（环境工程专业论文）堆肥中木质素的生物降解及其与腐殖质形成关系的研究.pdf

鞭士学疰论文 摘要 缱着社会的发曩，有机固体墩物酌排放急剥增嬲。如何有效处理鸯执越体废 秘己藏麓兰蘸畿爨各鏊卡努关注瓣谍题。嚣蓊，臻麓纯已藏秀舂凝霹傣浚兹蹙理 技术的研究热点。有机固体废物( 特别是农业废物) 中含有大量木蔟纤维素，而 木质素的保护作用及其难降解性使得加速木质素降解成为堆肥充分腐熟的关键。 近几十年来，国内外学者一露在寻找能够快速降解术质素的最佳菌剂。其中 研究彳导最多的炫自疼真菌，但非粪麓类微生物群在本质纾维素循环中魂起到了重 要终惩。嚣藏，零涤蘧就粟褥羲霉蘧瑟瑟摹本矮素熬醛释浸秀了疆突。 分剐在圈、液态培养条件下，研究了不同外加碳氮源对栗褐链霉麓猩降解木 质纤维素过程中胞外酶活性的影响，并考察了木质祭降解中间产物一一可酸沉淀 的多聚木质索a p p l 的产量及培养前后木质纤维素三种组分的绝对量变化。结果 表明，在固态发酵中，外加碳氮源对过氧化物酶的产生及木质素的降解均有促进 终震，毽对拳缍壤素酶帮纾维素瓣鼢产生及睾野缝索秘纾维素熬降察稳蠢霉霉鬟终 用；外搬氮添鼯母膏对a p p l 的产生具有明显昀程遂作用，而外鸯碇氮源氯亿铵 和外加碳源葡萄糖均抑制a p p l 的产生；在液态发酵中，外加氮源酵母膏对栗 褐链霉菌产过氯化物酶和a p p l 的产生均有显著的倪i 作用，但对产半纤维素酶 和纤维素酶没有明显作用；而# 1 - 3 1 1 氮源一氯化铵对三种酶及a p p l 的产生都具有一 定懿蘩麓捧穗；终热豢源蘩莓糖耱在一定程凄上程避半纾缍素酶彝纾缀索酶熬产 生，但对过氧化物酶和a p p l 懿产生具有抑制作用。外加氮源一酵母鬻外加氮源- 氯化铵能明显提高术质素的降解率，而外加碳源葡萄糖均抑制木质素的降解。 另外，腐嫩质形成学说中的木质素学说表明木旗索降解与腐殖质彤成有着密 切联系。由于各微生物的本质素降解机理不同，故箕对腐殖质形成的作用也不同。 据菇，我嬲邀较磅究了嚣秘不滔本囊素簿解蓠：簧蓬嚣毛平蕈蘧秽聚竭链霉 菌及土著微生物培养条件下木质桊降解率、腐蘧震慧量、各缀分含鬣及葫敏酸 风忽。的变化，研究了不同木质索降解菌在腐殖质形成过程中的作用。缩果表明， 接种有木质素降解能力的微生物有利于土壤中腐殖威总量的形成，其中粱褐链霉 菌相对来说更有利于本质素降解过程中腐殖质的形戚，从而更有利于蠛肥质量的 提蠢；两静徽生镄强麓毒震素形戏瘸建震熬过程有掰不溺；黄孢募毛乎孳蘧首先 将木质素转化成誊里酸进蔼富零酸转化为胡敏酸，瓣柴褐链霉菌主要怒使本质素 结构发生改性形成胡敏酸，后来转化为富罩酸。经微生物作用后，土壤中胡敏酸 e 杷一总趋势均有所增加，但在全过程中呈现动态变化。 关键词：堆腮：本蒺素；瘸殖质；黄德原毫平革菌；巢褐链霉菌 堡墨! 查里耋竺生塑堕壁墨兰兰壁塑星垄盛茎墨箜堑塞 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y ，t h ep r o d u c t i o no fo r g a n i cs o l i dw a s t e i n c r e a s e sr a p i d l y h o wt od i s p o s et h e s ew a s t e sh a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t a tp r e s e n t n o w a d a y s ，c o m p o s t i n gi sag e n e r a lt r e a t m e n tm e t h o df o ro r g a n i cs o l i d w a s t e t h e r ei sl o t so fl i g n o c e l l u l o s ei nt h eo r g a n i cs o l i dw a s t e ，e s p e c i a l l yi nt h e a g r i c u l t u r a lw a s t e t h el i g n i n i sh a r dt ob ed e g r a d e da n di tc a np r o t e c tt h e l i g n o c e l l u l o s e s oa c c e l e r a t i n gt h eh u m i f i c a t i o no ft h el i g n i nh a sb e c o m et h ek e yo f t h es u f f i c i e n tm a t u r i t yo ft h ec o m p o s t r e s e a r c h e r sa th o m ea n da b r o a dh a v el o o k e df o rt h el i g n o l y t i co r g a n i s m si n r e c e n ty e a r s t h o u g hl i g n i nd e g r a d a t i o nb yw h i t e - r