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农业有机废物与城市生活垃圾堆肥高温期微生物种群结构比较 摘要 目前，堆肥化处理技术己成为农业废物资源化利用技术之一，该方法能实现 农业废物循环利用，既可取得良好的经济效益，又可实现清洁生产，防止环境污 染。目前，堆肥化处理技术正进入科学化的新阶段，为了改善该技术存在的如历 时时间长，肥效低等诸多不足，提高堆肥效率、提升产品质量，使之能大规模推 广应用，国内外研究者就堆肥设备、堆肥化工艺、堆肥微生物学、堆肥化控制以 圾堆肥技术和产品的应用等方面开展了大量研究工作。 本文做了2 个堆体，在堆肥期间，分别对堆体的物理指标温度、p h 、含水量、 有机质含量、c n 比、木质纤、纤维素、半纤维素降解率进行了检测，温度、p h 、 含水量、有机质含量、c n 比的变化完全符合有氧堆肥的变化趋势，而两个堆体 木质纤降解率分别是1 2 8 4 、8 4 7 ；纤维素的降解率为1 9 7 6 、1 1 0 2 半纤维 素降解率为2 2 2 9 、1 4 0 9 ，通过这些物理、可以说明这两个堆体都是成功的有 氧堆肥成果。 通过p c r 、克隆文库方法分析了农业有机废物和城市垃圾堆肥高温期细菌和 真菌种群的多样性。 提取堆肥高温期的d n a ，p c r 、d g g e 扩增，构建各高温期的1 6 sr d n a 和1 8 s r d n a 克隆文库，结果表明：农业有机废物和城市生活垃圾1 6 sr d n a 克隆文库中分 别共有18 个、2 1 个o t u s ，分别属于细菌域的1 4 个、1 5 个不同属，其中b a c i l l u s 属、r h i z o b i u m 属和p a e n i b a c i l l u s 属在克隆文库中所占比例最大，它们分别与 b a c i l l u sm e g a t e r i u m 、r h i z o b i u ms p 、p a e n i b a c i l l u sa m y l o l y t i c u s 相关，且其相似度 都在9 8 以上，推断农业有机废物堆体的优势菌为b a c i l l u sm e g a t e r i u m 、r h i z o b i u m s p 、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 、p e n i c i l l i u ms p 同属或同种的菌株；其18sr d n a 克隆文库中分别共有8 个、9 个o t u s ，分别属于真菌域的8 个、9 个不同属，其中 b a c i l l u s 属、r h i z o b i u m 属在克隆文库中所占比例最大，它们分别与b a c i l l u s m e g a t e r i u m 、a z o s p i r i l l u ms p 、p a e n i b a c i l l u sa m y l o l y t i c u s 相关，且其相似度都在 9 8 以上，推断城市生活垃圾堆体的优势菌为b a c i l l u sm e g a t e r i u m 、a z o s p i r i l l u m s p ，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 同种或同属的菌株。 关键词：堆肥；克隆文库；细菌种群结构；真菌种群结构 硕士毕业论文 a bs t r a c t c o m p o s t i n g h a sb e c o m ea t e c h n o l o g yo fa g r i c u n u r a la n df o r e s t r yw a s t e u t i l i z a t i o n t h ea g r i c u l t u r a la n d f o r e s t r yw a s t ec a nb er e c y c l e db yc o n l p 9 s t i n g w ec a n g e tag o o de c o m o n i cb e n e f i t ，r e a l i z et h ec l e a np r o d u c t i o n ，a n dp r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t f r o mp o l l u t i o n t h ew a s t et r e a t m e n tt e c h n o l o g yo f c o m p o s t i n ge n t e r e dan e ws t a g eo f s c i e n c ed e v e l o p m e n t i no r d e rt oi m p r o v et h ed i s a d v a n t a g eo f e o m p o s t i n g ，i n c r e a s e t h ec o m p o s te f n c i e n c