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一、概述
任何一種合格優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料的生產(chǎn)都必須經(jīng)過堆肥發(fā)酵過程。
堆肥是在一定條件下通過微生物的作用，使有機(jī)物不斷被降解和穩(wěn)定，并產(chǎn)出一種適宜于土地利用的產(chǎn)品的過程。
堆肥這種古老而簡(jiǎn)便的處理有機(jī)廢棄物和制造肥料的方法，隨著研究的深入和方法的改進(jìn)，其應(yīng)用很受各個(gè)國(guó)家的重視，因?yàn)樗泻芎玫纳鷳B(tài)意義，也為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來效益。有許多報(bào)道指出，用腐熟堆肥制備種子苗床能抑制土傳病害。并且在堆肥過程的高溫階段過后接踵而來的拮抗性細(xì)菌，可使菌數(shù)達(dá)到很高水平；堆肥過程中各有機(jī)物在微生物作用下，達(dá)到不易分解、穩(wěn)定、作物易吸收狀態(tài)；同時(shí)微生物作用在一定范圍內(nèi)減少重金屬毒害作用?？梢?，堆肥是制造生物有機(jī)肥的簡(jiǎn)便而有效的方法，有益于生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。
我國(guó)國(guó)內(nèi)大多數(shù)有機(jī)肥料產(chǎn)品只堆肥發(fā)酵15-20天，這樣的產(chǎn)品只能達(dá)到無害化標(biāo)準(zhǔn)。而優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料堆肥發(fā)酵過程一般需要45-60天的時(shí)間。這是因?yàn)樵诙逊是捌诘纳郎仉A段以及高溫階段會(huì)殺死植物致病病原菌、蟲卵、雜草籽等有害微生物，但此過程中微生物的主要作用是新陳代謝、繁殖，而只產(chǎn)生很少量的代謝產(chǎn)物，并且這些代謝產(chǎn)物不穩(wěn)定也不易被植物吸收。到后期的降溫期，微生物才會(huì)進(jìn)行有機(jī)物的腐殖質(zhì)化，并在此過程中產(chǎn)生大量有益于植物生長(zhǎng)吸收的代謝產(chǎn)物，這個(gè)過程需要45-60天。經(jīng)此過程的堆肥可以達(dá)到三個(gè)目的，一是無害化；二是腐殖質(zhì)化；三是大量微生物代謝產(chǎn)物如各種抗生素、蛋白類物質(zhì)等。
堆肥為什么產(chǎn)生這樣的效果呢？下面我們對(duì)堆肥原理進(jìn)行比較詳盡的介紹。
二、有機(jī)肥發(fā)酵原理
?。ㄒ唬┒逊蔬^程中有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化
堆肥中的有機(jī)質(zhì)在微生物作用下進(jìn)行復(fù)雜的轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化可歸納為兩個(gè)過程：一個(gè)是有機(jī)質(zhì)的礦質(zhì)化過程，即把復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)分解成為簡(jiǎn)單的物質(zhì)，最后生成二氧化碳、水和礦質(zhì)養(yǎng)分等；另一個(gè)是有機(jī)質(zhì)的腐殖化過程，即有機(jī)質(zhì)經(jīng)分解再合成，生成更復(fù)雜的特殊有機(jī)質(zhì)-腐殖質(zhì)。兩個(gè)過程是同時(shí)進(jìn)行的，但方向相反，在不同條件下，各自進(jìn)行的強(qiáng)度有明顯的差別。
1.有機(jī)質(zhì)的礦化作用
⑴不含氮有機(jī)物的分解：多糖化合物（淀粉、纖維素、半纖維素）首先在微生物分泌的水解酶的作用下，水解成單糖。葡萄糖在通氣良好的條件下分解迅速，酒精、醋酸、草酸等中間產(chǎn)物不易積累，最終形成CO2和H2O，同時(shí)放出大量熱能。如果通氣不良，在嫌氣微生物作用下，單糖分解緩慢，產(chǎn)生熱量少，并積累一些中間產(chǎn)物-有機(jī)酸。在極嫌氣微生物條件下，還會(huì)生成CH4、H2等還原態(tài)物質(zhì)。
