堆肥過(guò)程通常分兩個(gè)階段，即次堆肥(也叫快速或高溫發(fā)酵)和二次堆肥（也叫后熟或陳化)。這兩個(gè)階段之間通常沒(méi)有明確的界限和區(qū)分。

 一、有機(jī)堆肥點(diǎn)

  次堆肥階段的點(diǎn)是：高氧氣吸收率，高溫，可降解揮發(fā)性固體(BVS) 大量減少，高的臭味潛力。通常，次堆肥階段由于需要減少臭氣，因此需要提供通氣和保持對(duì)堆肥過(guò)程的良好控制。

  二次堆肥階段的點(diǎn)是：溫度低，氧氣吸收率低，臭味潛力低。相對(duì)次堆肥來(lái)講，二次堆肥階段的管理和調(diào)控比較簡(jiǎn)單，然面從工程角度看，不能沒(méi)有二次堆肥，因?yàn)槎味逊孰A段可繼續(xù)降解那些難降解的有機(jī)物，還要克服反應(yīng)速率變慢以及重建低溫微生物群落，從而有助于堆肥腐熟、減少植物毒性物質(zhì)和抑制病原菌。這兩個(gè)階段對(duì)個(gè)完整的堆肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作來(lái)說(shuō)是缺不可的，而且是生產(chǎn)腐熟堆肥所必需的。

  次堆肥開(kāi)始之前的原料處理稱為前處理，后熟階段之后的原料處理稱為后處理。前處理或后處理是否需要依賴于原料的點(diǎn)和期望的產(chǎn)品質(zhì)量。

 二、有機(jī)堆肥過(guò)程

  1、升溫階段般指堆肥過(guò)程的初期，在該階段，堆體溫度逐步從環(huán)境溫度上升到45C左右，主導(dǎo)微生物以嗜溫性微生物為主，包括細(xì)菌、真菌和放線菌，分解底物以糖類和淀粉類為主，期間能發(fā)現(xiàn)真菌的子實(shí)體，也有動(dòng)物及原生動(dòng)物參與分解、

  2、高溫階段堆溫升至45C以上即進(jìn)人高溫階段，在這階段，嗜溫微生物受到抑制甚至死亡，而嗜熱微生物則上升為主導(dǎo)微生物。堆肥中殘留的和新形成的可溶性有機(jī)物質(zhì)繼續(xù)被氧化分解，復(fù)雜的有機(jī)物如半纖維素纖維素和蛋白質(zhì)也開(kāi)始被強(qiáng)烈分解。微生物的活動(dòng)交替出現(xiàn)，通常在50C左右時(shí)活躍的是嗜熱性真菊和放線菌，溫度上升到60C時(shí)真菌幾乎完停止活動(dòng)，僅有嗜熱性細(xì)菌和放線菌活動(dòng)，溫度升到70C時(shí)大多數(shù)嗜熱性微生物已不再適應(yīng)，并大批進(jìn)入休眠和死亡階段?，F(xiàn)代化堆肥生產(chǎn)的 佳溫度般為55C，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)微生物在該溫度范圍內(nèi)活躍，易分解有機(jī)物，而病原菌和寄生蟲(chóng)大多數(shù)可被殺死。

  3、降溫階段高溫階段必然造成散生物的死亡和活動(dòng)減少，自然進(jìn)人低溫階段。在這階段，嗜溫性微生物又開(kāi)始占據(jù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)殘余較難分解的有機(jī)物作進(jìn)步的分解，但微生物活性普遍下降，堆體發(fā)熱量減少，溫度開(kāi)始下降，有機(jī)物趨于穩(wěn)定化，需氧量大大減少，堆肥進(jìn)人腐熟或后熟階段。

 二、堆肥反應(yīng)基本原理

  好氧有機(jī)堆肥的基本反應(yīng)過(guò)程可以表示為：

  好氧條件下，堆肥物料中的可溶性有機(jī)物透過(guò)微生物的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜為做生物吸收；固體和膠體有機(jī)物質(zhì)先附著在微生物體外，由微生物分泌胞外酶將其分解為可落性物質(zhì)，再滲入細(xì)胞。

