第2章 污泥堆肥原理

2.1 污泥堆肥发酵原理

2.1.1 污泥堆肥基本原理与过程

通俗地讲，城市污泥堆肥化的实质是有机物在微生物的作用下，通过生物化学反应实现转化和稳定化的过程。根据处理过程中起作用的微生物对氧气要求的不同，堆肥化分为好氧法和厌氧法两种。好氧法是在通气条件下通过好氧性微生物活动使污泥中有机物得到降解稳定的过程，此过程速度较快，堆肥温度高，故又称为高温堆肥。厌氧法堆肥实际上是微生物的固体发酵，对污泥中有机废物进行降解与稳定化，需要通过更复杂的生物化学反应实现。该过程堆肥速度较慢，堆肥时间较长，常为好氧堆肥的3～4倍，甚至更长。

本书讲述的重点为好氧污泥堆肥，也称好氧发酵。按照学术界通行的解释，污泥堆肥好氧发酵是指在人工控制下，在一定的水分、碳氮比和通风条件下，通过微生物菌群的发酵作用，将污泥中不稳定的有机物转变为稳定腐殖质残渣（肥料）的过程。在这种堆肥发酵过程中，污泥中的有机物由不稳定状态转化为稳定的腐殖质残渣，对环境尤其是土壤环境不再构成危害。腐熟的污泥堆肥物料是一种深褐色、质地松散、有泥土味的物质，具有一定植物养分，是一种极好的土壤调理剂和结构改良剂。污泥堆肥腐熟料的水分在40%以下，主要成分为腐殖质，氮、磷和钾的含量一般分别为0.4%～1.6%、0.1%～0.4%和0.2%～0.6%。

2.1.1.1 好氧污泥堆肥基本原理与过程

好氧污泥堆肥过程实际上就是基质中的微生物的发酵过程。在有氧条件下，借助好氧微生物（主要是好氧菌）的作用而进行的。微生物将有机物转化成二氧化碳、生物量、热量和腐殖质。污泥堆肥中使用的有机物原料、填充剂和调节剂绝大部分来自植物，它们主要成分是碳水化合物、蛋白质、脂、纤维素和木质素。微生物通过新陈代谢活动分解有机物来维持自身的生命活动，同时达到分解复杂而不稳定的有机物为可被生物利用小分子物质的目的。好氧堆肥过程中，有机废物中的可溶性小分子有机物质通过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物吸收利用。不溶性大分子有机物则先附着在微生物的体外，由微生物所分泌的胞外酶分解为可溶性小分子的物质，再输送入细胞内为微生物利用。通过微生物的生命活动——合成及分解过程，把一部分被吸收的有机物氧化代谢成简单的无机物，并提供生命活动所需的能量；把另一部分有机物转化合成新的细胞物质，使微生物菌群得到增殖（图2-1）。

好养污泥堆肥中有机物的氧化和合成原理与反应过程，可用反应式表明。

1．有机物的氧化

不含氮的有机物（CxHyOz）：

含氮有机物（CsHtNuOv·aH2O）：

2．细胞物质的合成（包括有机物的氧化，并以NH3为氮源）

3．细胞质的氧化以污泥堆肥中的纤维素为例，好氧堆肥中的纤维素分解反应如下：

式中：污泥堆肥成品CwHxNyOz·cH2O与堆肥原料CsHtNuOv·aH2O之比为0.3～0.5（这是氧化分解减量化的结果）。通常可取如下数值范围：w=5～10, x=7～17, y=1, z=2～8。由于堆肥温度较高，部分水以蒸汽状态排出。

通风条件下进行好氧污泥堆肥化，其微生物的作用过程可分为以下三个阶段：

1．发热阶段

发热阶段，或称中温阶段，亦称升温阶段。污泥堆肥初期，堆肥基本呈中温，嗜温性微生物较为活跃，并利用堆肥中可溶性有机物旺盛繁殖。它们在转换和利用生物化学能的过程中，有一部分变成热能，由于堆料有良好的保温作用，导致堆体温度不断上升。此阶段微生物以中温、需氧型为主，通常是一些无芽孢细菌类。适合于中温阶段的微生物种类极多，其中最主要是细菌、真菌和放线菌。细菌特别适应分解水溶性单糖类，放线菌和真菌对于分解纤维素和半纤维素物质具有独特的功能。这些微生物利用堆肥中最容易分解的有机物质，如淀粉、糖类、脂肪和碳水化合物等而迅速繁殖，释放出热量，使堆肥温度不断升高。此阶段常为主发酵前期，常需1～3d。

