（环境工程专业论文）表面活性剂对堆肥过程中微生物胞外酶的作用及其机理研究.pdf

摘要 堆肥过程是由大量微生物活动组成的一个复杂的生物化学过程，堆肥的物料 成分复杂，除一小部分小分子的物质可以被微生物直接利用以外，大部分的有机 物是以高聚物的形式存在，只有通过微生物所分泌的胞外酶将其分解为溶解性有 机物质，才能渗入到细胞中供微生物代谢利用。由于堆肥物料中高聚物的存在形 式是十分丰富的，因此，各种微生物产生的胞外酶也是多种多样的。如果能提高 堆肥过程中一系列胞外酶的酶活，必将加快堆肥的进程，提高堆肥的效率。 本研究将一种生物表面活性剂鼠李糖脂和一种化学合成的“温和型”非离子 表面活性剂吐温8 0 用于堆肥过程中，采用模拟堆肥实验、固态发酵实验、酶的内 源荧光法及荧光探针等方法，从多个方面研究了两种表面活性剂对堆肥过程中微 生物胞外酶的作用及其机理。 在富含纤维素的废物稻草和麸皮的堆肥过程中，鼠李糖脂和吐温8 0 对纤维素 酶和木聚糖酶的活力有不同程度的增强和稳定作用，相应的，加速了纤维素和半 纤维素的降解。堆肥过程中，主要来自于纤维素和半纤维素降解产生的水溶性有 机碳，在含有表面活性剂的堆体中的含量要高于对照堆体，这有利于堆肥中微生 物的生长，使得含有表面活性剂的堆体中微生物的种群数量要高于对照堆体。通 过对比吐温8 0 和鼠李糖脂对堆肥过程中的一系列参数的效果可以看出，鼠李糖脂 对堆肥过程的促进作用要略好于吐温8 0 。本实验的结果表明，“温和型”的表面 活性剂，如吐温8 0 和鼠李糖脂，对于富含纤维素废物的堆肥过程具有明显的促进 作用。 吐温8 0 和鼠李糖脂对真菌简青霉( p e n i c i l l i u m m m p l i c i s m m u m ) ，放线菌栗褐 链霉菌( s t r e p t o m y c e sb a d i u s ) ，细菌铜绿假单胞菌( p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s a ) 和 枯草芽孢杆菌( b a c i l l u ss u b t i l i s ) 胞外酶有不同的作用效果，这和表面活性剂的 种类、微生物的种类、酶的种类都有一定的关系。总体来看，吐温8 0 对于大多数 微生物和酶来说都是一种提高酶活的促进剂，其适用条件更加广泛，而鼠李糖脂 起作用的范围要相对小一些，但对一些酶却有突出的作用效果，例如木聚糖酶。 吐温8 0 和鼠李糖脂对微生物的生长没有抑制作用。 酶的稳定性随着p h 值的变化是不同的，纤维素酶在p h 值3 7 的条件下都较 为稳定，基本不失活，而木聚糖酶在p h 值7 9 的条件下较为稳定，失活速度缓 慢。稻草基质对纤维素酶的吸附失活作用随着p h 值的增大而增强，而对木聚糖 酶的吸附失活作用受p h 值的影响不是很大；表面活性剂吐温8 0 和鼠李糖脂在整 体上都表现出对两种酶的稳定作用，但在细节上有一些不同。在酸性及中性( p h 值3 7 ) 条件下，吐温8 0 对木聚糖酶的稳定作用要好于鼠李糖脂，而在碱性条件 下，鼠李糖脂的效果要明显好于吐温8 0 。 通过内源荧光法研究酶蛋白分子构型的变化，得出了淀粉酶、蛋白酶、纤维 素酶和木聚糖酶在不同p h 值条件下的稳定性，表面活性剂吐温8 0 和鼠李糖脂对 淀粉酶、纤维素酶和木聚糖酶都有不同程度的稳定作用，扩大了它们保持酶分子 稳定的p h 值范围，而对蛋白酶的作用不明显。 通过采用芘作为荧光探针，研究鼠李糖脂和吐温8 0 与4 种微生物胞外酶，淀 粉酶、蛋白酶、纤维素酶和木聚糖酶之间的作用关系。鼠李糖脂和木聚糖酶之间 有较强的作用力，纤维素酶次之，而淀粉酶和蛋白酶与鼠李糖脂之间的作用力不 明显。吐温8 0 与纤维素酶和木聚糖酶之间的作用力能使它们较好的结合，而与淀 粉酶、蛋白酶之间的作用力反而不利于吐温8 0 胶束的形成。和鼠李糖脂相比，吐 温8 0 和酶之间的作用力较小，随着吐温8 0 的浓度的增大，它和酶之间的作用力 逐渐越大，尤其在其浓度超过临界胶柬浓度时。 综上所述，一方面，表面活性剂吐温8 0 和鼠李糖对堆肥过程中微生物的各种 胞外酶具有不同程度的促进作用和稳定作用，从而加快了有机质的降解，提高了 堆肥的效率；另一方面，这种促进产酶和稳定酶活的作用的大小和表面活性剂的 种类、微生物的种类、酶的种类、环境p h 值、堆肥物料等条件有一定的关系i 不能从而论。由于生物表面活性剂的多样性、可以由微生物原位产生、无污染 等众多优点，使其在堆肥化处理有机固体废物中具有非常好的应用前景。 