浏览次
生物废弃物的好氧发酵（堆肥化）是依靠自然界广泛分布的微生物及人工培养的工程菌在一定人工条件下，有控制的促进可被微生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学代谢过程，是对垃圾进行无害化、稳定化、资源化处理处置的一种技术。在基质的代谢过程中，微生物所分泌的胞外酶将不溶性大分子分解为可溶性小分子物质，同时微生物将一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并提供生命活动所需能量，而把另一部分有机物转化为供微生物增殖所需物质。微生物是发酵过程的主体，其种群和数量随之发生变化，在分解诸如纤维素及半纤维素等复杂有机物时发挥重要功能，所产生的纤维素酶和木聚糖酶对生物废弃物尤其是以植物材料为主的基质分解具显著作用。
在生物废弃物好氧处理的前期进行相关微生物酶活力的研究，可以加深人们对有机物降解效率的认识，为处理工艺的优化创造更好的条件，目前，已见Miyatake的微生物酶活力[1]及Vuorinen的磷酸单酯酶和-D-葡萄糖苷酶活力[2]对家畜堆肥的影响研究。
本文通过控制农贸市场的生物垃圾不同压实度进行好氧堆肥发酵实验，对各发酵过程中纤维素酶和木聚糖酶活力进行过程研究与监测，探究相关微生物酶对生物废弃物好氧发酵的作用机理及影响，掌握快速发酵工艺。
2实验设计
2.1实验目的
对分类收集的生物垃圾进行好氧一次主发酵实验，主要通过对堆肥发酵过程中相关生物学指标（温度、酶活力、有机物降解度等）进行监控，来综合评价好氧堆肥过程中压实度对好氧堆肥的影响，目的是明确生物废弃物好氧发酵机理，掌握快速发酵规律，并形成稳定的一次堆肥工艺。
2.2实验材料
材料来源合肥市农贸市场，首先进行垃圾的源头分类，收集分拣出的生物垃圾。主要有小白菜叶、卷心菜叶、莴笋叶以及马铃薯茎叶、扁豆茎叶等，其理化性质见表1。
表1生物垃圾理化性质
2.3测试指标
测定生物垃圾的理化性质，包括含水率、TN、TP、VS、脂肪等；此外对好氧一次堆肥发酵过程中生物质的变化指标进行监测，包括还原糖、pH值、温度、相关酶活力及有机物降解度等。利用氧堆肥中生物质的变化评价和探索好氧堆肥的反应机理。
2.4实验路线及流程图
从合肥市农贸市场收集垃圾，进行垃圾分选，分拣出非堆肥物与生物垃圾，对分拣出来的生物垃圾装罐进行好氧主发酵实验，并测定上罐前生物垃圾的理化性质，每天从发酵罐取样，加水浸提约4hr，离心取上清液，测定纤维素酶和木聚糖酶活力的变化，监测含水率、有机物含量和温度变化。流程如图1。
2.5实验设备与方法
2.5.1试验设备本实验采用连续静态通风堆肥系统，装置连接见图2，发酵罐有效体积为60L。
2.5.2实验方法压实度分别控制为0.173kg/L、0.214kg/L、0.247kg/L及0.378kg/L。酶液的制备，采用多点采样；含水率的测定[3]、有机物的测定[4]、总氮的测定[5]（微量凯氏定氮法）、粗脂肪的测定[6]（索氏提取法）、总磷的测定[7]（钼酸盐分光光度法）、木聚糖酶活力测定[8]（以木糖为标准），在本实验条件下，每分钟产生1μmol还原糖所需的酶量定义为1个国际酶活力单位（IU）；纤维素酶活的测定[9]（以葡萄糖为标准），在本实验条件下，每分钟产生1μmol还原糖所需的酶量定义为1个国际酶活力单位（IU）。
3实验结果与讨论
3.1温度的变化
图3显示了不同压实度温度的变化。四组温度变化曲线一致，总体趋势先上升后下降，压实度为0.247kg/L的堆体55℃高温维持了三天，符合国家堆肥卫生标准，压实度为0.173kg/L、0.214kg/L的堆体高温仅维持了两天。压实度为0.378kg/L的堆体温度上升缓慢，高温保持时间短，不符合国家堆肥卫生标准，后期微生物活性减弱，有机物降解缓慢，温度下降[10]。实验表明：压实度对温度有显著的影响，压实度过小，堆肥原料较蓬松，空隙大，热量容易散失，高温不易保持，压实度过大，空隙小，不利于氧气的传递，可能造成局部厌氧[11]。
3.2木聚糖酶活力变化
图4反映了不同压实度木聚糖酶活力的变化。可以看出：不同压实度木聚糖酶活力变化曲线一致，堆肥开始0～3天内木聚糖酶活上升，四组不同压实度罐体的木聚糖酶活力在堆肥第3天达到高峰，温度持续上升，各种中低温微生物受到抑制甚至死亡，分泌的木聚糖酶量减少，木聚糖酶活性也受到高温的影响，木聚糖酶活力下降。在堆肥第4～5天内，各种中低温微生物又开始繁殖，木聚糖酶活力有所上升。在堆肥5～7天内，木聚糖酶活力下降[12，13]。图4表明了堆肥第三天四个罐体的木聚糖酶活力高峰值，不同压实度木聚糖高峰值有差别，在压实度0.173～0.247kg/L区间内，木聚糖酶活力高峰值随着压实度增大而增大，而当压实度为0.378kg/L时木聚糖酶活力高峰值减小，证明压实度对于木聚糖酶活力有影响，压实度过小或过大都不利于微生物的生长，从而影响木聚糖酶活力大小。
