第2章 污泥堆肥原理

2.1 污泥堆肥發酵原理

2.1.1 污泥堆肥基本原理與過程

通俗地講，城市污泥堆肥化的實質是有機物在微生物的作用下，通過生物化學反應實現轉化和穩定化的過程。根據處理過程中起作用的微生物對氧氣要求的不同，堆肥化分為好氧法和厭氧法兩種。好氧法是在通氣條件下通過好氧性微生物活動使污泥中有機物得到降解穩定的過程，此過程速度較快，堆肥溫度高，故又稱為高溫堆肥。厭氧法堆肥實際上是微生物的固體發酵，對污泥中有機廢物進行降解與穩定化，需要通過更復雜的生物化學反應實現。該過程堆肥速度較慢，堆肥時間較長，常為好氧堆肥的3～4倍，甚至更長。

本書講述的重點為好氧污泥堆肥，也稱好氧發酵。按照學術界通行的解釋，污泥堆肥好氧發酵是指在人工控制下，在一定的水分、碳氮比和通風條件下，通過微生物菌群的發酵作用，將污泥中不穩定的有機物轉變為穩定腐殖質殘渣（肥料）的過程。在這種堆肥發酵過程中，污泥中的有機物由不穩定狀態轉化為穩定的腐殖質殘渣，對環境尤其是土壤環境不再構成危害。腐熟的污泥堆肥物料是一種深褐色、質地松散、有泥土味的物質，具有一定植物養分，是一種極好的土壤調理劑和結構改良劑。污泥堆肥腐熟料的水分在40%以下，主要成分為腐殖質，氮、磷和鉀的含量一般分別為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與過程

好氧污泥堆肥過程實際上就是基質中的微生物的發酵過程。在有氧條件下，借助好氧微生物（主要是好氧菌）的作用而進行的。微生物將有機物轉化成二氧化碳、生物量、熱量和腐殖質。污泥堆肥中使用的有機物原料、填充劑和調節劑絕大部分來自植物，它們主要成分是碳水化合物、蛋白質、脂、纖維素和木質素。微生物通過新陳代謝活動分解有機物來維持自身的生命活動，同時達到分解復雜而不穩定的有機物為可被生物利用小分子物質的目的。好氧堆肥過程中，有機廢物中的可溶性小分子有機物質通過微生物的細胞壁和細胞膜而為微生物吸收利用。不溶性大分子有機物則先附著在微生物的體外，由微生物所分泌的胞外酶分解為可溶性小分子的物質，再輸送入細胞內為微生物利用。通過微生物的生命活動——合成及分解過程，把一部分被吸收的有機物氧化代謝成簡單的無機物，并提供生命活動所需的能量；把另一部分有機物轉化合成新的細胞物質，使微生物菌群得到增殖（圖2-1）。

好養污泥堆肥中有機物的氧化和合成原理與反應過程，可用反應式表明。

1．有機物的氧化

不含氮的有機物（CxHyOz）：

含氮有機物（CsHtNuOv·aH2O）：

2．細胞物質的合成（包括有機物的氧化，并以NH3為氮源）

3．細胞質的氧化以污泥堆肥中的纖維素為例，好氧堆肥中的纖維素分解反應如下：

式中：污泥堆肥成品CwHxNyOz·cH2O與堆肥原料CsHtNuOv·aH2O之比為0.3～0.5（這是氧化分解減量化的結果）。通?？扇∪缦聰抵捣秶?span id="uegmqoi" class="italic">w=5～10, x=7～17, y=1, z=2～8。由于堆肥溫度較高，部分水以蒸汽狀態排出。

通風條件下進行好氧污泥堆肥化，其微生物的作用過程可分為以下三個階段：

1．發熱階段

發熱階段，或稱中溫階段，亦稱升溫階段。污泥堆肥初期，堆肥基本呈中溫，嗜溫性微生物較為活躍，并利用堆肥中可溶性有機物旺盛繁殖。它們在轉換和利用生物化學能的過程中，有一部分變成熱能，由于堆料有良好的保溫作用，導致堆體溫度不斷上升。此階段微生物以中溫、需氧型為主，通常是一些無芽孢細菌類。適合于中溫階段的微生物種類極多，其中最主要是細菌、真菌和放線菌。細菌特別適應分解水溶性單糖類，放線菌和真菌對于分解纖維素和半纖維素物質具有獨特的功能。這些微生物利用堆肥中最容易分解的有機物質，如淀粉、糖類、脂肪和碳水化合物等而迅速繁殖，釋放出熱量，使堆肥溫度不斷升高。此階段常為主發酵前期，常需1～3d。