关键词：堆肥；表面活性剂；鼠李糖脂：吐温8 0 ；胞外酶；荧光 i i a b s t r a c t c o m p o s t i n gi sc o n s i d e r e da sau s e f u lp r o c e s sf u rt h ed i s p o s a lo fm u n i c i p a la n d a g r i c u l t u r a ls o l i dw a s t e d u r i n gt h ec o m p o s t i n g ，t h er a wm a t e r i a li st r a n s f o r m e d t h r o u g hav a r i e t yo fb i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lp r o c e s s e si nw h i c he n z y m e sp l a ya n i m p o r t a n tr o l e e n z y m e st h a tc a t a l y z et h ed e g r a d a t i o no fb i o m a c r o m o l e c u l e s ，s u c ha s s t a r c h ，p r o t e i n ，c e l l u l o s e ，h e m i c e l l u l o s ea n dl i g n i n ，a r ee x t r a c e l l u l a re n z y m e ss i n c et h e b i o m a c r o m o l e c u l e sa r et o ol a r g et ob et r a n s p o r t e da c r o s st h ec e l l u l a rm e m b r a n e t h e r e f o r e ，i ti so b v i o u st h a tt h ee n h a n c e m e n to ft h ee x t r a c e l l u l a re n z y m ea c t i v i t i e s w i l lp r o m o t et h ed e g r a d a t i o no ft h eb i o m a c r o m o l e c u l e s ，w h i c hw i l li nt u ms p e e du p t h ec o m p o s t i n gp r o c e s s i nt h ep r e s e n ts t u d y , ab i o s u r f a c t a n tr h a m n o l i p i da n das o f tc h e m i c a ls u r f a c t a n t t w e e n8 0w e r ea d d e di n t ot h ec o m p o s t i n gp r o c e s s t h ec o m p o s t i n ge x p e r i m e n t ，s o l i d s t a t ef e r m e n t a t i o n ，e n d o g e n e t i cf l u o r e s c e n c eo fe n z y m e sa n df l u o r e s c e n c ep r o b ew e r e u s e dt o i n v e s t i g a t et h ee f f e c t s a n dm e c h a n i s mo ft h et w os u r f a c t a n t so nt h e e x t r a c e l l u l a re n z y m e sf r o mt h em i c r o o r g a n i s md u r i n gt h ec o m p o s t i n gp r o c e s s d u r i n gt h ec o m p o s t i n go fw a s t er i c hi nc e l l u l o s ec o n t e n t ，b o t hr h a n m o l i p i da n d t w e e n8 0h a dt h ei n c r e a s i n ga n ds t a b i l i z i n ge f f e c t so i lc m c a s ea n dx y l a n a s ea c t i v i t i e s t od i f f e r e n te x t e n t s ，a n da c c o r d i n g l ys p e e d e du pt h ed e c o m p o s i t i o no fc e l l u l o s ea n d h e m i c e l l u l o s e t h e r e f o r e ，t h