?、坪袡C(jī)物的分解：堆肥中的含氮有機(jī)物包括蛋白質(zhì)、氨基酸、生物堿、腐殖質(zhì)等。除腐殖質(zhì)外，大部分容易被分解。例如蛋白質(zhì)，在微生物分泌的蛋白酶作用下，逐級(jí)降解，產(chǎn)生各種氨基酸，再經(jīng)氨化作用、硝化作用而分別形成銨鹽、硝酸鹽，可以被植物吸收利用。
?、呛子袡C(jī)物的轉(zhuǎn)化：堆肥中的含磷有機(jī)化合物，在多種腐生性微生物的作用下，形成磷酸，成為植物能夠吸收利用的養(yǎng)分。
?、群蛴袡C(jī)物的轉(zhuǎn)化：堆肥中含硫有機(jī)物，經(jīng)微生物的作用生成硫化氫。硫化氫在嫌氣環(huán)境中易積累，對(duì)植物和微生物會(huì)發(fā)生毒害。但在通氣良好的條件下，硫化氫在硫細(xì)菌的作用下氧化成硫酸，并和堆肥中的鹽基作用形成硫酸鹽，不僅消除了硫化氫的毒害，并成為植物能吸收的硫素養(yǎng)料。在通氣不良的情況下，發(fā)生反硫化作用，使硫酸轉(zhuǎn)變?yōu)镠2S散失，并對(duì)植物產(chǎn)生毒害。堆肥發(fā)酵過程中，可以通過定時(shí)翻倒措施改善堆肥的通氣性，就能消除反硫化作用。
?、芍惣胺枷泐愑袡C(jī)物的轉(zhuǎn)化：?jiǎn)螌?、樹脂等結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分解較慢，其最終產(chǎn)物也是CO2和水；木質(zhì)素是含植物性原料（如樹皮、木屑等）堆肥中特別穩(wěn)定的有機(jī)化合物，它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含芳香核，并以多聚形式存在于植物組織中，極難分解。在通氣良好的條件下，主要通過真菌、放線菌的作用，緩慢地進(jìn)行分解，其芳香核可變?yōu)轷突衔铮窃俸铣筛迟|(zhì)的原料之一。當(dāng)然，這些物質(zhì)在一定條件下，還會(huì)繼續(xù)被分解的。
綜上所述，堆肥有機(jī)質(zhì)的礦質(zhì)化，可為作物和微生物提供速效養(yǎng)分，為微生物活動(dòng)提供能源，并為堆肥有機(jī)質(zhì)的腐殖化準(zhǔn)備基本原料。堆肥以好氣性微生物活動(dòng)為主時(shí)，有機(jī)質(zhì)迅速礦化生成較多的二氧化碳、水及其它養(yǎng)分物質(zhì)，分解速度快而徹底，并放出大量熱能；以嫌氣性微生物活動(dòng)為主時(shí)，有機(jī)質(zhì)的分解速度慢，且往往不徹底，釋放熱能少，其分解產(chǎn)物除植物養(yǎng)分外，尚易積累有機(jī)酸及CH4、H2S、PH3、H2等還原性物質(zhì)，當(dāng)其達(dá)到一定程度時(shí)，則對(duì)作物生長(zhǎng)不利甚至有害。因此堆肥發(fā)酵期間的翻倒也是為了轉(zhuǎn)換微生物活動(dòng)類型，以消除有害物質(zhì)。
2.有機(jī)質(zhì)的腐殖化過程
關(guān)于腐殖質(zhì)的形成過程有很多種說法，概括起來大體可分為兩個(gè)階段：第一階段，有機(jī)殘?bào)w分解形成組成腐殖質(zhì)分子的原始材料，如多元酚、含氮有機(jī)物（氨基酸、肽等）等；第二階段，先由微生物分泌的多酚氧化酶將多酚氧化成醌，然后醌與氨基酸或肽縮合而成腐殖質(zhì)單體。由于酚、醌、氨基酸種類很多，相互縮合的方式也不盡相同，因而形成的腐殖質(zhì)單體也就多種多樣。在不同條件下，這些單體又進(jìn)一步縮合形成大小不等的分子。
?。ǘ┒逊蔬^程中重金屬的的轉(zhuǎn)化