2．高溫階段

當污泥堆肥溫度上升至50℃以上時，即進入高溫階段。在這階段，嗜溫性微生物受到抑制，嗜熱性微生物逐漸發生替代嗜溫性微生物的活動，堆肥中殘留的或新形成的可溶性有機物繼續分解轉化，復雜的有機物開始被強烈分解。通常在50℃左右進行活動的主要是嗜熱性真菌和放射菌。當堆體溫度升到70℃時，真菌幾乎完全停止活動，僅有嗜熱性放線菌與細菌在繼續活動，緩慢分解難降解的大分子有機物。堆體溫度超過70℃時，大多數嗜熱性微生物已不適應堆肥環境，微生物大量死亡或進入休眠狀態。

高溫階段對污泥堆肥化而言是極其重要的，主要表現在兩個方面：①高溫對快速腐熟起著重要促進作用，在此階段中，堆肥內開始了腐殖質的形成過程，并開始出現能溶于弱堿中的黑色物質；②高溫有利于殺死病原性微生物。病原性微生物的失活取決于溫度和接觸時間。據研究報導，60～70℃維持3d，可使脊髓灰質炎病毒、病原細菌、和蛔蟲卵完全失活。根據國內經驗，一般認為，堆溫50～60℃，持續6～7d，可達到較好的殺滅蟲卵和病原菌的效果。一些重要的病原體熱致死點見表2-1。

另外，病源微生物除了受堆肥高溫的影響，在污泥堆肥后期，有些微生物產生的許多抗生素類物質，也會極大地縮短病源微生物的存活時間。

最近幾年不斷有商業性報道，稱堆肥高溫度即使在85℃，嗜熱性微生物也能夠很好的生存。在這種情況下，有機物中允許的含水率可達90%，可降低污泥脫水環節的成本。達到如此極端條件的關鍵因素是供氧方式和速率。常規堆肥發酵的供氧技術很難保證每一個角落都有氧氣供給，因而限制了微生物的生長。

超高溫污泥堆肥好氧發酵將是今后污泥堆肥工藝的發展方向。

3．降溫和腐熟保肥階段

污泥經過高溫階段的主發酵，大部分易于分解或較易分解的有機物（包括纖維素）已得到分解，剩下的是木質素等較難分解的有機物以及新形成的腐殖質。這時微生物活性減弱，產熱量隨之減少，堆肥溫度逐漸下降，中溫性微生物又恢復活性，菌群逐漸重復的不斷地積累，堆肥進入腐熟階段。腐熟階段的主要問題是保存腐殖質和氮素等植物養料，充分的腐熟能大大提高堆肥產品的肥效與質量。為了減弱有機物礦化作用，避免肥效損失，可采用壓緊二次堆肥，造成厭氧狀態。

一個完整的污泥堆肥好氧發酵過程是由上述發熱階段、高溫階段、降溫階段和腐熟階段等四個階段組成。每一個階段有不同類型的優勢微生物（如細菌、放線菌、真菌和原生動物）。每個階段，微生物利用污泥和階段產物作為營養食物和能量的來源，這個過程一直進行和延伸到穩定的腐殖物質形成。

2.1.1.2 厭氧堆肥基本原理與過程

厭氧污泥堆肥是在缺氧條件下利用厭氧微生物菌群對污泥中的有機物進行的一種腐敗發酵分解過程，其最終產物除二氧化碳和水外，還有氨、硫化氫、甲烷和其他有機酸等還原性終產物；其中，氨、硫化氫及其他還原性終產物有令人討厭的惡臭，而且厭氧污泥堆肥需要的時間也很長，完全腐熟往往需要幾個月的時間。厭氧堆肥過程主要分為兩個階段：

第一階段是產酸階段，產酸菌將大分子有機物降解為小分子的有機酸和乙酸、丙醇等物質，并提供部分能量因子ATP，以乳酸菌分解有機物為例：

第二階段為產甲烷階段，甲烷菌把有機酸繼續分解為甲烷氣體：

厭氧過程沒有氧分子參加，酸化過程產生的能量較少，許多能量保留在有機酸分子中，在甲烷菌作用下以甲烷氣體的形式釋放出來，厭氧堆肥的特點是反應步驟多，速度慢，周期長。厭氧堆肥過程見圖2-2。