ew a t e rs o l u b l ec a r b o n ( w s c ) c o n t e n t s ，m a i n l yc o n t a i n i n g g l u c o s ea n dx y l o s er e l e a s e df r o mt h ed e c o m p o s i t i o no fc e l l u l o s ea n dh e m i e e l l u l o s e ，i n t h et r e a t m e n t sw i t hs u r f a c t a n t sw e r eh i g h e rt h a nt h a ti nt h ec o n t r o ld u r i n gt h ew h o l e c o m p o s t i n gp r o c e s s ，w h i c hp a r t i a l l yc o n t r i b u t e dt ot h el a g e rm i c r o b i a lc o m m u n i t y p o p u l a t i o n st h a nt h ec o n t r 0 1 t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ee f f e c t so ft w e e n8 0a n d r h a m n o l i p i do ne n z y m ea c t i v i t i e s ，w s cc o n t e n t sa n dd e c o m p o s i t i o no fs u b s t r a t e i n d i c a t e dt h a tr h a r n n o l i p i di sal i t t l e s u p e r i o rt ot w e e n8 0d u r i n gt h ec o m p o s t i n g p r o c e s s t h ep r e s e n ts t u d yr e v e a l e dt h a t s o f ts u r f a c t a n t s ，s u c ha sr h a m n o l i p i da n d t w e e n8 0 ，m i g h tb eu s e di nt h ec o m p o s t i n go f w a s t er i c hi nc e l l u l o s ei no r d e rt os p e e d u pt h ec o m p o s t i n gp r o c e s s t h ee r i e c to fs u r f a c t a n t st w e e e n8 0a n dr h a m n o l i p i do ne x t r a c e l l u l a re n z y m e so f f u n g i p e n i c i l l i u ms i m p l i c i s s i m u m ，a c t i n o m y c e t e ss t r e p t o m y c e sb a d i u s ，b a c t e r i a p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s aa n db a c i l l u ss u b t i l i sw e r er e l a t e dt ot h et y p e so fs u r f a c t a n t s ， k i n d so fm i c r o o r g a n i s m sa n dc l a s s i f i c a t i o no fe n z y m e s i nt h ew h o l e ，t w e e n8 0i sa s t i m u l a t o r ya g e n tf u rm o s to ft h em i c r o o r g a n i s m sa n de n z y m e s ，w h i l et h es t i m u l a t o r y 1 1 1 e f f e c t so fr h a m n o l i p i di sc o n f i n e dt oas m a l l e rr a n g eb u ti th a sap r o m i n e n te f f e c to n s o m es p e c i f i ce n z y m e s ，s u c ha sx y l a n a s e n e i t h e rt w e e n8 0n