馬 闖 扈 斌 劉福勇 張宏忠 魏明寶 趙繼紅
（鄭州輕工業學院/環境汙染治理與生態修復河南省協同創新中心）
研究背景
有機固體廢物的處理已經成為全球範圍內重要的環境問題和社會問題。傳統的焚燒、土地填埋等處理方式不僅會產生溫室氣體，同時也佔用了寶貴的土地資源。堆肥發酵處理具有無害化成本低、操作簡單以及將有機質、氮、磷等養分可資源化利用的優點，是適合我國目前經濟發展狀況的處理方式。好氧堆肥嚴格來說是在有氧條件下微生物降解有機廢棄物並產生熱量、H2O和CO2的過程，利用微生物進行一系列的生化反應，最終將不穩定的有機物轉化為不含植物毒性、不含病原體的穩定堆肥產品。這種堆肥產品既可農用，也可以用於半乾旱土地恢復土壤肥力。但是自然堆肥過程緩慢，也會產生NH3、H2S，同時也造成了堆肥的氮損失。因此，工業化的堆肥一般要進行人工調控。本文綜述了好氧堆肥過程的調控手段以及好氧堆肥過程中的微生物群落、酶、臭氣變化狀況，探索了堆肥過程中微生物、酶與臭氣之間的關係，以期為控制有機廢棄物堆肥處理過程中的臭氣提供參考。
摘 要
系統總結了有機固體廢物好氧堆肥化處理過程的調控手段、堆肥各個階段的微生物群落演替、堆肥過程中酶活性的變化以及臭氣的產生情況。堆肥過程中溫度變化對微生物的生長繁殖產生顯著影響，微生物群落先由嗜溫菌演替至嗜熱菌，再由嗜熱菌演替至嗜溫菌，有機物被逐步降解。各種有機物降解需不同酶參與，主要有芳基硫酸酯酶、脲酶、蛋白酶、葡萄糖激酶、纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、過氧化物酶等；微生物發酵過程蛋白質的降解產生NH3，厭氧條件下硫酸鹽還原菌與產甲烷菌的生命活動產生H2S，胺基酸脫羧作用、厭氧降解及局部厭氧發酵產生揮發性有機物(VOCs)，這些臭味物質均會對環境造成二次汙染。可以嘗試調控微生物酶系統來提高堆肥效率，並阻斷髮酵過程中臭氣物質的產生。
01
堆肥的調控手段
1.上堆前的調節
添加調理劑是物料堆肥上堆前的主要調節手段。原有機廢棄物的C/N、含水率等初始參數通常難以滿足微生物的生長需求，不適合好氧發酵。通過添加調理劑，可以改善堆肥物料的理化條件和物料結構，增加堆料與空氣的接觸面積，滿足好氧微生物對生長環境的要求，並提高堆肥產品的最終品質。
Hay等利用秸稈與鋸末，分別與汙泥進行質量比為1∶1的共堆肥，發現2種調理劑均能有效地殺死堆體中細菌和病原微生物，產生穩定且無臭的堆肥產品。Zavala等以鋸末為調理劑對人糞渣進行堆肥試驗，發現混合物料含水率調節至65%時可達到有機物最大降解速率。Eklind等分別添加秸稈、樹葉、硬木片等作為調理劑與城市生活垃圾共堆肥，發現隨著初始堆體C/N的升高(13～34)，有機質降解速率也逐漸增大。Bhamidimarri等以鋸末為調理劑與豬糞進行不同C/N堆肥試驗，發現最佳C/N為20～30。Huang等以鋸末為調理劑時與豬糞進行共堆肥試驗，發現添加少量調理劑造成低C/N比共堆肥時，堆肥周期明顯變長，且堆肥產品不能完全腐熟。
因此，上堆前通過添加調理劑適當地調節堆體的初始C/N、含水率等參數，可以起到除臭、保氮和提高堆肥效率的作用。
2.上堆後的調控
上堆後物料依靠自然通風一般難以滿足微生物對O2的需求，容易發生厭氧發酵產生H2S等惡臭氣體。強制通風能夠改善堆體的通風供氧狀況，調控堆體溫度，是上堆後堆肥過程調控的最主要手段。Fernandes等研究發現：採用強制通風系統的堆體溫度>55 ℃的時間少於採用自然通風系統堆體>55 ℃的時間；張向陽等通過強制通風對城市生活垃圾進行堆肥試驗，發現不同的堆肥物料最適宜的通風量不同。