2．高温阶段

当污泥堆肥温度上升至50℃以上时，即进入高温阶段。在这阶段，嗜温性微生物受到抑制，嗜热性微生物逐渐发生替代嗜温性微生物的活动，堆肥中残留的或新形成的可溶性有机物继续分解转化，复杂的有机物开始被强烈分解。通常在50℃左右进行活动的主要是嗜热性真菌和放射菌。当堆体温度升到70℃时，真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热性放线菌与细菌在继续活动，缓慢分解难降解的大分子有机物。堆体温度超过70℃时，大多数嗜热性微生物已不适应堆肥环境，微生物大量死亡或进入休眠状态。

高温阶段对污泥堆肥化而言是极其重要的，主要表现在两个方面：①高温对快速腐熟起着重要促进作用，在此阶段中，堆肥内开始了腐殖质的形成过程，并开始出现能溶于弱碱中的黑色物质；②高温有利于杀死病原性微生物。病原性微生物的失活取决于温度和接触时间。据研究报导，60～70℃维持3d，可使脊髓灰质炎病毒、病原细菌、和蛔虫卵完全失活。根据国内经验，一般认为，堆温50～60℃，持续6～7d，可达到较好的杀灭虫卵和病原菌的效果。一些重要的病原体热致死点见表2-1。

另外，病源微生物除了受堆肥高温的影响，在污泥堆肥后期，有些微生物产生的许多抗生素类物质，也会极大地缩短病源微生物的存活时间。

最近几年不断有商业性报道，称堆肥高温度即使在85℃，嗜热性微生物也能够很好的生存。在这种情况下，有机物中允许的含水率可达90%，可降低污泥脱水环节的成本。达到如此极端条件的关键因素是供氧方式和速率。常规堆肥发酵的供氧技术很难保证每一个角落都有氧气供给，因而限制了微生物的生长。

超高温污泥堆肥好氧发酵将是今后污泥堆肥工艺的发展方向。

3．降温和腐熟保肥阶段

污泥经过高温阶段的主发酵，大部分易于分解或较易分解的有机物（包括纤维素）已得到分解，剩下的是木质素等较难分解的有机物以及新形成的腐殖质。这时微生物活性减弱，产热量随之减少，堆肥温度逐渐下降，中温性微生物又恢复活性，菌群逐渐重复的不断地积累，堆肥进入腐熟阶段。腐熟阶段的主要问题是保存腐殖质和氮素等植物养料，充分的腐熟能大大提高堆肥产品的肥效与质量。为了减弱有机物矿化作用，避免肥效损失，可采用压紧二次堆肥，造成厌氧状态。

一个完整的污泥堆肥好氧发酵过程是由上述发热阶段、高温阶段、降温阶段和腐熟阶段等四个阶段组成。每一个阶段有不同类型的优势微生物（如细菌、放线菌、真菌和原生动物）。每个阶段，微生物利用污泥和阶段产物作为营养食物和能量的来源，这个过程一直进行和延伸到稳定的腐殖物质形成。

2.1.1.2 厌氧堆肥基本原理与过程

厌氧污泥堆肥是在缺氧条件下利用厌氧微生物菌群对污泥中的有机物进行的一种腐败发酵分解过程，其最终产物除二氧化碳和水外，还有氨、硫化氢、甲烷和其他有机酸等还原性终产物；其中，氨、硫化氢及其他还原性终产物有令人讨厌的恶臭，而且厌氧污泥堆肥需要的时间也很长，完全腐熟往往需要几个月的时间。厌氧堆肥过程主要分为两个阶段：

第一阶段是产酸阶段，产酸菌将大分子有机物降解为小分子的有机酸和乙酸、丙醇等物质，并提供部分能量因子ATP，以乳酸菌分解有机物为例：

第二阶段为产甲烷阶段，甲烷菌把有机酸继续分解为甲烷气体：

厌氧过程没有氧分子参加，酸化过程产生的能量较少，许多能量保留在有机酸分子中，在甲烷菌作用下以甲烷气体的形式释放出来，厌氧堆肥的特点是反应步骤多，速度慢，周期长。厌氧堆肥过程见图2-2。