o rr h a m n o l i p i dh a da p r o h i b i t o r ye f f e c to nt h eg r o w t ho f m i c r o o r g a n i s m t h es t a b i l i t yo fe n z y m e sv a r i e dw i t hp hv a l u e s c e l l u l a s ew a st h em o s ts t a b l e b e t w e e np h3a n d7a n da l m o s td i dn o tl o s ei t sa c t i v i t y , w h i l ex y l a n a s ew a st h em o s t s t a b l eb e t w e e np h7a n d9a n dt h ea c t i v i t yd e c r e a s e ds l o w l y t h ea c t i v i t yc u t d o w no f e n z y m e sd u et oa d s o r p t i o nb yt h es u b s t r a t es t r a wv a r i e dw i t he n z y m e sa n dp h v a l u e s t h ea d s o r p t i o no fc e l l u l a s eo ns t r a wi n c r e a s e dw i t hp hv a l u eg o i n gh i g h e r , w h i l ep h v a l u ed i dn o th a v ea no b v i o u se f f e c to nt h ea d s o r p t i o no fx y l a n a s e b o t ht w e e n8 0a n d r h a m n o l i p i dd e c r e a s e dt h ea d s o r p t i o no f e n z y m e so ns t r a wa n ds t a b i l i z e dt h ea c t i v i t i e s o fc e l l u l a s ea n dx y l a n a s e t h es t a b i l i t i e so fa m y l a s e ，p r o t e a s e ，c e l l u l a s ea n dx y l a n s ei nd i f f e r e n tp hc o n d i t i o n s w e r ei n v e s t i g a t e db ye n d o g e n e t i cf l u o r e s c e n c eo fe n z y m e s t w e e n8 0a n dr h a m n o l i p d i n c r e a s e dt h es t a b i l i t yo fa m y l a s e ，c e l l u l a s ea n dx y l a n a s et od i f f e r e n te x t e n d sa n d w i d e n e dt h ep hr a n g ei nw h i c ht h ee n z y m e sk e p tt h e i rm o l e c u l es t r u c t u r e ，b u td i dn o t h a v ea no b v i o u se f f e c to np r o t e a s e t h ea c t i o n sb e t w e e ns u r f a c t a n t s ，t w e e n8 0a n dr h a n m o l i p i d ，a n df o u re n z y m e s ， a m y l a s e ，p r o t e a s e ，c e l l u l a s ea n dx y l a n a s e ，w e r es t u d i e db yf l u o r e s c e n c ep r o b ep y r e n e t h ea c t i o nb e t w e e nr h a m n o l i p i da n dx y l a n a s ew a st h em o s ts t r o n g ，w i t hc e l l u l a s e t a k i n gas e c o n dp l a c e ，b u tt h ea c t i o nb e t w e e nr h a n m