合理的通風策略不僅可以改善堆肥發酵效果，縮短堆肥周期，還能有效控制臭味產生。Rasapoor等在不同通風量固體廢棄物堆肥過程中發現，通風量在310，470 cm3/(m3·min)時，堆體C/N下降得更為顯著；謝軍飛等研究表明，高通風速率會增加NH3的揮發，但可以減少甲烷與NO2的排放；過高的通風速率不僅不利於維持堆體溫度，還會造成大量的氮素損失，增加堆肥能耗。Patni等研究禽類糞便堆肥，認為與強制通風相比，被動通風具有更低的氮損失；Elwell在採用豬糞與鋸末共堆肥的試驗中發現，NH3的揮發量與通風量呈線性關係(R2=0.51)；De等發現剩餘汙泥堆肥過程中NH3釋放量在一定範圍內隨曝氣量的增加而增加，當曝氣量>8.48 L/(h·kg)時，會出現略微下降。而過低通風速率會降低堆體中的氧濃度，造成堆體局部厭氧，從而產生大量的臭氣、H2S、甲烷等溫室氣體。張朋月等也發現：當曝氣量較小時，O2供應不足導致有機物分解不徹底，產生硫醇、H2S等含硫化合物。
因此，上堆後採用合理的通風策略，調節堆體的通風供氧速率，可以起到調控堆溫，減少臭氣產生，提高堆肥效率的作用。
02
堆肥過程中的微生物群落演替
堆肥過程中，堆體溫度會呈現先增高后降低的趨勢，這與微生物的活動以及有機物的降解密切相關。溫度變化對微生物的生長繁殖產生影響，而微生物的豐度直接影響堆肥的進程，在溫度變化過程中，一部分菌種因不適應堆料環境，數量減少甚至死亡，另一部分菌種則大量生長繁殖成為優勢種群，引起堆料中微生物群落和數量的演替。
1.升溫階段
在堆肥過程的升溫階段，溫度的上升速率取決於堆體生物易降解的有機質含量與堆體的含水率、O2含量狀況。在堆肥的最初階段，堆體內溫度通常為室溫，pH呈弱酸性，嗜溫菌成為優勢菌群，降解堆體中有機物產生有機酸，此時堆體pH迅速下降，溫度迅速上升，隨後由於有機酸的分解堆體pH又逐漸上升。
細菌的生命活動是堆肥升溫期產熱和有機物分解的主要原因。由於細菌更短的世代周期，在堆肥初期細菌成為主要優勢菌種。Lacey在分離嗜溫菌的試驗中發現：在堆肥過程中，當堆體營養物質含量過高時，放線菌繁殖速率變慢，細菌與真菌成為有機物的主要降解者。Fagan等的研究表明：在堆肥升溫階段，大量的原核生物產生澱粉酶迅速降解澱粉類物質，在堆肥升溫階段同樣重要。Ryckeboer等在利用廚餘垃圾高溫堆肥試驗中分離出升溫期的優勢菌屬包括中溫嗜熱纖維素分解菌、中溫酵母菌、巴氏桿菌、蘇雲金芽孢桿菌等。Pedro等在堆肥升溫期分離出慢生根瘤菌屬等優勢菌屬。Rocha等利用牛糞與園林廢棄物共堆肥試驗升溫階段分離出的優勢菌屬為硝化桿菌屬。
2.高溫階段
在經過數小時或1～2 d後，堆體會達到高溫期，此時堆體內部溫度達到55 ℃左右，嗜溫微生物逐漸死亡或休眠，嗜熱微生物成為主導，纖維素、半纖維素開始被降解。有機廢棄物好氧堆肥最佳高溫溫度為55～60 ℃。通常來講，堆體溫度越高，微生物活性越高，病原微生物的高溫滅活效果越好。在55～60 ℃時，堆體中典型的微生物是內生芽孢桿菌，Ryckeboer等在廚餘垃圾高溫堆肥試驗中也證實了這一點；當堆體溫度上升至60～70 ℃，堆體中最主要的降解微生物變為嗜熱菌，如嗜熱孢子絲菌；在堆體溫度>70 ℃時，大部分嗜熱微生物相繼死亡或進入休眠狀態，僅剩餘少量非芽孢形成菌成為降解微生物，如氫桿菌屬、棲熱菌屬。通常，纖維素的最佳降解溫度在65 ℃左右，嗜熱菌產生耐熱酶對纖維素進行降解。但是，如果堆體溫度過高(>70 ℃)時，會導致堆體內溶解氧含量不足，同樣會抑制微生物的降解效率。在45～60 ℃，大多數嗜熱微生物最為活躍，分解能力最強，且大部分病原微生物均能被殺死。
3.降溫腐熟階段