y a n dm a k ei tc a nb eu s e di nl a r g es c a l e ， m a n yr e s e a r c h e r sa t h o m ea n da b r o a dc a r r i e do u ta l o to fr e s e a r c ho nt h ef i e l do fc o m p o s t i n ge q u i p m e n t ， c o m p o s t i n gt e c h n o l o g y a n dm i c r o b i o l o g yo fc o m p o s t i n g ，e ta 1 t h i sp a p e rm a d et w op i l e s ，a n di nt h e c o m p o s t i n gp e r i o d ，r e s p e c t i v e l y ，t h e p h y s i c a li n d i c a t o r so fp i l eb o d yt e m p e r a t u r e ，p h ，w a t e rc o n t e n t ，o r g a n i cm a t t e r c o n t e n t ，c nr a t i o ，w o o df i b e r ，c e l l u l o s e ，h e m i c e l l u l o s ew e r ed e t e c t e db yt h e s e p h y s i c a l ，t e m p e r a t u r e ，p h ，w a t e rc o n t e n t ，o r g a n i cm a t t e rc o n t e n t ，c nr a t i oo ft h e c h a n g ei se n t i r e l yc o n s i s t e n tw i t ht r e n d si na e r o b i cc o m p o s t i n g ，t h et w oh e a p so f w o o d f i b e rb o d yd e g r a d a t i o nr a t e sw e r e1 2 8 4 ，8 4 7 ；，c e l l u l o s ed e g r a d a t i o nr a t eo f 1 9 7 6 ，11 0 2 h e m i c e l l u l o s ed e g r a d a t i o nr a t eo f2 2 2 9 ，1 4 0 9 ，t h e p h y s i c a l t e s t i n go fi n d i c a t o r st h a tc a ni l l u s t r a t et h e s et w op i l eb o d yh a sb e e ns u c c e s s f u lo u t c o m e o fa e r o b i cc o m p o s t i n g m i c r o b i a l d i v e r s i t y i n h i g ht e m p e r a t u r ep e r i o do fc o m p o s t i n go f o r g a n i c a g r i c u l t u r ew a s t e sa n dm u n i c i p a lr e f u s ew e r ea n a l y s e db yp c rw i t hc l o n el i b r a r y m e t h o d t h er e s u l to fc o n s t r u c t i n gc l o n el i b r a r yo f a g r i c u l t u r a lo r g a n i cw a s t e sc o m p o s t a n dm u n i c i p a lr e f u s ec o m p o s ti n d i c a t e d ：t h e r ew e r e18o t u sa n d2 1o t u si nt h e16 s r d n ag e n ec l o n el i b r a r ya n dt h e yb e l o n g e dt o14a n d15d i f f e r e n tg e n u s e s ；t h e r ew e r e 8o t u sa n d9o t u si nt h e18sr d n a g e n ec l o n el i b r a r ya n dt h e yb e l o n g e dt o8a n d9 d i f f e r e n tg e n u s e s i nw h i c hb a c i l l u sg e n u s ，r h i z o b i u m ，a n dp a e n i b a c i l l u s g e n “si nt h e c l o n