生活垃圾堆肥分阶段反应动力学研究

好氧堆肥是在合适的条件下，利用土著微生物或人工接种剂，人为地促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质生化转化过程。堆肥过程一般可分为升温阶段、高温阶段和降温阶段。在升温-高温阶段垃圾中底物浓度较高，可以为微生物的生长繁殖提供足够的养分，此时微生物浓度是堆肥的限制因素；在高温-降温阶段随着有机物的分解和微生物的生长繁殖，底物浓度成为堆肥的限制因素。因此，作出分阶段动力学分析有助于较深地了解堆肥系统和竞争过程的复杂性。 
本文将在微生物接种堆肥过程中，利用实际接种堆肥数据研究堆肥反应动力学，分升温-高温和高温-降温两个阶段，讨论可能对限制堆肥反应速率产生影响的因素。 
1实验方法 
1.1实验材料和仪器 
材料：高效复合微生物菌剂（主要包括：康氏木霉、白腐菌、变色栓菌、固氮菌、解磷菌、解钾菌及EM菌群）和生活垃圾。生活垃圾的性质如表1所示。 
仪器：烘箱、堆肥反应器、O2、H2S测定仪、CO2测定仪等。 
表1堆肥所用生活垃圾主要成分 


注：表中主要成分均为质量分数。 
1.2实验方法 
取生活垃圾，经分选后装入堆肥反应器。改变堆肥初始温度、含水率、堆料尺寸及C/N值，研究堆肥反应过程。反应器出口与O2-H2S测定仪、CO2测定仪相连。在线监测O2-H2S、CO2气体质量分数。堆肥原料供氧由供氧泵和气体流量计控制，出口O2控制在8%-15%，供氧速度定为0.8L/(min•kg）。堆层透气性由H2S气体质量分数控制，每天从反应器中取出150g样品，进行生物化学分析。堆肥反应试验工艺流程如图1所示。 
1.3分析监测计算方法 
由于固体废弃物不易混合均匀而很难准确监测，实验通过直接测定堆肥过程中消耗的O2量，按式（1)计算堆肥反应速率。 


图1堆肥反应实验工艺流程 

式中：v为堆肥反应速率，g/(kg•h）；a为单位质量有机质分解的需氧量（在本实验条件下取1.27g/kg）；A‰为氧的质量浓度g/L；R为耗氧速率，L/（h•kg）；S为底物质量浓度，g/kg；X为微生物质量浓度，g/kg。 
2实验结果与讨论 
21升温-高温阶段动力学分析 
在升温-高温阶段，由于垃圾中底物浓度较高，而微生物浓度相对不足，因此认为该阶段微生物浓度是堆肥反应的限制因素。实验采用日本静冈生产的静态堆肥反应装置，通过研究接种复合微生物菌剂和对照组堆肥过程中反应速率和微生物浓度之间的关系，对升温-高温阶段堆肥过程作出反应动力学分析，实验结果如图2、图3和图4所示。 


图2接种组底物分解速率与微生物浓度之间的关系 


图3接种组底物分解速率倒数与微生物浓度倒数之间的关系 


图4对照组底物分解速率倒数与微生物浓度倒数之间的关系 
从图2可见，堆肥反应速率曲线随微生物浓度的增加，反应速率逐渐趋于一个定值，即最大反应速率，这种降解反应速率正好符合莫诺特（Monod）的动力学模型。式（2）为Monod动力学模型数学公式，由式2看出，Vm值愈大，酶与底物反应愈完全，微生物活性愈高。因此，在堆肥实验过程中，以Vm值来度量垃圾堆肥反应进程，比较和优化堆肥工艺条件。通过图2和式（2）可知，最大反应速率值约为14g/（kg•h)。Kx值为在V=0.5Vm时对应的微生物浓度X，Kx=17g/kg。由于微生物浓度即使很高时，V也只能接近Vm，而无法等于Vm，因此用图2所求得的值不准确。为了准确求得速率常数，采用双倒数作图，按式（3），即以微生物浓度倒数为横坐标，以反应速率倒数为纵坐标，结果如图3所示。 

式中：k为反应速率常数；ηAv为酶可结合底物位点；Kx为饱和常数；Vm为堆肥最大反应速率。 
根据图3，进行回归分析，回归方程为： 

直线的截距为0.0353，即1/Vm=0.0353，Vm=18.87g/（kg•h）；直线斜率=Kx/Vm=1.787，Kx=1.787×Vm=33.72g/kg，由实验法所得的结果与双倒数作图法所得到的结果接近。将求得参数代入方程，得出生活垃圾升温-高温阶段堆肥反应动力学方程： 

