（环境工程专业论文）消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥的研究.pdf

消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥的研究 摘要 本研究采用强制通风堆肥工艺，对消化污泥和玉米秸秆进行堆肥处理。分别 研究了在不同的初始c n 比、不同的通风量和低温环境条件下，堆肥过程中物理、 化学及生物学指标的变化规律，以及堆肥过程中微生物种群结构的演替变化。 在不同初始c n 比下消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥过程中物理化学及 生物学指标的研究中，设置3 个堆体，初始c n 比分别为2 5 、2 0 和1 4 。结果表明， 3 个堆体均可以实现顺利升温，并分别在5 5 以上维持1 2 d 、1 6 d 和5 d ，满足我国 粪便无害化卫生标准( g b 7 9 5 9 8 7 ) 中规定的5 0 - 5 5 以上维持5 - 7 d 的要求。 堆肥过程中，总有机碳、c n 比和含水率下降明显，n o f - n 、阳离子交换量逐渐 升高，p h 、n 】凰+ - n 、电导率呈先增加后降低的趋势，堆肥结束时，3 4 堆体的种 子发芽指数分别为9 7 、9 6 和6 9 。红外光谱图反映了堆肥过程中脂肪族成分 减少，芳香族成分增加的变化。研究中采用p c r d g g e 结合基因测序技术分析不 同初始c n 比堆肥过程中微生物的多样性及其种群结构的演替变化，堆肥过程中 随着堆体温度的变化，3 个堆体内微生物群落结构均发生了复杂演替变化，但 c l o s t r i d i u ms p 9 8 4 、c l o s t r i d i u ms p 6 掣和b a c i l l a l e sb a c t e r i u mp 3 7 1 在3 个堆体的堆 肥过程中始终存在。与3 号堆体相比l 号和2 号堆体在堆肥过程中一直保持着较好 的微生物种群多样性。 在不同通风量下消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥过程中物理化学及生物 学指标的研究中，分别采用5 0 l m i n 、l o o l m i n 和1 5 0 l r a i n 的通风量进行实验， 初始c n 比均为2 0 。结果表明，3 4 堆体均可以实现迅速升温，并在5 5 以上分 别维持1 2 d 、1 4 d 和1 0 d 。堆肥过程中，总有机碳、c n 比和含水率下降明显，n 0 3 - n 、 阳离子交换量逐渐升高，p h 、n i - 1 4 + - n 、电导率呈先增加后降低的趋势，堆肥结 束时，3 个堆体的种子发芽指数分别为9 1 、9 6 和8 2 。红外光谱图反映了堆肥 过程中脂肪族成分减少，芳香族成分增加的变化。研究中采用p c r d g g e 结合基 因测序技术分析不同通风量堆肥过程中微生物的多样性及其种群结构的演替变 化，堆肥过程中随着堆体温度的变化，3 个堆体内微生物群落结构均发生了复杂 演替变化，但a n a e r o b a c u l u mm o b i l e 、b a c i l l u ss p s g l 、u r e i b a c i l l u s t h e r m o s p h a e r i c u s 和s e d i m e n t i b a c t e rs p b 4 在3 个堆体的堆肥过程中始终存在。1 号、2 号和3 号堆体在堆肥过程中一直保持着较好的微生物种群多样性。 低温环境下消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥过程中物理化学及生物学指 标的研究建立在前两部分对消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥c n 比和通风量 优化的基础上，初始c n 比为2 0 ，通风量为1 0 0 l m i n 。堆体可以实现顺利升温， 堆体中心温度在5 5 以上维持9 天，堆肥过程中，总有机碳、c n 比和含水率下 降明显，n 0 3 - n 、阳离子交换量、重金属含量、腐殖质、胡敏酸和腐殖化指数逐 渐升高，p h 、n h 4 + - n 、电导率、纤维素酶活性、脲酶活性及蛋白酶活性成先增 加后降低的趋势，种子发芽指数在第3 5 d 时达到8 4 。研究中采用p c r d g g e 结 合基因测序技术分析低环境温度下堆肥过程中微生物的多样性及其种群结构的 演替变化，堆肥过程中随着堆体温度的变化，微生物群落结构发生了复杂的演替 变化，优势菌种也存在很大差异。p r o t e i n i p h i l u ma c e t a t i g e n e s 、c l o s t r i d i u mu l t u n e n s e 等7 种菌种存在于整个堆肥过程中，c l o s t r i d i u ma u r a n t i b u t y r i c u m 随着温度升高而 被淘汰，k i n e o c o c c u sx i n j i a n g e n s i s 、l a c e ) e l l a p u t i d a 等5 个菌种随着堆肥过程进行 作为新生菌种出现。 