el i b r a r yi st h el a r g e s tp r o p o r t i o no ft h e ms e p a r a t e l yw i t hb a c i l l u sm e g a t e r i u m ， r h i z o b i u ms p ，p a e n i b a c i l l u sa m y l o l y t i c u s r e l e v a n t ，a n di t s s i m i l a r i t yi nm o r et h a n 9 8 i nw h i c hb a c i l l u sg e n u s ，r h i z o b i u mg e n u si nt h ec l o n e l i b r a r yo ft h el a r g e s t s h a r e ，r e s p e c t i v e l y a n db a c i l l u s m e g a t e r i u m ，a z o s p i r i l l u ms p ，p a e n i b a c i l l u s a m y l o l y t i c u s r e l e v a n t ，a n di t ss i m i l a r i t yi nm o r et h a n9 8 t h ed o n i n e n tm i c r o b e si n t h ea g r i c u l t u r a l o r g a n i cw a s t e sc o m p o s tw e r er e l a t e dt ob a c i l l u s m e g a t e r i u m r h i z o b i u ms p 、p h a n e r o c h a e t e c h r y s o s p o r i u m p e n i c i l l i u ms p r e s p e c t i v e l y ：t h e 农业有机废物与城市生活垃圾堆肥高温期微生物种群结构比较 d o n i n e n tm i c r o b e si nt h e m u n i c i p a l r e f u s e c o m p o s t w e r er e l a t e dt ob a c i l l u s m e g a t e r i u m - a z o s p i r i l l u ms p p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u mr e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：c o m p o s t i n g ；c l o n el i b r a r y ；b a c t e r i a lc o m m u n i t i e s ；f u n g a lc o m m u n i t i e s i v 硕十毕业论文 第1 章绪论 有机废物包括农业有机废物、林业有机废物、城市生活垃圾等，其中林业有机废物 所占比重相对较低，而农业有机废物和城市生活垃圾所占则比重相对较高。农业有机废 物包括稻草、谷物秸杆、动物粪便等，特点是木质纤维素含量高；城市生活垃圾包括餐 厨垃圾、废纸以及其他废物，木质纤维素含量比农业废物低，这些原料用于生产肥料或 土壤改良剂，越来越受到人们关注i l 捌。堆肥化是有机固体废物无害化、减量化、资源化 的根本途径。有机固体废弃物的堆肥化研究一直是环境科学领域研究的热点之一产品中 含有有机质、p 、k 等多种植物所需的养分，可以提高农林等产品的产量，改善土壤结 构，提高土壤肥力【3 】。微生物是堆肥过程的工作主体，早期对堆肥中微生物的研究主要 采用分离培养的方法，局限性是自然界中9 0 以上微生物不能被分离培养，不能很好地 反映自然环境中微生物多样性的原始状态 4 1 。基于r d n a 基因序列分析的分子生物学方 法为研究堆肥中微生物群落的多样性和动态变化提供了先进的技术手段，已有研究者将 分子生态学技术引入堆肥微生物生态研究 5 , 6 1 。 1 1 农业有机废物 有机固体废物按其来源不同可分为第一性生产废弃物( 作物秸秆、枯枝落叶等) 、第 二性生产废弃物( 畜禽粪便等) 、工副业有机废料( 农畜产品加工废弃物) 和人类生活废弃 物( 城乡生活垃圾、人粪尿等) 4 类 7 1 。农业有机固体废物是指农业生产过程中产生的有机 固体废物，主要包括作物秸秆、畜禽粪便等。近年来，我国每年农作物秸秆产量在6 亿 t 以上，稻草、玉米秆、麦秆3 种秸秆数量一般占秸秆总量的7 5 以上【8 】。用作能源的 秸秆以年3 2 的速度下降1 9 1 。由于种种原因，秸秆就地焚烧屡禁不止，每年由于焚烧秸 秆造成飞机延误l0 0 0 多起，公路交通事故50 0 1 ) 多起。同时，伴随着畜牧业的快速发 展，畜禽粪便资源量e l 益增加。据估算，长江三角洲1 7 个市每年产生畜禽粪便93 4 5 万t ，其中至少排放总氮5 2 3 3 万t ，磷3 8 3 l 万t 【l o 】。