o l i p i da n da m y l a s ea n dp r o t e a s e w a sn o td i s t i n c t t h ea c t i o n sb e t w e e nt w e e n9 0a n dc e l l u l a s ea n dx y l a n a s em a d et h e m c o m b i n i n gt o g e t h e rw e l l ，b u ta m y l a s ea n dp r o t e a s ew e n ta g a i n s tt h em i c e l l ef o r m a t i o n o ft w e e n8 0 c o m p a r e dw i t hr h a m n o l i p i d ，t h ea c t i o nf o r c eb e t w e e nt w e e n8 0a n d e n z y m e sw a so nt h es m a l ls i d e ，b u tw i t ht h ei n c r e a s i n go fc o n c e n t r a t i o n ，t h ea c t i o n f o r c e i n c r e a s e d ，e s p e c i a l l y t h ec o n c e n t r a t i o n g o i n g o v e rt h ec r i t i c a lm i c e l l e c o n c e n t r a t i o n i nc o n c l u s i o n ，s u r f a c t a n t st w e e n8 0a n dr h a m n o l i p i dp r o m o t e da n ds t a b i l i z e dt h e e x t r a c e l l u l a re n z y m e so fm i c r o o r g a n i s mi nt h ec o m p o s t i n gp r o c e s s ，w h i c ha c c e l e r a t e t h ed e g r a d a t i o no fo r g a n i cm a t t e ra n di m p r o v e dt h ec o m p o s t i n ge f f i c i e n c y , o nt h e o t h e rh a n d ，t h ep r o m o t i n ga n ds t a b i l i n ge f f e c t sw e r er e l a t e dt ot y p eo fs u r f a c t a n t s ， k i n do fm i c r o o r g a n i s m s ，c l a s s i f i c a t i o no fe n z y m e s ，p hv a l u e sa n dt h es u b s t r a t e i n a d d i t i o n ，b i o s u r f a c t a n t ，w i t ht h ea d v a n t a g eo fd i v e r s i t y , b e i n gp r o d u c e di ns i t ua n d n o n t o x i c i t y , h a sap e r s p e c t i v ei nc o m p o s t i n go fs o l i dw a s t e k e yw o r d s ：c o m p o s t i n g ；s u r f a c t a n t ；r h a m n o l i p i d ；t w e e n8 0 ；e x t r a c e l l u l a re n z y m e ； f l u o s c e n c e i v 插图索引 图1 1 纤维素结构示意图8 图1 2 木质素结构示意图9 图1 3 表面活性剂溶液的各种性质随浓度的变化1 5 图1 4 表面活性剂的分类图1 6 图1 5 生物表面活性剂典型结构图2 2 图2 1 柱层析纯化鼠李糖脂3 2 图2 2 鼠李糖脂样品的总质谱图3 7 图2 3 二鼠李糖脂的质谱图3 7 图2 4 单鼠李糖脂的质谱图3 7 图2 5 鼠李糖脂的分子结构3 8 图2 6 堆肥过程中p h 值的变化3 9 图2 7 堆肥过程中细菌( a ) 、放线菌( b ) 、真菌( c ) 种群数量的变化4 0 图2 8 堆肥过程中木聚糖酶( a ) 和纤维素酶( b ) 酶活的变化4 1 图2 9 堆肥过程中水溶性有机碳的变化4 