3.3纤维素酶活力变化
图5显示了不同压实度纤维素酶活力的变化。
这几组纤维素酶活力变化曲线相接近，在堆肥开始0～2天内随着微生物的大量繁殖，堆体内原有的营养物质不能满足微生物生长的需要，微生物开始分泌各种酶，其中包括纤维素酶，随着纤维素酶的增加，纤维素酶活力逐渐上升，四个罐体的纤维素酶在堆肥第2天都达到高峰值，温度持续上升，各种中低温微生物受到抑制甚至死亡，分泌的纤维素酶量减少，纤维素酶活性也会受到高温的影响，纤维素酶活力下降[14，15]。在堆肥第4～5天内，各种中低温微生物又开始繁殖，纤维素酶活力有所上升。在第5～7天，微生物活性减弱，温度下降，纤维素酶活力降低。可以看出在纤维素酶活高峰期，不同压实度高峰值有差别，在压实度0.173～0.247kg/L区间内，高峰值随着压实度增大而增大，当压实度为0.378kg/L时高峰值减小，表明压实度对于纤维素酶活力有影响，压实度过小或过大都不利于微生物的生长[11，16]，从而影响纤维素酶活力大小，压实度为0.247kg/L的罐体纤维素酶活力值较高。
3.4有机物含量变化
图6表明了不同压实度有机物的变化。可以看出：0.173kg/L、0.214kg/L、0.247kg/L、0.378kg/L降解度分别为22.7%、23.6%、32.3%、29.9%，其中压实度0.247kg/L的有机物降解度最大，压实度过大或过小都不利于有机物的降解，因为压实度过小，堆体的原料较蓬松，空隙大，热量容易散失，温度不易保持，有机物降解速率减缓；压实度过大，不利于氧气的传递，可能造成局部厌氧，温度上升缓慢，同样影响有机物的降解。
3.5微生物酶对降解度及发酵温度的影响
图7显示了微生物酶活力与发酵温度和有机物降价度的关系。当发酵基质的压实度为0.247kg/L时，温度变化曲线趋势是先上升后下降，发酵温度在55℃以上维持了三天，最高温度分别为56℃、58℃和57℃，符合国家堆肥卫生标准；发酵开始0～3天内木聚糖酶活力升高，在堆肥第3天达到高峰，木聚糖酶活力为40.2789IU/g•DM，发酵温度持续上升，当中低温微生物受到抑制，分泌的木聚糖酶量随之减少，木聚糖酶活力也受到高温的影响，木聚糖酶活力逐步下降，第4～5天时，各种中低温微生物又开始繁殖，木聚糖酶活力有所上升，但木聚糖酶活力总体呈现下降趋势；在堆肥开始0～2天内随着微生物的大量繁殖，微生物开始分泌纤维素酶，随着纤维素酶的增加，纤维素酶活力逐渐上升，纤维素酶在发酵第3天达到高峰值，为20.4567IU/g•DM，温度持续上升，各种中低温微生物受到抑制，分泌的纤维素酶量减少，酶活力受到高温的影响，纤维素酶活力持续下降，在发酵第4～5天内，各种中低温微生物又开始繁殖，纤维素酶活力有所上升，最后纤维素酶活力总体呈现下降趋势；随着发酵时间的延长，有机物的降解度逐步增加，从第一天的有机物含量85.9%下降至58.1%，降解度达41.9%，大于40%，符合欧美发达国家以及中国国家标准。总之，在好氧发酵过程中由于微生物的代谢活动，分泌出纤维素酶、木聚糖酶等对基质的降解及发酵过程都具有重要影响并呈现出一定规律，即酶活力在发酵的第3、4天出现高峰，并与好氧发酵的温度曲线呈现正相关，趋势一致；同时酶活力在主发酵期与有机物的降解曲线也呈现出相关性。
4结论
4.1从温度看，几组压实度的堆体温度都能顺利上升，但只有压实度为0.247kg/L的罐体55℃的高温保持了三天，符合国家堆肥卫生标准。
4.2从酶活力曲线看，压实度为0.247kg/L的罐体木聚糖酶和纤维素酶活力较高。
4.3从有机物降解度看，压实度为0.247kg/L的堆体有机物降解度达41.9%，其次是压实度为0.378kg/L的堆体。
4.4综合比较，适宜的压实度是0.247kg/L，它的有机物降解度最大，温度符合国家卫生标准，纤维素酶及木聚糖酶酶活力最高。
4.5在好氧发酵的微生物的代谢过程中，分泌出纤维素酶、木聚糖酶等对基质的降解及发酵过程都具有重要影响并呈现出一定规律，即酶活力在发酵的第3、4天出现高峰，并与好氧发酵的温度曲线呈现正相关，趋势一致；同时酶活力在主发酵期与有机物的降解曲线
也呈现出相关性。
