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好氧堆肥是在合適的條件下，利用土著微生物或人工接種劑，人為地促進可生物降解的有機物向穩定的腐殖質生化轉化過程。堆肥過程一般可分為升溫階段、高溫階段和降溫階段。在升溫-高溫階段垃圾中底物濃度較高，可以為微生物的生長繁殖提供足夠的養分，此時微生物濃度是堆肥的限制因素；在高溫-降溫階段隨著有機物的分解和微生物的生長繁殖，底物濃度成為堆肥的限制因素。因此，作出分階段動力學分析有助于較深地了解堆肥系統和競爭過程的復雜性。
本文將在微生物接種堆肥過程中，利用實際接種堆肥數據研究堆肥反應動力學，分升溫-高溫和高溫-降溫兩個階段，討論可能對限制堆肥反應速率產生影響的因素。
1實驗方法
1.1實驗材料和儀器
材料：高效復合微生物菌劑（主要包括：康氏木霉、白腐菌、變色栓菌、固氮菌、解磷菌、解鉀菌及EM菌群）和生活垃圾。生活垃圾的性質如表1所示。
儀器：烘箱、堆肥反應器、O2、H2S測定儀、CO2測定儀等。
表1堆肥所用生活垃圾主要成分
注：表中主要成分均為質量分數。
1.2實驗方法
取生活垃圾，經分選后裝入堆肥反應器。改變堆肥初始溫度、含水率、堆料尺寸及C/N值，研究堆肥反應過程。反應器出口與O2-H2S測定儀、CO2測定儀相連。在線監測O2-H2S、CO2氣體質量分數。堆肥原料供氧由供氧泵和氣體流量計控制，出口O2控制在8%-15%，供氧速度定為0.8L/(min?kg）。堆層透氣性由H2S氣體質量分數控制，每天從反應器中取出150g樣品，進行生物化學分析。堆肥反應試驗工藝流程如圖1所示。
1.3分析監測計算方法
由于固體廢棄物不易混合均勻而很難準確監測，實驗通過直接測定堆肥過程中消耗的O2量，按式（1)計算堆肥反應速率。
圖1堆肥反應實驗工藝流程 
式中：v為堆肥反應速率，g/(kg?h）；a為單位質量有機質分解的需氧量（在本實驗條件下取1.27g/kg）；A‰為氧的質量濃度g/L；R為耗氧速率，L/（h?kg）；S為底物質量濃度，g/kg；X為微生物質量濃度，g/kg。
2實驗結果與討論
21升溫-高溫階段動力學分析
在升溫-高溫階段，由于垃圾中底物濃度較高，而微生物濃度相對不足，因此認為該階段微生物濃度是堆肥反應的限制因素。實驗采用日本靜岡生產的靜態堆肥反應裝置，通過研究接種復合微生物菌劑和對照組堆肥過程中反應速率和微生物濃度之間的關系，對升溫-高溫階段堆肥過程作出反應動力學分析，實驗結果如圖2、圖3和圖4所示。
圖2接種組底物分解速率與微生物濃度之間的關系
圖3接種組底物分解速率倒數與微生物濃度倒數之間的關系
圖4對照組底物分解速率倒數與微生物濃度倒數之間的關系
從圖2可見，堆肥反應速率曲線隨微生物濃度的增加，反應速率逐漸趨于一個定值，即最大反應速率，這種降解反應速率正好符合莫諾特（Monod）的動力學模型。式（2）為Monod動力學模型數學公式，由式2看出，Vm值愈大，酶與底物反應愈完全，微生物活性愈高。因此，在堆肥實驗過程中，以Vm值來度量垃圾堆肥反應進程，比較和優化堆肥工藝條件。通過圖2和式（2）可知，最大反應速率值約為14g/（kg?h)。Kx值為在V=0.5Vm時對應的微生物濃度X，Kx=17g/kg。由于微生物濃度即使很高時，V也只能接近Vm，而無法等于Vm，因此用圖2所求得的值不準確。為了準確求得速率常數，采用雙倒數作圖，按式（3），即以微生物濃度倒數為橫坐標，以反應速率倒數為縱坐標，結果如圖3所示。 
式中：k為反應速率常數；ηAv為酶可結合底物位點；Kx為飽和常數；Vm為堆肥最大反應速率。
根據圖3，進行回歸分析，回歸方程為： 
直線的截距為0.0353，即1/Vm=0.0353，Vm=18.87g/（kg?h）；直線斜率=Kx/Vm=1.787，Kx=1.787×Vm=33.72g/kg，由實驗法所得的結果與雙倒數作圖法所得到的結果接近。將求得參數代入方程，得出生活垃圾升溫-高溫階段堆肥反應動力學方程： 
對未接種的對照組，分析其堆肥過程中微生物質量濃度倒數和堆肥反應速率倒數之間的關系（見圖4），并進行回歸分析，得出升溫-高溫階段對照組相應的動力學方程： 