2 图2 1 0 堆肥过程中有机质含量的变化4 2 图2 1 l 吐温8 0 的分子结构图4 5 图3 1 麦角固醇液相色谱图5 l 图3 2 表面活性剂对真菌胞外淀粉酶( a ) 、c m c 酶( b ) 、木聚糖酶( c ) 和蛋白 酶( d ) 的作用5 3 图3 3 表面活性剂对真菌生物量的作用5 4 图3 4 表面活性剂对含水率变化的影响5 5 图3 5 表面活性剂对有机质降解的作用5 5 图4 1 堆制过程中p h 值的变化6 2 图4 2 表面活性剂对放线茵胞外淀粉酶( a ) 、蛋白酶( b ) 、c m c 酶( c ) 和木聚 糖酶( d ) 的作用6 4 图4 3 表面活性剂对放线菌生物量的影响6 5 图5 1 表面活性剂对铜绿假单胞菌产蛋白酶的影响7 0 图5 2 表面活性剂对枯草芽孢杆菌产蛋白酶的影响7 1 图5 3 两种微生物菌体数c f u 变化7 2 图5 4 酶提取液表面张力的变化7 3 图5 5 酶提取液p h 值的变化7 4 图6 1 水中稻草作用下纤维素酶酶活的变化及表面活性剂对其影响8 0 v 图6 2p h 值3 及稻草作用下纤维素酶酶活的变化及表面活性剂对其影响8 l 图6 3p h 值5 及稻草作用下纤维素酶酶活的变化及表面活性剂对其影响一8 l 图6 4p h 值7 及稻草作用下纤维素酶酶活的变化及表面活性剂对其影响8 2 图6 5p h 值9 及稻草作用下纤维素酶酶活的变化及表面活性剂对其影响8 2 图6 6p h 值1 1 及稻草作用下纤维素酶酶活的变化及表面活性剂对其影响8 3 图6 7 水中稻草作用下木聚糖酶酶活的变化及表面活性剂对其影响8 4 图6 8p h 值3 及稻草作用下木聚糖酶酶活的变化及表面活性剂对其影响8 4 图6 9p h 值5 及稻草作用下木聚糖酶酶活的变化及表面活性剂对其影响8 5 图6 1 0p h 值7 及稻草作用下木聚糖酶酶活的变化及表面活性剂对其影响8 5 图6 1 1p h 值9 及稻草作用下木聚糖酶酶活的变化及表面活性剂对其影响8 6 图6 1 2p h 值1 1 及稻草作用下木聚糖酶酶活的变化及表面活性剂对其影响8 6 图7 1 淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶和木聚糖酶的荧光激发和发射光谱图9 3 图7 2 鼠李糖脂的荧光激发和发射光谱图9 4 图7 3 吐温8 0 的荧光激发和发射光谱图9 4 图7 4 淀粉酶在不同p h 溶液中的荧光图9 5 图7 5 吐温8 0 作用下淀粉酶在不同p h 溶液中的荧光图9 5 图7 6 鼠李糖脂作用下淀粉酶在不同p h 溶液中的荧光图9 6 图7 7 蛋白酶在不同p h 溶液中的荧光图9 7 图7 8 吐温8 0 作用下蛋自酶在不同p h 溶液中的荧光图9 7 图7 9 鼠李糖脂作用下蛋白酶在不同p h 溶液中的荧光图9 8 图7 1 0 纤维素酶在不同p h 溶液中的荧光图9 9 图7 1 1 吐温8 0 作用下纤维素酶在不同p h 溶液中的荧光图9 9 图7 1 2 鼠李糖脂作用下纤维素酶在不同p h 溶液中的荧光图1 0 0 图7 1 3 木聚糖酶在不同p h 溶液中的荧光图1 0 1 图7 1 4 吐温8 0 作用下木聚糖酶在不同p h 溶液中的荧光图1 0 1 图7 1 5 鼠李糖脂作用下木聚糖酶在不同p h 溶液中的荧光图1 0 2 图8 1 芘的分子结构图1 0 5 图8 2 芘的荧光发射和激发光谱1 0 6 图8 3 系列浓度鼠李糖脂作用下芘的荧光光谱图1 0 7 图8 4 鼠李糖脂和酶的作用下芘的i l 1 3 值1 0 7 图8 5 系列浓度吐温8 0 作用下芘的荧光光谱图1 0 8 图8 6 吐温8 0 和酶的作用下芘的i l 1 3 值1 0 9 v i 附表索引 表1 1 污泥堆肥中的微生物相一6 表1 2 植物细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素的结构和化学组成7 表1 3 某些分解代谢产物对酶合成的阻遏作用1 2 表1 4 微生物和胞外氧化还原酶降解的污染物1 2 表1 5 被微生物胞外水解酶降解的天然和非天然不溶性物质1 3 表1 6 垃圾堆肥发酵菌的四种酶活性1 4 表1 7 生物表面活性剂及其生产菌1 9 表2 1 堆肥物料的性质3 4 表2 2 堆肥前后纤维素和半纤维素含量的变化4 3 表3 1 淀粉酶的选择性培养基4 8 表3 2 蛋白酶的选择性培养基4 8 表3 3 脂肪酶选择性培养基4 9 表3 4 堆制前后5 个处理中碳氮比的变化5 6 表3 5 堆制前后纤维素、半纤维素和灰分含量的变化5 6 表3 6 堆制前后纤维素和半纤维素含量相对指数的变化一5 7 表4 1 五种处理样中有机物的降解率6 5 表5 1 铜绿假单胞菌样品堆料中挥发性有机质的变化7 5 表5 2 枯草芽孢杆菌样品堆料中挥发性有机质的变化一7 5 表7 1 实验设计表9 2 表8 1 实验设计表1 0 6 v i l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 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后果 由本人承担。 