2.1.2 污泥堆肥好氧发酵生物学原理

2.1.2.1 污泥堆肥微生物种类

污泥堆肥发酵过程有许多不同种类的微生物参与，微生物是污泥堆肥过程的活动主体。堆肥微生物来源主要有两个方面：一方面是来自污泥里面固有的大量的微生物种群（表2-2）；另一方面是人工加入的特殊多功能复合菌种。这些菌种在一定条件下对某些特定的有机废物具有较强的分解能力，具有活性强、繁殖快、分解有机物迅速等特点，能加速堆肥反应的进程，缩短堆肥反应的时间。由于原料和条件的变化，各种微生物的数量也在不断发生变化，所以堆肥过程中没有任何微生物是始终占据主导地位的。每一个环境都有其特定的微生物种群，微生物的多样性使得污泥堆肥在外部条件出现变化的情形下仍可避免微生物系统崩溃。

1．细菌

在好氧堆肥系统中，存在着大量的细菌。细菌凭借大的比表面积，可以快速将可溶性底物吸收到细胞中。所以在堆肥过程中，细菌在数量上通常要比体积更大的微生物（如真菌）多得多。细菌是单细胞生物，形状有杆状、球状和螺旋状，有些还能运动。

在不同的堆肥环境中分离的细菌在分类学上具有多样性，其中包括假单胞菌属、克雷伯菌属以及芽孢杆菌属的细菌。在堆肥初温度低于40℃时，嗜温性的细菌占优势，是堆肥系统中最主要的微生物；随着堆肥温度达到最大值，其种群数量达到最低；在降温阶段，嗜温性细菌的数量又有所回升。当温度升至40℃以上时，嗜热性细菌逐渐占优势。这阶段微生物多数是杆菌，杆菌种群的差异在50～55℃时是相当大的，而温度超过60℃时差异变得很小。当环境改变不利于微生物生长时，杆菌通过形成孢子壁而幸存下来，例如芽孢杆菌能够生成很厚的孢子壁以抵抗高温、辐射、化学腐蚀，对热、冷、干燥及食物不足都有很强的耐受力，一旦周围环境改善，它们又将恢复活性。因此，芽孢杆菌属的一些种，例如枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和环状芽孢杆菌成为了堆肥高温阶段中的代表性细菌，或是优势菌。

2．放线菌

放线菌是具有多细胞菌丝的细菌，因此它更像是真菌。放线菌可以分解纤维素，并溶解木质素。同时，它们比真菌能够忍受更高的温度和pH值。所以，尽管放线菌降解纤维素和木质素的能力并没有真菌强，但是它们在堆肥的过程中的高温期却是分解木质纤维素的优势菌群，在条件恶劣的情况下，放线菌则以孢子的形式存活。研究表明，诺卡菌、链霉菌、高温放线菌和单孢子菌等都是在堆肥中占优势的嗜热性放线菌，它们不仅出现在堆肥过程中的高温阶段，同样也在降温阶段和熟化阶段出现。

3．真菌

真菌不仅能分泌胞外酶，水解有机物质，而且由于其菌丝的机械穿插作用，还对物料施加一定的物理破坏作用，促进生物化学作用。在污泥堆肥过程中，真菌对堆肥物料的分解和稳定起着重要作用。真菌，尤其是白腐真菌可以利用堆肥底物中所有的木质纤维素。纤维素分子本身的结构致密，由木质素和半纤维素形成的保护层造成木质纤维素不容易降解，因此，难以被充分利用或被大多数微生物直接作为碳源物质而转化利用。所以，木质纤维素的生物降解成为污泥堆肥腐熟的关键。因此，真菌的存在对于堆肥物的腐熟和稳定具有重要的意义。

嗜温性真菌地霉（Geotrichum sp.）和嗜热性真菌烟曲霉（Aspergillus fumigatus）是堆肥物料中的优势种群。其他一些真菌，如担子菌（Basidiomycotina）、子囊菌（Asco-mycotia）、橙色嗜热子囊菌（Thermoascus aurantiacus）也具有较强的分解木质纤维素的能力。