  同時(shí)微生物通過(guò)自身的代謝活動(dòng)，也使部分有機(jī)物被氧化成簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物，并釋放能量，使另部分有機(jī)物用于合成微生物自身的細(xì)胞物質(zhì)，提供微生物各種生理活動(dòng)所需的能量，使機(jī)體能進(jìn)行正常的生長(zhǎng)與繁殖。好氧堆肥反應(yīng)過(guò)程如圖所示。

  堆肥中有機(jī)物的氧化與合成基本過(guò)程如下。

 四、堆肥生物學(xué)原理

  ()、堆肥微生物種類

  堆肥過(guò)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(guò)程中沒(méi)有任何微生物是始終占據(jù)主導(dǎo)地位的。每個(gè)環(huán)境都有其定的微生物種群，微生物的多樣性使得堆肥在外部條件出現(xiàn)變化的情形仍可避免系統(tǒng)崩潰。

  參與堆肥過(guò)程的主要微生物種類是細(xì)菌、放線菌以及真菌。這三種微生物都有中溫菌和高溫菌。

  1、細(xì)菌

  在好氧堆肥系統(tǒng)中，存在著大量的細(xì)菌。細(xì)菌憑借大的比表面積，可以快速將可溶性底物吸收到細(xì)胞中。所以在堆肥過(guò)程中，細(xì)菌在數(shù)量上通常要比體積更大的微生物(如真菌)多得多。在不同的堆肥環(huán)境中分離的細(xì)菌在分類學(xué)上具有多樣性，其中包括假單胞菌屬(Pseduomonas)、克雷伯菌屬(Klebsiella) 以及芽孢桿菌屬(Bacillus) 的細(xì)菌。

  些細(xì)菌，例如芽孢桿菌，能夠生成很厚的孢子壁以抵抗高溫、輻射和化學(xué)腐蝕。因此芽孢桿菌屬(Bacillus)的些種，例如枯草芽孢桿菌(B、 subtilis)、地衣芽孢桿菌(B、licheniformis)和環(huán)狀芽孢桿菌(B、circulans)成為堆肥高溫階段中的代表性細(xì)菌或優(yōu)勢(shì)菌。嗜溫細(xì)菌是堆肥系統(tǒng)中主要的微生物，研究表明，在堆肥過(guò)程的初始階段，嗜溫細(xì)菌為活躍，其數(shù)量為8.5X10*~5.8X109個(gè)/g干物料，隨著堆溫達(dá)到 大值，其種群數(shù)量達(dá)到 低：在降溫階段，嗜溫細(xì)菌的數(shù)量又有所回升。

  2、放線菌

  放線菌是具有多細(xì)胞菌絲的細(xì)菌，因此它更像是真菌。放線菌可以分解纖維素，并溶解木質(zhì)素。同時(shí)，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(zhì)素的能力并沒(méi)有真菌強(qiáng)，但是它們?cè)诙逊蔬^(guò)程中的高溫期卻是分解木質(zhì)纖維素的優(yōu)勢(shì)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(Nocardia)、鏈霉菌Streptomyces)、 高溫放線菌( Thermoactinomyces)和單孢子菌(Micromonos pora)等都是在堆肥中占優(yōu)勢(shì)的嗜熱性放線菌，它們不僅出現(xiàn)在堆肥過(guò)程中的高溫階段，同樣也在降溫階段和熟化階段出現(xiàn)。