作者签名：日彳蜘日期：纠年j 月y 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密酿 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：1 7 昔娃铜 导师签名。伽3 r 互，；c j1 日期：2 口一年r 。月日 日期：口7 年r 月，l z 日 博十学位论文 第1 章绪论 1 1 堆肥原理及工艺研究进展 1 1 1 好氧堆肥的基本原理 堆肥化处理，是指依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，对 有机物有控制地进行生物降解，使之转化为腐殖质的生物化学处理技术。在堆肥 化过程中，有机物由不稳定状态转化为稳定的腐殖质物质，其堆肥化的产品称为 堆肥i l ，z j 。有机固体废物的堆肥化处理立足于“无害化、减量化、资源化”，是处理 农业固体废物和城市垃圾的有效的方法。 根据堆肥过程中起作用的微生物对氧气的不同要求，可以把有机废物堆肥处 理分为好氧堆肥和厌氧堆肥。好氧堆肥堆体温度高，一般在5 0 6 5 ，故亦称为 高温堆肥。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 细胞膜而为微生物所吸收。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，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【3 】。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。由于高温堆肥可以最大限度地杀灭病原菌， 同时对有机质的降解速度快。目前，大多数都采用高温好氧堆肥【4 】。 堆肥有机物+ 0 2 + 微生物 少绷缴柏鳓质 吣。：、h ：。、n h 3 、p 。4 2 i 、s 0 4 2 + 能量 1 1 2 堆肥工艺进展 堆肥化虽然是本世纪才发展起来的科学技术，但原始的堆肥方式很早就出现 了。在几个世纪的历史过程中，人们一直将这个办法用于制造土壤的有机肥料。 其方法是将待堆制的有机材料堆成垛，然后在自然条件下分解直到达到一种“稳 表面活性剂对堆肥过程中微生物胞外酶的作用及其机理研究 定”的程度。这种过程少有或没有人为控制，其产品中可以为土壤提供大量腐殖质 物质和以有机状态存在的营养物质( 如氮、磷和钾等) 。 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，最早的堆肥方法 是由印度的爱德华霍华德在1 9 2 5 年提出的。其混合物料主要是由垃圾、人粪尿、 污水污泥、树叶和其它一些有机料组成。混合物料在深为0 6 0 9 m 的地下沟上进 行堆肥，氧气的供给主要通过翻堆来实现，停留时间为1 2 0 1 8 0 d 。通常人们把这 种方法称为班加罗法1 5 , 6 。 1 9 3 1 年，荷兰、德国、瑞士等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。这种方法是将磨碎物料压成块状并堆放3 0 - 4 0 d 。其间采用自然扩 散及气流穿过风管通气。腐熟堆肥经破碎再利用。2 0 世纪3 0 年代初，在丹麦出 现了d a n o ( 丹诺) 堆肥装置。其装置采用卧式生物发酵筒。发酵筒在水平方向上 呈倾斜放置。筒内物料一般不装满。堆料从一端进入，再从一端排出。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 立流移动式搅拌发酵仓，通常称为e r a p t h o m a s 法。该法利用发酵仓内自上 而下多层的设置，将物料由上而下移动，其通气效果和发酵时间都有很大程度的 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 法等类似的堆肥发酵装置 7 , g l 。 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，一度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 新重视采用堆肥方法来处理各种有机废物。 1 1 3 好氧堆肥工艺控制参数 好氧堆肥过程就是堆肥物料在通风条件下，微生物对物料中有机质进行生物 降解的过程。