2.1.2 污泥堆肥好氧發酵生物學原理

2.1.2.1 污泥堆肥微生物種類

污泥堆肥發酵過程有許多不同種類的微生物參與，微生物是污泥堆肥過程的活動主體。堆肥微生物來源主要有兩個方面：一方面是來自污泥里面固有的大量的微生物種群（表2-2）；另一方面是人工加入的特殊多功能復合菌種。這些菌種在一定條件下對某些特定的有機廢物具有較強的分解能力，具有活性強、繁殖快、分解有機物迅速等特點，能加速堆肥反應的進程，縮短堆肥反應的時間。由于原料和條件的變化，各種微生物的數量也在不斷發生變化，所以堆肥過程中沒有任何微生物是始終占據主導地位的。每一個環境都有其特定的微生物種群，微生物的多樣性使得污泥堆肥在外部條件出現變化的情形下仍可避免微生物系統崩潰。

1．細菌

在好氧堆肥系統中，存在著大量的細菌。細菌憑借大的比表面積，可以快速將可溶性底物吸收到細胞中。所以在堆肥過程中，細菌在數量上通常要比體積更大的微生物（如真菌）多得多。細菌是單細胞生物，形狀有桿狀、球狀和螺旋狀，有些還能運動。

在不同的堆肥環境中分離的細菌在分類學上具有多樣性，其中包括假單胞菌屬、克雷伯菌屬以及芽孢桿菌屬的細菌。在堆肥初溫度低于40℃時，嗜溫性的細菌占優勢，是堆肥系統中最主要的微生物；隨著堆肥溫度達到最大值，其種群數量達到最低；在降溫階段，嗜溫性細菌的數量又有所回升。當溫度升至40℃以上時，嗜熱性細菌逐漸占優勢。這階段微生物多數是桿菌，桿菌種群的差異在50～55℃時是相當大的，而溫度超過60℃時差異變得很小。當環境改變不利于微生物生長時，桿菌通過形成孢子壁而幸存下來，例如芽孢桿菌能夠生成很厚的孢子壁以抵抗高溫、輻射、化學腐蝕，對熱、冷、干燥及食物不足都有很強的耐受力，一旦周圍環境改善，它們又將恢復活性。因此，芽孢桿菌屬的一些種，例如枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和環狀芽孢桿菌成為了堆肥高溫階段中的代表性細菌，或是優勢菌。

2．放線菌

放線菌是具有多細胞菌絲的細菌，因此它更像是真菌。放線菌可以分解纖維素，并溶解木質素。同時，它們比真菌能夠忍受更高的溫度和pH值。所以，盡管放線菌降解纖維素和木質素的能力并沒有真菌強，但是它們在堆肥的過程中的高溫期卻是分解木質纖維素的優勢菌群，在條件惡劣的情況下，放線菌則以孢子的形式存活。研究表明，諾卡菌、鏈霉菌、高溫放線菌和單孢子菌等都是在堆肥中占優勢的嗜熱性放線菌，它們不僅出現在堆肥過程中的高溫階段，同樣也在降溫階段和熟化階段出現。

3．真菌

真菌不僅能分泌胞外酶，水解有機物質，而且由于其菌絲的機械穿插作用，還對物料施加一定的物理破壞作用，促進生物化學作用。在污泥堆肥過程中，真菌對堆肥物料的分解和穩定起著重要作用。真菌，尤其是白腐真菌可以利用堆肥底物中所有的木質纖維素。纖維素分子本身的結構致密，由木質素和半纖維素形成的保護層造成木質纖維素不容易降解，因此，難以被充分利用或被大多數微生物直接作為碳源物質而轉化利用。所以，木質纖維素的生物降解成為污泥堆肥腐熟的關鍵。因此，真菌的存在對于堆肥物的腐熟和穩定具有重要的意義。

嗜溫性真菌地霉（Geotrichum sp.）和嗜熱性真菌煙曲霉（Aspergillus fumigatus）是堆肥物料中的優勢種群。其他一些真菌，如擔子菌（Basidiomycotina）、子囊菌（Asco-mycotia）、橙色嗜熱子囊菌（Thermoascus aurantiacus）也具有較強的分解木質纖維素的能力。