嗜熱微生物隨著堆體中底物耗盡而停止活動，溫度隨即降低，堆肥進入腐熟階段，木質素等難降解有機物在此階段被逐漸降解並轉化為腐殖質。在腐熟階段，嗜溫微生物替代嗜熱微生物重新成為主導微生物，真菌成為主要降解者，生命活動增強，進一步分解剩餘難降解的有機物，形成腐殖質。
在堆肥過程中，微生物的群落隨堆肥的溫度梯度變化而變化。在堆肥升溫期，堆體內溫度為室溫，嗜溫菌作為優勢菌群，細菌為主要降解者，迅速降解掉可溶性和易降解的有機物。在溫度達到55 ℃以上時，堆肥進程進入高溫期，嗜溫微生物逐漸死亡或休眠，嗜熱微生物成為主導，纖維素、半纖維素開始被降解，病原微生物被高溫滅活，且在高溫期初期由於蛋白質的降解產生大量NH3。隨後，由於堆體中底物耗盡嗜熱微生物停止活動，溫度隨即開始降低，堆肥進入腐熟階段，嗜溫微生物重新成為優勢菌種，真菌成為主要降解者，生命活動增強，進一步分解剩餘難降解的有機物(木質素)。堆肥過程中不同溫度階段下的優勢微生物見表1。
表1 堆肥過程不同溫度階段下的優勢微生物
03
堆肥過程中的酶活性變化
堆肥是靠酶促進行的生物化學反應系統，依靠溫度和微生物之間的關係進行。有機物的減少是微生物同化和異化作用的結果，與微生物組成和活力有很大關係。堆肥物料所含的物質主要有蛋白質、脂肪、澱粉、糖類、纖維素、半纖維素、木質素等。各種有機物需不同微生物群落來進行生物降解，該過程中需要一系列酶的參與。其中，微生物合成的芳基硫酸酯酶，催化裂解硫酸酯鍵，生成無機硫酸根，在去除有機物中的硫酸鹽基團中起重要作用，而脲酶則由微生物合成後分解堆肥物料中所含的尿素，產生NH3和CO2。
1.蛋白質的降解
在合適的環境條件下，微生物利用自身合成的蛋白酶將物料中的蛋白質降解為胺基酸，胺基酸經微生物的脫氨作用生成有機酸與NH3，經微生物脫羧作用生成胺與CO2。胺再經一系列酶催化反應(氨氧化酶、脫氫酶等)生成有機酸，後被徹底氧化為H2O和CO2。
2.脂質的降解
脂質經真菌脂肪酶的水解作用分解為脂肪酸和甘油，甘油繼續在甘油激酶的作用下生成甘油-3-磷酸，進而在磷酸甘油脫氫酶的作用下生成二羥丙酮磷酸，最終進入真菌線粒體和細菌的擬線粒體的三羧酸循環被徹底氧化為H2O和CO2。脂肪酸進行β-氧化，經過一系列的氧化、水化、進一步氧化、硫解反應下生成乙醯-CoA、FADH2、NADH，乙醯-CoA進入三羧酸循環被分解為H2O和CO2，FADH2、NADH經過氧化磷酸化生成大量ATP供微生物生命活動。
3.澱粉的降解
微生物不能直接利用澱粉，必須先依靠微生物胞外水解酶的作用將其分解為單糖等形式。單糖進入微生物細胞內，經葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶、磷酸甘油酸激酶、丙酮酸激酶等一系列酶促反應生成丙酮酸和NADH，NADH經氧化生成ATP，丙酮酸進入三羧酸循環被分解為H2O、CO2和ATP。
4.纖維素、半纖維素的降解
木質纖維素構成了所有植物的主體部分，通常也大量存在於生活垃圾和農業廢物中。木質纖維素中纖維素佔40%～60%，半纖維素佔20%～35%，木質素佔15%～30%。微生物通過合成纖維素酶來降解纖維素，纖維素酶主要包括C1、CX和β-葡萄糖苷酶3部分，C1酶破壞纖維素中晶體狀結構後，CX酶進行水解反應，水解部分纖維素及纖維素衍生物，最後由外切β-1，4-葡萄糖苷酶和內切β-1，4-葡萄糖苷酶將纖維素鏈分解，生成葡萄糖，纖維二糖等小分子物質。最終經糖酵解和三羧酸循環被完全分解。
5.木質素的降解
木質素分子中含有芳香基、酚羥基、醇羥基、羰基、甲氧基、羧基、共軛雙鍵等活性基團，可進行氧化、還原、水解、滷化、硝化、磺化、醇解、烷基化、醯化、縮合或接枝共聚等化學反應，化學性質較為複雜，溶解性差，難以被酸水解。