因此，堆肥过程进行是否顺利，关键就是如何更好地满足微生物生 长和繁殖所必需的参数，其主要过程参数如下： 1 温度 温度是影响微生物活性的最显著因子，对堆肥反应速率起着决定性作用【9 ”j 。 温度的变化能反映堆体内微生物活性的变化，当堆料中有机质在微生物的作用下 用于微生物细胞合成，同时分解为c 0 2 的过程中产生大量热量，促使堆体温度上 升。因此温度常常作为堆肥中微生物生化活动量的宏观指标。一般认为，微生物 活性的最适范围在3 5 5 0 ，同时必须保证堆体温度在5 5 条件下保持3 d 上或 5 0 以上保持5 7 d ，以杀灭堆料中所含致病微生物，这是保证堆肥卫生学指标合 2 博七学位论文 格和堆肥腐熟的重要条件，1 2 l 。 2 水分 堆肥中水分的过程控制十分重要，其主要作用在于 1 3 , 1 4 1 ；( 1 ) 溶解有机物， 由于微生物只能摄取溶解性养料参与微生物的新陈代谢，所以堆料需要保持一定 的含水率。但水分含量过高，将会阻碍气体输送，严重影响微生物的好氧代谢， 并产生恶臭；水分过少，会限制微生物的运动及代谢，并使堆料中心部位达不到 适宜的高温，从而降低反应速率。( 2 ) 水分蒸发时带走热量，其具有调节堆肥温 度的作用。大量的研究结果表明，初始含水率在5 0 6 0 是较为合适的，整个 堆肥过程中水分含量不宜超出这个范围。 对于低于堆肥正常含水量的堆肥原料，一般直接添加水分或者添加含水量高 的调理剂。而为了克服供料底物中高湿度的问题，也采取了许多有效的方法。例 如：( 1 ) 可回流已堆肥的干物料，以调节起始混合物的水分含量；( 2 ) 可将干调 理剂如锯末或碾碎的垃圾、秸秆等加入高湿度原料中；( 3 ) 可将膨胀剂如木屑和 秸秆等加入进高湿度原料中，以维持堆垛结构的完整性和多孔性；( 4 ) 可通过机 械设备来提供经常的搅动 1 5 - 1 7 1 。 3 供氧量 供气是好氧堆肥成功的重要因素之一，其主要作用在于 i s , 1 9 ：( 1 ) 提供氧气， 有利于微生物分解转化原料；( 2 ) 通过控制供气量，调节适宜的温度；( 3 ) 一在维 持适宜温度的条件下，加大通风量可以去除水分。从理论上讲，堆肥过程中的需 氧量取决于碳氧化量。然而，由于堆肥过程中有机物分解的不确定性，往往通过 测定堆层中的氧浓度和耗氧速率来控制供气量。 一股来说，堆肥化过程中通风供氧的机制主要分为两类【2o ，2 1 1 ：( 1 ) b e l t s v i l l s 机制：以堆体内充足氧气为核心，强调供氧功能；( 2 ) r u t g e r s 机制：以控制堆体 温度为目标，强调温度在堆肥系统中的作用及各因子的相互作用。同时，根据不 同堆肥对供氧要求的差异性和堆肥反应器结构及工艺过程的不同，高温好氧堆肥 的供氧方式主要有3 种类型：( 1 ) 利用空气的自然扩散，由堆积层表面将氧扩散 进入堆积层中；( 2 ) 利用固体废物的翻倒把空气包裹到固体颗粒的间隙中以达到 供氧的目的；( 3 ) 向堆层中强制通风，以达到好氧的要求。 根据大量的研究表f 1 日1 2 2 , 2 3 1 ，堆料中氧含量为1 0 时，已能保证微生物代谢的 需要。在供氧充分而其他条件也适宜的情况下，微生物迅速分解有机物，产生大 量的代谢热，如果不对多余热量进行控制，温度升高到超过微生物生长适宜的范 围，将会抑制有机物的生物降解、延长处理时间，增加设备运行费用，并且产生 严重的气味问题。所以，国外对堆肥生态系统供风量的控制逐渐颁向于r u t g e r s 机制，主要是温度非自我限制型系统。 4 p h 值 3 表面活性剂对堆肥过程中微生物胞外酶的作用及其机理研究 p h 值是对细菌环境作出估价的参数。堆肥过程中，p h 值随时间和温度的变 化而变化。在堆肥初期，由于酸性细菌的作用，p h 值降到5 5 6 0 ，使堆肥物料 呈酸性；随后，由于以酸性物为养料细菌的生长和繁殖，导致p h 值上升，堆肥 过程结束后，物料的p h 值上升到8 5 9 0 。因此，p h 值是反应堆肥分解过程的一 个极好标志。虽然理论上，p h 值对城市垃圾堆肥过程没有影响，但适宜的p h 值 可使微生物有效地发挥作用，一般认为p h 值在7 5 8 5 时最好【2 4 - 2 们。 5 有机质含量和碳氮比( c n ) 对于快速高温机械化堆肥而言，首要解决热量与温度间的平衡问题。不同堆 料比对于堆肥降解效率影响有所不同。研究表明，堆肥中有机质含量最适合的值 为2 0 8 0 1 2 7 。9 1 。 同时，微生物的生长速度与堆肥物料的c n 有关。微生物自身的c n 为4 3 0 ， 因此作营养基的有机物的c n 也最好处于该范围中。c n 为l o 2 5 时，有机物的 降解速度最大。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 l d