环境温度和利用复杂碳源的能力是影响真菌生长的重要因素。绝大部分真菌是嗜温性菌，可以在5～37℃的环境中生存，其最适温度为25～30℃。但随着温度的升高，真菌的菌数开始减少，在64℃时，几乎所有的嗜热性真菌全部消失。但是，在堆肥过程中，由于高温时间持续较短，当温度下降到60℃以下时，嗜温性真菌和嗜热性真菌又都会重新出现在堆肥中。一些嗜热性真菌在升温期和降温期也不能重新增殖，原因是它们仅能利用简单的碳源而不能利用纤维素或半纤维素。相反，一些耐热真菌，特别是嗜热毛壳酶和特异腐质霉，由于在堆肥过程的中后期能利用纤维素和半纤维素而迅速生长。

4．病原体微生物

病原体是对人体、动物或者植物有害的生物。动物的粪便、植物秸秆以及庭院废弃物中都能发现病原体，城市污泥也含有人体病原微生物。主要病原菌包括在原来污泥中带有的原生病原菌和堆制过程中产生的真菌、放线菌等次生病原菌。原生病原菌如细菌、病毒、原生动物和蠕虫卵可引起健康个体染病，而次生病原菌则可以削弱免疫系统，如造成呼吸系统疾病等。高温堆肥能大量减少植物和动物病原体的数量，因为堆肥物料在50～60℃的状态下持续时间为10～20d，在此条件下绝大部分病源微生物无法存活。

微型生物在堆肥过程中也发挥着重要作用。线虫、跳虫、蚯蚓等生物通过在堆肥中移动和吞食作用，不仅能消纳部分有机物，而且还能增大表面积，并促进微生物的生命活动。

总之，在整个污泥堆肥过程中微生物群落中细菌起主导地位，真菌、放线菌也有较多的数量。研究表明，每克堆肥细菌数约为108～109、放线菌数为105～108、真菌数为104～106。细菌是中温阶段的主要作用菌群，对发酵升温起作用；真菌和放线菌是高温阶段的主要作用菌群；芽孢杆菌、链霉菌、小多孢曲霉和高温放线菌是堆肥过程中的优势种。堆肥过程中微生物种类和数目见表2-3。

2.1.2.2 污泥堆肥微生物降解的基本原理

污泥中的有机物在微生物的作用下，一部分被转化为简单的有机物、无机盐，这过程为矿化作用；而另一部分包括难降解的部分则转化为腐殖质，这一过程为腐殖化作用。矿化是将有机物完全转化为无机物的过程，是微生物生长（包括分解代谢和合成代谢）相关的过程。被矿化的有机物作为微生物生长的基质和能源，通常只有一部分有机物被合成菌体，而其余部分形成微生物的代谢产物，如CO2、H2O、CH4等。矿化也可以通过多种微生物协同作用完成，每种微生物在污染物彻底转化过程中满足自身生长的需要。矿化和腐殖化是污泥生物转化过程中既对立又统一的两个方面，在一定条件下相互转化。微生物是污泥中有机物的降解主体，生物降解过程以微生物代谢为核心，在过程中遵循化学反应原理。此外，共代谢在有机物转化工程中的作用也引起了人们的注意。共代谢通常是由非专一性酶促反应完成的。与矿化作用不同的是，共代谢不导致细胞质量或者能量的增加，因此微生物共代谢化合物的能力并不促进其本身的生长，共代谢使有机物得到转化，但不能使其完全分解。这种条件下微生物需要另一种基质的存在，以保证其生长和能量的需要。

1．微生物对有机物质的吸收

生物体与污染物同处于一种介质中时，生物体将对有机物质进行吸收。微生物一般没有专门的捕食器官或细胞器，各种有机物质依靠细胞膜的功能进入细胞。细胞质膜包括疏水的膜蛋白与不连续的膜的双层镶嵌结构，其上有许多小孔，双层膜中还有由碳氢链组成的非极性区。有机物质多种多样，有水溶性的，也有脂溶性的，其分子也有大有小。细胞膜对污染物质的运输主要有四种方式：自由扩散、促进扩散、主动运输和基团移位。四种运输方式的比较见表2-4。

（1）自由扩散。自由扩散主要依靠膜内外两侧营养物质的浓度差。这类扩散是非特异性的，它是有机物质从细胞膜浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散转移，最后达到平衡。疏水性的细胞膜以物理扩散的方式让许多小分子、非电离分子尤其是脂溶性分子被动地通过。这类物质主要是氧、乙醇和某些氨基酸分子。在这一过程中细胞膜不起主动作用，也不消耗细胞的代谢能量。