关键词：消化污泥：c n 比；通风量；低温环境；p c r d g g e h s t u d y o nf o r c e da e r a t e dc o m p o s t i n go fd i g e s t e ds e w a g e sl u d g ea n dm a i z es t r a w a b s t r a c t i nt h i sr e s e a r c h , t h ef o r c e da e r a t i o n c o m p o s t i n gt e c h n i q u e w a su s e df o r c o m p o s t i n go fd i g e s t e ds l u d g ea n dm a i z es t r a w , a n da n a l y z e dt h ec h a n g i n gr u l e so f p h y s i c a l ，c h e m i c a la n db i o l o g i c a li n d i c a t o r s ，a tt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r r n ti n i t i a lc n r a t i o n ，v e n t i l a t i o na n dl o wa m b i e n tt e m p e r a t u r e ，a n da n a l y z e dt h es u c c e s s i o nc h a n g e s o ft h em i c r o b i a lp o p u l a t i o ns t r u c t u r e i nt h es t u d y i n go ft h ei n d e xo fp h y s i c a lc h e m i s t r ya n db i o l o g i c a l p r o p e r t i e s d u r i n gf o r c e da e r a t i o nc o m p o s t i n go fd i g e s t e ds l u d g ea n dm a i z es t r a wu n d e rd i f f e r e n t i n i t i a lc nr a t i o s ，t h e r ew e r et h r e ep i l e sa n dt h ei n i t i a lc nr a t i o sw e r e2 5 ，2 0 a n d1 4 r e s p e c t i v e l y t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t t h e t e m p e r a t u r eo f a l l p i l e s i n c r e a s e d s u c c e s s f u l l y , a n dk e p tf o r12 d ，16 da n d5 da b o v e5 5 cr e s p e c t i v e l y , w h i c hh a db e e n u pt ot h en a t i o n a ls t a n d a r d d u r i n gt h ec o m p o s t i n gp r o c e s s ，t o t a lo r g a n i cc a r b o n , c n r a t i oa n dm o i s t u r ec o n t e n to b v i o u s l yd e c l i n e d , b u th ec o n t e n to fn 0 3 。- n ，c a t i o n e x c h a n g ec a p a c i t yi n c r e a s e d p h ，n l 4 + - n ，e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo r i g i n a l l yi n c r e a s e d a n dt h e nd e c l i n e d t h es e e dg e r m i n a t i o ni n d e xw a s9 7 ，9 6 a n d6 9 o nd a y4 0 ， r e s p e c t i v e l y f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p ys h o w e dar e d u c t i o ni na l i p h a t i c c o m p o n e n t s ，a n dar e l a t i v e i n c r e a s ei na r o m a t i cc o m p o n e n t s i nt h er e s e a r c h , p c r - d g g ea n dg e n es e q u e n c i n gt e c h n o l o g yw e r eu s e dt oa n a l y s