曹仁堂
航天部第三研究院

　　污泥堆肥过程是个相当复杂的过程，它受到耗氧率、碳氮比、温度、HP值、挥发固体含量、堆料的密度、孔随波逐流率和自由空域等诸因素的影响，所涉及的学科相当广泛，本文分别从物理、化学、微生物、热力学和动力学几方面加以分析论述。

　　一、化学热力学原理：

　　堆肥期间产生的化学反应通常是在常压下发生的，因此，用伴随着反应的焓变化释放的能量。
　　常压P下进行时：Qp=H2-H1=△H（H为焓）（1-1）
　　　　　　　　　 Qp=mCp(△T)(△T不大）（1-2）
　　式中：m-质量
　　　　　Cp-常压下的比热容
　　　　　△T-温差
　　在堆肥过程的能量平衡中，上式极为重要。在堆肥这个隔离系统中，所有的自发变化都和熵值即随机性的增加一起发生。美国化学家Gibbs提出：焓变由两部分组成：（1）有用或有效能（称作）自由能变化△G，（2）熵变△S其关系为：
　　△H=△G+T.△S(T和P不变） （1-3）
　　自发过程中△S为正值。
　　反应速率和温度的关系式为

　　ln(k2/k1)=Ea(T2-T1)/RT1T2　　(1-4)

　　式中：K2、K1分别在温度为T2、T1下的反应速率常数。
　　　　　Ea-反应活化能
　　　　　T-热力学温度
　　由（1-4）演变出的表达式如下：
　　K₂=（K1e ^ba/RT)e^-EA/RT
　　由于K1与T1相对应，括号中对给定的反应来说可以作常数，则：
　　K₂=ce^-Ea/rt
　　堆肥中，大多数生物过程都在一定温度范围内进行，温度范围从0-80℃似乎十分狭小与之相对应的范围仅为273-353K。这样，由下到T2产生的变化只稍微超过了生物的温度范围。假定在这个范围里的Ea/RT2T1为常数，则等式（1-4）为：

　　ln(K2/K1)=Q(T2-T1) (1-7)　　　　、

　　K2=K1Q(T2-T1)

　　二、污泥堆肥的生物学原理

　　在堆肥中起重要作用的微菌是细菌和真菌，其他的细胞类作用没有它们大，值得注意的是在堆肥中参与作用的放线菌，它是独立的一组，与细菌和真菌有所差别。就其共同点来说，它们对极难溶解泊高分子有机物的降解起到积极的作用（如纤维素、几丁质、蛋白质、蜡、链烷属烃以及橡胶）因此，它们在堆肥系统中很重要。
　　在所有试验的温度范围内，细菌通常出现的数目比真菌多得多，在大多数情况下，细菌大约是真菌数目的一百或更多倍，在堆肥过程中，至少有80--90%的微生物活动产生于细菌。
　　污泥中生长着真菌，它是有机营养生物，分为霉菌和酵母。霉菌在潮湿、黑暗且有机物和氧气充足的地方普遍存在，显而易见，真菌在污泥堆肥中起重要的作用。
　　真菌的种君常受堆肥供料底物，胃有在保持通气的条件下才会存在。在堆肥期间，常使得喜温菌灭活，有些喜温菌在温度高于60℃并不是生长得很好。
　　然而，真菌的活动在很大程度上取决于零肥系统的条件。
　　良种真菌可在图1所示的温度下继续进行代谢活动。Kane和Muuins断言：在高温、酸性和厌氧条件下，将限制堆肥化物料内部真菌的生长并限制喜温真菌的作用。
　　一种微菌消耗营养物的速度致使物料浓度发生变化的影响如图2所示：
　　图中曲线可用Monod提出的下面形式的抛物线关系式来描述。

　　ds/dt=-(kmSX/(ks+S)) 　　(2-1)

　　式中　ds/dt——底物的有效消耗率（质量/体积，时间）
　　　　　X————微菌浓度（质量/体积）
　　　　　Km———-最大有效系数（物质质量/微生物一天质量）
　　　　　Ks———-半速系数（质量/体积）
　　　　　S————限制底物浓度（质量/体积）
　　在高浓度底物中，物料的转化过程很迅速进一步增加底物浓度就不再引起底物转化率的增加，在方程2-1中S≥Ks时
　　（ds/dt)X^-1=-km
　　在低浓度底物中，由于底物的供给的限制使得细胞机构以低速率工作。若S≤Ks时
　　   （ds/dt)X^-1=-（km/ks）s
　　当S=Ks时，（ds/dt)X^-1=-(km/2)
  　　因此，半速系数对应着图2中底物浓度中反应速度最大值的一半。

