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生活垃圾堆肥分阶段反应动力学研究

2013-11-05 11:09 环卫科技网 席北斗 李英军 刘鸿亮

摘要:根据堆肥不同阶段特点,通过接种和不接种堆肥实验,分别研究升温-高温阶段和高温-降温阶段动力学。从得到的动力学方程分析可知:接种复合微生物菌剂,在升温-高温阶段最大反应速率比对照组提高约138.7%;在高温-降温阶段最大反应速率比对照组大4.73g/(h•kg),而半速系数Km比对照组下降了103g/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。
关键词:生活垃圾;分阶段动力学;接种复合微生物菌剂
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。

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