对未接种的对照组，分析其堆肥过程中微生物质量浓度倒数和堆肥反应速率倒数之间的关系（见图4），并进行回归分析，得出升温-高温阶段对照组相应的动力学方程： 

22高温-降温阶段动力学分析 
在堆肥反应后期，随着有机物的分解，堆肥底物浓度越来越少，C/N值也越来越小，底物浓度成为堆肥反应速度的限制因素，而微生物浓度充足，为此，本实验从底物浓度和反应速率之间的关系研究堆肥高温-降温阶段反应动力学，所得结果如图5所示。 
由图5可见，堆肥反应速率随底物浓度的增加，逐渐趋于一个定值，即最大堆肥反应速率。假设这种降解反应速率符合莫诺特(Monod)动力学模型，该模型对底物浓度来说其数学公式为式(6)和式（7)。 

式中：Km为半速系数，g/kg。 


图5接种组堆肥底物反应速度与浓度的关系 
Vm值越大，Km越小，反应越彻底，底物与酶的反应愈完全，按式(7），以堆肥反应速率倒数为纵坐标，以底物浓度倒数为横坐标作图，结果如图6和图7所示。由图6和图7推得生活垃圾高温-降温阶段堆肥反应接种和不接种动力学方程为式（8）和式(9)。 



图6接种组堆肥底物反应速度倒数与浓度倒数的关系 
2.3讨论 
从接种动力学方程可知，堆料中接种复合微生物菌剂，增加了堆层中微生物的初始浓度，提高了微生物活性，可以使堆料中的有机物迅速分解，加速堆肥过程。在升温-降温阶段最友反应：速率由对照组的7.905g/（h•kg）提高到接种复合微生物堆肥系统的18.870g/（h•kg），提高了138.7％；在高温-降温阶段最大反应速率由对照组的10.799g/（h•kg）提高到接种复合微生物堆肥系统的15.530g/（h•kg），而Km由对照组的272.4g/kg降低为169.4g/kg，下降了103.0g/kg，说明接种复合微生物菌剂不仅使反应速率增大，而且使半速系数减小，使底物与酶反应更完全，有机物分解更迅速、更彻底。 


图7对照组堆肥底物反应速度倒数与浓度倒数的关系 
即使同一物料在堆肥不同阶段反应速率亦明显不同。除了微生物浓度及种群结构的影响，另外还有其他关键因素如kηAv值的差异，反应在升温-高温阶段易降解的物质较多，如淀粉、蛋白质、脂肪等，这些物质的ηAv较高，而高温-降温阶段淀粉、蛋白质、脂肪等易分解物质减少，而纤维素、木质纤维素等抗拒酶的生物大分子底物增多，这些物质与酶的有效结合部位少，从而ηAv值较低，因此即使同一种物料、同样的菌剂在堆肥不同阶段kηAv也不相等，即最大反应速率不等。 
从图2看，当X<33.72g/kg时，底物降解速度随微生物浓度增加，提高很快，即提高了微生物浓度就会增加固体底物的分解率。对于新鲜生活垃圾初始阶段微生物浓度一般都不太高，且由于各种因素其土著微生物的生长存在一段延迟期，从而影响了堆肥反应速率，并且在开始阶段大量有机物如不能及时好氧分解，必然会产生大量臭气，影响堆肥环境。因此，微生物分解能力是堆肥速率限制因素，任何能增加微生物总量活性及改善生长微环境的措施都是有意义的。接种剂中不仅含有大量有利于堆肥的微生物，且能在一定程度上改善堆肥环境，如增加孔隙率调节C/N值等，所以在堆肥初期添加接种剂有利于提高堆肥效率。 
堆肥后期仅增加微生物量无益于提高堆肥效率，但由于堆肥反应速率常数k值随微生物种类的不同而改变，而微生物种类千差万别，其对有机物的分解能力是大不相同的，如对于堆肥后期存在的木质纤维素，一般微生物根本无法将其降解，k值非常小，而对于所接种的含有白腐菌、康氏木霉的复合微生物菌剂它们对木质纤维素的分解能力远远大于一般微生物，因此k值较大。由此可知，堆肥后期阶段接种微生物后使kηAv增大，Km值减小，从而使堆肥反应速率大大增加，反应更为彻底，缩短了堆肥腐熟周期。3结语 
根据堆肥不同阶段反应限制因素的不同，从堆肥动力学理论基础出发，结合实际堆肥数据，利用Monod模型，分别对堆肥升温-高温阶段、高温-降温阶段进行动力学分析，得出了升温-高温阶段高温-降温阶段接种堆肥和对照组的动力学方程，较好地反映了堆肥的过程。 
从接种和不接种来看，无论升温-高温阶段还是高温-降温阶段均表现出较大差异，一方面接种使堆肥最大反应速率增大，另一方面接种减小了半速系数，这对于一次发酵的快速完成和二次发酵的快速腐熟均具有重要的意义。 
参考文献略