（2）促进扩散。有些非脂溶性物质，如糖、氨基酸、金属离子等，不能通过由碳氢元素组成的非极性区。然而，这些物质在细胞膜上的底物特异性蛋白载体作用下通过细胞膜进入细胞内。这些特异蛋白在细胞膜外与有机物质发生逆行结合，携带有机物质转运到膜的另一侧，并释放出来，本身再返回细胞膜外。由于特异蛋白具有运载功能，因此又称为载体蛋白。载体蛋白具有类似酶的特异性，能使一定的分子通过，而不允许其他分子通过，所以有时又称之为渗透酶。促进扩散只能使有机分子从浓度高的细胞外侧向细胞内扩散，直到细胞膜两侧的浓度相等为止，而不能进行物质的逆浓度梯度输送。

（3）主动运输。主动运输是微生物吸收物质的主要机制。其特点是具有载体蛋白的参与，运输过程中需要消耗能量（质子能，ATP），与扩散吸收的区别是营养物质可逆浓度而行，从而使生活在低营养环境下的微生物能够获得较高浓度的营养物。主动运输的渗透酶有三种：单向转运载体、同向转运载体和反向转运载体。主动运输的作用方式有以下三种。

1）钠钾泵主动运输。这是目前研究最多、最清楚的一种运输方式。通过消耗ATP来驱动Na+-K+-ATP酶高效地向细胞外排出Na+；每排出3个Na+，则进2个K+，从而使细胞膜内、外建立电位差。这种电位差可产生一种力量，是Na+又从膜外向膜内转移，以恢复电平衡，同时将K+吸进细胞内。在钠钾泵的作用下，葡萄糖和Na+分别由同向转移载体的两个位点结合，由同向转移载体携带进入细胞内。氨基酸也可以通过钠钾泵主动运输进入细胞内。

2）离子浓度梯度主动输送。消耗ATP建立离子浓度梯度，通过反向转移载体完成H+、Na+、K+的反向输送。

3）H+浓度梯度主动输送。此种输送方式是好氧微生物吸收物质的主要方式。在膜呼吸或在ATP的作用下，好氧微生物将体内大量的H+排出细胞外，使膜内形成pH值相差2个单位（膜内pH值为7.0，膜外pH值为5.0～5.5）的H+浓度差或150mV的电位差。在这一电位差的作用下，K+等阳离子由单向转移载体携带进入细胞，阴离子与H+一起由同向转移载体携带进入细胞，中性的糖和氨基酸也可由H+浓度梯度驱动进入细胞。

（4）基团移位。基团移位也是一种既需要能量又需要载体蛋白的微生物吸收物质的重要方式，类似于主动运输的方式。与主动运输的差异在于溶质在输送前后会发生分子结构的变化。基团移位主要用于输送葡萄糖、果糖、甘露醇、丁酸和腺嘌呤等。这种方式主要存在厌氧微生物中。

2．有机物质的生物降解

在污泥堆肥过程中通过微生物的代谢活动，会使污染物质发生氧化反应、还原反应、水解反应、脱羧反应、羟基化反应、酯化反应等多种生物化学反应。这些反应的进行，可以使绝大多数污染物质，特别是有机污染物质发生不同程度的转化、分解或降解。有时是一种反应作用于污染物质，有时是多种反应同时作用于同一污染物质或者作用于污染物转化的不同途径。微生物在污泥堆肥环境中生物化学转化作用主要有以下几种形式：

（1）水解作用。水解作用是大分子有机物降解时最基本的代谢作用。很多微生物都可以分泌胞外酶使有机大分子物质发生水解作用，转化为其他的小分子物质，然后通过微生物细胞膜而进入细胞体内。

（2）脱羧作用。脱羧作用主要存在于有机酸的降解中，通过脱羧作用，有机酸分子变小（脱羧作用减少一个碳原子）。连续的脱羧反应可以使有机酸得到彻底分解。

（3）脱氨基作用。脱氨基作用可脱除有机酸中的氨基，使其进一步降解。主要是在蛋白质降解方面作用很大。构成蛋白质的氨基酸的降解必须经过脱氨基作用，然后才能得到进一步降解。