  3、真菌

  真菌，尤其是白腐真菌可以利用堆肥底物中所有的木質(zhì)纖維素，由此，真菌的存在對(duì)于堆肥的腐熟和穩(wěn)定具有重要的意義。嗜溫性真菌地霉菌Geotrichumsp) 和嗜熱性真菌煙曲霉(Aspergillusfumigatus) 是堆肥物料中的優(yōu)勢(shì)種群，其他些真菌，如擔(dān)子菌( Basidiomycotina),子囊菌(Ascomycotia), 橙色嗜熱子囊菌( Thermoascusaurantiacus)也具有較強(qiáng)的分解木質(zhì)纖維素的能力。但隨著溫度的升高，真菌的菌數(shù)開(kāi)始減少，在64C時(shí)，幾乎所有的嗜熱性真菌部消失。當(dāng)溫度下降到60C以下時(shí)，嗜溫性真菌和嗜熱性真菌又都會(huì)重新出現(xiàn)在堆肥中。研究顯示，溫度是影響真菌生長(zhǎng)的重要因素之，大部分的真菌是嗜溫性菌，可以在5~37C的環(huán)境中生存，其適溫度為25~30C。但是，在堆肥過(guò)程中，由于高溫時(shí)間持續(xù)較短，在增強(qiáng)真菌降解能力的同時(shí)卻不足以將其致死。

  病原體是對(duì)人體、動(dòng)物或者植物有害的生物。動(dòng)物的糞便、植物秸稈以及庭院廢棄物中都能發(fā)現(xiàn)病原體，城市污泥也含有人體病原微生物。高溫堆肥能大量減少植物和動(dòng)物病原體的數(shù)量。

  總之，堆肥過(guò)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(lái)源：是有機(jī)廢物里面原有的大量微生物；二是人工加入的微生物接種劑，這些菌種在定條件下對(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。

  (二)、堆肥過(guò)程微生物演替規(guī)律

  堆肥過(guò)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)橹小⒏邷鼐簽橹?，中、高溫菌群為主轉(zhuǎn)變?yōu)橹?、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。研究發(fā)現(xiàn)：堆肥溫度在50C時(shí)，高溫真菌、細(xì)菌和放線菌非常活躍：65C時(shí)， 真菌少，細(xì)菌和放線菌占優(yōu)勢(shì)；75C時(shí)僅有產(chǎn)孢細(xì)菌是存活的微生物。

  在高溫堆肥中，微生物的活動(dòng)主要分為三個(gè)時(shí)期：糖分解期、纖維素分解期、木質(zhì)素分解期。堆制初期主要是氨化細(xì)菌、糖分解菌等無(wú)芽孢細(xì)菌為主，對(duì)粗有機(jī)質(zhì)、糖分等水溶性有機(jī)物以及蛋白質(zhì)類進(jìn)行分解，稱為“糖分解期”。當(dāng)堆內(nèi)溫度升高到50~70C的高溫階段，高溫性纖維素分解菌占優(yōu)勢(shì)，除繼續(xù)分解易分解的有機(jī)物質(zhì)外，主要分解半纖維素、纖維素等復(fù)雜有機(jī)物，同時(shí)也開(kāi)始了腐殖化過(guò)程，這階段稱為“纖維素分解期”。當(dāng)堆肥溫度降至50C以下時(shí)，高溫分解菌的活動(dòng)受到抑制，中溫性微生物顯著增加，主要分解殘留下來(lái)的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)，稱為“木質(zhì)素分解期”。

  堆肥既然是微生物作用的過(guò)程，如何通過(guò)各種手段滿足微生物的生長(zhǎng)需要就成為堆肥工程的核心。堆肥實(shí)際工作者應(yīng)了解這些基本的微生物作用點(diǎn)，為合理的物料配比、過(guò)程控制以及保障產(chǎn)品質(zhì)量奠定良好的生物學(xué)理論基礎(chǔ)。