微生物依靠自身合成的過氧化物酶，通過從木質素的芳環上奪取電子，形成陽離子自由基，繼而以鏈式反應形成許多不同的自由基，引起纖維素的裂解；或合成錳過氧化物酶氧化木質素酚型結構，使木質素在一定結構上發生裂解。
04
堆肥過程中的臭氣
在好氧堆肥過程中最主要的3類惡臭物質為NH3、H2S和VOCs，這些臭氣物質在厭氧和好氧條件下均可產生，主要產生於厭氧發酵過程。採用好氧堆肥處理有機廢棄物的最終產物臭氣較少，但不能完全控制臭氣的產生。
1.NH3
NH3主要產生在堆肥的升溫期與高溫期。在升溫過程中，微生物迅速降解胺基酸、蛋白質等易降解的有機物，在進一步的降解過程中，由脫氨作用產生，大部分NH3溶於水中，導致堆體pH在升溫過程中迅速上升。在高溫期初期，嗜熱微生物進一步代謝蛋白質，增加NH3的釋放並導致鹼化，且由於高溫期溫度達到55 ℃以上，氨在水中的溶解度逐漸減小，大量NH3從堆體中揮發。當溫度從40 ℃升高到50 ℃且pH值增加時，NH3的溶解度約降低30%。堆體中含有的尿素與尿酸被微生物生成的脲酶分解同樣會產生NH3。因此需要通過調控高溫期溫度和末端處理來控制NH3汙染。
2.H2S
H2S主要由堆體在厭氧條件下硫酸鹽還原菌與產甲烷菌的生命活動產生。在富含有機物的厭氧條件下，胺基酸在芳基硫酸酯酶的作用下生成硫化物甲基化連續生成甲硫醇(MT)與二甲基蘇氨酸(DMS)。硫酸鹽還原菌以丙酮酸等有機物為碳源，在細胞膜內產生氫將還原為H2S；產甲烷菌產甲烷過程中，DMS被還原為甲烷與MT，MT隨後發生歧化反應生成CH4、CO2、H2S，在MT歧化反應過程中生成的還原當量繼續用於DMS的初步還原。產甲烷菌對MT於DMS的降解過程與硫酸鹽還原菌對的還原過程是最主要的H2S產生途徑。
在胺基酸降解過程中，會有芳基硫酸酯酶參與降解，從胺基酸上脫下硫離子生成在厭氧條件下，被硫酸鹽還原菌在產氫階段直接還原為H2S，需要切斷硫酸鹽還原菌產氫階段所用的酶；同時好氧堆肥體系中富含有機物，厭氧條件下，硫化物反應產生MT和DMS，在產甲烷菌產甲烷過程中生成H2S，需要切斷產甲烷菌的酶系統。因此，可以嘗試從酶促反應的角度切斷堆肥過程中H2S的產生，在阻斷硫酸鹽還原菌與產甲烷菌酶系統的條件下，從源頭抑制H2S的產生。
3.VOCs
VOCs在堆肥過程中的產生濃度較低，但由於其臭閾值很高，因此對臭味貢獻很大。常見的VOCs包括揮發性脂肪酸、醛、酮、酯等，均是由於堆肥局部厭氧，有機物降解不完全導致的，其中以硫醚致臭最為顯著。大部分VOCs是在堆肥處理的初期階段排放的，這是由於堆肥初期蛋白質胺基酸被微生物迅速分解產生揮發性脂肪酸，同時O2含量不足導致VOCs的揮發。Suffet等認為可以將堆肥過程的VOCs分為4類：1)汙水攜帶的VOCs：碳氫化合物、吲哚、糞臭素、吡啶；2)微生物好氧發酵產生的VOCs：揮發性脂肪酸、胺類物質；3)發酵過程局部厭氧產生的VOCs：含硫揮發性有機物；4)堆肥產品中的VOCs：萜烯、呋喃。同樣，VOCs的產生是由於蛋白酶的降解過程中，胺基酸脫氨脫羧產生小分子有機酸，脫羧作用產生胺和醛，在好氧發酵升溫過程中，隨溫度升高導致VOCs在還未分解的情況下發生逸散，完全是物理過程，無法通過切斷酶促反應控制VOCs的產生。
05
結 論
國內外對於有機廢棄物好氧堆肥的研究，普遍關注堆肥過程的通風調控與臭氣的末端治理，鮮有研究重視各個階段微生物群落、酶活性與臭氣產生關係的研究，缺乏對酶系統與臭氣產生機理的研究。對堆肥各個階段優勢菌屬降解有機物所進行的酶促反應進行剖析，有利於了解堆肥過程臭氣的產生機理，並從微生物降解過程中產生臭氣的酶促反應的角度，切斷臭氣產生的進程，以達到從源頭控制臭氣的目的。