o tf u n g ih a sb e e ne x t e n s i v e l y s t u d i e d ，t h e r ea r em a n yg e n e r ao fa c t i n o m y c e t e sa n de u b a c t e r i a st h a tc a nd e g r a d e e x t r a c t e dl i g n i n s ow es t u d i e ds t r a wl i g n i nb i o d e g r a d a t i o nb ys t r e p t o m y c e sb a d i u si n t h i sp a p e r t h e p a p e rr e s e a r c h e d e x t r a c e l l u l a r e n z y m e a c t i v i t i e s d u r i n gl i g n o c e l l u l o s e d e g r a d a t i o nb ys t r e p t o m y c e sb a d i u si ns o l i ds t a t ea n ds u b m e r g e df e r m e n t a t i o n a tt h e s a m et i m e ，w ed e t e c t e dp o l y m e r i cl i g n i nd e g r a d a t i o ni n t e r m e d i a t e ：a c i d p r e c i p i t a b l e p o l y m e r i cl i g n i n t h e d e c r e a s eo fl i g n i n ，c e l l u l o s ea n dh e m i c e l l u l o s ew e r ea l s o s t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti nt h es o l i ds t a t ef e r m e n t a t i o n ，n i t r o g e nn u t r i e n t y e a s t e x t r a c ts t i m u l a t e dt h ep r o d u c t i o no fp e r o x i d a s ea n di n c r e a s e dt h ed e g r a d a t i o nr a t eo f l i g n i n h o w e v e ri ti n h i b i t e dt h ep r o d u c t i o no fb o t hh e m i c e l l u l a s ea n dc e l l u l a s e i ta l s o d e c r e a s e dt h e d e g r a d a t i o n r a t eo ft h eh e m i c e l l u l o s ea n d c e l l u l o s e ；n i t r o g e n n u t r i e n t y e a s te x t r a c to b v i o u s l ys t i m u l a t e dt h ep r o d u c t i o no fa p p l ，b u tn i t r o g e n n u t r i e n t - a m m o n i u mc h l o r i d ea n dc a r b o nn u t r i e n t g l u c o s ei n h i b i t e di t sp r o d u c t i o n i n s u b m e r g e df e r m e n t a t i o n ，n i t r o g e nn u t r i e n t - y e a s te x t r a c tc o u l do b v i o u s l ys t i m u l a t et h e p r o d u c t i o no fp e r o x i d a s e a n da p p l h o w e v e r ，i th a dn od i s t i n c te f f e c t so nt h e p r o d u c t i o no ft h eh e m i c e l l u l a s ea n dc e l l u l a s e n i t r o g e nn u t r i e n t a m m o n i u mc h l o r i d e i n h i b i t e dt h ep r o d u c t i o no fa l lk i n d so fe n z y m e sa n da p p l ；c a r b o nn u t r i e n t g l u c o s e