2.1.2.3 微生物的降解转化能力

微生物虽然个体微小，但是其表面积巨大，功能多样，具有降解转化物质的巨大能力。

1．微生物个体微小，比表面积大，代谢速率快

微生物个体微小，以细菌为例，3000个杆状细菌头尾衔接的总长度仅为一粒米的长度，而60～80个杆菌并排的总宽度，只相当于人的一根头发的直径，2×1012个细菌平均质量仅为1g。物体的体积越小，其表面积越大。巨大的表面积与环境接触，从而有了巨大的营养物质吸收面、代谢废物排泄面和环境信息接收面，所以代谢活动极其旺盛。

2．微生物种类繁多，分布广泛，代谢类型多样

微生物的营养类型、理化形态和生态习性多种多样，凡在有生物存在的环境，包括其他生物无法生存的极端环境，都有微生物存在。微生物的代谢活动，对污泥中的有机物转化起着至关重要的作用。

3．微生物降解酶

微生物能合成各种降解酶，酶具有专一性，又有诱导性。因此，微生物可通过灵活的代谢调控机制降解转化污染物。

2.1.2.4 污泥堆肥微生物的影响因素

污泥堆肥微生物活动受多种因素的影响，其主要影响因子有：有机物质、环境温度、pH值及重金属离子等。

1．有机物质

有机物对于堆肥微生物的主要作用在于合成微生物自身细胞物质和提供微生物各种生理活动所需的能量，使机体能进行正常的生长与繁殖，保持生命的连续性。污泥堆肥初期，“食物”充足，刺激了各类种群微生物的增长，所以微生物的总数呈对数上升；随后，微生物的数量进入相对稳定的阶段；在反应后期，微生物进入衰亡期，数量逐渐减少。

2．环境温度

堆肥初期，微生物生长繁殖，分解代谢有机物产生的热量使堆肥温度迅速上升。当温度达40～50℃范围时，中温菌处于最佳条件，分解代谢大量有机物；当温度上升至高温（55℃以上）时，中温菌受到抑制，高温菌进入激发状态，继续分解有机质中残留的难降解的成分。同时，堆肥中的寄生虫卵和致病菌被杀死。随着堆肥有机物的彻底降解和可利用底物的减少，微生物活性逐渐下降甚至抑制，堆肥温度随之下降。通常认为堆肥高温有利于堆肥生化过程的进行，并能杀灭病源菌达到无害化的目的。

3．pH值

污泥堆肥好氧发酵过程适宜的pH值为6.5～7.5，当pH值过高（pH＞9）或过低（pH＜4）时，均会降低微生物活性，减缓微生物降解有机废物的速度，应及时作出调整。

2.1.3 污泥堆肥好氧发酵动力学原理

2.1.3.1 生化反应动力学

污泥堆肥是一种生物学处理工艺，通过各种微生物的生长繁殖使有机物发生生化转化的过程。在这类转化过程中，生物酶是一个很重要的催化剂。根据酶的特性，在促进有机物生化反应中，酶的催化作用介于相催化与非均相催化两者之间，既可看成是有机物与酶形成中间络合物，也可以看成是在酶的表面上首先吸附了底物后再进行反应。因此堆肥化过程可近似地看作是单底物酶催化过程。反应机制可用式（2-10）表示：

式中：S代表污泥堆肥底物；E代表酶；ES代表酶——底物的中间产物（络合物）; P代表产物。上述机理称为米歇里斯-门坦机理，相应动力学方程为

若反应处于稳态过程，则中间产物浓度 [ES] 不随时间而变化（d[ES]/dt=0），即底物S消失速度与产物P产生速度相等，可推出式（2-12）：

Km为米氏常数，它实质上是 [ES] 达到稳定平衡时的平衡常数，是一种动态平衡常数。

在酶促反应中，整个过程的反应速度由有效的酶浓度 [ES] 决定的。[ES] 高，则反映产物P的生成速度快；或者说，底物S的去除速度快。所以酶反应速度v=k3[ES]（[E]0=[E] +[ES]），代入式（2-12），得到式（2-13）：

式（2-13）即为米-门方程式。

当污泥堆肥反应体系中的S为饱和时，所有 [E]0都以ES形式存在，反应速率达到最大值：

以上各式中 v——反应速率；

k1、k2、k3——反应速度常数；

[E]0——酶E的表观浓度；

[ES]——中间产物ES的浓度；

Km——米氏常数；

vmax——最大反应速率。

由式（2-15）可知，当底物浓度很高时，即S≫Km时，酶反应速度达到最大并趋向于定值vmax；即反应速度与酶的表观浓度成正比，而与底物浓度 [S] 无关，故呈零级反应。在这种状况下，只有增加酶浓度才有可能提高反应速率。