城市污泥中含有豐富的作物生長(zhǎng)所需的各種養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)，是堆肥發(fā)酵最佳原材料之一。但城市污泥中往往含有重金屬，這些重金屬一般指汞、鉻、鎘、鉛、砷等。微生物特別是細(xì)菌、真菌在重金屬的生物轉(zhuǎn)化中起重要作用。雖然有些微生物可以改變重金屬在環(huán)境中的存在狀態(tài)，使化學(xué)物毒性增強(qiáng)而引起嚴(yán)重的環(huán)境問題或濃縮重金屬，并通過食物鏈積累。但也有些微生物可以通過直接和間接的作用去除環(huán)境中重金屬，有助于改善環(huán)境。如最早受到關(guān)注的造成環(huán)境污染的重金屬-汞，微生物轉(zhuǎn)化汞包括3方面，無機(jī)汞（Hg2+）的甲基化、無機(jī)汞（Hg2+）還原成Hg0，甲基汞和其他有機(jī)汞化合物的裂解并還原成Hg0。這些能將無機(jī)汞和有機(jī)汞轉(zhuǎn)化為單質(zhì)汞的微生物稱為抗汞微生物。微生物雖然不能降解重金屬，但通過對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)化作用，控制其轉(zhuǎn)化途徑，可以達(dá)到減輕毒性的作用。
?。ㄈ┒逊拾l(fā)酵工藝
堆肥實(shí)際就是廢棄物穩(wěn)定化的一種形式，但它需要特殊的濕度、通氣條件和微生物以產(chǎn)生適宜的溫度。一般認(rèn)為這個(gè)溫度要高于45℃，保持這種高溫可以使病原菌失活，并殺死雜草種子。在合理堆肥后殘留的有機(jī)物分解率較低、相對(duì)穩(wěn)定并易于被植物吸收。堆肥后臭味可以大大降低。
堆肥過程有許多不同種類的微生物參與。由于原料和條件的變化，各種微生物的數(shù)量也在不斷發(fā)生變化，所以堆肥過程中沒有任何微生物始終占據(jù)主導(dǎo)地位。每一個(gè)環(huán)境都有其特定的微生物菌群，微生物的多樣性使得堆肥在外部條件出現(xiàn)變化的情況下仍可避免系統(tǒng)崩潰。
堆肥過程主要靠微生物的作用進(jìn)行，微生物是堆肥發(fā)酵的主體。參與堆肥的微生物有兩個(gè)來源：一是有機(jī)廢棄物里面原有的大量微生物；另一是人工加入的微生物接種劑。這些菌種在一定條件下對(duì)某些有機(jī)廢物具有較強(qiáng)的分解能力，具有活性強(qiáng)、繁殖快、分解有機(jī)物迅速等特點(diǎn)，能加速堆肥反應(yīng)的進(jìn)程，縮短堆肥反應(yīng)的時(shí)間。
堆肥一般分為好氧堆肥和厭氧堆肥兩種。好氧堆肥是在有氧情況下的有機(jī)物料分解過程，其代謝產(chǎn)物主要是二氧化碳、水和熱；厭氧堆肥是在無氧條件下有機(jī)物料的分解過程，厭氧分解最后的代謝產(chǎn)物是甲烷、二氧化碳和許多低分子量的中間產(chǎn)物，如有機(jī)酸等。
參與堆肥過程的主要微生物種類是細(xì)菌、真菌以及放線菌。這3種微生物都有中溫菌和高溫菌。
堆肥過程中微生物的種群隨溫度的變化發(fā)生如下的交替變化：低、中溫菌群為主轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈邷鼐簽橹?，中高溫菌群為主轉(zhuǎn)化為中低溫菌群。隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)菌逐漸減少，放線菌逐漸增多，霉菌和酵母菌在堆肥的末期顯著減少。
有機(jī)堆肥的發(fā)酵過程簡(jiǎn)單可分為以下4各階段：
?、虐l(fā)熱階段：堆肥制作初期，堆肥中的微生物以中溫、好氣性的種類為主，最常見的是無芽孢細(xì)菌、芽孢細(xì)菌和霉菌。它們啟動(dòng)堆肥的發(fā)酵過程，在好氣性條件下旺盛分解易分解有機(jī)物質(zhì)（如簡(jiǎn)單糖類、淀粉、蛋白質(zhì)等），產(chǎn)生大量的熱，不斷提高堆肥溫度，從20℃左右上升至40℃，稱為發(fā)熱階段，或中溫階段。
⑵高溫階段：隨著溫度的提高，好熱性的微生物逐漸取代中溫性的種類而起主導(dǎo)作用，溫度持續(xù)上升，一般在幾天之內(nèi)即達(dá)50℃以上，進(jìn)入高溫階段。在高溫階段，好熱放線菌和好熱真菌成為主要種類。它們對(duì)堆肥中復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)（如纖維素、半纖維素、果膠物質(zhì)等）進(jìn)行強(qiáng)烈分解，熱量積累，堆肥溫度上升至60-70℃，甚至可高達(dá)80℃.隨即大多數(shù)好熱性微生物也大量死亡或進(jìn)入休眠狀態(tài)（20d以上），這對(duì)加快堆肥的腐熟有很重要的作用。堆肥不當(dāng)?shù)亩逊剩挥泻芏痰母邷仄?，或者根本達(dá)不到高溫，因而腐熟很慢，在半年或者更長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)還達(dá)不到半腐熟狀態(tài)。