et h ed i v e r s i t yo f m i c r o b i a lp o p u l a t i o na n dt h es u c c e s s i o nc h a n g e so ft h em i c r o b i a lp o p u l a t i o ns t r u c t u r e d u r i n gt h ec o m p o s t i n gp r o c e s s e su n d e rd i f f e r e n ti n i t i a lc nr a t i o s w i t ht h ec h a n g e s o ft h ec o m p o s t i n gt e m p e r a t u r e ，t h es t r u c t u r eo fm i c r o b i a lp o p u l a t i o nc h a n g e da tt h e s a m et i m e ，a n dt h ed o m i n a n tp o p u l a t i o na l s oh a db i gd i f f e r e n c e b u tc l o s t r i d i u m s p 9 8 4 、c l o s t r i d i u ms p 6 - 4 4a n db a c i l l a l e sb a c t e r i u mp 3 7 1e x i s t e dd u r i n gt h et h r e e d i f f e r e n t c o m p o s t i n gp r o c e s s e s m i c r o b i a ld i v e r s i t y w a sb e t t e r i n t h en o 1 c o m p o s t i n gp i l e ( c nr a t i ow a s2 5 ) a n dt h en o 2c o m p o s t i n gp i l e ( c nr a t i ow a s2 0 ) ! i i t h a nt h en o 3e o m p o s t i n g p i l e ( c nr a t i ow a s14 ) i nt h es t u d y i n go ft h ei n d e xo fp h y s i c a lc h e m i s t r ya n db i o l o g i c a l p r o p e r t i e s d u r i n gf o r c e da e r a t i o nc o m p o s t i n go fd i g e s t e ds l u d g ea n dm a i z es t r a wu n d e rd i f f e r e n t v e n t i l a t i o n , w h i c hh a v e dt h r e ev e n t i l a t i o no f5 0 l m i n , 10 0 l m i na n d15 0 l r a i n , a n d t h ei n i t i a lc nr a t i o sw e r ea l l2 0 t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h et e m p e r a t u r eo ft h et h i n e p i l e s c o u l di n c r e a s e s u c c e s s f u l l y , a n dk e p tf o r 12 d , 14 da n d10 da b o v e5 5 r e s p e c t i v e l y d u r i n gt h ec o m p o s t i n gp r o c e s s ，t o t a lo r g a n i cc a r b o n , c nr a t i oa n d m o i s t u r ec o n t e n to b v i o u s l yd e c l i n e d ，b u th ec o n t e n to fn 0 3 。- n ，c a t i o ne x c h a n g e c a p a c i t yi n c r e a s e d p h ，n i - h + - n ，e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo r i g i n a l l yi n c r e a s e da n dt h e n d e c l i n e d t h es e e dg e r m i n a t i o ni n d e xw a s91 ，9 6 a n d8 2 o nd a y3 5 ，r e s p e c t i v e l y f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p ys h o w e dar e d u c t i o ni na l i p h a t i cc o m p o n e n t s ， a n dar e