当 [S] 很小时，即 [S] ≪Km时，则酶反应速度与底物浓度成正比，即v=vmax[S]/Km，基质降解遵循一级反应。此时，由于酶未被底物所饱和，故增加底物浓度，可提高酶反应速度。但随着浓度的增加，酶反应速度不再按正比例关系上升，呈混合级反应，即反应级数介于0和1之间，是一级反应到零级反应的过渡区。反映上述关系的图形如图2-3所示。

当Km=[S] 时，v =1/2vmax，对单底物米氏常数Km来看，它表示当酶被其他底物饱和时，为达到极限速度的一半所需要的给定底物浓度。Km越小，酶与底物的反应越完全；Km越大，酶与底物的反应越不完全。而vmax越大，酶与底物的反应越完全。因此，在城市污泥堆肥化过程中，可以vmax或Km值来衡量有机物在所控制的不同工艺条件下的发酵速度，从而可借以比较优化堆肥工艺条件。

2.1.3.2 污泥堆肥好氧发酵的微生物生长动力学

在污泥堆肥的有机质发酵过程中，由于细胞的生长状态、细胞的代谢和养分的消耗等多种因素的影响，培养基的成分、微生物的密度、微生物内部的化学组成和目的蛋白或代谢产物的含量都在不断发生变化。在工业生产中如果不考虑环境因素的限制，某菌体的种群数量可以表示为

式中 Nt——t时刻的种群数量；

N0——初种群数量；

t——瞬时出生率与死亡率之差。

如果考虑环境因素的限制，那么式（2-16）变为式（2-17）：

此微分方程的求解结果为

式中 ——细胞数目的增长速度；

Nt1——t1时刻的种群数量；

K——环境极限负荷。

在这种条件下，通常可观察到培养微生物的6个典型的生长时期：延迟期、加速期、对数期、减速期、停滞期和死亡期。但是，污泥堆肥过程中只能观察到微生物的4个典型的生长时期：延迟期、对数期、停滞期和死亡期。这是由污泥堆肥中特殊的微生态环境所决定的。

通常情况下，当把细菌接种到新营养物质上以后，细菌数目并不立即增长，这一时期成为延迟期。此时，细菌为适应新的环境，例如不同的pH值或一种新的营养物水平，可能会诱导出以前未表达的代谢途径。特别是用于接种的细菌是已停止生长，进入了静止期的培养物时，一般都会有延迟期，因为细菌进入静止期可能是由于某种底物的缺乏或产物的抑制，而细菌需要重新启动他们的代谢系统，以适应新的环境。相反，如果用于接种的细菌处于快速生长的对数期，那么就可能不会有明显的延迟期了，在延迟期之后，对数期之前，细菌生长速度逐渐加快的时期称为加速期。在细菌生长的对数期，细菌总量几次翻番，但是细菌的特定生长速度保持不变。当底物即营养成分过量，产物抑制还未发生时，细菌的特定生长速度与底物浓度无关。这种情况可用式（2-19）表示：

式中 ——生物量的增长速度；

μ——特定生长速率；

X——生物量浓度。

式（2-20）同样适用于细菌数目的增长速度：

其中

式中 ——细菌数目的增长速度；

μ——细菌的特定生长速率；

N——细菌数目；

S——限制性底物（如碳源、氮源）浓度；

μmax——细菌的最大特定生长速度；

Ks——底物特异性常数。

有时，人们采用继代时间t代替特定生长速率μ，这时t=ln（2/μ）。继代时间是指在特定条件下，细菌数目或生物量增加一倍所需的时间。对于培养中常见的微生物来说，μmax从0.086h-1～2.1h-1不等，相应的继代时间为20min至8h不等。

当底物远远过剩（S≫Ks）时，μ=μmax，此时是细菌对数期最大的生长速度。在实际情况中，Ks值一般都很小，所以在对数期与Ks相当的底物水平很难遇到。例如，大肠杆菌对葡萄糖的Ks值约为1mg/L，而最初的葡萄糖浓度一般为10000mg/L。但在对数期末期，底物大多已被消耗，浓度可能会降至低于Ks值。当S＜Ks时，微生物迅速进入减速期。由于在对数期末期培养基中所含的细胞数目很大，底物可能被迅速吸收利用，所以减速期可能会很短，甚至可能观察不到。

