，l e a fw i d t h ，t o t a lo u t p u to ft h el e t t u c ew h i c ha l et r e a t e d 谢t l lo r g a n i ca n d i n o r g a n i cf e r t i l i z e ra r em o r et h a nt h o s ew h i c ha r et r e a t e d 、i mo r g a n i cf e r t i l i z e rb y 1 5 2 8 ，2 3 6 7 a n d3 1 3 8 m o i s t u r ec o n t e n t ，v i t a m i nco fl e t t u c ea r en o s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e si n t h el e t t u c ew h i c ha r ed e a l tw i t hd i f f e r e n tf e r t i l i z e r s c h l o r o p h y l la n ds o l u b l es u g a rc o n t e n to ft h el e t t u c ew h i c ha r et r e a t e d 、析t l lo r g a n i c a n di n o r g a n i cf e r t i l i z e ra r em o r et h a no t h e r s o r g a n i cm a t t e rc o n t e n t , t pc o n t e n ta n d 中山大学硕士学位论文 h u m u sc o n t e n to ns o i lw h i c ha r et r e a t e dw i t hd i f f e r e n tf e r t i l i z e r sa len o ts i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t t h ea m o u n to fm i c r o o r g a n i s m sm a i n t a i n si nt h es a m el e v e l b u tn u t r i e n t s a n dt h ea m o u n to fm i c r o b i a lo ft h es o i lw h i c ha l et r e a t e dw i t ht h eo r g a n i ca n d i n o r g a n i cf e r t i l i z e ra r el i k e l yt oi n c r e a s e i ti sf o u n dt h a tt h eb e s tw a y o ff e r t i l i z a t i o ni s u s i n go r g a n i cf e r t i l i z e ra st h eb a s ef e r t i l i z e ra n du s i n gt h eo r g a n i ca n di n o r g a n i c f e r t i l i z e ra tt h et h ep l a n tg r o w i n gs e a s o n k e yw o r d s ：k i t c h e nw a s t e s ，d a i r ym a t u r e ，e o m p o s t i n g ，f e r t i l i z e re f f i c i e n c y v 中山大学硕士研究生学位论文 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作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结果由本人承担。 