環境溫度和利用復雜碳源的能力是影響真菌生長的重要因素。絕大部分真菌是嗜溫性菌，可以在5～37℃的環境中生存，其最適溫度為25～30℃。但隨著溫度的升高，真菌的菌數開始減少，在64℃時，幾乎所有的嗜熱性真菌全部消失。但是，在堆肥過程中，由于高溫時間持續較短，當溫度下降到60℃以下時，嗜溫性真菌和嗜熱性真菌又都會重新出現在堆肥中。一些嗜熱性真菌在升溫期和降溫期也不能重新增殖，原因是它們僅能利用簡單的碳源而不能利用纖維素或半纖維素。相反，一些耐熱真菌，特別是嗜熱毛殼酶和特異腐質霉，由于在堆肥過程的中后期能利用纖維素和半纖維素而迅速生長。

4．病原體微生物

病原體是對人體、動物或者植物有害的生物。動物的糞便、植物秸稈以及庭院廢棄物中都能發現病原體，城市污泥也含有人體病原微生物。主要病原菌包括在原來污泥中帶有的原生病原菌和堆制過程中產生的真菌、放線菌等次生病原菌。原生病原菌如細菌、病毒、原生動物和蠕蟲卵可引起健康個體染病，而次生病原菌則可以削弱免疫系統，如造成呼吸系統疾病等。高溫堆肥能大量減少植物和動物病原體的數量，因為堆肥物料在50～60℃的狀態下持續時間為10～20d，在此條件下絕大部分病源微生物無法存活。

微型生物在堆肥過程中也發揮著重要作用。線蟲、跳蟲、蚯蚓等生物通過在堆肥中移動和吞食作用，不僅能消納部分有機物，而且還能增大表面積，并促進微生物的生命活動。

總之，在整個污泥堆肥過程中微生物群落中細菌起主導地位，真菌、放線菌也有較多的數量。研究表明，每克堆肥細菌數約為108～109、放線菌數為105～108、真菌數為104～106。細菌是中溫階段的主要作用菌群，對發酵升溫起作用；真菌和放線菌是高溫階段的主要作用菌群；芽孢桿菌、鏈霉菌、小多孢曲霉和高溫放線菌是堆肥過程中的優勢種。堆肥過程中微生物種類和數目見表2-3。

2.1.2.2 污泥堆肥微生物降解的基本原理

污泥中的有機物在微生物的作用下，一部分被轉化為簡單的有機物、無機鹽，這過程為礦化作用；而另一部分包括難降解的部分則轉化為腐殖質，這一過程為腐殖化作用。礦化是將有機物完全轉化為無機物的過程，是微生物生長（包括分解代謝和合成代謝）相關的過程。被礦化的有機物作為微生物生長的基質和能源，通常只有一部分有機物被合成菌體，而其余部分形成微生物的代謝產物，如CO2、H2O、CH4等。礦化也可以通過多種微生物協同作用完成，每種微生物在污染物徹底轉化過程中滿足自身生長的需要。礦化和腐殖化是污泥生物轉化過程中既對立又統一的兩個方面，在一定條件下相互轉化。微生物是污泥中有機物的降解主體，生物降解過程以微生物代謝為核心，在過程中遵循化學反應原理。此外，共代謝在有機物轉化工程中的作用也引起了人們的注意。共代謝通常是由非專一性酶促反應完成的。與礦化作用不同的是，共代謝不導致細胞質量或者能量的增加，因此微生物共代謝化合物的能力并不促進其本身的生長，共代謝使有機物得到轉化，但不能使其完全分解。這種條件下微生物需要另一種基質的存在，以保證其生長和能量的需要。

1．微生物對有機物質的吸收

生物體與污染物同處于一種介質中時，生物體將對有機物質進行吸收。微生物一般沒有專門的捕食器官或細胞器，各種有機物質依靠細胞膜的功能進入細胞。細胞質膜包括疏水的膜蛋白與不連續的膜的雙層鑲嵌結構，其上有許多小孔，雙層膜中還有由碳氫鏈組成的非極性區。有機物質多種多樣，有水溶性的，也有脂溶性的，其分子也有大有小。細胞膜對污染物質的運輸主要有四種方式：自由擴散、促進擴散、主動運輸和基團移位。四種運輸方式的比較見表2-4。

（1）自由擴散。自由擴散主要依靠膜內外兩側營養物質的濃度差。這類擴散是非特異性的，它是有機物質從細胞膜濃度高的一側向濃度低的一側擴散轉移，最后達到平衡。疏水性的細胞膜以物理擴散的方式讓許多小分子、非電離分子尤其是脂溶性分子被動地通過。這類物質主要是氧、乙醇和某些氨基酸分子。在這一過程中細胞膜不起主動作用，也不消耗細胞的代謝能量。