c o u l di n h i b i tt h ep r o d u c t i o no fb o t hh e m i c e l l u l a s ea n dc e l l u l a s eo nac e r t a i ne x t e n t b u ti ti n h i b i t e dt h ep r o d u c t i o no fp e r o x i d a s ea n da p p l n i t r o g e nn u t r i e n t y e a s t e x t r a c ti n c r e a s e dt h ed e g r a d a t i o no fl i g n i n ，b u tn i t r o g e nn u t r i e n t a m m o n i u mc h l o r i d e a n dc a r b o nn u t r i e n t g l u c o s ec o u l di n h i b i tt h ed e g r a d a t i o no fl i g n i n s e v e r a ls c h e m e sf o rt h ef o r m a t i o no fh u m u sh a v eb e e np r o p o s e d t h el i g n i n t h e o r yb y w a k s m a ni n d i c a t e st h a ti th a s n e a r l yr e l a t i o n s h i p b e t w e e nl i g n i n i i 堡圭主垄笙奎 b i o d e g r a d a t i o na n dh u m u sf o r m a t i o n d u et od i f f e r e n tl i g n o l y t i co r g a n i s m sh a v et h e i r o w nd e c o m p o s “i o nm e c h a n i s m ，s ot h e i re f f e c t o nh u m u sf o r m a t i o ns h o u l db e d i f f e r e n t b ym e a n so f a ni n c u b a t i n ge x p e r i m e n t ，w er e s e a r c h e dt h ee f f e c to f t w ol i g n o l y t i c o r g a n i s m s ：p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u ma n ds t r e p t o m y c e sb a d i u sa n da b o r i g i n a l m i c r o b eo nh u m u sf o r m a t i o n i nt h i sp a p e r , w ed e t e c t e dt h ed e g r a d a t i o nr a t eo fl i g n i n 、 t h ea m o u n to fh u m u s ( h e ) 、h u m i ca c i d ( h a ) 、f u l v i ca c i d ( f a ) a n de , e ao fh ai n d i f f e r e n tc o n d i t i o n s c o m p a r i n gt h r e es a m p l e s t h ea m o u n to fh et h a tp r o d u c e db yt h e s a m p l e sc o n t a i n i n gi n o c u l a n t sw a sd i s t i n c t l yh i g h e r t h a nt h ea m o u n to f c o n t r 0 1 t h a ti s t os a y , t h ef o r m a t i o no ft h eh u m u sw a se n h a n c e dw h e nl i g n o l y t i co r g a n i s m sw e r e i n o c u l a t e di nc o m p o s t f u r t h e r m o r e ，sb a d i u sc o u l da c c e l e r a t et h eh u m u sf o r m a t i o n m o r et h a npc h r y s o s p o r i u m s oi tc o u l di m p r o v et h ec o m p o s tq u a l i t y t w od i f f e r e n t o r g a n i s m sd e g r a d e dl i g n i nt of o r mh u m u sw e r ed i f f e r e n t pc h r y s o s p o r i u mc o n v e n e d l i g n i nt of aa n dt h e nb e c a m eh a ，b u t 爱b a d i u sm o d i f i e dl i g n i nt oh aa n dt h e n b e c a m ef a 。