在减速期之后，由于某种关键底物（如碳源）被耗尽，或是一种或集中抑制生长的代谢产物的积累，培养体系中细菌数量的增长逐渐停止，细菌进入静止期。这一时期中，虽然生物量保持一定，但是细菌代谢的方式常常会发生巨大变化。在某些情况下细菌在此时还可以合成有价值的次级代谢产物，这一时期的长短取决于具体的生物种类及其生长条件。

在死亡期里，细菌的能量耗尽，代谢终止。对绝大多数生产过程来讲，发酵在细菌进入死亡期以前就停止了。所以，就某种微生物而言，污泥堆肥该阶段的有机物降解至此即停止；就整体污泥堆肥全过程而言，污泥中的有机废物的降解进程不会受影响，将由其他菌群“接力”进行，直至堆肥腐熟为止。

2.1.4 污泥堆肥无害化处置的失活原理

许多污泥堆肥用的基质携带人类、动植物的病原体，以及令人讨厌的生物如杂草种子。来源于城市生活污水处理后的污泥，就是典型的携带病原体的基质。在污泥堆肥过程中，通过短时间的持续升温，可以有效地控制这些生物的存活。因此，高温污泥堆肥的一个主要优势就是使动植物病原体以及种子失活。

一般情况下，细胞的死亡很大程度上基于酶的热失活。在适宜的温度下，酶的失活是可逆的，但在高温下是不可逆的。热力学的观点表明，在一个很小的温度范围内酶的活性部分将迅速降低。如果没有酶的作用，细胞就会失去功能，然后死亡。只有少数几种酶能够经受住长时间的高温。因此，微生物对热失活非常敏感。

研究表明，在一定的温度下加热一段时间可以破坏病原体或者是令人讨厌的生物体。通常在60～70℃（湿热）的温度下，加热5～10min，可以破坏非芽孢细菌和芽孢细菌的非休眠体的活性。资料表明，利用加热灭菌，在70℃条件下加热30min可以消灭污泥中的病原体（表2-5）。但在较低的温度下（50～60℃），一些病原菌的灭活则长达60min（表2-6）。因此，堆肥过程中保持60℃以上温度一段时间是必需的。

表2-6中的具体数据也表明，病源微生物热失活效应与时间和温度有关。短时间的高温和长时间的中温具有相同的热失活效果。

Yanko等研究了污水污泥堆肥过程中病毒的动态。他们得出结论，有效的堆肥好氧发酵可以使病毒的密度减少到检测临界值（约0.25CFU/gds）以下，在堆肥过程中，温度可能是影响病毒失活的主要因素，关键在于要不断保证有效的堆肥条件并使所有的堆肥物料达到热失活温度。如果堆肥物料达不到足够高的温度，病毒可以在肥堆中存活25d。如果堆肥的最高温度低于50℃，粪大肠菌在肥堆中的密度也会很高。Farrell认为53℃或者更高的堆肥温度保持充足的时间，可以有效地消除污泥中的病原体细菌、肠病毒和蛔虫卵。

Hay和Kuchenrither将露天条垛堆放的消化污泥肥料与土壤改良剂混合，研究了其中总大肠菌的密度，经过两步条垛堆肥过程，总大肠菌的密度减少到10 MPN/g固体，或者更少。在条垛堆肥系统优化之前，冬季的杀菌效果通常低于夏季。例如，在8月，堆肥内部的温度和加热时间平均是66℃和33d，大约85%的条垛堆肥的大肠菌数低于1MPN/g。2月，堆肥内部的温度和加热时间平均是59℃和50d，但是没有一个条垛堆肥的大肠菌数低于1MPN/g。

由此，可以得出以下几个结论：①污泥堆肥好氧发酵过程可以完全破坏专性寄生的病原体，也可以把指示细菌和非专性寄生细菌病原体减少到很低的水平；②维持多种微生物的种群可以抑制非专性寄生细菌病原体的再生；③所有的堆肥物料应该处在失活的时间/温度条件下，确保所有的堆肥物料都处在失活的条件，可以获得高概率及高效率的病原体破坏效果；④为了保证病原体在统计学上的高破坏概率，要及时进行质量控制；⑤全程监控污泥堆肥系统或者应用堆肥反应器都可以使病原体的破坏概率提高。