22高溫-降溫階段動力學分析
在堆肥反應后期，隨著有機物的分解，堆肥底物濃度越來越少，C/N值也越來越小，底物濃度成為堆肥反應速度的限制因素，而微生物濃度充足，為此，本實驗從底物濃度和反應速率之間的關系研究堆肥高溫-降溫階段反應動力學，所得結果如圖5所示。
由圖5可見，堆肥反應速率隨底物濃度的增加，逐漸趨于一個定值，即最大堆肥反應速率。假設這種降解反應速率符合莫諾特(Monod)動力學模型，該模型對底物濃度來說其數學公式為式(6)和式（7)。 
式中：Km為半速系數，g/kg。
圖5接種組堆肥底物反應速度與濃度的關系
Vm值越大，Km越小，反應越徹底，底物與酶的反應愈完全，按式(7），以堆肥反應速率倒數為縱坐標，以底物濃度倒數為橫坐標作圖，結果如圖6和圖7所示。由圖6和圖7推得生活垃圾高溫-降溫階段堆肥反應接種和不接種動力學方程為式（8）和式(9)。 
圖6接種組堆肥底物反應速度倒數與濃度倒數的關系
2.3討論
從接種動力學方程可知，堆料中接種復合微生物菌劑，增加了堆層中微生物的初始濃度，提高了微生物活性，可以使堆料中的有機物迅速分解，加速堆肥過程。在升溫-降溫階段最友反應：速率由對照組的7.905g/（h?kg）提高到接種復合微生物堆肥系統的18.870g/（h?kg），提高了138.7％；在高溫-降溫階段最大反應速率由對照組的10.799g/（h?kg）提高到接種復合微生物堆肥系統的15.530g/（h?kg），而Km由對照組的272.4g/kg降低為169.4g/kg，下降了103.0g/kg，說明接種復合微生物菌劑不僅使反應速率增大，而且使半速系數減小，使底物與酶反應更完全，有機物分解更迅速、更徹底。
圖7對照組堆肥底物反應速度倒數與濃度倒數的關系
即使同一物料在堆肥不同階段反應速率亦明顯不同。除了微生物濃度及種群結構的影響，另外還有其他關鍵因素如kηAv值的差異，反應在升溫-高溫階段易降解的物質較多，如淀粉、蛋白質、脂肪等，這些物質的ηAv較高，而高溫-降溫階段淀粉、蛋白質、脂肪等易分解物質減少，而纖維素、木質纖維素等抗拒酶的生物大分子底物增多，這些物質與酶的有效結合部位少，從而ηAv值較低，因此即使同一種物料、同樣的菌劑在堆肥不同階段kηAv也不相等，即最大反應速率不等。
從圖2看，當X<33.72g/kg時，底物降解速度隨微生物濃度增加，提高很快，即提高了微生物濃度就會增加固體底物的分解率。對于新鮮生活垃圾初始階段微生物濃度一般都不太高，且由于各種因素其土著微生物的生長存在一段延遲期，從而影響了堆肥反應速率，并且在開始階段大量有機物如不能及時好氧分解，必然會產生大量臭氣，影響堆肥環境。因此，微生物分解能力是堆肥速率限制因素，任何能增加微生物總量活性及改善生長微環境的措施都是有意義的。接種劑中不僅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環境，如增加孔隙率調節C/N值等，所以在堆肥初期添加接種劑有利于提高堆肥效率。
堆肥后期僅增加微生物量無益于提高堆肥效率，但由于堆肥反應速率常數k值隨微生物種類的不同而改變，而微生物種類千差萬別，其對有機物的分解能力是大不相同的，如對于堆肥后期存在的木質纖維素，一般微生物根本無法將其降解，k值非常小，而對于所接種的含有白腐菌、康氏木霉的復合微生物菌劑它們對木質纖維素的分解能力遠遠大于一般微生物，因此k值較大。由此可知，堆肥后期階段接種微生物后使kηAv增大，Km值減小，從而使堆肥反應速率大大增加，反應更為徹底，縮短了堆肥腐熟周期。3結語
根據堆肥不同階段反應限制因素的不同，從堆肥動力學理論基礎出發，結合實際堆肥數據，利用Monod模型，分別對堆肥升溫-高溫階段、高溫-降溫階段進行動力學分析，得出了升溫-高溫階段高溫-降溫階段接種堆肥和對照組的動力學方程，較好地反映了堆肥的過程。
從接種和不接種來看，無論升溫-高溫階段還是高溫-降溫階段均表現出較大差異，一方面接種使堆肥最大反應速率增大，另一方面接種減小了半速系數，這對于一次發酵的快速完成和二次發酵的快速腐熟均具有重要的意義。
參考文獻略