t h r o u g ht h ee f f e c t i n go f t h eo r g a n i s m s ，e 嚣6q 琏& i n c r e a s e da saw h o l e ， b u ti tw a v e di n 像ep r o c e s s k e y w o r d s ：c o m p o s t i n g ；l i g n i n ；h u m u s ：p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u m ； s t r e p t o m y c e sb a d i u s h l 堆耱中本质素的生物降解及萁与窿蹙质形成关系的研究 插图清单 图1 1 堆肥的好氧发酵过程6 图1 2 苯丙烷单元慕本结构1 4 图1 3 木质素的六种基本结构1 4 图1 4 腐殖物质的形成过程2 1 匿1 5 腐殖质的缀分2 3 图2 1不同外加碳氮源对sb a d i u s 产过氧化物酶的影响4 3 图2 2 不同外加碳氮源对s b a d i u s 产半纤维素酶的影响4 4 图2 3 不同郎加碳氮源薅s b a d i u s 产绥维素酶豹影响4 5 图2 4 不同外加碳氮源对s b a d i “s 产a p p l 的影响4 6 图3 1不同外加碳氮源对sb a d i u s 产过氧化物酶的影响5 4 图3 。2 不同终翻碳氮源对最b a d i u s 产半纾维素酶的影响5 5 图3 3 不同外加碳氮源对s b a d i u s 产纤维素酶的影响5 6 图3 4 不同外加碳氮源对s 妇d i u s 产a p p l 的影5 6 图4 1l i p 和m n p 继纯氧化底物( a h ) 的过程6 0 图4 2l i p 催化氧化底物( a h ) 的机理6 l 图4 3m n p 催化氧化底物( a h ) 的机理6 1 图4 4 不同微生物对本质素降解搴的影响6 9 图4 5 不同微生物对腐殖质含量的影响7 0 图4 6 不同微生物对富里酸含缴的影响7 l 图4 7 不勰微生物对胡敏酸含罴的影响7 l 图4 8 不问微生物培养条件下胡敏酸的骗变化7 2 硕士学位论文 表1 1 表1 2 表2 1 表2 2 表3 1 表4 1 附表清单 腐殖质的不同分组方法比较( 占总碳的) 2 3 腐殖质提取剂及其作用 高氏合成一号培养基 栗褐链霉菌sb a d i u s 对稻草木质素、纤维素、半纤维素的降解率 栗褐链霉菌b a d i u s 对稻草木质素、纤维素、半纤维素的降解率 p d a 培养基 v 2 6 4 2 4 7 5 7 赣士学位论文 1 + 1 堆肥概述 第1 章绪论 堆艟纯( c o m p o s t i n g ) 就是依靠嫠然界广泛分带瓣缁菌、放线蘸、舆赣等微 生物，在一定的人工条件下，有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖 质转化的生物化学过程，其实质憝一种发酵过程【1 】。在这种堆肥化过稷中，有机 物由不稳定状态转化为稳定的腐皴质物质，对环境尤其是土壤环境不构成危害， 嚣把堆腮鼗熬产藏穆鸯堆整。 在堆耱纯_ l 建程中，伴随着有机物分解帮腐殖痰形成的过程，罐鼹静枣手瓣在体 积和重量上也发生着明显的变化。通常由于碳素等挥发性成分分解转化，重量和 体积均会减少半左右。堆肥化道程是地球表面生态过程中的一部分，并在不断 地发挥着重要的作用，如地表面残鬓的枯枝落叶、杂荦、树皮和其它带圆体的有 凝秘分解詹孬邀步参与裂物壤釉髓量熬霉蠢环孛去。 堆艇证过程薰然是本世纪方发麓起来懿秘学技术，值原始的堆腮方式缀翠就 出现了，在几个世纪的历史过程中，农民们一直将这个办法用于制造土壤的有机 肥料。其方法怒将待堆制的有机材料堆成垛，然后程自然条件下分解礅至达到一 种“稳定”的穗度，即土壤可接受的程度。这种过程少有或没有人为控制，其产 燕可毅爻壤提供大量疼蕴矮物袋器滏寿扭状态存巍瓣营养镑曩( 魏氮、磷帮舞 等) 。 现代的堆肥化过程就是在这种原始的堆肥方式上发展而来，最早的用于混合 固体原料的堆肥化方法是由印度的爱德华霍华德在1 9 2 5 年提出的【2 j 。混合物料 主要由垃圾、人粪尿、污水污泥、树叶或秸秆和其它一些有机料组成。混合物料 在深0 。6 - 0 9 e m 篷下沟无发酵装爨豹臻搏式固定藤上避嚣雄惩，氧气浆供给主要 透过繇堆来变瑷，停鹜时阉兔1 2 0 1 8 0 d 。逶嚣纛把这释方法称为班黼罗法 ( 3 a n g a l o r ep r o c e s s ) 。 