在养殖由散养向规模养殖集中 过程中，由于种植业与养殖业的不平衡、资金的限制等因素，只有大型畜禽场投资粪污 治理工程，多数畜禽场粪污得不到处理和应用，一方面是农田缺少有机肥，另一方面是 畜禽粪便浪费和污染环境l l 。 固体废物是指人类在生产建设、日常生活和其他活动中产生的，在一定时间和地点 无法利用而被丢弃的污染环境的固体、半固体废弃物质f 1 2 1 。固体废物来源于人类的生产 和生活活动，物质消耗越多，废物产生量也就越多。随着经济的发展，固体废物产生量 越来越大。 农业有机废物j j 城市生活垃圾上f ：肥高湍期微乍物种群结构比较 固体废物规划与管理的“三化”原则，指的是无害化、减量化与资源化。在环境保护、 污染控制的总体社会要求指导下，固体废物规划与管理要求首先针对处理处置系统，处 理处置必须达到对环境无害的要求，即无害化原则。 由于固体废物的产量及整个社会对土地利用强度的增加，容纳固体废物的空间日益 紧张，同时社会环境意识的提高刺激了 n i m b y ”( n o ti nm yb a c ky a r d ) 情绪的增长，即使 是己经达到卫生填埋标准的填埋场也已很难进行选址和建设。因此固体废物规划与管理 必须能使废物减量，以缓解与相关的管理矛盾，故此产生了减量化原则。 固体废物中可回收废物的增加；有机废物通过堆肥达到无害化后具有的土壤改良作 用；焚烧固体废物的热量用于供热或发电等固体废物处理处置技术的发展以及废物处理 处置带来的经济与资源方面的巨大压力使资源化原则得以确立。 以上是对固体废物规划与管理“三化”原则的最初认识，以可持续发展思想去衡量， 还是一种“末端处理，犹化的思想原则。随着实践的发展，废物规划与管理思想趋向于 抛弃“唯末端处理为重”的认识，“三化”原则也得到了新的认识与解释。 “减量化”不仅是通过处理与利用，对己经产生的固体废物进行减量，而更重要的是 对产生源头进行控制与管理，通过改变产品设计、改进生产工艺等措施使固体废物不再 产生，实现根本性的固体废物减量原则。 “资源化”不再是处理与利用过程中通过狭义的工程技术手段来实现的目标，而应该 从产生点及收运阶段即开始进行，成为贯穿固体废物规划与管理体系的指导原则。资源 化将通过源头分类收集、废物交换利用等非“末端处理”技术过程得以实现。 “无害化”除保留原来控制固体废物对环境的影响外，还要求对危险废物实施分类管 理，以更经济与可靠方法实现无害化。 1 2 城市生活垃圾 自改革开放2 0 多年来，国民经济进入快速增长期，人民物质文化生活水平不断提 高，城市规模和数量急剧膨胀，使我国城市生活垃圾污染问题日益突出，其管理和控制已 成为环境保护领域的突出问题之一，城市生活垃圾亟待无害化、减量化、资源化处理【l 引。 据资料显示，2 0 0 0 年，我国城市生活垃圾产生量达1 5 亿吨，且每年以8 - - 1 0 的速 度增长，全国已有2 0 0 多座城市处于垃圾的包围之中，垃圾堆存侵占的土地面积已多达 5 亿多平方米【1 4 】。 1 2 1 生活垃圾基本特征 生活垃圾基本特征包括生活垃圾的产量、成分、热值、含水率和有机物含量等。 1 2 1 1 生活垃圾产量的影响因素 城市生活垃圾产生量受城市人口、城市数量、经济发展水平、居民收入、居民消费水平、 2 硕士毕业论文 城市居民燃气化率以及地理条件等居多因素的影响，其中城市数量、人口和经济发展水 平与城市生活垃圾产量关系最为密切，为影响生活垃圾产量的主要因素。 ( 1 ) 影响生活垃圾产量的主要因素分析 城市生活垃圾产量与城市数量、人口和经济发展水平密切相关，且经济发展水 平与城市非农业人口数量的相关程度相当，城市数量次之。在改革开放初期，随着g d p 的增加，城市生活垃圾产生量几乎呈直线上升，当g d p 达到一定数值后，垃圾产生量 的增长速度开始减缓，并逐渐趋于稳定，这与工业发达国家经济高度增长时期的情况极 为相似；城市生活垃圾量随城市人口的增加呈直线增长态势，而且随着我国城市发展进 程的加快，这一趋势在今后若干年内还将持续下去。可以说，城市人口的增加是影响城 市生活垃圾产量的最主要因素l l 引。 ( 2 ) 其他影响因素 除了经济发展水平、城市人口和规模等主要因素影响城市生活垃圾产量外，居民的收入 水平、消费能力也对城市生活垃圾产量产生影响。一般经济发达、居民生活水平高的城 市，生活垃圾人均日产生量要高出居民生活水平相对较低的城市。 另外，燃料结构对城市生活垃圾影响也很大，如我国的北方地区，虽然城市居民人均收 入和消费水平一般要低于南方城市特别是沿海开放城市，但其人均垃圾产生量往往高于 后者，这就是燃料结构不同导致的结果，北方地区因取暖需要，居民能源耗用量大大高 于南方地区。在现阶段，燃煤仍是北方城市尤其是中、小城市的主要生活能源，所以在 这些城市的生活垃圾中，煤灰渣土所占的比重较大，人均垃圾产生量也相应较高；而在 南方特别是珠江三角洲等地区，城市基础设施比较齐全，居民燃气普及率很高，产生的 生活垃圾比重小，结果造成人均垃圾产量低于北方城市【l 5 。 从以上分析可以看出，城市人口的迅速增加是导致城市生活垃圾总量大幅度增长的 最主要的原因，同时经济发展水平、居民生活水平和燃料结构等因素的改变对人均生活 垃圾产生量的增长有着重要的影响。