l a t i v ei n c r e a s ei na r o m a t i cc o m p o n e n t s i nt h er e s e a r c h ，p c r - d g g ea n dg e n e s e q u e n c i n gt e c h n o l o g yw e r eu s e dt oa n a l y s et h ed i v e r s i t yo fm i c r o b i a lp o p u l a t i o na n d t h es u c c e s s i o nc h a n g e so ft h em i c r o b i a lp o p u l a t i o ns t r u c t u r ed u r i n gt h ec o m p o s t i n g p r o c e s s e su n d e rd i f f e r e n tv e n t i l a t i o n w 油t h ec h a n g e so ft h ee o m p o s t i n gt e m p e r a t u r e ， t h es t r u c t u r eo fm i c r o b i a lp o p u l a t i o nc h a n g e da tt h es a m et i m e ，a n dt h ed o m i n a n t p o p u l a t i o na l s oh a db i gd i f f e r e n c e b u ta n a e r o b a c u l u mm o b i l e 、b a c i l l u ss p s g i 、 u r e i b a c i l l u st h e r m o s p h a e r i c u sa n ds e d i m e n t i b a c t e rs p b 4e x i s t e dd u r i n gt h et h r e e d i f f e r e n tc o m p o s t i n gp r o c e s s e s m i c r o b i a l d i v e r s i t y w a sb e t t e ri nt h en o 1 c o m p o s t i n gp i l e ( t h ev e n t i l a t i o nw a s5 0 l r a i n ) a n dt h en o 2c o m p o s t i n gp i l e ( t h e v e n t i l a t i o nw a s10 0 l m i n ) t h a nt h en o 3c o m p o s t i n gp i l e ( t h ev e n t i l a t i o nw a s 15 0 l r a i n ) t h es t u d yo ni n d e xo fp h y s i c a lc h e m i s t r ya n db i o l o g i c a lp r o p e r t i e sd u r i n gf o r c e d a e r a d o nc o m p o s t i n go fd i g e s t e ds l u d g ea n d m a i z es h a wu n d e rl o wa m b i e n t t e m p e r a t u r ew a sb a s e do i lt h ef i r s tp a r t sa b o u tf o r c e da e r a t i o nc o m p o s t i n go fd i g e s t e d s l u d g ea n dm a i z es t r a wc nr a t i oa n dv e n t i l a t i o no p t i m z e d ，a n dt h ei n i t i a lc nr a t i o w a s2 0 ，v e n t i l a t i o nw 嬲lo o l m i n t h e t e m p e r a t u r eo ft h ep i l ec o u l di n c r e a s e s u c c e s s f u l l y , a n dt h em i d d l et e m p e r a t u r ea b o v e5 5 k e p tf o r9 d d u r t n gt h e e o m p o s t i n gp r o c e s s ，t o t a lo r g a n i cc a r b o n , c nr a t i oa n dm o i s t u r ec o n t e n to b v i o u s l y d e c l i n e d , b u th ec o n t e n to fn o r - n , c a t i o ne x c h a n g ec a p a c i t y , h e a v ym e t a l s ，h u m u s ， n ， h u m i ca c i d ，f