1 9 3 1 年，衙兰、德国、瑞士锋国的科研工作者对班加罗法进行了改进，采用 了固定床方法，这种方法是将磨谗物料压成块状并堆放3 0 4 0 d 。期间采用自然扩 敖及气流穿避风管透气。疼熟雅耱经酸碎再裂霜。2 0 毽纪3 0 年代初，程丹麦出 现了d a n o ( 砖落) 难b e 装置。奠装置采蘑爵式生物发簿楚。发酵筒在零平方向上 呈倾斜放嚣。筒内物料一般不装满。堆料从一端进入，再从一端排融。这种装置 在7 0 年代初最为流行。 2 0 世纪4 0 年代初，国际上出现了机械化较强的发酵装置立流移动式搅 搀发瑟仓。笈黪仓瘛塞上面下多鼷设置，物籽麦上嚣下移动。其透气效祭帮发酵 堆肥中木质素的生物降解及其与腐殖质形成关系的研究 时间都确很大程度的改进。以后相继出现了f r a z e re w e s o n 法、j e r s e y 法、n a t u r i z e r 法、r i k e r 法和v a r r o 法等类似堆肥发酵装置。 将固定发酵槽和搅拌器结合起来，就形成了新的搅拌式固定床。其代表工艺 主要有f a i r f i e l dh a r d y 法、s n e l l 法、m e t r o w a s f e 法和t o l l e m a e h e 法。 以上这些堆肥工艺在各种固体废物，尤其在城市生活垃圾和污泥处理方面发 挥着重要作用。在2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代，由于城市生活垃圾中成分复杂性较 强，尤其是无机部分，因此，对于这些机械化程度较高的工艺的推广和利用限制 性较大，曾经被土地填埋和焚烧所替代。进入2 0 世纪8 0 年代后期至9 0 年代，由 于土地资源日益紧张，焚烧垃圾又带来更为严重的二次污染问题。因此人们又重 新注意采用堆肥方法来处理各种有机废物。 1 1 1堆肥系统 不同堆肥技术的主要区别在于维持堆体物料均匀及通气条件所使用的技术手段。 目前常用的堆肥系统有很多种，分类也很复杂。按照有无发酵装置可分为开放式堆肥 系统和发酵仓堆肥系纠3 1 。根据堆肥操作过程的特点，堆肥技术分为干预过程和非干 预过程1 4 1 。此外，m a n s e r 根据堆肥系统的复杂程度，将其分为简单条垛式堆肥系统和 复杂机械堆肥系统 5 】。堆肥化技术的发展到目前为止已经较为成熟，但由于堆肥原料、 技术条件、经济条件及土地面积等各个方面因素的差别，不同国家、不同城市对 堆肥技术的选择侧重不同。例如，地域广阔的国家如美国、加拿大，选择占地面 积较大、堆肥成本较低的条垛式堆肥系统的比例较大，而土地面积极其短缺的日 本，发酵仓式堆肥系统占据了绝大多数比例。 1 1 1 1 堆肥化开放式工艺系统 1 、被动通风条垛式系统 被动通风条垛式堆肥是将原料简单堆积，使堆体通过“烟囱效应”进行被动 通风，经长时间自然分解的过程。采用这种方式可大大降低投资和运行费用，但 不能满足连续好氧堆肥的条件。如果堆体管理不当，可能会形成厌氧条件，堆肥 温度低，反应慢，产生恶臭。 2 、条垛式系统 条垛式堆肥是将原料简单堆积成窄长条垛，在好氧条件下进行分解。条垛式 系统定期使用机械或人工进行翻堆的方法通风。 条垛式堆肥系统尽管是一个低水平的系统，但有很多优点。所需设备简单， 投资成本较低，翻堆会加快水分的散失，堆肥容易干燥，干燥的堆肥易于把填充 剂筛分，干的填充剂可以较快地进行回用，由于堆肥时间相对较长，条垛式堆肥 产品腐熟度高、稳定性好。 2 硕士学位论文 条垛式堆肥的缺点也是很明显的：条垛系统占地面积大，而且腐熟周期长， 需要大量的翻堆机械和人力。相对于其它的堆肥系统，条垛式堆肥需要更多的监 测以确保足够的通气量和温度，翻堆会造成臭味的散失，这会对公众的生活造成 影响，条垛式堆肥系统受天气的影响严重。例如，雨季会破坏堆体结构，冬季会 造成堆体热量大量损失，使温度降低，为了保持良好的通风，条垛式系统需要相 对比例大的填充剂。 作为一种古老的堆肥系统，条垛式系统一直被普遍采用。美国1 9 9 3 年普查， 条垛式系统占3 2 1 个堆肥项目的2 1 5 。1 9 9 3 年加拿大普查全国1 2 1 个运行的堆 肥厂中，有9 0 个是条垛式系统。条垛式系统在美国和加拿大等国使用比例较高的 原因是这些国家有足够的土地进行条垛式处理。 3 、强制通风静态垛系统 条垛式系统处理固体废物时会产生强烈的臭味和大量的病原菌。因此， e p s t e i n 等人在条垛式系统的基础上开发了通风系统，这就是后来被广泛应用的强 制通风静态垛系统的开端。 强制通风静态垛系统是通过风机和埋在地下的通风管道进行强制通风供氧的 系统。对于强制通风静态垛系统，通风系统决定其能否正常运行，也是温度控制 的主要手段。在堆肥过程中，通风不仅为微生物分解有机物提供氧气，同时也能 去除二氧化碳和氨气等气体，并蒸发水分使堆体散热，保持适宜的温度。 相对于条垛式系统来说，强制通风静态垛系统能更有效地确保达到高温，杀 灭病原菌。它与条垛式系统的不同之处在于：堆肥过程中不进行物料的翻堆，堆 体内的氧气是通过鼓风机向堆体内通风来提供的。 