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向同家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：芦俭畔 日期：如d 年占月乡日 导师签名：习垂 日期：7 0 年月j 。日 中山大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 、论文选题 餐厨垃圾，俗称为泔脚，是居民日常生活以及日常生活以外的食品加工、饮 食服务、单位供餐等活动中产生的剩菜剩饭等垃圾和废弃食用油脂。餐厨垃圾的 成分主要包括米和面粉类食物残余、肉骨、蔬菜、动植物油等，从化学成分上分， 有蛋白质、淀粉、脂类、纤维素和无机盐【l 】。餐厨垃圾的主要特点是有机物含量 高、水分含量高、容易腐烂，其性状和气味会对环境卫生造成极其恶劣的影响， 并且容易滋长病原微生物、霉菌毒素等有害物质。 餐厨垃圾的产生源头主要是居民家庭及餐厅、酒楼的餐饮废物。据不完全统 计，广州具有一定规模的餐厅、酒楼7 0 0 0 多家，餐饮网点2 6 4 8 6 个，餐厨垃圾 日产量7 0 0 吨，加上机团单位食堂产生的餐厨垃圾，全市的日产量约1 0 0 0 吨【2 1 。 2 0 1 0 年3 月披露的“地沟油”事件引起了社会的极大关注，地沟油是人们在 生活中对各类劣质油的通称。一般地沟油可分为几类：一是狭义的地沟油，即将 下水道中的油腻漂浮物或者将宾馆、酒楼的剩饭、剩菜经过简单加工、提炼出的 油；二是劣质猪肉、猪内脏、猪皮m ：i ：提炼后产出的油；三是用于油炸食品的油 使用次数超过规定要求后，再被重复使用或往其中添加一些新油后重新使用的油 【3 1 。地沟油中含有黄曲霉素、各种病菌、重金属等有毒有害成分，对人体健康有 害。餐厨垃圾是制作地沟油的主要原料，因此，餐厨垃圾的流向及处理迅速成为 了社会的关注焦点。 餐厨垃圾产生量大，处理不适当，容易污染环境，为餐厨垃圾寻找快速、有 效的处理方式，实现餐厨垃圾的减量化、无害化、资源化的任务迫在眉睫。目前， 各地纷纷对餐厨垃圾的处理进行探讨，多个市即将出台相应的餐厨垃圾管理办法 及成立餐厨垃圾处理厂，规范餐厨垃圾的综合管理。 牛粪是牛的排泄物。随着人们对健康的重视，牛奶成为了日常生活的必需营 养品，奶业的发展带动了养牛业的发展。随着牛只的增多，粪便污染成为了一大 难题。目前，各地对牛粪污染还不够重视，在一般的养牛场，基本上没有牲畜粪 便处理设施。牛粪到处乱堆放，臭气冲天，对周边居民的正常生活造成不良影响。 牛粪的堆放占用大片农场或周边地区大量的土地。据估算，到2 0 1 0 年，全国畜 禽粪便排放量将达到4 5 亿吨【4 l ，牛粪便对环境的污染以下几个方面，包括有害 1 中山大学硕士学位论文 气体的污染、病原微生物的污染、氮和磷的污染。 粪便产生的气体有温室气体包括甲烷和一氧化二氮，资料显示，全球动物粪 便甲烷排放总量占已知人为甲烷排放量的5 5 8 t 引。牲畜粪便在处理和存放时 还会产生大量n 2 0 ，全球牲畜粪便产生的n 2 0 约为2 0 0 万吨，占已知人为排放 源的1 4 t 5 1 。由于集约化饲养不断增加，由此产生的甲烷和n 2 0 量必然大幅增 加。