u l v i ca c i da n dh ii n c r e a s e d p h ，n h a + - n ，e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y , c e l l u l o s e ，1 2 1 e a s ea n dp r o t e a s ea c t i v i t yo r i g i n a l l yi n c r e a s e da n dt h e nd e c l i n e d t h e s e e dg e r m i n a t i o ni n d e xw a s8 4 0 1 1d a y3 5 i nt h er e s e a r c h ，p c r - d g g ea n dg e n e s e q u e n c i n gt e c h n o l o g yw e r eu s e dt oa n a l y s et h ed i v e r s i t yo fm i c r o b i a lp o p u l a t i o na n d t h es u c c e s s i o nc h a n g e so ft h em i c r o b i a l p o p u l a t i o ns t r u c t u r eu n d e rl o wa m b i e n t t e m p e r a t u r e w i t ht h ec h a n g e so ft h ec o m p o s t i n gt e m p e r a t u r e ，t h es t r u c t u r eo f m i c r o b i a lp o p u l a t i o nc h a n g e da tt h es a m et i m e ，a n dt h ed o m i n a n tp o p u l a t i o na l s oh a d b i gd i f f e r e n c e p r o t e i n i p h i l u ma c e t a t i g e t l e s ，c l o s t r i d i u mu r u t i e n s e ，a n do t h e r5 m i c r o b i a ls t r a i n se x i s t e dd u r i n gt h ew h o l ec o m p o s t i n gp r o c e s s ，a n dc l o s t r i d i u m a u r a n t i b u t y r i c u mw a se l i m i n a t e dw i t ht h e t e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g k i n e o c o c c u s x i t i j i a n g e n s i s ，l a c e y e l l ap u t i d aa n do t h e r3m i c r o b i a ls t r a i n sa p p e a ra sn e wm i c r o b i a l s t r a i n sd u r i n gt h ec o m p o s t i n g p r o c e s s k e y w o r d s ：d i g e s t e ds l u d g e ；c nr a t i o ；v e n t i l a t i o n ；l o wa m b i e n tt e m p e r a t u r e ； p c r d g g e v 消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥的研究 1 绪论 随着我国工农业生产的快速发展以及城市化程度的不断提高，工业废水和生 活污水的排放量日益增多，许多城市建立了新的污水处理厂。城市污水的处理率 逐年提高，导致污泥产量急剧增加。截止到2 0 0 9 年底，全国投入运营城镇污水 处理厂1 9 9 2 座，全国城镇污水处理量达到2 8 0 x 1 0 1 0 r n 3 ，湿污泥( 含水率8 0 ) 产生量突破2 x l o 。t 。随着在建的2 0 0 0 多座污水处理厂陆续投入运行，全国污泥 总产量将很快突破3 1 0 。t 。污水处理厂污泥不仅含有氮、磷、钾、有机质、植物 所必需的微量元素，而且含有病原菌、寄生虫卵、重金属( 如c u 、z n 、c r 、c d 、 p b ) 及多氯联苯等有害有毒有机物。据不完全统计，我国污水处理厂所产生的污 泥，有8 0 没有得到妥善处理，污泥随意堆放所造成的污染与次生污染问题已经 凸显出来。因此，如何实现污泥的减量化、无害化、资源化已成为人们普遍关注 的问题。 目前，国内外常见的污泥处置方法有卫生填埋法、焚烧法和土地利用。其中， 卫生填埋具有投资少的优点，但占地面积大和地基需做防渗处理：焚烧法可有效 地实现污泥减量化，但其耗能高、焚烧过程中会产生二嗯英等有害有毒的气体污 染大气环境。污泥中含有丰富的有机质和氮、磷、钾等植物需要的营养元素，如 果进行土地利用能够改良土壤结构，增加土壤肥力。