强制通风静态垛系统有很多优点：设备的投资相对较低，与条垛式系统相比， 能够更好地控制温度和通气情况，产品的稳定性较好，且能更有效地杀灭病原菌 和控制臭味，由于控制条件较好，强制通风静态垛系统堆腐时间相对较短，一般 为2 3 周，由于堆腐时间相对较短，填充料的用量少，占地面积也相对较小。 但是，强制通风静态垛系统同样也有很多缺点，最重要的一点是，由于堆肥 是露天进行的，因此易受气候条件的影响。加盖大棚可以解决这个问题，但同时 也会加大投资。与条垛式堆肥系统相比，在足够大体积和合适的堆腐条件下，强 制通风静态垛系统受寒冷气候的影响比较小。 强制通风静态垛系统在美国使用最普遍。例如，目前世界上最大的污泥堆肥 厂一一污泥处理中心s p d c ，就是根据b e l t s v i l l e 方法建造的强制通风静态垛系统。 在1 9 9 3 年的普查中，美国3 2 1 个堆肥厂中有1 3 6 个强制通风静态垛系统，占总量 的4 2 _ 3 。1 9 9 3 年比1 9 9 2 年增加了3 1 个堆肥厂，其中1 5 个为强制通风静态垛 系统，占总增长量的4 8 4 。，操作运行费用低是通气静态垛系统被选择的主要原 因。 堆肥中木质素的生物降解及其与腐殖质形成关系的研究 1 1 1 2 发酵仓系统 发酵仓系统是使物料在部分或全部封闭的容器内，控制通风和水分条件，使 物料进行生物降解和转化。 发酵仓系统有很多分类方法。按物料的流向可分为：水平流向反应器、竖直 流向反应器。竖直流向反应器包括：搅动固定床式、包裹仓式；水平流向反应器 包括：旋转仓式、搅动仓式。美国环保局( u s e p a ) 把发酵仓系统分为：推流式 ( p l u g f l o w ) 和动态混合式( d y n a m i c ) 。在推流式系统中，系统是按入口进料、 出口出料的原则工作的，每个物料颗粒在发酵仓中的停留时间是相同的。在动态 混合式系统中，堆肥物料在堆肥过程中被搅拌机械不停地搅拌至均匀。这两类系 统又可以根据发酵仓的形状进一步划分，推流式系统分为：圆筒形反应器、长方 形反应器、沟槽式反应器：动态混合式系统分为：长方形发酵塔、环形发酵塔。 1 、搅动固定床式 搅动固定床式的反应器结构通常由多层平面构成。进料口在反应器的上部， 堆肥物料先进入第一层，然后被一层层向下推移，物料在各层之间可以有不同时 间的停留。通过搅拌使堆料均匀，然后堆料进入最底层，从出料口运走。整个堆 腐过程中进料和出料是连续的。通气管道位于反应器的下部，由许多支管组成， 外连鼓风机。在反应器的上部设有废气口，产生的废气统一收集处理。 2 、包裹仓式 包裹仓式反应器的特点是堆料占据了整个发酵仓。混匀的物料从发酵仓顶部 的物料入口进入并充满反应器。在发酵仓底部通过具有分支管路的通气管道向反 应器内的物料进行通气，废气由反应器上部的废气管道排出，废气的出口略低于 混合物的上表面，通过负压抽气的方式把废气收集处理。负压抽气方式可以确保 废气的统一处理和降低堆肥物料的湿度。包裹仓系统使用较普遍，目前在北美有 许多堆肥厂使用包裹仓系统。 3 、旋转仓式 旋转仓系统根据物料在反应器内的移动方式又分为推流式和分隔式。 推流式 推流式发酵仓系统中，物料从仓体的进料口进入，沿仓体移动到反应器末端 的出料口，这是迄今为止使用最普遍的发酵仓系统。 分隔式 沿物料的移动方向，反应器被分为一个个小室，在堆腐的不同阶段，物料从 一个室移入另一个室，在不同的室内，物料可以进行不同时间、不同堆腐条件的 堆腐，最后进入出料口被移走。 相对于条垛式系统和强制通风静态垛系统，发酵仓系统有很多优点：堆肥设 4 硕士学位论文 备占地面积小，空间限制少，能够进行很好的过程控制( 水、气、温度) ，从而得 到高质量的堆肥产品；堆肥系统不会受气候条件的影响；能够对废气进行统一的 收集处理，防止环境的二次污染，同时解决了臭味问题；在发酵仓系统中可以对 热量进行回收再利用。 发酵仓系统也存在着明显的不利因素：首先是高额的投资，包括堆肥设备的 投资( 设计、制造) 、运行费用及维护费用：由于堆肥周期相对较短，堆肥产品会 有潜在的不稳定性，几天的堆腐不足以得到一个稳定的、无臭味的产品，堆肥的 后腐熟期相对延长，堆肥过程完全依赖专门的机械设备，一旦设备出现问题，堆肥 过程即受影响。 1 1 1 3 堆肥工艺系统的发展方向 在国外，堆肥技术正在向着机械化、自动化的方向发展，而为了防止对环境的二 次污染，堆肥也趋向于采用密闭的发酵仓方式。但在中国，由于当前的经济现状，高 度机械化、自动化的堆肥设备成本太高，不符合中国的国情。所以要在中国发展堆肥 产业和堆肥技术，就必须去寻找一个成本较低、操作方便、维护性较好、真正适合中 国国情的堆肥工艺和技术。 1 1 2 堆肥的基本原理 有机固体废物是堆肥微生物赖以生存、繁殖的物质条件，由于微生物生活时 有的需要氧气、有的不需要氧气，因此，根据堆肥过程中起作用的微生物对氧气 的不同要求，可以把有机固体废物堆肥处理分为好氧堆肥和厌氧堆肥【6 j 。前者是 在通气条件下借好氧性微生物活动使有机物得到降解，由于好氧堆肥温度一般在 5 0 6 0 c ，极限可达8 0 9 0 。c ，故亦称为高温堆肥。后者是利用微生物发酵造肥。 1 1 2 1 高温堆肥 好氧堆肥是在有氧的条件下，借好氧微生物( 主要是好氧菌) 的作用来进行 的。