（2）促進擴散。有些非脂溶性物質，如糖、氨基酸、金屬離子等，不能通過由碳氫元素組成的非極性區。然而，這些物質在細胞膜上的底物特異性蛋白載體作用下通過細胞膜進入細胞內。這些特異蛋白在細胞膜外與有機物質發生逆行結合，攜帶有機物質轉運到膜的另一側，并釋放出來，本身再返回細胞膜外。由于特異蛋白具有運載功能，因此又稱為載體蛋白。載體蛋白具有類似酶的特異性，能使一定的分子通過，而不允許其他分子通過，所以有時又稱之為滲透酶。促進擴散只能使有機分子從濃度高的細胞外側向細胞內擴散，直到細胞膜兩側的濃度相等為止，而不能進行物質的逆濃度梯度輸送。

（3）主動運輸。主動運輸是微生物吸收物質的主要機制。其特點是具有載體蛋白的參與，運輸過程中需要消耗能量（質子能，ATP），與擴散吸收的區別是營養物質可逆濃度而行，從而使生活在低營養環境下的微生物能夠獲得較高濃度的營養物。主動運輸的滲透酶有三種：單向轉運載體、同向轉運載體和反向轉運載體。主動運輸的作用方式有以下三種。

1）鈉鉀泵主動運輸。這是目前研究最多、最清楚的一種運輸方式。通過消耗ATP來驅動Na+-K+-ATP酶高效地向細胞外排出Na+；每排出3個Na+，則進2個K+，從而使細胞膜內、外建立電位差。這種電位差可產生一種力量，是Na+又從膜外向膜內轉移，以恢復電平衡，同時將K+吸進細胞內。在鈉鉀泵的作用下，葡萄糖和Na+分別由同向轉移載體的兩個位點結合，由同向轉移載體攜帶進入細胞內。氨基酸也可以通過鈉鉀泵主動運輸進入細胞內。

2）離子濃度梯度主動輸送。消耗ATP建立離子濃度梯度，通過反向轉移載體完成H+、Na+、K+的反向輸送。

3）H+濃度梯度主動輸送。此種輸送方式是好氧微生物吸收物質的主要方式。在膜呼吸或在ATP的作用下，好氧微生物將體內大量的H+排出細胞外，使膜內形成pH值相差2個單位（膜內pH值為7.0，膜外pH值為5.0～5.5）的H+濃度差或150mV的電位差。在這一電位差的作用下，K+等陽離子由單向轉移載體攜帶進入細胞，陰離子與H+一起由同向轉移載體攜帶進入細胞，中性的糖和氨基酸也可由H+濃度梯度驅動進入細胞。

（4）基團移位?；鶊F移位也是一種既需要能量又需要載體蛋白的微生物吸收物質的重要方式，類似于主動運輸的方式。與主動運輸的差異在于溶質在輸送前后會發生分子結構的變化?；鶊F移位主要用于輸送葡萄糖、果糖、甘露醇、丁酸和腺嘌呤等。這種方式主要存在厭氧微生物中。

2．有機物質的生物降解

在污泥堆肥過程中通過微生物的代謝活動，會使污染物質發生氧化反應、還原反應、水解反應、脫羧反應、羥基化反應、酯化反應等多種生物化學反應。這些反應的進行，可以使絕大多數污染物質，特別是有機污染物質發生不同程度的轉化、分解或降解。有時是一種反應作用于污染物質，有時是多種反應同時作用于同一污染物質或者作用于污染物轉化的不同途徑。微生物在污泥堆肥環境中生物化學轉化作用主要有以下幾種形式：

（1）水解作用。水解作用是大分子有機物降解時最基本的代謝作用。很多微生物都可以分泌胞外酶使有機大分子物質發生水解作用，轉化為其他的小分子物質，然后通過微生物細胞膜而進入細胞體內。

（2）脫羧作用。脫羧作用主要存在于有機酸的降解中，通過脫羧作用，有機酸分子變小（脫羧作用減少一個碳原子）。連續的脫羧反應可以使有機酸得到徹底分解。

（3）脫氨基作用。脫氨基作用可脫除有機酸中的氨基，使其進一步降解。主要是在蛋白質降解方面作用很大。構成蛋白質的氨基酸的降解必須經過脫氨基作用，然后才能得到進一步降解。