另外，牲畜粪便含有大量的水分，在堆放过程中产生大量的恶臭气体如氨、 硫化物，严重影响空气质量，奶牛粪便产生的恶臭气体量最大。这些有害气体会 对人的神经系统产生毒害，对牲畜的生长有有不良影响，使牲畜生产性能下降。 未经处理的牛粪便含有大量的病原微生物、寄生虫及虫卵，在土壤中可大量 生存、繁殖，造成人畜传染病和寄生虫蔓延。现已查明的粪便中可引起寄生感染 的微生物有1 5 0 种【5 】，未经处理的粪便直接施用在农田中，致病微生物进入水体 或随水流入水源，会污染水体并使农作物产生病害。 牲畜粪便中有大量的氮、磷和有机物，含氮有机物在微生物作用下被分解， 分解产生的离子n o 2 、n o 3 为强化学致癌物质n 亚硝基化合物的的前体【6 】， 这些离子通过下渗作用或雨水冲刷流入水体，会造成水体污染，危害人类健康。 若大量的粪便未经处理直接排入水体，不仅对对水体的自然景观产生影响，而且 严重影响水质。磷是水体自养生物的限制因子，当水中磷含量增大时，藻类将大 量繁殖，造成水体富营养化【7 】。 大量的牛粪随意堆放对环境、人群健康及养牛业的发展都产生了严重的负面 影响，治理牛粪污染成为了一个迫切、艰巨的任务。 目前，我国的农业生产大量施用无机肥料，特别是随着农业集约化生产的发 展，化肥的使用量大大增加。在土壤上长期施用大量化肥，造成土壤板结、酸化、 耕层变薄，施肥需求量越来越大，降低土壤的活性，造成土壤理化性质的恶化； 而且土壤普遍长期种植同种植物或长时间连作，土壤得不到休耕，使土壤有机质 大大降低；植株上大量施用农药，不仅大量杀灭土壤中的有益低等生物和微生物， 而且农药在土壤中的大量积累也不利于农作物的生长。 据2 0 0 5 年的统计数据，由于生态环境恶劣或肥力低而造成难以耕作的土壤 面积占总土壤面积的1 4 ，在可耕土壤量较低的情况下，目前土壤退化现象比较 严重，耕地土壤中出现盐化、碱化、土壤侵蚀、耕层浅薄、渍涝、干旱缺水等退 2 中山大学硕士学位论文 化现象e 8 ，出现退化现象的土地还在不断地扩展。面对土地急速的退化，我们应 该采取有效措施保护土壤，尤其是可耕作土壤，减轻土壤的板结、有机质降低的 情况，改善土壤的可耕作性。 1 2 、好氧堆肥的研究现状 1 2 1 、好氧堆肥的原理和过程 1 2 1 1 、好氧堆肥的基本原理 有机固体废弃物中含有大量的可生物降解的有机物，这些有机物可作为微生 物生存和繁殖所需的物质和能量的来源。高温好氧堆肥是利用好氧微生物分解有 机物，产生大量的热量，使堆肥温度达到6 0 左右或更高。在好氧堆肥过程中， 可溶性有机物可以透过微生物的细胞壁和细胞膜直接被微生物吸收分解；不溶性 的有机物可被微生物代谢产生的胞外酶分解转化为可溶性养分，供微生物的生长 和繁殖，并放出热量。堆肥的反应过程如图1 1 【9 】。 有机物+ 0 2 + 微生物 细胞物质( 微生物生长) + 腐殖质 c 0 2 、h 2 0 、r 4 3 。、s 0 4 2 + r 排入环境释放到环境转化为熟 图1 - 1 好氧堆肥的反应过程 微生物通过自身的代谢作用，进行合成和氧化反应【1 0 1 ，合成反应是将吸收的 有机物转化合成自身的细胞物质，完成自身的繁衍；氧化反应是彻底分解有机物 产生二氧化碳、水和一些简单的无机物，并放出能量转化为环境中的热，使堆体 温度升高。 1 2 1 2 、好氧堆肥的三个时期 根据堆体温度变化规律，好氧堆肥过程分为以下三个时期【1 1 】： ( 1 ) 升温期 升温期是指堆肥初期堆体温度从室温上升到5 0 。c 的阶段。此阶段微生物以 嗜温需氧型为主，包括嗜温细菌、真菌和放线菌。细菌对水溶性单糖类有特别强 的分解能力，放线菌和真菌对于分解纤维素和半纤维素物质具有独特的功能。