在堆肥过程中，生活垃圾中的溶解性有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜 被微生物吸收。固体和胶体有机物质先附着在微生物体外，由生物所分泌的胞外 酶分解为溶解性物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命活动氧化、还原、 合成等过程，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并放出生物生长活 动所需要的能量；另一部分有机物转化为生物体所必需的营养物质，合成新的细 胞物质，用于微生物的生长繁殖，产生更多的生物体，图1 1 可以简单的说明这 个过程。 一个完整的堆肥过程由升温、高温、降温和腐熟四个阶段组成。每个阶段拥 有不同的细菌、放线菌、真菌和原生动物。在每个阶段，微生物利用有机废物和 阶段产物作为食物和能量的来源，这个过程一直进行到稳定的腐殖物质形成为止。 堆肥甲术旗紧的生物降懈及其与滕殖质形成关系的研究 堆肥有机物十0 2 十微生物 细胞物质( 微生物生长) + 腐殖物顺 三：e 氆、进。、n 琢、p 。；、。；：十撬曩 排入环境 释放能摄 转蒋为热 幽i 1 堆肥的好毓发酵过程 1 1 2 2 获氧壤艇 有机物的厌氧消化过稷主要包括产酸帮产甲烷两个阶段【7 ，两对于不溶性有 机物( 商机垃圾) ，一般w 认为在上述两个阶段之前还有一个液化阶段峭】。( 一) 液化阶段：在胞外酶的作用下，固体有机物被水解成分子量较小、可直接被微生 物利用的可溶馕物质，经过水解作用后，多耩分解为可溶性单耱，蛋自质分解为 获戴爨罄酸，耱耱分解为茸演积嚣耱酸。 琏：汾敬起终瘸懿绥萤惫瑟纾维素分磐萤、 精肪分销菌、蛋自质水解蓊。( 二) 产酸阶段；进入细胞的各种可溶性物质在各种 胞外酶的作用下，进一步被分解代谢，生成各种脂肪酸，其中主器是乙酸，同时 也有氨、二氧化碳和少量麓它产物。此阶段越作用的细菌是醋酸分解菌和产氢菌。 ( 三) 产甲烷阶段：甲烷精利用h 2 ，c 0 2 、乙陂、甲醇等c l 类化合物为基质，将 其转纯域军薅，萁孛，h 2 c 0 2 窝乙酸是主黉繁蔟。 有机垃圾厌氧发酵酌三个阶段互穗衔接、互相保持动态平衡。长期以来，有 关微生物作用的机理一赢缺乏深入的认识，而微生物的作用在固体废物的堆肥化 和卫生填埋处理中起着主导作用。 l 。1 2 3 好氢厌氧堆肥法魄较 嚣液井许多学者曾瓣逶蠲好氧罐惩述魁茨戴发酵争论较大。获氧发酵自身黥 耗少，不需外部供氧，但出于厌氧微生物繁精较慢，减缓了有机物的分解速度，因 而厌氧消化需要较长的滞留期，处理周期长选8 0 l o o d ，需较大体积的厌氧消化 器。而好氧堆肥过程中，需要外界供给大量的氧气，菌体硕大、性能活泼的嗜温 菌群体塔及原生动物就熬较抉建分解有孝强物，处理周期1 0 3 0 d 。厌氧发酵能够产 生嵩热镶熬气俸壤瓣甲靛，是入霞翻翔黛甥链豹一静重要手段，毽痍魏分瓣 不容翁彻底，不能完全杀死病原细菌，有臭眯且产气率受环境温度影响较大。而 好氧堆肥中有机物的分解比较彻底，它依靠缴物氧化作用的热擞把温度升到7 0 左右，梅这个温度下，几乎所有的致病菌和寄生虫卵都被杀死。同时利用各种微 6 鞭学建论文 生物降解漳傀大分子有祝秘，去除恶臭，最后褥酬大麓优质有枫艟辩。缀合毙较 两种方法的利弊，目前国内外的堆肥通常是采用高濑好氧堆肥技术。 l 。1 3 堆腮过程的影响因素 畜氛痰褥的壤嚣是多释墩生携程遥宣懿螽辞下对复杂蓊堆驱蠹懿审寄桩鐾进 行生物降解黪过程。它是一个羹杂静动力学露生物学过程，影响堆瓣擞物降藤过 程( 特别是主发酵过程) 的因索很多，归纳起来主磷肖以下几方面【9 1 。 1 1 3 1 供飘髓 遥甄是影雅好氧堆瓣过程鞠壤耱产嚣囊量翁鬟溪遴索 翔。难鼹避程串，氧气 供应充足霹 美翔逮有橇囊分解，缩短难驻薅阕，燕速臻怒褪麓遗度黪、量二舞速率， 减少恶臭气体的产生。一般堆腮罐体中的氧气浓廉低- t 1 0 ，耗氧撇懋物的分解 消化过程就枯停止。因此，堆腮时必须保证充分供戴。堆肥化所需嚣的通风量主 要决定于堆肥原料有机物的含黧、挥发度、可降群装数等。在机械蛾肥生产系统 量，要求有5 0 涎榉滚天裂壤糕备帮分，鞋瀵是徽麓裙氧耗分解有辊耪静需要。 窿子有瓿废赫赫好氧堆蘑是卡努笺杂黪生纯反痤遮程，在反痊过程戆不丽淤段， 通风的作用搬不同。堆肥初期通风蹙提供氧气 堆腮中期起供氧、散热冷却作用， 冷却散热可斌滋装置向外排风时带难水分来实现，谶而通过水分的熬艘控制堆体 达到适宣温殿；堆肥后期通风的釉的在于降低堆肥的禽水率。 1 ，1 , 3 + 2 含承攀 水分为搬嫩秘生长所必需，徽生物需要获届围环境中苓断骧牧水分激维持其 生长代谢活动，微生物体内水及流动状态水是进行生化反应的介质，阉体废物中 的有机营养成份也只有溶解于水中才能被微生物摄嫩吸收。所以水分熙荫适量直 接影酶堆肥的发酵速度和瘸熟程发。含水率是好瓴堆腮诧豹关键因素之一，从 理论上诱含瘩率海1 0 0 惑徽燕赞京最夫圭蘩活鳇，毽是实嚣上受了保涯窝难嚣 供氧藉其它絷俸的蔽铡，需要把炼体酶含承率控藩g 嶷一定范匿杰。