然而，未经处理的城市污泥 直接用于农田，有机物分解将消耗土壤中氧，形成厌氧环境并产生氨和某些低分 子量有机酸，抑制作物种子发芽和幼苗根系生长。大量研究表明【i 刁l ，堆肥化处 理是采用较多的一种污泥处置方法，其成本低廉、可以有效地杀灭病原菌和除臭、 改善污泥不良的物理性状，腐熟的堆肥产品能够提高作物的产量、改善农产品品 质、改善土壤的物理化学性质，已经成为广泛应用的污泥处置方式。 1 1 堆肥原理 堆肥是在一定条件下，通过微生物的作用使有机物降解和稳定，最终使有机 物达到腐熟化和稳定化的过程【3 - 5 1 堆肥化处理能够有效降低有机固体废弃物的 质量、减少体积、去除异味，杀灭病原菌、虫卵等，同时还会产生大量的腐殖质。 堆肥化处理分为厌氧堆肥化处理和好氧堆肥化处理两种方式。 消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥的研究 1 1 1 厌氧堆肥 ( 1 ) 厌氧堆肥原理 厌氧堆肥是在无氧条件下，厌氧微生物通过自身的生命活动将有机物分解 和生物合成的过程。高分子有机物首先在胞外酶作用下水解和液化成结构简单 的物质而渗入细胞内，胞内酶再将其转化成挥发性有机酸等，并在专性厌氧菌 作用下分解成c h 4 、c 0 2 。 ( 2 ) 厌氧堆肥过程 厌氧堆肥过程一般经历液化、酸性发酵和碱性发酵三个阶段【6 】。 液化阶段 纤维素分解菌、脂肪分解菌、蛋白质分解菌等微生物将复杂有机物水解成简 单有机物，如将多糖水解成单糖，蛋白质水解成肽和氨基酸，脂肪分解成甘油和 脂肪酸，及挥发酸、醇等，同时产生h 2 和c 0 2 。 酸性发酵阶段 简单有机物在产氢产乙酸菌作用下最终被分解成乙酸、h 2 和c 0 2 ，同型产 乙酸菌可利用h 2 和c 0 2 ，将c 0 2 或c 0 3 。还原成乙酸。 碱性发酵阶段 产甲烷细菌是以h 2 、c 0 2 、乙酸和甲酵等c l 类化合物作为底物，在厌氧条 件下转化形成c h 4 。在甲烷形成过程中，约3 0 来自氢还原c 0 2 ，7 0 来自乙酸 的分解【刀。因此，乙酸降解是甲烷形成过程中的主要代谢途径。 厌氧堆肥能耗低，工艺简单，氮素损失小，但有机物的分解速度慢，堆肥 周期长，占地面积大，易产生异味。与厌氧堆肥相比，好氧堆肥具有堆肥周期 短，占地面积小，有机物降解彻底，异味小等优点，因此，好氧堆肥逐渐成为 国内外研究热点。 1 1 2 好氧堆肥 ( 1 ) 好氧堆肥原理 好氧堆肥是好氧微生物在有氧条件下进行的有机物氧化分解和生物合成 的过程。堆肥中溶解性有机物透过微生物的细胞壁和细胞膜进入微生物细胞 内；附着于微生物细胞外的胶体和固体有机物在微生物分泌的胞外酶作用下氧 2 消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥的研究 化分解为溶解性物质后被微生物吸收进入微生物细胞内。微生物通过自身的分 解代谢与合成代谢将被吸收进微生物细胞内的一部分有机物氧化成简单的无 机物，并释放出维持微生物新陈代谢活动所需的能量，将另一部分有机物转化 为微生物生长繁殖所必需的营养物质，形成新的细胞物质，产生更多的生物体。 ( 2 ) 好氧堆肥过程 好氧堆肥过程一般要经历升温、高温和降温三个阶段。 升温阶段 在升温阶段，大量可溶性易生物降解物质被嗜温微生物氧化分解，有机物 氧化分解过程中释放的化学能高于微生物细胞合成过程中所需的能量，加上堆 体物料的保温作用，使堆体温度持续上升。堆肥升温阶段微生物多样性丰富， 微生物种类较多，其中最主要的是嗜温好氧细菌、放线菌和真菌【8 】。这些微生物 有各自不同的温度适应能力和化合物的分解能力，如对于溶解性单糖类物质，细 菌有较强降解能力，对于纤维素和半纤维素物质，放线菌和真菌有较强分解能力。 高温阶段 一般认为堆体温度不低于5 0 时，堆肥过程即进入高温阶段。高温阶段较 高堆体温度抑制嗜温微生物的生命活动使其生长繁殖减缓甚至消亡，嗜热微生物 逐渐成为优势菌种，并继续分解转化升温阶段结束后堆体内残留的和新产生的可 溶性有机物，半纤维素、纤维素和蛋白质等结构复杂的有机物在高温阶段也开始 被大量分解，并释放出热量，使堆体维持在较高温度。不同的嗜热微生物其生长 繁殖活动的最适温度也不相同，堆肥过程中随着堆体温度变化，嗜热微生物的种 群相互交替。通常嗜热真菌和放线茵在堆体温度为5 0 左右时代谢活动最为旺 盛；当堆体温度高于6 0 时，嗜热真菌受到极大抑制，生命活动几乎完全停止， 仅有嗜热细菌和放线菌在堆体内活动；当堆体温度高于7 0 时，大多数嗜热微 生物由于受到高堆体温度的极大抑制而大量死亡或进入休眠状态，同时有大量的 对恶劣环境有较强抵抗能力的孢子和芽孢出现【们。高温阶段病原菌、虫卵等病原 微生物可被有效的去除。 高温阶段嗜热微生物生长繁殖一般经历三个时期i 对数增长期，减数增长期 和内源呼吸期。对数增长期：营养物质充足，微生物生长速率仅与堆体温度、氧 浓度等其他生长因子有关，而与堆体内有机物浓度无关；减数增长期：易降解和 消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥的研究 部分较难降解的有机物被微生物不断分解和利用，使堆体内有机物含量迅速降 低，堆体内营养物质不再过剩，并成为微生物生长的限制因素，此时，微生物生 长速度与有机物浓度呈正比；内源呼吸期：随着堆体中易降解和部分难降解有 机物含量进一步降低，微生物生长进入内源呼吸期，由于周围环境不能提供足 够的维持微生物生命活动所需的能量，微生物细胞内部分酶开始分解细胞壁， 使营养物质扩散到细胞外，以提供活着的微生物生长繁殖活动所需的营养，细 胞分解速率超过合成速率，使微生物量减少，经过高温阶段，大部分易降解有 机物已被分解，残留下的是较难降解有机物和新形成的腐殖质【1 0 】。 