2.1.2.3 微生物的降解轉化能力

微生物雖然個體微小，但是其表面積巨大，功能多樣，具有降解轉化物質的巨大能力。

1．微生物個體微小，比表面積大，代謝速率快

微生物個體微小，以細菌為例，3000個桿狀細菌頭尾銜接的總長度僅為一粒米的長度，而60～80個桿菌并排的總寬度，只相當于人的一根頭發的直徑，2×1012個細菌平均質量僅為1g。物體的體積越小，其表面積越大。巨大的表面積與環境接觸，從而有了巨大的營養物質吸收面、代謝廢物排泄面和環境信息接收面，所以代謝活動極其旺盛。

2．微生物種類繁多，分布廣泛，代謝類型多樣

微生物的營養類型、理化形態和生態習性多種多樣，凡在有生物存在的環境，包括其他生物無法生存的極端環境，都有微生物存在。微生物的代謝活動，對污泥中的有機物轉化起著至關重要的作用。

3．微生物降解酶

微生物能合成各種降解酶，酶具有專一性，又有誘導性。因此，微生物可通過靈活的代謝調控機制降解轉化污染物。

2.1.2.4 污泥堆肥微生物的影響因素

污泥堆肥微生物活動受多種因素的影響，其主要影響因子有：有機物質、環境溫度、pH值及重金屬離子等。

1．有機物質

有機物對于堆肥微生物的主要作用在于合成微生物自身細胞物質和提供微生物各種生理活動所需的能量，使機體能進行正常的生長與繁殖，保持生命的連續性。污泥堆肥初期，“食物”充足，刺激了各類種群微生物的增長，所以微生物的總數呈對數上升；隨后，微生物的數量進入相對穩定的階段；在反應后期，微生物進入衰亡期，數量逐漸減少。

2．環境溫度

堆肥初期，微生物生長繁殖，分解代謝有機物產生的熱量使堆肥溫度迅速上升。當溫度達40～50℃范圍時，中溫菌處于最佳條件，分解代謝大量有機物；當溫度上升至高溫（55℃以上）時，中溫菌受到抑制，高溫菌進入激發狀態，繼續分解有機質中殘留的難降解的成分。同時，堆肥中的寄生蟲卵和致病菌被殺死。隨著堆肥有機物的徹底降解和可利用底物的減少，微生物活性逐漸下降甚至抑制，堆肥溫度隨之下降。通常認為堆肥高溫有利于堆肥生化過程的進行，并能殺滅病源菌達到無害化的目的。

3．pH值

污泥堆肥好氧發酵過程適宜的pH值為6.5～7.5，當pH值過高（pH＞9）或過低（pH＜4）時，均會降低微生物活性，減緩微生物降解有機廢物的速度，應及時作出調整。

2.1.3 污泥堆肥好氧發酵動力學原理

2.1.3.1 生化反應動力學

污泥堆肥是一種生物學處理工藝，通過各種微生物的生長繁殖使有機物發生生化轉化的過程。在這類轉化過程中，生物酶是一個很重要的催化劑。根據酶的特性，在促進有機物生化反應中，酶的催化作用介于相催化與非均相催化兩者之間，既可看成是有機物與酶形成中間絡合物，也可以看成是在酶的表面上首先吸附了底物后再進行反應。因此堆肥化過程可近似地看作是單底物酶催化過程。反應機制可用式（2-10）表示：

式中：S代表污泥堆肥底物；E代表酶；ES代表酶——底物的中間產物（絡合物）; P代表產物。上述機理稱為米歇里斯-門坦機理，相應動力學方程為

若反應處于穩態過程，則中間產物濃度 [ES] 不隨時間而變化（d[ES]/dt=0），即底物S消失速度與產物P產生速度相等，可推出式（2-12）：

Km為米氏常數，它實質上是 [ES] 達到穩定平衡時的平衡常數，是一種動態平衡常數。

在酶促反應中，整個過程的反應速度由有效的酶濃度 [ES] 決定的。[ES] 高，則反映產物P的生成速度快；或者說，底物S的去除速度快。所以酶反應速度v=k3[ES]（[E]0=[E] +[ES]），代入式（2-12），得到式（2-13）：

式（2-13）即為米-門方程式。

當污泥堆肥反應體系中的S為飽和時，所有 [E]0都以ES形式存在，反應速率達到最大值：

以上各式中 v——反應速率；

k1、k2、k3——反應速度常數；

[E]0——酶E的表觀濃度；

[ES]——中間產物ES的濃度；

Km——米氏常數；

vmax——最大反應速率。

由式（2-15）可知，當底物濃度很高時，即S?Km時，酶反應速度達到最大并趨向于定值vmax；即反應速度與酶的表觀濃度成正比，而與底物濃度 [S] 無關，故呈零級反應。在這種狀況下，只有增加酶濃度才有可能提高反應速率。