在埭艟过程中， 5 0 6 0 的含水率最有利于微嗽物分解，水分超过7 0 ，温度难以上 升，分解速 度明显降低。因为水分过多，堆肥原料之间充满水将有碍于通风，从而造成厌氧 状态，不利予好鼠微生物生长并产生强s 等恶臭气体。水分低于4 0 ，不能满足 徽生蘩釜长鬻要，有蕊耪难荻努瓣。这主要是交予港鼹擞生耪势瑟吝枕黪瓣溪葫 及生长繁整滔韵受裂养努酶影响褥缓慢或停止，瓣为擞生物哭髓摄取葵生存必需 的溶解性养料。 1 1 。3 f 3 有机髓含量 畜撰耪含壁谗是莲瑟过稷枣豹一个雾襄嚣素，戳受鸯樵耪是徽燕戆羧爨生存 7 堆肥中木质素的生物降解及其与腐殖质形成关系的研究 和繁殖的重要因素。大量的研究工作表明，在高温好氧堆肥中，堆料最适合的有 机物含量为2 0 8 0 t 9 1 。当有机物含量过低时，堆肥过程产生的热量不足以提高 堆体的温度从而无法达到堆肥的无害化，产生的堆肥成品由于肥效低而影响其使 用价值，同时也不利于高温分解微生物的生长繁殖，无法提高堆体中微生物的活 性，最终将导致堆肥工艺的失败。但如果有机质含量过高，堆肥过程中对氧气的 需求很大，而实际供气量难以达到要求，则堆体有可能进入厌氧状态而产生恶臭， 同样不能使好氧堆肥顺利进行。 1 1 3 4 碳氮比( c n ) 碳源是微生物利用的能源，氮源是微生物的营养物质。在堆肥过程中，碳源 被消耗，转化成二氧化碳和腐殖质物质，而氮则以氨气的形式散失，或变为硝酸 盐和亚硝酸盐，或是由生物体同化吸收。故就微生物对营养的需要而言，c n 是 一个重要因素【i “。有机物被微生物分解的速度随c n 而变。微生物自身的c n 约 4 3 0 ，用作其营养的有机物c n 最好也在此数值范围内。当c n 为1 0 2 5 时，有 机物被微生物分解的速度最大。据加利福尼亚大学研究报道，当原料中c n 为2 0 、 3 0 5 0 、7 8 时，其相应的堆肥时间为9 - 1 2 d 、1 0 1 9 d 和2 1 d 。一般认为，初始c n 在2 5 3 0 ：l 或3 0 3 5 ：1 较为适宜。如果垃圾中c n 偏离正常范围，可通过添加含 氮高和含碳高的物料加以调整。 1 1 3 5 p h 值 在堆肥过程中，p h 值随着时间和温度的变化而变化，因而p h 值也是提示堆 肥分解过程的标志。p h 值并不影响堆肥化过程中有机质的降解，但是p h 值的大 小对微生物的生长有重要影响。适宜的p h 值可使微生物有效地发挥作用，而p h 值太高或太低都会影响堆肥的效率 1 2 l 。一般来讲，p h 值在3 1 2 之间都可以进行 堆肥。但有研究发现，在堆肥初期堆体的p h 值降低，低的p h 值有时会严重抑制 堆肥反应的进行。一般认为，堆制垃圾时p h 值在8 左右可获得最大堆肥速率， 此范围内可显著提高堆肥初期的反应速度，缩短堆肥达到高温所要求的时侧，亦 可避免由于堆肥反应延缓所造成的臭味问题。 1 1 4 堆肥腐熟度的评价 腐熟度就是堆肥腐熟的程度即堆肥中的有机质经过矿化、腐殖化过程最后达 到稳定的程度。腐熟度作为衡量堆肥产品的质量指标早就被提出，它的基本含义 是：( 1 ) 通过微生物的作用，堆肥的产品要达到稳定化、无害化，亦即不对环境 产生不良影响；( 2 ) 堆肥产品的使用不影响作物成长和土壤耕作能力。腐熟度是 国际上公认的衡量堆肥反应进行程度的一个概念性参数。堆肥腐熟程度影响堆肥 产品的使用，所有未腐熟的堆肥施入土壤后，会引起微生物的剧烈活动导致氧的 硕士学位论文 缺乏，从而产生厌氧环境，影响根系的生长：同时，未腐熟的堆肥在这种条件下 还会产生大量中间代谢产物一一有机酸及还原条件下产生n h 3 、h 2 s 等有害成分， 这些物质严重毒害植物的根系，影响作物的正常生长；另外，未腐熟的堆肥散发 的臭味给利用也带来了很大不便。为了避免这些问题，检测并保证堆肥的腐熟度 是堆肥工艺和堆肥产品的质量控制的重要内容。多年来，国内外许多研究人员对 腐熟度进行了研究和探讨，提出了许多评价堆肥腐熟程度的方法。但由于堆肥产 品本身成分的复杂性和多样化，在众多的工艺及化学参数中，究竟以哪一个参数 作为统一的腐熟度评价标准，至今仍没有一个权威性的论断。总结前人的研究工 作后得出了以下一些评价堆肥腐熟度的方法及其参数、指标或项目1 1 3 - 1 6 。 1 1 4 1 物理学指标 物理学指标，如温度、气味、颜色等随堆肥过程的变化比较直观，可以用作 定性的判断标准。 当堆体温度与环境温度趋于一致时，一般不再明显变化，表明有机质的分解 接近完全，堆肥可被认为已达稳定：堆肥结束和翻堆后，堆体内无不快气味产生， 且堆肥产品具有潮湿泥土的气息；堆肥过程中堆料逐渐发黑，腐熟后的堆肥产品 呈黑褐色或黑色，湿透后呈浓茶色，放置一两天后，表面会有白色或灰色的霉菌 长出：堆肥产品呈现疏松的团粒结构。 1 1 4 2 化学指标 温度、气味和颜色难以定量表征堆肥过程中堆料成分的变化，也就不易定量 说明堆肥的腐熟程度。所以，应通过分析堆肥过程中堆料的化学成分或性质的变 化来评价堆肥腐熟度。用来研究腐熟度的化学指标有：碳氮比( c n ) 、氮化合物、 阳离子交换量( c e c ) 、有机化合物、腐殖质等。 1 、碳氮比( c n ) 堆肥起始的c n 值在2 5 3 0 为堆肥的最佳条件，有利