随着经济发展水平和居民生活水平的提高，人均生 活垃圾产生量直线上升，并随着燃气普及率的提高，这一增长速度会逐渐减缓，并趋于稳 定。 1 2 1 2 生活垃圾组分 城市生活垃圾组成很复杂，主要受居民生活习惯、生活水平、民用燃料结构以及地 理条件的影响。我国城市生活垃圾在产量迅速增长的同时，垃圾组成也发生了很大的变 化有机物增加，可燃物增多，可利用价值增大。 1 、燃料结构对生活垃圾组成的影响 燃料结构对生活垃圾组成有着很大的影响。燃煤区生活垃圾中无机组分明显高于燃气 区，可回收废品的比例明显降低燃煤区垃圾中的无机组分高于燃气区，而燃气区垃圾 中的有机物和可回收废品的比例明显高于燃煤区，垃圾组分中的煤灰量变化大。另一方 面，我国北方城市生活垃圾组分受生活能源结构的影响较南方城市大，北方城市燃气区 3 农业有机废物! 城市生活垃圾堆肥高温! h 微乍物种材纠i 构比较 生活垃圾组分中的有机物成分一般高于南方城市燃气区，北方城市燃煤区生活垃圾组分 中的无机物成分也一般高于南方城市燃煤区，这可能是我国北方气候较南方寒冷，生活取 暖耗用燃料较多的缘故。此外，燃气区居民的生活水平一般高于燃煤区，燃气区生活垃圾 中煤灰量少，厨余成为主要的垃圾成分。因此，垃圾的含水量亦相对增加。 近年来，随着城市集中供热和煤气化的普及，民用燃料的消费结构发生了重大变化。 城市燃气的普及率从1 9 8 6 年的2 8 5 2 增加到1 9 9 5 年的7 0 ，全国的集中供热面积从 1 9 8 6 年的9 9 0 7 x 1 0 4 m 2 增加到1 9 9 6 年的7 3 4 3 3 x 1 0 4 m 2 t 4 引。这将带来城市生活垃圾组分 的重大变化，垃圾中有机物含量和热值将进一步增加，同时这也将对我国今后城市生活 垃圾处理处置技术的发展产生较大的影响。 2 、居民生活水平、消费结构及生活方式对生活垃圾组成的影响 居民生活水平与消费结构的改变不仅影响城市生活垃圾的产生量，同时也影响生活垃圾 的组成。改革开放以来，我国居民生活水平不断提高，生活垃圾中煤渣含量持续下降， 而易腐垃圾和废品的含量则持续增长。另外，我国不同城市由于居民生活水平的差异， 垃圾成分也有所差别，如南方经济发达城市的生活垃圾组成中的有机物含量一般高于北 方经济欠发达城市，即使是同一城市，也会出现不同地区生活垃圾组成的差异。 1 2 2 城市生活垃圾的处理 。 我国城市生活垃圾处理起步于8 0 年代后期，在1 9 9 0 年前，全国城市垃圾处理率小 足2 ，9 0 年代以后，城市生活垃圾的处理水平不断提高，9 9 年全国城市年清运生活垃 圾1 1 4 亿吨，共有垃圾处理厂6 9 6 座，垃圾处理能力达到2 7 6 8 万吨同，城市垃圾 量的增长与城市人口基本同步，而当前垃圾的处理方法主要为：填埋、堆肥、焚烧。 1 2 2 1 卫生填埋 卫生填埋是我国垃圾处理的一种主要方式，该法简单，投资少，可以处理所有种类 的垃圾。但卫生填埋必须具有防止对地下水、大气及周围环境污染的设施，如底部衬层 处理，沼气收集，垃圾渗滤液及污水处理设施等，采用填埋处理法，首先要防止从废物 中挤压出的液体及雨水径流对地下水的污染。一般规范要求同填地最低处的标高，要高 出地下水位3 3 m 以上，并且回填地的下部，应有不透水的岩石或粘土层。否则，需另 殴粘土、沥青、塑料薄膜等不透水层。其次，填埋场应设置排气口，使释放出的甲烷等 气体能及时逸出，避免遇明火发生爆炸。卫生填埋厂的底部衬层防渗系数必须小j ：1 0 1 m s 。回填后的场地2 0 年内不宜建房，但可作绿地、农田、牧场等使用。 1 2 2 2 堆肥处理 堆肥处理是依靠自然界分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，人为地促进生活垃圾 中的可生物降解的有机物，向稳定的腐殖质转化的微生物学过程。根据堆肥原理，可分 为厌氧分解与好氧分解两种。厌氧分解需在严格缺氧条件下进行，厌氧微生物分解生长 较慢，一般不采用此法：好氧分解指在有氧的条件下，产生高温，微生物分解垃圾中的 4 硕十毕业论文 有机物，杀火病原菌。现代堆肥大多采用二次好氧发酵法，一次发酵阶段实现快速好氧 发酵，二次发酵多采用机械翻堆和静态好氧堆肥。堆肥技术的工艺比较简单，适合于易 腐有机物含量较高的垃圾处理，可对垃圾中的部分组分进行资源利用，且处理相同质量 垃圾的投资比单纯的焚烧处理低的多。 1 2 2 3 焚烧处理 焚烧是指垃圾中的可燃物在焚烧炉中与氧进行燃烧的过程。垃圾焚烧后释放出热 能，同时产生烟气和固体残渣，烟气中的二次污染处理工艺复杂，操作和控制的技术要 求较高。但焚烧技术的特点是处理量大，减容性好无害化彻底。通过焚烧可以使可燃 物固体废物氧化分解，达到去除毒性、叫收能量及获得副产品的目的，几乎所有的有机 性废物都可以用焚烧法处理。对于无机和有机混合性同体废物，如果有机物是有毒有害 性物质，一般也虽好采用焚烧法处理。焚烧法使用于可燃物较多、热值较高的垃圾。采 用焚烧法应汴意不造成窄气的二次污染。 