當 [S] 很小時，即 [S] ?Km時，則酶反應速度與底物濃度成正比，即v=vmax[S]/Km，基質降解遵循一級反應。此時，由于酶未被底物所飽和，故增加底物濃度，可提高酶反應速度。但隨著濃度的增加，酶反應速度不再按正比例關系上升，呈混合級反應，即反應級數介于0和1之間，是一級反應到零級反應的過渡區。反映上述關系的圖形如圖2-3所示。

當Km=[S] 時，v =1/2vmax，對單底物米氏常數Km來看，它表示當酶被其他底物飽和時，為達到極限速度的一半所需要的給定底物濃度。Km越小，酶與底物的反應越完全；Km越大，酶與底物的反應越不完全。而vmax越大，酶與底物的反應越完全。因此，在城市污泥堆肥化過程中，可以vmax或Km值來衡量有機物在所控制的不同工藝條件下的發酵速度，從而可借以比較優化堆肥工藝條件。

2.1.3.2 污泥堆肥好氧發酵的微生物生長動力學

在污泥堆肥的有機質發酵過程中，由于細胞的生長狀態、細胞的代謝和養分的消耗等多種因素的影響，培養基的成分、微生物的密度、微生物內部的化學組成和目的蛋白或代謝產物的含量都在不斷發生變化。在工業生產中如果不考慮環境因素的限制，某菌體的種群數量可以表示為

式中 Nt——t時刻的種群數量；

N0——初種群數量；

t——瞬時出生率與死亡率之差。

如果考慮環境因素的限制，那么式（2-16）變為式（2-17）：

此微分方程的求解結果為

式中 ——細胞數目的增長速度；

Nt1——t1時刻的種群數量；

K——環境極限負荷。

在這種條件下，通?？捎^察到培養微生物的6個典型的生長時期：延遲期、加速期、對數期、減速期、停滯期和死亡期。但是，污泥堆肥過程中只能觀察到微生物的4個典型的生長時期：延遲期、對數期、停滯期和死亡期。這是由污泥堆肥中特殊的微生態環境所決定的。

通常情況下，當把細菌接種到新營養物質上以后，細菌數目并不立即增長，這一時期成為延遲期。此時，細菌為適應新的環境，例如不同的pH值或一種新的營養物水平，可能會誘導出以前未表達的代謝途徑。特別是用于接種的細菌是已停止生長，進入了靜止期的培養物時，一般都會有延遲期，因為細菌進入靜止期可能是由于某種底物的缺乏或產物的抑制，而細菌需要重新啟動他們的代謝系統，以適應新的環境。相反，如果用于接種的細菌處于快速生長的對數期，那么就可能不會有明顯的延遲期了，在延遲期之后，對數期之前，細菌生長速度逐漸加快的時期稱為加速期。在細菌生長的對數期，細菌總量幾次翻番，但是細菌的特定生長速度保持不變。當底物即營養成分過量，產物抑制還未發生時，細菌的特定生長速度與底物濃度無關。這種情況可用式（2-19）表示：

式中 ——生物量的增長速度；

μ——特定生長速率；

X——生物量濃度。

式（2-20）同樣適用于細菌數目的增長速度：

其中

式中 ——細菌數目的增長速度；

μ——細菌的特定生長速率；

N——細菌數目；

S——限制性底物（如碳源、氮源）濃度；

μmax——細菌的最大特定生長速度；

Ks——底物特異性常數。

有時，人們采用繼代時間t代替特定生長速率μ，這時t=ln（2/μ）。繼代時間是指在特定條件下，細菌數目或生物量增加一倍所需的時間。對于培養中常見的微生物來說，μmax從0.086h-1～2.1h-1不等，相應的繼代時間為20min至8h不等。

當底物遠遠過剩（S?Ks）時，μ=μmax，此時是細菌對數期最大的生長速度。在實際情況中，Ks值一般都很小，所以在對數期與Ks相當的底物水平很難遇到。例如，大腸桿菌對葡萄糖的Ks值約為1mg/L，而最初的葡萄糖濃度一般為10000mg/L。但在對數期末期，底物大多已被消耗，濃度可能會降至低于Ks值。當S＜Ks時，微生物迅速進入減速期。由于在對數期末期培養基中所含的細胞數目很大，底物可能被迅速吸收利用，所以減速期可能會很短，甚至可能觀察不到。