降温阶段 内源呼吸期后期，堆体中大部分易降解和部分难降解有机物几乎耗尽，只 剩下部分难降解有机物和新形成的腐殖质，微生物由于缺少营养物质而活性减 弱，释放的热量减少，产生的热量小于堆体散失的热量，堆体温度开始降低。由 于堆体温度的下降，嗜温微生物替代嗜热微生物重新成为优势菌种，并进一步分 解和转化高温阶段后仍残留在堆体内的较难降解有机物，腐殖质含量不断增加， 堆肥进入腐熟阶段，需氧量和含水率降低【l l 】。 1 2 好氧堆肥过程的影响因素 影响好氧堆肥过程的因素很多，主要包括温度、含水率、c n 比、通风量、 p h 值、孔隙率和生物因素等。 1 2 1 温度 温度是直接反映微生物活性和堆肥过程的重要指标。不同温度下微生物种 属、数量以及有机物的分解能力也不同，每种微生物都有其适宜的温度范围，温 度直接影响微生物分解有机物的速度。堆肥初期以嗜温菌为主，常见的有细菌和 丝状真菌，蛋白质、淀粉类物质、简单的糖类物质等被微生物迅速分解，使堆体 温度上升，堆体温度在3 5 - - - , 4 5 时，微生物种群多样性最好。当堆体温度高于4 0 1 2 时，由于自养硝化细菌的活性停止，硝化作用受到明显抑制1 2 】。当堆体温度超过 5 0 时，嗜热真菌和嗜热放线菌等嗜热微生物最为活跃，半纤维素、纤维素等结 构复杂的有机物被迅速分解，另外，在该阶段病原微生物可以被有效的杀死。当 堆体温度超过6 0 时，嗜热丝状真菌生命活动几乎停止，嗜热放线菌和芽孢杆菌 4 消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥的研究 的活动占主导作用。当堆体温度超过7 0 c 时，只有耐恶劣环境能力较强的芽孢杆 菌的活动存在，微生物会大量死亡或进入休眠状态，微生物活性受到严重抑制。 因此，堆体温度的控制对于堆肥过程有着重要影响。一般认为，堆肥的适宜温度 范围在4 5 , - 6 5 c 1 13 1 。 微生物自身难以控制由于微生物活动所引起的堆体温度升高【1 4 】，因此必须采 取工艺措施控制堆体温度。强制通风是有效控制堆体温度过高的方式之一，其通 过风机向堆体内鼓风以带走过多的热量实现对堆体温度的控制，避免出现温度过 高的现象。 1 2 2 含水率 水是很好的溶剂，是影响微生物新陈代谢的重要因素，固体废弃物中的营养 成分只有溶于水才能被微生物吸收利用，此外，水分蒸发时带走热量还会起到调 节堆体温度的作用，因此，含水率的多少会直接影响堆肥质量与堆肥周期。堆肥 原料初始含水率一般在5 0 - - 6 0 范围内较为适宜f j 5 】。含水率过高，会造成堆体内 游离孔隙被水膜填充或堆肥物料被压缩，使堆体内孔隙率降低，通气性差，影响 堆体内部氧的转移扩散，导致局部厌氧或缺氧状态，产生h 2 s 等恶臭气体，使好 氧降解速率下降，堆体升温缓慢，堆肥周期延长；含水率过低，微生物的养分运 输作用会受到限制，不利于微生物的新陈代谢活动，有机物降解速率低，导致堆 肥周期延长甚至堆肥失败。一般认为，含水率高于4 0 能够满足微生物生长繁殖 需要；含水率低于3 0 则导致微生物的生长繁殖速率降低与有机物分解过程延 缓：含水率低- - 3 = 1 2 微生物生长繁殖就会停止【1 4 1 。 堆体含水率不能保证堆肥过程顺利进行时，需采取相应措施调整堆体含水率 至适宜水平。堆料含水率不能达到适宜水平时，调节堆体含水率的方法通常为向 堆料中混入含水率高的调理剂或直接添加水分；对于含水率高于适宜水平的堆肥 原料，一般采用向堆体中添加低含水率物质( 如回流堆肥干物料，添加秸秆或木 屑等调理剂) 的方法调节堆体含水率水平，此外，通过机械搅拌使水分散失，或 在堆肥处理前对含水率较高的堆肥原料进行风干、加热烘干处理也是调节堆体含 水率的有效方法。污泥由于含水率较高，无法单独进行堆肥，一般需要含水率低 的物质( 如木屑、秸秆等) 充当调理剂来降低堆体含水率，堆料充分混合后，调 理剂可以吸收堆肥原料中的水分，使堆体含水率保持在适宜的水平【1 5 1 6 1 。 5 消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥的研究 1 2 3 c n 比 c n 比是影响堆肥质量及堆肥过程的重要因素之一。c 是微生物生长繁殖的 主要能源，是微生物细胞的主要组成元素；n 是微生物生长繁殖的主要营养元素， 是组成蛋白质、核算等的重要成分。堆肥过程中微生物以c 作为能源，一部分用 于构成细胞物质，另一部分则被转化成c 0 2 而释放出来；n 则主要用于合成细胞 原生质而留于系统内。c n 比过高，由于无法为微生物生命活动提供充足的营养 元素，导致微生物生长受到限制，有机物分解速率低，使堆肥周期延长；c n 比 过低，过量的氮素则会从堆料中滤出或挥发，造成氮素的浪费，或者矿化成氨， 使堆体内氨氮含量增加，植物毒性提高。堆肥适宜的初始c n 比与堆料的种类有 关，一般认为堆肥适宜的初始c n 比为2 5 , - - - , 3 0 1 1 7 1 。一些研究者【1 3 。