⑶降溫階段：當(dāng)高溫階段持續(xù)一定時(shí)間后，纖維素、半纖維素、果膠物質(zhì)大部分已被分解，剩下很難分解的復(fù)雜成分（如木質(zhì)素）和新形成的腐殖質(zhì)，微生物的活動(dòng)減弱，溫度逐漸下降。當(dāng)溫度下降到40℃以下時(shí)，中溫性微生物又成為優(yōu)勢(shì)種類
如果降溫階段來的早，表明堆制條件不夠理想，植物性物質(zhì)分解不充分。這時(shí)可以翻堆，將堆積材料拌勻，使之產(chǎn)生第二次發(fā)熱、升溫，以促進(jìn)堆肥的腐熟。
?、雀毂７孰A段：堆肥腐熟后，體積縮小，堆溫下降至稍高于氣溫，這時(shí)應(yīng)將堆肥壓緊，造成厭氣狀態(tài)，使有機(jī)質(zhì)礦化作用減弱，以利于保肥。
簡(jiǎn)而言之，有機(jī)堆肥的發(fā)酵過程實(shí)際上就是各種微生物新陳代謝、繁殖的過程。微生物的新陳代謝過程即有機(jī)物分解的過程。有機(jī)物分解必然會(huì)產(chǎn)生能量，這些能量推動(dòng)了堆肥化進(jìn)程，使溫度升高，同時(shí)還可干燥濕基質(zhì)。
許多堆肥用的基質(zhì)攜帶人類、動(dòng)植物的病原體，以及令人討厭的生物如雜草種子。在堆肥過程中，通過短時(shí)間的持續(xù)升溫，可以有效地控制這些生物的生長(zhǎng)。因此，高溫堆肥的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)就是能夠使人和動(dòng)植物病原體以及種子失活。
病原體以及種子失活是由于其細(xì)胞死亡，而細(xì)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。在一個(gè)很小的溫度范圍內(nèi)酶的活性部分將迅速降低。如沒有酶的作用，細(xì)胞就會(huì)失去功能，然后死亡。只有少數(shù)幾種酶能夠經(jīng)受住長(zhǎng)時(shí)間的高溫。因此，微生物對(duì)熱失活非常敏感。
研究表明，在一定溫度下加熱一段時(shí)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?？梢云茐姆茄挎呒?xì)菌和芽孢細(xì)菌的非休眠體的活性。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。但在較低溫度下（50-60℃），一些病原菌的滅活則可長(zhǎng)達(dá)60d。因此堆肥過程中保持60℃以上溫度一段時(shí)間是必須的。
堆肥制作過程中，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行翻堆。一般在堆溫越過高峰開始降溫時(shí)進(jìn)行，翻堆可以使內(nèi)層外層分解溫度不同的物質(zhì)重新混合均勻。如濕度不足可補(bǔ)加一些水，促進(jìn)堆肥均勻腐熟。
堆肥過程中的各種生物、微生物的死亡、更替及物質(zhì)形態(tài)轉(zhuǎn)化都是同時(shí)進(jìn)行的，上述分塊介紹是從不同角度對(duì)堆肥發(fā)酵原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，無論是從熱力學(xué)、生物學(xué)還是物質(zhì)轉(zhuǎn)化角度，這些反應(yīng)都不是幾天或十幾天這么短時(shí)間能夠完成的，這也是為什么即使各種溫度、濕度、水分、微生物等條件都控制的很好的前提下，堆肥仍要經(jīng)歷45-60天時(shí)間的原因。
附錄：成熟堆肥的指標(biāo)：
項(xiàng)目 指標(biāo)
N(%) ＞2
C/N ＜20
灰分(%) 10-20
水分(%) 10-20
P(%) 0.15-1.5
持水量(%) 150-200
陽(yáng)離子交換量(cmol/kg) 75-100
還原糖(%) ＜35
顏色 棕黑
氣味 泥土氣
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