这 中山大学硕士学位论文 些微生物利用堆肥中容易分解的可溶性有机物，如淀粉、糖等，迅速分解产生 c 0 2 和水，释放出大量的热量，使堆体温度不断上升。 ( 2 ) 高温期 堆体温度上升到5 0 以上时，进入高温期，此时，嗜温性微生物受到抑制， 嗜热微生物逐渐繁殖并替代嗜温微生物，堆体中残留和新形成的可溶性有机物继 续分解转化，复杂有机物开始被强烈分解。在此阶段活动的微生物主要为嗜热型 真菌和放线菌。随着有机物的分解，堆体温度升至6 0 7 0 。1 2 。高温不仅对快速腐 熟有重要作用，在此阶段逐渐形成腐殖质，还有利于杀灭病原微生物。 ( 3 ) 降温期 经过高温期的分解作用，大部分容易分解或较易分解的有机物都得到分解， 剩下的是较难降解的有机物如木质素和新生成的腐殖质。在这个阶段微生物活性 减弱，产热量逐渐减少，温度逐渐下降至室温，嗜热微生物逐渐被嗜温性微生物 重新替代，堆肥进入腐熟阶段。 1 2 1 3 、好氧堆肥的两个阶段 好氧堆肥一般分为两个阶段，一次堆肥或( 主发酵) 和二次堆肥( 次发酵) 。 一次堆肥氧化率高，微生物分解物质产生大量的热量，温度达到6 0 或更高， 容易降解的物质大量减少，反应速度快，嗜温和嗜热微生物活跃。二次堆肥温度 低，需氧量少，可自然通风，但反应速率慢，可以继续降解难降解的有机物，使 堆肥逐渐进入腐熟阶段。 1 2 1 4 、好氧堆肥的微生物活动 好氧堆肥是微生物降解有机物的宏观表现，堆肥过程中微生物的降解作用决 定了堆肥能否顺利进行。堆肥过程中按照微生物对不同温度的适应能力可分嗜热 微生物、嗜温微生物和常温微生物。嗜热微生物一般的适宜温度是4 5 以上， 当温度达到7 0 6 ( 2 ，嗜热微生物会受到抑制。嗜温微生物适宜温度为4 5 。c 以下。 刘有胜的研究【1 2 】发现，堆肥升温期细菌种群丰富，高温期优势种群明显，降温期 群落结构稳定。 堆肥开始阶段微生物分解堆料中较易降解的糖类、脂肪、蛋白质等有机物， 获得营养，维持自身的生长繁殖，并放出热量，使温度逐渐上升，此时温度为 3 0 4 0 。c ，中温菌是优势菌种。随着热量的增加，温度逐渐上升到5 0 c 以上，嗜 4 中山大学硕士学位论文 热微生物大量繁殖取代中温微生物，高温微生物主要包括细菌、放线菌和丝状真 菌，是分解纤维素和果胶类物质能力很强的微生物，在高温阶段能快速分解堆料 中的难降解物质，同时，高温能杀死寄生虫卵和有害微生物，并产生腐殖质。在 温度超过6 5 时，丝状真菌停止活动，当7 0 时，只有好热芽孢杆菌在活动， 当堆料中营养物质不足以满足微生物生长时，高温微生物死亡，中温微生物开始 活跃，使堆料进一步腐熟【1 3 j 。 1 2 1 5 、好氧堆肥生物酶的作用 堆肥酶学的研究是从土壤酶学过渡而来，因为堆肥过程中堆料的形态、粒度、 微环境、水热环境与土壤极为相似。因此借鉴土壤酶学技术研究堆肥过程中物质 转化的过程。但堆肥过程中的酶与土壤中的酶又有不同，堆肥的酶所处的温度、 p h 等环境比土壤环境恶劣，而且堆肥过程中微生物大量繁殖，是土壤中数量的 2 3 倍【，因此酶活性也必然比土壤酶活高。堆肥是一系列的复杂的生化过程， 生化过程需要酶的催化作用下进行。探讨堆肥过程中酶活的变化可以了解物质转 化的规律，分析堆肥的机理，并通过酶活的变化指示堆肥的腐熟过程，有文献【l 5 j 报道，脲酶的变化可作为堆肥腐熟化的重要指标。 堆肥过程中的酶可分为胞外酶和胞内酶，胞内酶是微生物细胞内生化反应的 催化剂；胞外酶是微生物在代谢过程中产生的释放到细胞外催化大分子聚合物质 如纤维素、木质素、植物聚合物等的降解，使之转化为小分子物质透过细胞膜成 为微生物可吸收的养分。