在減速期之后，由于某種關鍵底物（如碳源）被耗盡，或是一種或集中抑制生長的代謝產物的積累，培養體系中細菌數量的增長逐漸停止，細菌進入靜止期。這一時期中，雖然生物量保持一定，但是細菌代謝的方式常常會發生巨大變化。在某些情況下細菌在此時還可以合成有價值的次級代謝產物，這一時期的長短取決于具體的生物種類及其生長條件。

在死亡期里，細菌的能量耗盡，代謝終止。對絕大多數生產過程來講，發酵在細菌進入死亡期以前就停止了。所以，就某種微生物而言，污泥堆肥該階段的有機物降解至此即停止；就整體污泥堆肥全過程而言，污泥中的有機廢物的降解進程不會受影響，將由其他菌群“接力”進行，直至堆肥腐熟為止。

2.1.4 污泥堆肥無害化處置的失活原理

許多污泥堆肥用的基質攜帶人類、動植物的病原體，以及令人討厭的生物如雜草種子。來源于城市生活污水處理后的污泥，就是典型的攜帶病原體的基質。在污泥堆肥過程中，通過短時間的持續升溫，可以有效地控制這些生物的存活。因此，高溫污泥堆肥的一個主要優勢就是使動植物病原體以及種子失活。

一般情況下，細胞的死亡很大程度上基于酶的熱失活。在適宜的溫度下，酶的失活是可逆的，但在高溫下是不可逆的。熱力學的觀點表明，在一個很小的溫度范圍內酶的活性部分將迅速降低。如果沒有酶的作用，細胞就會失去功能，然后死亡。只有少數幾種酶能夠經受住長時間的高溫。因此，微生物對熱失活非常敏感。

研究表明，在一定的溫度下加熱一段時間可以破壞病原體或者是令人討厭的生物體。通常在60～70℃（濕熱）的溫度下，加熱5～10min，可以破壞非芽孢細菌和芽孢細菌的非休眠體的活性。資料表明，利用加熱滅菌，在70℃條件下加熱30min可以消滅污泥中的病原體（表2-5）。但在較低的溫度下（50～60℃），一些病原菌的滅活則長達60min（表2-6）。因此，堆肥過程中保持60℃以上溫度一段時間是必需的。

表2-6中的具體數據也表明，病源微生物熱失活效應與時間和溫度有關。短時間的高溫和長時間的中溫具有相同的熱失活效果。

Yanko等研究了污水污泥堆肥過程中病毒的動態。他們得出結論，有效的堆肥好氧發酵可以使病毒的密度減少到檢測臨界值（約0.25CFU/gds）以下，在堆肥過程中，溫度可能是影響病毒失活的主要因素，關鍵在于要不斷保證有效的堆肥條件并使所有的堆肥物料達到熱失活溫度。如果堆肥物料達不到足夠高的溫度，病毒可以在肥堆中存活25d。如果堆肥的最高溫度低于50℃，糞大腸菌在肥堆中的密度也會很高。Farrell認為53℃或者更高的堆肥溫度保持充足的時間，可以有效地消除污泥中的病原體細菌、腸病毒和蛔蟲卵。

Hay和Kuchenrither將露天條垛堆放的消化污泥肥料與土壤改良劑混合，研究了其中總大腸菌的密度，經過兩步條垛堆肥過程，總大腸菌的密度減少到10 MPN/g固體，或者更少。在條垛堆肥系統優化之前，冬季的殺菌效果通常低于夏季。例如，在8月，堆肥內部的溫度和加熱時間平均是66℃和33d，大約85%的條垛堆肥的大腸菌數低于1MPN/g。2月，堆肥內部的溫度和加熱時間平均是59℃和50d，但是沒有一個條垛堆肥的大腸菌數低于1MPN/g。

由此，可以得出以下幾個結論：①污泥堆肥好氧發酵過程可以完全破壞專性寄生的病原體，也可以把指示細菌和非專性寄生細菌病原體減少到很低的水平；②維持多種微生物的種群可以抑制非專性寄生細菌病原體的再生；③所有的堆肥物料應該處在失活的時間/溫度條件下，確保所有的堆肥物料都處在失活的條件，可以獲得高概率及高效率的病原體破壞效果；④為了保證病原體在統計學上的高破壞概率，要及時進行質量控制；⑤全程監控污泥堆肥系統或者應用堆肥反應器都可以使病原體的破壞概率提高。