　　三、热灭活动力学：

　　堆肥能提供消灭病原菌原体所需要的热量，细胞的热死部分由于酶的热灭活所致，由于酶在高温下灭活是不可逆的。一般的，形成孢子细菌和无性繁殖细胞都可在60-70℃（湿热）下，经5-10min 消灭。
　　大量试验表明：经历高温短时间或者低温长时间同样有效，图3绘声绘色出不同生物体的此种时间与温度关系曲线，温度为60℃时，持续30min后，对大肠肝菌和沙门氏菌将减少6个数量级。
　　从图中得到在不同温度下，时间和残活部分浓度的经验式为：
　　Y=0.8054-0.0174X(沙门氏菌50℃）
　　Y=0.4285-0.0339X(沙门氏菌54℃）
　　Y=0.8791-0.0145X(大肠肝菌50℃）
　　Y=0.5868-0.1027X（大肠肝菌64℃）
　　其中X-时间（min），Y-残活部分浓度1000个/100ml。

　　四、孔隙度、自由空域

　　在污泥之间充满空气、水或空气与水的混合物，污泥中如果孔隙被泥所充满，需氧则不能进行，而当孔隙有空气时，就能进行氧的转换，在堆肥中使用的体积率是孔隙度和自由空域。堆肥质量的孔隙度n是孔隙的体积Vv与总体积Vt的比即：
　　n=Vv/Vt
　　自由空域是气体体积Vg与总体积之比
　　f=Vg/Vt　　 (4-2)
　　随着堆肥进行，水分蒸发将导致孔的容积增加，控制自由空域的方法是通过改变男入回流堆肥产物的数量从而改变起始混合物的水分含量来实现的。

　　五、堆肥热力学：

　　在堆肥过程，有机分子因生物活动发生分解时所产生的能量或是转入微生物内新生的有机分子中，或以热的形式释放到周围环境中。正是由于有机分解释放出能量从而推动了堆肥的进程。
　　热或能的传递可用三种不同机理描述，即：传导、对流、辐射。
　　Fourier提出热传导的定量定律：
　　dg/dt=-kdA(dj/dx)
　　响应温度梯度在时间dt内，穿过面积为dA的平面的热量为dq.
　　上式K为热导率，通常以W/(m.k)表示。
　　两物体间的辐射能传递可用(Strfan-Boltznann)定律描述：
　　q=6A（Ta1⁴-Ta2⁴)FaEe
　　式中C-stefan-Boltznann  常数5.66×10^-8w/(m²⁴)
　　A-垂直于传热方向的面积
　　Fa-说明物体相对位置和几何结构的构型系数。
　　Fe-说明非黑体辐射的发射率系数
　　Ta1、Ta2-两物体的绝对温度
　　在污泥堆肥过程中，水的蒸发是主要能耗，水与可降解有机物之比为W，要求W＜10。才会有足够的能量使堆能温度升记和蒸发水分。
　　污泥堆肥的重要性质包括比热和热导率。
　　图4所示：含水率、比热容、热导率三者的关系，随含水率的增高，比热容、热导率也在增大。
　　根据研究结果，得到结论：堆肥将有低的随含水率增加而升高的比热容，尽管热导率与湿度有关，但在整个水分含量的范围内此值均相当低。
　　图4中直线1、2的方程分别为：
　　Cp=0.1551+0.008113M
　　K=0.2408+0.00396M
　　因此，大型堆肥垛倾向于自身隔热，并且传导引起热损失一般都很小。
　　就人工自然堆肥和强制通风堆肥，多年来做过大量实验而且实践过，强制风污泥堆肥在测深70cm和40cm的温升曲线分别见图5、图6。
　　从图中可以看到，即使最浅层温升也能达到65℃，而且能坚持4天之久，杀菌效果完全可保证。
　　污泥堆肥采用好氧法，分为中温和高温发酵，中温在15-45℃，高温45-80℃，以高温持续时间长，其中病原菌和寄生虫大多可被杀死。

　　六、动力学原理：

　　污泥堆肥中，氧的吸收入率随温度的升高而增加，最高吸收率在45-60℃之间的适中温度T，而温度愈高，则吸收率随之降低。耗氧量与温度关系接近：
　　WO2=0.11× 1.006T
　　式中：WO2-耗氧率（mg氧/（g挥发物质h）
  　　　　　T-温度（℃）
　　完成需氧代谢，除有机底物外还必须有可供利用的氧，在图7中，表明在堆肥期间消耗和产生主要成分的质量转移过程。
　　由图看出，氧气向气-液界面输送，跨过界面扩散，跨过液向扩散到微菌处，通过微生物群落的耗，会产生浓度梯度，导致从自由空域开始的再度扩散，代谢终了产物（如CO₂、H₂O、NH₃）在液相内浓度有所提高，并将向空域扩散，随废气流一起排出。
　　总之，在分析堆肥过程中，要把上述原理综合考虑，；中以结合才能深刻了解堆肥系统，更好服务于工程实践。