堆肥是将大量大分子物质转化为小分子物质，胞外酶的 作用强烈，研究发现胞外酶数量占优势。堆肥酶活的研究主要是通过测定某些酶 的酶活，确定其酶促反应速率，以此间接反应堆肥过程中对该种物质的分解进程。 堆肥过程中研究的酶类主要包括水解类酶和氧化还原类酶。水解类酶主要是 微生物分泌的胞外酶催化水解一些大分子物质，使之能进入到细胞内进行进一步 的分解。根据堆肥原料的有机物质成分，堆肥过程中主要水解类酶有蛋白酶，磷 酸单脂酶、纤维素酶、半纤维素酶、硫酸脂酶和脲酶。不同的水解酶对应不同的 水解底物，酶活越高，对该种物质的水解作用越强烈。水解类酶活性决定堆腐矿 质化进程和强度【l6 1 。氧化还原类酶的酶活可以反映堆肥过程中微生物分解有机质 的强度。般的有机物降解过程都是脱氢作用，氧化还原酶的作用与腐殖质的形 成有关，因此，它们是指示堆肥腐熟化的重要指标。不同的堆肥过程各种酶的活 5 中山大学硕士学位论文 性差异较大，不同的堆肥过程有不同的营养、水分、p h 等，这些都严重影响微 生物的代谢活动，产酶能力及酶活强度受到重大影响。研究表明酶活与堆肥过程 中有机物质的降解存在相关性，以酶活表征堆料中物质的降解进程和指示堆肥腐 熟化具有可靠性，堆肥生物酶学有广阔的研究前景。 1 2 2 、堆肥过程的影响因素 堆肥过程是好氧微生物菌群的生化作用，是一个复杂的生物化学作用过程。 影响这个生化过程的因素有很多，堆料含水率、温度、通风供氧量、c n 、有机 质含量、填充料、p h 、颗粒度等对堆肥发酵的生化过程都有直接影响。 1 2 2 1 、含水率 微生物的生长需要水分、养料，因此堆料中应该保持一定的含水率有利于微 生物的正常生长。有研究【1 7 】通过对城市生活垃圾与污泥的混合研究分析证明：当 含水率在1 0 1 5 以下时，细菌的新陈代谢作用普遍会停止。当堆料含水率太高 时，制约堆体和空气的气体交换，还会因为过高的压力破坏堆料的完整性。 s t e n t i f o r d 【1 8 1 认为，混合堆料最高含水率应在6 5 以下。在一般情况下5 0 一6 0 被认为是适宜的含水率范剧1 9 】。但也有研究认为，只要供氧充足，起始含水率可 以高于6 5 t 1 2 1 。 1 2 2 2 、温度 温度是堆肥中微生物活动量的宏观指标，是影响微生物活性的最显著因子， 对堆肥反应速率起决定性作用。堆体温度过高或过低都不利于物质降解。 m a c k i n l e y 2 0 】等人通过研究发现：堆肥过程中，嗜温菌最适宜温度为3 0 4 0 。c ，嗜 热菌最适宜温度是4 5 6 0 。高温是好氧堆肥杀灭堆料中致病菌和病原体的主要 手段。美国环保局规定【2 1 1 ，高温好氧堆肥的堆体温度必须在5 5 。c 以上维持3 天 以上。堆肥温度是一个动态过程，一般要经历升温期、高温期、降温期。当堆料 起温度在1 5 以下时，堆体温度从开始升温到1 5 要经历一个起爆阶段，该阶 段堆体温度上升缓慢【2 2 l 。 1 2 2 3 、通风供风量 在堆肥过程中的通风作用有：( 1 ) 提供好氧微生物生长所需的氧气；( 2 ) 调 节温度，在适宜的情况下，微生物分解有机物产生大量热量，堆体温度上升，可 以通过通风控制在适宜的范围内；( 3 ) 可以带走堆料中的水蒸汽，降低含水率。 6 中山大学硕士学位论文 通风的方式分别有自然通风、定期翻堆通风和强制通风【2 3 】。( 1 ) 自然通风利 用堆体内外的氧气浓度差，提供扩散动力，使氧气与物料充分接触。但自然通风 供氧动力不足，堆体内部氧气分布不均而出现部分厌氧，发酵不彻底并延长堆肥 周期，影响堆肥质量【2 4 1 。