2 0 】对污泥好氧堆 肥进行了研究，认为初始c n 比在1 5 - - 2 0 之间可以取得较好的堆肥效果。 城市污水处理厂产生的污泥一般具有较低的c n 比，需要添加碳源来调节堆 肥初始c n 比至适宜的范围内【1 3 1 。 1 2 4 通风量 通风量是影响好氧堆肥质量与过程的重要因素之一。通风量的大小与微生物 活性、有机物降解速率、堆体温度变化等关系密切1 2 1 1 。一般认为，通风有供氧、 调节堆体温度和散除水分三方面作用，堆肥化处理初期通风的主要目的是为微生 物生命活动提供足够的氧，使微生物的新陈代谢活动顺利进行，以提高堆体温度； 堆肥高温期通风的主要目的是调节堆体温度，使堆体避免出现温度过高的现象， 并去除过多的水分和c 0 2 ，为微生物活动提供充足的0 2 ，提高堆肥过程的效率。 通风量过高则可能导致堆体散热过快，水分损失严重，限制微生物代谢活动，堆 体温度低1 2 2 1 。通风量过低则会导致堆体内呈现厌氧或缺氧环境，好氧微生物分解 消化作用会受到抑制，有机物降解速率低，并产生h 2 s 等恶臭气体，堆体升温缓 慢：高温期通风量不足则会使多余热量不能及时散失，导致堆体温度升高到超过 微生物生长适宜的范围，抑制有机物的生物降解，堆肥周期延长。 1 2 5p h p h 值的大小直接影响着微生物的生长，大多数细菌在p h 小于3 的溶液中无法 存活，在旷浓度为l m o l l 情况下，会导致蛋白质变性，使酶失去活性，因而，可 6 消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥的研究 以说p h 值也间接的影响着堆肥化处理过程中有机物的降解。堆肥适宜f l 勺p h 值在 6 - - 9 之间，当p h 值低于6 时，由于微生物的活性降低，堆肥周期会延长【2 3 1 。当p h 值较高时会导致堆肥在升温期和高温期氨氮大量的挥发，造成氮素的损失，影响 堆肥产品质量【2 4 1 。 在正常的堆肥过程中，一般不需要调节p h ，堆料本身含有许多具有缓冲作 用的物质，可以维持发酵所需的p h ，若有需要进行调节时，通常采用的方法有： 在p h 值较高的有机废物中添加过量的新鲜作物秸秆或青草等易产酸的原料，使 p h 值降低；在p h 值较低的发酵过程中，添加石灰乳进行调节。 1 2 6 孔隙率 堆肥过程中供给的氧气是通过颗粒间的孔隙分布到物料内部的，适宜的孔隙 率对维持堆体内顺畅的通风条件有着重要影响。孔隙率过低会使堆体内的气体的 扩散受到影响，造成堆体局部的厌氧或缺氧环境，形成厌氧发酵，影响堆肥品质。 影响堆体孔隙率的因素有堆料尺寸、结构强度以及含水率。堆料尺寸越小，堆体 内孔隙就越多，但会降低堆料结构强度，在堆体体积较大、外部压力较强条件下 堆体易被压实，从而导致堆体内孔隙率减少，堆料尺寸与结构强度对堆体孔隙率 的影响是相反的；含水率过高，水分会堵塞堆料间的孔隙，降低堆体的孔隙率， 因此，选择合适的堆料尺寸与含水率对于保持堆体适宜的孔隙率至关重要，若堆 料的结构强度好，不宜挤压，则堆料尺寸应小些，反之堆料尺寸应大些。 向堆料中添加膨胀剂是提高堆体孔隙率，加强堆体内空气流动的有效方法。 城市污水处理厂产生的消化污泥由于粘度大、致密，在堆积时容易造成堆体的压 实，进而降低堆体的孔隙率，因此，需加入膨胀剂( 如秸秆，木屑等) 使堆体维 持在适宜的孔隙率水平。一般认为，静态堆肥孔隙率不宜小于5 0 ，动态堆肥不 宜小于3 5 1 2 5 】。 1 2 7 生物因素 堆肥过程是由群落结构演替非常迅速的细菌、真菌和放线菌等多个微生物群 体共同作用而实现的动态过程，不同的微生物群体其适合自身繁殖的生存条件及 对不同物质的分解和转化能力也各不相同【2 6 1 。也就是说，好氧堆肥从堆肥到腐熟， 微生物的代谢活动直接地影响着堆肥时间和堆肥质量。传统的好氧堆肥技术堆肥 7 消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥的研究 原料中的土著微生物在有机物的分解过程中起主要作用，由于有益微生物在堆肥 化处理初期不占优势，需要经过一段时间的繁殖才能堆肥化处理过程中的优势菌 种，这也就造成堆肥周期延长和堆肥效率降低。 向堆料中人为接种适量的有益微生物，可以提高堆肥化处理初期堆体中高效 微生物的数量，缩短堆肥周期，并能减少堆肥过程中产生的臭气，增加堆肥产品 中有益微生物的数量【2 7 1 。 1 3 国内外好氧堆肥技术研究进展 1 3 1 国外好氧堆肥技术研究进展 1 9 2 5 年由英国人a h o w a r d 首先开发出的印多尔堆肥化处理法是最早出现 的现代化堆肥化处理技术，但该技术仅限于厌氧性发酵，每隔数月翻动一到两次， 后来通过增加翻堆次数，改进成为好氧性发酵，并发展成为以固体废弃物和人类 粪便为堆肥原料分层交替堆积的班加罗法( b a n g a l o r e ) 【2 8 】。1 9 3 1 年德国的 s c h w e i n f u r t 和瑞士b i e l 开发了固定式固定床堆肥法【1 4 】。1 9 3 2 年，荷兰v a w 公 司在b a n g a l o r e 法基础上开发出范曼奈法工艺，并将该工艺应用到实际堆肥化处 理工程中，其方法是将粉碎的物料压成块状，在固定的反应器内堆放3 0 , , 4 0 d e 2 9 】。 1 9 3 3 年，在丹麦出现了连续性机械化堆肥工艺，采用卧式旋