1 3 固体废物堆肥化 1 3 1 固体废物堆肥化概述 堆肥化( co m p o s t i n g ) 就是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，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，其实质是一种发酵过程f 1 6 1 。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，而堆肥化的产品称为堆肥。在堆肥化过程中，伴随着有机物分解和腐殖 质形成的过程可见，堆肥法是一种充分利用有机物资源的好办法，依靠细菌、真菌等微 生物作用，使可生化有机物转化为稳定物质，这种处理实现了生活垃圾无害化、资源化， 支援了农业，促进自然界物质的良性循环，是一种较好的生活垃圾处理方法。 堆肥化过程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，农民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至达到一种“稳定”的程度， 即土壤可接受的程度。这种过程少有或没有人为控制，其产品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) 。 堆肥化过程就是在这种原始的堆肥方式发展而来，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。混合物料主要是由垃圾、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 m 地下沟无发酵装 置的搅拌式固定床上进行堆肥，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 。 通常也把这种方法称为班加罗法( b a n g a l o r e p ro c e s s ) 1 1 0 1 。 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 式固定床方法，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 5 农、i p 有机废物与城市生活垃圾堆肥高温j f j 微生物科群结构比较 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。简内物 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一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。发酵仓内自上而下多层设置，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 c h e 。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。因此人们又重新注意采用堆肥方法来处理各种有机废物。 堆肥作为废弃物处理的一种方法已经得到广泛重视。完成堆肥过程的细菌、酵母菌、 真菌和放线菌是土壤和垃圾中本来就有的。堆肥初期，细菌和酵母菌占优势；后期，真 菌和放线菌占优势。细菌中有需氧性的形成孢子的杆菌属，还有革兰氏阴性杆菌( 大肠 。杆菌等) 。放线菌中有链丝菌、诺卡氏菌和小单孢子菌等属。用作堆肥的废弃物的化学 成分由于这些微生物的活动而发生改变。糖和淀粉最容易被微生物利用，类脂物或脂肪 的抗降解作用不大，纤维素和半纤维素有中等的抗降解作用，木质素的抗降解作用最大。 有机物经堆制后所形成的腐殖质既是土壤改良剂，也是优质肥料。堆肥过程中产生的生 物热温度可达5 0 5 5o c ，能杀灭垃圾、粪便中的病菌、虫卵和蝇蛆。固体废物一般是指 人类在生产、加工、流通、消费及生活等过程中提取目的组分后，弃去的固状物质和泥 浆状物质。它是各种废物的终态，特别是从污染控制设施中排出的固体废物浓集了许多 污染成分，并且在自然条件影响下，因体废物中的一些有害成分会转入大气、水体和土 壤，参与生态系统的物质循环，因而具有潜在的长期的危害。 固体废物主要包括城市生活固体废物、工业固体废物和农业固体废物，按组分又可 分为有机废物和无机废物。现代化处理固体废物的技术主要有焚烧、堆肥、填埋和固化 处理等，其中焚烧和堆肥是有机废物资源化的主要技术手段。由于堆肥法可以使有机废 物稳定化，并能在高温发酵时杀灭致病菌，其最终产物还能作为肥料或土壤调节剂，使 有机物循环再利用，因此，堆肥法是符合可持续发展的有机废物处理方法，具有强大的 生命力。堆肥按需氧程度一般分为好氧堆肥和厌氧堆肥两种。前者是在通气条件下借好 氧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 畦_ 6 0 ，极限可达 8 0 一一9 0 ，故亦称为高温堆肥。后者是利用微生物发酵造肥。 6 硕+ i ：毕业论文 1 3 2 好氧堆肥概述 放置在任一场所的有机固体废物在湿度、通风条件满足的情况下，会自动产生热量 ( 如秸秆堆垛、垃圾堆垛) ，尤其在冬季这种现象更为明显，会产生大量热蒸汽。