( 2 ) 定期翻堆通风【2 5 1 是在堆肥过程中翻动堆体使空气 进入到固体颗料的间隙中，达到供氧的目的。定期翻堆提供的氧气量般较小， 不足以供给堆料需氧要求，但翻堆有助于堆料的均匀，促进水分蒸发。( 3 ) 强制 通风是通过机械通风系统向堆体输送氧气的方式。强制通风有利于对通风量的控 制，不需要占用大片场地进行翻堆，但强制通风一般需要在封闭反应器内进行且 通风系统能耗较大。另外，通风管附近的堆料有明显的冷却效应，温度分布不均， 物料易结块，虽然间歇强制通风可以改善通风管附近堆料的冷却效应，但仍不能 解决温度不均和物料结块的问题。但综合来说，强制通风是最适合好氧堆肥的通 风方式。一般情况下通风量范围为0 0 5 0 2 m 3 m i n m 3 【2 6 1 。 1 2 2 4 、碳氮比( c n ) 堆肥过程中，c n 对微生物的分解有机物的速度有重要影响，c n 过低或过 高都不利于好氧菌的生长繁殖，堆肥不容易达到稳定。当c n 高于3 5 ：l 时， 微生物需要经过多次生命循环，氧化过量的碳，以达到合适的c n 环境，因此 需要延长堆肥腐熟的时间。c n 低于1 5 ：l 时，有机物分解速度加快，可以缩短 堆肥周期，但堆肥过程中会有严重的氮素损失【2 7 1 。一般来说，初始c n 在2 5 ： 1 3 5 ：l 比较合适【2 8 f2 9 1 ，胡天觉等人【2 9 3 0 】的研究发现，c n 为3 0 ：1 时堆肥效率 最高，堆肥结束时的c n 变化也最明显。 1 2 2 5 、有机质含量 好氧堆肥的原料合适的有机物含量为2 0 8 0 ，当低于2 0 时，堆肥过程 无法为微生物的生长提供足够的碳源，不利于微生物的繁殖，难以维持堆体的高 温要求，而且会产生严重的碳素损失，影响堆肥产品的肥效；当高于8 0 时，微 生物在分解高含量有机物时所需氧量大大增加，但实际供氧难以达到所需的要 求，使堆肥出现厌氧而产生恶臭【3 l 】。 1 2 2 6 、填充料 有机废弃物的碳、氮含量不一，有些并不能达到堆肥所需的要求，要使堆肥 顺利进行可在有机废弃物中加入一些填充料调节物料的碳、氮等。填充料可以提 7 中山大学硕士学位论文 供碳源、调节物料含水率、提高堆体空隙度，一般要求填充料应干燥、疏松、低 密度并有一定的有机物含量。 填充料按作用分为膨松剂和调理剂，膨松剂像橡胶轮胎和发酵堆肥可以改善 堆料的孔隙率。而调理剂不仅改善孔隙率而且可以调节堆料的碳氮比，稻壳、树 皮、干草、木屑都可以作为调理n t 3 2 1 。 1 2 2 7 、p h p h 是影响微生物生长的重要因素。堆肥初期p h 过高或过低均会抑制堆肥 反应，一般适宜的起始p h 为6 5 7 5 ，这是微生物生长较合适的酸碱度范围，但 也有研究表明【2 6 】，p h 在3 1 2 时堆肥还可以顺利进行。p h 随着温度和堆肥进行 而不断变化，在初期，p h 下降，有机物被分解为二氧化碳和水并产生氨，p h 上 升，到堆肥结束时，p h 一般达到中性或弱碱性。 1 2 2 8 、颗粒度 堆肥原料的颗粒度影响堆肥的进程。粒径过大，会导致氧气分布不均匀，颗 料内部也难以接触液相，造成微生物对有机物分解不彻底，影响堆肥效果。粒度 过小，通风效果不好，容易造成厌氧，产生恶臭。不同的堆置方式有不同的适宜 粒径，当机械搅拌或强制通风的通风方式时，堆料粒径应较小，在1 0 1 5 m m 为 宜，而大堆体的自然通风时，粒径可以大些，在5 0 m m 左右【3 3 1 。 1 2 3 、堆肥腐熟度评价 1 2 3 1 、腐熟度的定义 堆肥的腐熟度和稳定度是表征堆肥产品质量的重要指标，关系到堆肥产品的 安全施用。 