论文为国家自然科学基金重大国际合作项目的部分研究内容,针对粪便的生态卫生处理和肥料化利用,设计了密闭式好氧堆肥反应器,采用锯末作为载体进行了粪便好氧堆肥实验,重点研究了好氧堆肥反应过程中有机物、氮、磷等物质的降解和迁移转化规律。研究工作采用批量式好氧堆肥的操作方式进行,通过水浴进行堆肥反应器的恒温控制,气泵供气以提供反应器内的好氧条件,冷凝水循环及外加水分保持堆肥过程中的堆体含水率。在60℃的高温条件和35℃的中温条件下,按粪便与锯末干重比为1:4进料,进行周期为14d的好氧堆肥实验,研究了粪便中以总固体、有机性固体和无机性固体为参数的物化特性指标的变化规律,以COD为代表的有机物的生化降解规律,总氮、有机氮和各种形态的无机氮在堆肥过程中的迁移转化以及反应器中氨气的释放规律。通过反应器中生物量的定量检测和运用FISH技术的细菌种群分析,揭示了堆肥反应器中的微生物繁衍特性,在此基础上进行了好氧堆肥的生化降解动力学研究。论文研究工作的主要结果如下:(1)好氧堆肥反应器具有良好的固体减量效果,两种温度条件下粪便中的总固体减量均可达50%以上,且高温条件下的减量效果更好。随着有机物降解有机性固体的大幅度减少是固体减量的主要原因。(2)好氧堆肥反应器具有良好的有机物降解效果,两种温度条件下粪便中的COD和TOC去除率均可达到70%以上,且高温条件下的有机物降解率更高。在中温条件下,有机物降解在10d~12d完成,而高温条件下的有机物降解可在6d~8d完成。(3)好氧堆肥的温度直接影响粪便中肥分氮的保持特性。在高温条件下,氮的损失率仅为17%,且几乎全部表现为粪便中的氨氮转化为氨气释放,这一过程在堆肥反应初期的24h内即基本完成,而粪便中的有机氮含量在整个反应过程中几乎不发生变化。在中温条件下,氮的损失率高于高温条件,为31%,但这一过程伴随着有机氮的损失,且氨气释放持续4d左右,总释放量高于高温条件,说明存在有机氮的氨化,进而转化为氨气。根据氨气累积浓度的物料平衡计算结果表明,两种温度条件下的氮损失量与氨气释放量相等。高温条件有利于氮的保持是好氧堆肥反应的一个重要特征。(4)采用磷脂法进行堆体中生物量检测的结果表明,原始粪便中已存在有较高的生物量。随着堆肥反应的进行生物量有初期降低后又逐渐增大的趋势,说明微生物需要适应环境后再增殖。生物量在中温条件下11d~12d达到峰值,而在高温条件下5d~6d达到峰值,峰值的出现与有机物降解的完成时间基本一致,之后生物量逐渐降低,表明生化可降解有机物的利用导致了生物量的增殖。高温条件下的生物量峰值高于中温条件,这与高温条件下有机物降解率较高的结果是一致的。(5)基于粪便中的有机物包括可生化降解和不可生化降解两部分的假设,可建立有机物降解的拟一级生化反应动力学模型。运用高温和中温条件下堆肥反应的实验数据,推求出了两种条件下的一级反应动力学常数分别为0.4413和0.2684,高温条件下的有机物降解速率为中温条件下的1.65倍。(6)FISH原位杂交分析和运用Image-Pro Plus 6.0软件的分析结果表明,在高温条件下氨氧化菌(AOB)与亚硝酸盐氧化菌(NOB)的丰度从堆肥反应初期即迅速降低,而中温条件下AOB和NOB的丰度降低明显缓慢。说明高温堆肥反应抑制了与氮转化相关的微生物作用,从而粪便中的有机氮基本上不发生分解,使得堆肥产物能保持很高的营养物氮含量。(7)在好氧堆肥反应中,粪便中的磷浓度基本上不发生变化,从而保持了堆肥产物中营养物磷的含量。论文的上述研究结果揭示了好氧堆肥反应过程中有机物的分解和营养物的迁移转化规律,表明堆肥反应温度的合理控制是调整堆肥产物中肥分含量的有效途径,60℃条件下的高温堆肥能有效避免粪便中的有机氮损失。研究成果具有重要的理论意义和实用价值。