堆肥化 是环境工程中的一种利用自然界中天然存在的，或经过人类某些改变- 的微生物对有机固 体废物的氧化、分解能力，在一定温度、湿度和p h 条件下使可降解有机固体废物发生 生物化学降解，形成类似腐殖质土壤的物质，达到有机固体废物处理无害化和资源化的 技术方法。堆肥化的产物称为堆肥。堆肥过程可以简单用以下反应方程式表达： 微生物代谢作用 新鲜的有机废物十0 2 一稳定的有机残渣十c 0 2 th 2 0 十能量 在堆肥化过程中，可溶性有机物质可透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物直接吸 收l 而不溶的胶体有机物质，先被吸附在微生物体外，依靠微生物分泌的跑外酶分解为 可溶性物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命代谢活动，进行分解代谢( 氧化还原 过程) 和合成代谢( 生物合成过程) ，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，把另一部分有机物转化合成新的细胞物质，使微生物 生长繁殖：产生更多的生物体。 1 3 2 1 好氧堆肥过程的主要影响因素 判断堆肥过程进行是否顺利，主要依据堆肥物料中有机物的变化和堆肥工艺控制参 数( 如含水率、温度、通气量) 的变化。因此宏观上通过堆肥的过程控制，可保证堆肥过 程顺利进行。目前控制方法的基本原理为调解堆肥过程中各种参与生化反应的物质之间 的浓度配比，使之更有利于微生物的生长和有机质的代谢过程。好氧堆肥的降解过程中， 除了微生物之外主要的反应因子有堆肥有机物本身、堆肥介质空隙间的水、间隙中的氧 和反应温度等。而堆肥有机物的影响又来自其有机质的种类和比例、无机盐的性质和酸 碱度等。人为控制供氧量、垃圾含水率、碳氮比( c n ) ，碳磷比( c p ) 以及p h 值等是优化 堆肥过程的工程手段。对快速高温二次发酵堆肥工艺来说，有机物含量、温度、含水率 等是影响堆肥的主要因素，归纳起来有以下6 个方面i l 引。 有机物含量堆肥过程中有机物的降解是微生物活动的结果，微生物繁殖的快慢 决定着堆肥时间的长短，而微生物繁殖的快慢又受营养物质丰缺的制约，有机质含量高 低影响堆料温度与通风供氧需求1 1 9 1 。研究表明，堆肥中最适合的有机物含量在2 0 8 0 之间，如果有机质含量低，不能提供足够的热量，影响嗜热菌增值，难以维持高温发酵 过程。过高的有机物含量又将给供氧带来影响，从而产生臭气和厌氧。按照微生物的营 养机理和通风供氧能力，选用微生物易利用的有机物质，如葡萄糖、蛋白质、淀粉等以 及适合微生物营养要求的微量元素，按一定比例配制而成的营养物调节剂，可以增加堆 7 农业彳r 机废物1 0 城市生活垃圾堆肥高温期微乍物种群结构比较 肥起始阶段的微生物活性。 供氧量。氧气是好氧堆肥过程中好氧微生物生长和降解反应高效进行所必需的物 质。对于堆肥过程所需的氧气量，国内外都有许多研究人员作过测试工作。舒尔茨的研 究结论是：在3 0 。( 2 时，需氧量为l m g g 挥发性物质：在6 3 c 时，则为5 m g t g 挥发性物质。 瑞根和查里斯报道的数据是：在3 0 时，需氧量为l mg g 挥发性物质；在4 5 时，则为 1 3 6 m g g 挥发性物质。许多研究人员的研究结果表明，堆肥过程中合适的氧含量应大于 18 ，最低氧浓度不能小于8 。氧含量一旦低于8 氧就成为好氧堆肥中的微生物生命 活动的限制因素，并容易使堆肥厌氧而产生恶臭。 在实际堆肥过程中，由于氧气供应是通过堆肥物料之间的缝隙渗入来实现的，因此 供氧的好坏就取决于物料之间的空隙率，即取决于物料的尺寸、结构强度以及含水。其 中，物料尺寸和结构强度对空隙率的影响是相互矛盾的。尺寸越小，物料之间的缝隙就 越多，但物料的结构强度也会减小，在受压下，物料易发生倾塌或压缩，从而导致实际 隙缝的减小。因此，为保证充分供氧，就必须选择合适的物料尺寸。按实际经验，推荐 的物料尺寸为：如果堆肥物料中纸含量较大，则推荐的物料尺寸为3 8 5 0 c m ；女h 果堆肥物 料中大部分为结构强度好的物料，则推荐的尺寸为0 5 1 0 c m ；当处理含有大量蔬菜的原 生垃圾时，需特别予以注意，如果此时的物料尺寸太小，就会产生一些难于处理的浆状 物质，物料中的水分不仅会占据供氧通道，而且会降低物料的结构强度，导致物料倾塌， 这些都会影响对堆肥的供氧。进行人工的翻堆和强制通风也是加强堆肥介质空隙中的空 气和外界空气对流和氧交换的重要方式，同时可以控制堆肥的温度。另外，添加多孔填 料和膨胀剂也是提高堆肥垃圾的蓬松程度和空隙率，直接增大堆肥介质中的氧含量和加 强空气对流的一种有效方法。 含水量。堆肥中水分的主要作用其一是溶解有机物，参与微生物的新陈代谢；其二 是蒸发带走热量，起到调解堆肥温度的作用。正如g l u e k e 所指出，理论上理想的水分 含量应接近1 0 0 ，因为在这种条件下发生的生物分解作用将不存在任何水分的限制问 题，但由于其它因素的制约，实际的含水量必然少于1 0 0 维持适当的水分标准是均衡 堆肥化过程各种对抗力量的方法，水分标准至少应保证生化反应能以合适的速度稳定的 进行，但不能太高，否则会引起空隙减少，氧气的交换率降低而使生物活度下降。在实 际堆肥过程中，含水量最大值取决于物料的成分和空隙容积。