堆肥的稳定度【3 3 】是指堆料没有恶臭气味产生，致病微生物己被杀灭，不再对 环境造成危害，但仍对植物有一定的毒性的产品，对于具有较强耐受力的植物， 可以施用此种肥料。对于稳定度可以从以下几个方面进行评价：堆体温度、颜色、 气味、堆料的耗氧速率和c 0 2 释放速率、n 0 3 - n 含量和安全性测试等。 堆肥的腐熟度【3 3 】是指堆肥产品的稳定程度及其对植物毒性的大小。腐熟的堆 肥产品达到稳定化和无害化并对环境无不良影响；堆肥产品施用到植物上，不影 响作物的生物和土壤耕作能力。 稳定度体现堆肥产品对周围环境的影响，腐熟度是对堆肥产品施用在植物上 8 中山大学硕士学位论文 对其毒性作用。腐熟的产品必定达到稳定，但达到稳定并不一定达到腐熟。堆肥 的最终产品是施用在植物上，因此必须确保堆肥产品不仅达到稳定还要无植物毒 性，因此堆肥的腐熟度评价更有现实意义。 1 2 3 2 、腐熟度评价指标 腐熟度评的指标可以分为物理指标、化学指标、光谱学指标以及生物指标。 物理评价指标包括温度、表观特征、热重分析。一般而言，物理性指标只能 定性地判堆肥的腐熟程度，缺乏科学性和精确性，不过可以作为堆肥腐熟的预评 价方法，对定量评价指标起指导作用。 光谱学评价指标，利用光谱分析从堆肥过程中物质的变化，从物质结构角度 评价堆肥的腐熟度，最普遍利用的光谱学方法有1 3 c 核磁共振法和红外光谱法， 红外光谱法可以分辨化合物的特征官能团，而核磁共振不仅可以提供有机分子骨 架的信息，而且能够反映碳枋所处化学环境的细微差别和有机物的结构【2 3 1 。 化学评价指标包括有机质的变化、水溶性含氮化合物、有机酸、腐殖化程 度、碳氮比、阳离子交换量。评价堆肥腐熟度的化学指标一般使用比较广泛，并 且可以较好地反映堆肥腐熟情况，但很多指标测定方法复杂，然而，有机质含量、 c n 、水溶性氮化合物测定相对简单，都是一些可以广泛推广的指标。 生物评价指标是针对堆肥产品作用在土壤、植物上的影响进行评价的，是应 用性的评价指标，相对而言更可靠更有说服力，这些指标包括生物活性、呼吸作 用和种子发芽指数，一般当种子发芽指数达到8 5 ，就认为达到堆体腐熟。生物 评价指标是应用性指标，相比物理、化学指标更科学、更可靠、更有现实意义， 虽然生物指标测定时间长，但应该从测定方法上作改善而后普遍采用。 堆肥腐熟化的评价指标很多，各有优缺点，应根据堆肥的不同选料、堆肥工 艺、通风条件等选择合适的评价指标，也可多种指标混合使用，确定堆肥腐熟评 价更加可靠。通过以上分析，以测定方法的简易程度和可靠性作为标准进行选择， 有机质含量、水溶性含氮化合物、c n 、种子发芽率指数等指标的可行性更强， 化学指标可以作为监测腐熟过程的指标，而种子发芽指数测定耗时长可以作为化 学指标的标定手段，使腐熟度的评价更可靠。 1 3 、餐厨垃圾和牛粪处理方法对比 餐厨垃圾和牛粪属于有机固体废弃物，这些废弃物中含有大量的病原微生 9 中山大学硕士学位论文 物，有机n 、p 污染物，并会产生恶臭物质，污染越来越严重，其无害化处理已 成为我国可持续发展所无法回避的重大环境问题。有机固体废弃物对环境的危害 严重：侵占土地、污染水体、污染大气、污染土壤、影响人类健康以及影响市容 卫生。对这些有机固体废弃物开展多途径资源化利用，实施产业化发展，是实现 社会资源的可持续发展的重要途径。 目前对餐厨垃圾、牛粪等有机固体废弃物的处理方法普遍有填埋、焚烧、厌 氧消化、蚯蚓等低等生物的堆肥以及高温好氧堆肥。 采用填埋方式处理餐厨垃圾和牛粪是一种传统的方式，尤其是在广大的农村 地区，填埋的场地包括废矿、废池糖和专门的填埋场等。填埋处理占用大量的土 地，填埋期间容易厌氧发酵产生大量的沼气和渗沥液，造成二次污染和营养物质 的流失。因此填埋处理开始受到限制，在2