据研究，对于含纸高的城 市垃圾堆肥，允许其含水惫上限值为5 5 6 0 ：如城市垃圾中木屑、谷壳、稻草、干叶 及其它类物料比例高，则其堆肥时含水量可达8 5 。堆肥过程中，物料的最低含水量取 决于微生物活性。如物料中含水量太低，堆肥中微生物的活性就会受到抑制。含水量为 4 5 5 0 时，生物活性就开始下降，堆肥温度也随之下降，温度的下降又导致生物活性 加速下降。根据国外研究结果，在进行有机物与污泥混合堆肥时，仍能保证堆肥过程顺 利进行的最低含水量为4 0 。因此，堆肥正常进行的堆肥含水量下限为4 0 5 0 当含 水量降到2 0 以下时，生物活性就基本停止。 8 硕十毕业论文 当原生垃圾含水量不能保证堆肥过程顺利进行时，就应该采取相应的水分调整和补 救措施。对于低于堆肥所需的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，这种方法操作起来较为容易。而为了克服供料底物中的高湿度问题，许 多方法也都是有效的。第一，可回流堆过肥的干物料，以调节起始混合物的水分含量： 第二，可把干的调理剂如锯末或碾碎的垃圾，秸秆等加入高湿度的原料中( 如污泥和鸡 粪) ，用或不用回流堆肥产物：第三，可把膨胀剂如木屑和秸秆等加进商湿度的原料中， 以维持堆垛结构的完整性和多孔性：第四，可通过机械设备来提供经常的搅动。s h e l l 和 b o y e d 以实验室的规模，成功地运用了这种方法，甚至还发现回流堆肥更有利：第五，在 堆肥化之前可使高水分含量的原料进行风干或加热烘干以减少其含量。 温度。对堆肥系统而言，温度是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素。堆 肥中微生物分解有机物而释放出热量，这些热量使堆肥温度上升。在很多情况下，堆肥 温度的控制除与堆肥物料成分、含水率、微生物活性、通风量等因素有关外，还与发酵 装置的类型有关。好氧堆肥中，温度的过程控制一般是通过控制供氧量来实现的，但对 于静态条垛式堆肥而言，堆垛内不同部位温度的分布有较大的差异，因此通常需要采用 翻堆达到均衡温度和有机物分解速率的目的。 碳氮比( c n ) 。堆肥物料碳氮比的变化在堆肥中有特殊意义。众所周知，在微生 物的新陈代谢和细胞物质的合成中需要大量的营养元素和微量元素，如碳、磷、钾、氮、 钻、锰、镁、。铜和钙等。其中，以碳、氮、磷、钾四种元素最为重要。碳在微生物的新 陈代谢过程中约有2 3 变成二氧化碳而被消耗掉，1 3 用于细胞质合成，所以，碳被称 为是细菌的能源。氮主要用于细胞原生质的合成。 在堆肥过程中，有机物碳氮比对分解速度有重要影响。根据对微生物活动的平均计 算结果，可知微生物每合成l 份体质碳素，要利用约4 份碳素作为能量( 以好氧性有机 营养形式释放到大气中) 。如以细菌为例，细菌的碳氮比为( 4 5 ：1 ) ，而合成这样的体质细 胞还要利用1 6 2 0 份碳素来提供合成作用的能量，故它们进行生长繁殖时，所需的碳氮 比是( 2 0 2 5 ：1 ) ，而真菌的碳氮比约为1 0 ：1 ，故堆肥过程最佳碳氮比为( 2 5 3 5 ：1 ) 若碳氮 比超过4 0 ：1 ，可供消耗的碳元素多，氮素养料相对缺乏，细菌和其他微生物的发展受到 限制，有机物的分解速度就慢，发酵过程就长。如果碳氮比更高，容易导致成品堆肥的 碳氮比过高，这种堆肥施入土壤后，将夺取土壤中的氮素，使土壤陷入“氮饥饿”状态， 会影响作物的生长。若碳氮比低于2 0 ：1 ，可供消耗的碳素减少，氮素养料相对过剩，则 氮将变为氮态氮而挥发，导致氮元素大量损失而降低肥效 为了保证成品堆肥中一定的碳氮比【_ 一般为( 2 5 3 5 ：1 ) 】和在堆肥过程中有理想的分解 速度，必须调整好堆肥原料的碳氮比。有些城市生活垃圾中的碳氮比在2 0 ：1 左右，但其 有机质含量较低，不及2 0 氮的含量也较少，因此需要同时添加碳素和氮素，一般调 整的方法是加入粪尿，牲畜粪以及城市污泥等。 碳磷比( c p ) ，除碳和氮外，磷对微生物的生长也有很大影响。在垃圾中添加 9 农业有机废物i j 城市生活垃圾胎肥高濡! j 微生物种群宝占构比较 污泥进行混合堆肥，就是利用污泥中丰富的磷来调整堆肥原料的c p 。堆肥原料适宜的 c p 为7 5 1 5 0 。 p h 值。理论上，声值对城市垃圾堆肥过程没有影响，而且p h 值随堆肥过程波 动本身就是由于物料降解的结果。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 。 1 3 2 2 堆肥质量影晌因素 影响堆肥质量的因素很多，堆肥中重金属是影响堆肥产品质量的一个重要因素。表 面活性剂的使用也可能影响堆肥的产品质量。研究表明，堆肥中很多有机物被强烈地吸 附在土壤上，使用表面活性剂能促进僧水性有机物的亲水性和生物可利用性。使用合成 的表面活性剂要注意两个方面，一是使用浓度要合适，浓度过高既不经济，又可能抑制 微生物的活性：另一方面就是注意不要在环境中引入新的化学品污染。另外，由微生物、 植物或动物产生的天然表面活性剂称为生物表面活性剂。例如，o b e r b r e m e r 等1 2 u j 发现， 微生物自身能产生以糖脂形