 五、堆肥熱力學(xué)原理

  熱力學(xué)是個(gè)涉及能量和其轉(zhuǎn)化的學(xué)科，其原理也廣泛用于堆肥系統(tǒng)的分析。

  熱力學(xué) 定律為能量守恒定律，即能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生也不會(huì)消失。因此，可以認(rèn)為能量進(jìn)人個(gè)系統(tǒng)后只有兩條出路：是儲(chǔ)存起來(lái)；二是流出此系統(tǒng)。堆肥工藝中的主要能量輸人是堆肥基質(zhì)的有機(jī)分子，當(dāng)這些分子被微生物分解時(shí)，能量可轉(zhuǎn)化為微生物機(jī)體或以熱釋放到周?chē)h(huán)境中。由此可見(jiàn)，有機(jī)物分解產(chǎn)生的能量推動(dòng)了堆肥化進(jìn)程，使溫度升高，同時(shí)還可干燥濕基質(zhì)。實(shí)際上也正好可以使微生物繼續(xù)獲得能量對(duì)周?chē)袡C(jī)質(zhì)進(jìn)行分解。

  熱力學(xué)二定律則提出了熱量的散失方向，即對(duì)于所有立系統(tǒng)來(lái)講，其熵的變化總是向著無(wú)序增加的狀態(tài)進(jìn)行。堆肥過(guò)程中始終伴隨著熱量的散失，熱量旦損失，就不可逆轉(zhuǎn)，必須靠微生物進(jìn) 步利用有機(jī)碳源來(lái)獲得能量。

  堆肥熱力學(xué)過(guò)程簡(jiǎn)圖描述了系統(tǒng)的主要輸人輸出過(guò)程。主要輸人有基質(zhì)、其他調(diào)理劑、空氣及其攜帶的水蒸氣;主要輸出是堆肥產(chǎn)品、排出的干燥氣體和水蒸氣。圖中分析了與這些物質(zhì)相關(guān)的熱量輸人和輸出，雖然散發(fā)到環(huán)境中的熱損失沒(méi)有計(jì)在內(nèi)，但通常是熱輸出的-小部分；堆肥回料和膨脹劑回料沒(méi)在圖中標(biāo)出，這些物料的流動(dòng)屬于系統(tǒng)邊界的內(nèi)部因素，它們對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的平衡是重要的，但不影響整個(gè)系統(tǒng)熱平衡。

  有機(jī)物分解產(chǎn)生的熱量使堆肥混合物中的水、氣和固體基質(zhì)溫度升高，也驅(qū)動(dòng)了水分隨氣體排出而蒸發(fā)。由于堆垛溫度比周?chē)h(huán)境溫度要高，熱量會(huì)從暴露于空氣的堆體表面散失。堆垛的隔離應(yīng)定程度上可限制熱傳導(dǎo)，并減少了熱損失。條垛或堆體在機(jī)械攪拌下也會(huì)產(chǎn)生熱量損失。

 六、堆肥熱失活原理

  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，來(lái)源于城市污水處理后的污泥，就是典型的攜帶病原體的基質(zhì)。在堆肥過(guò)程中，通過(guò)短時(shí)間的持續(xù)升溫，可以有地控制這些生物的生長(zhǎng)。因此，高溫堆肥的個(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。

  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。熱力學(xué)的觀點(diǎn)表明，在個(gè)很小的溫度范圍內(nèi)酶的活性部分將迅速降低。如果沒(méi)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，在定的溫度下加熱段時(shí)間可以破壞病原體或者是令人討厭的生物體。通常在60~70C (濕熱)的溫度下，加熱5~ 10min,可以破壞非芽孢細(xì)菌和芽孢細(xì)菌的非休眠體的活性。在表1-3中，資料表明，利用加熱滅菌，在70C條件下加熱30min可以消滅污泥中的病原體。但在較低的溫度下(50~ 60C)，些病原菌的滅活則長(zhǎng)達(dá)60天(表1-4)，因此堆肥過(guò)程中保持60C以上溫度段時(shí)間是必須的。

  表中的數(shù)據(jù)也表明，熱失活應(yīng)與時(shí)間和溫度有關(guān)。短時(shí)間的高溫和長(zhǎng)時(shí)間的低溫具有相同的熱失活果。

  Yanko等研究了污水污泥堆肥過(guò)程中病毒的動(dòng)態(tài)。他們得出結(jié)論，有的堆肥可以使病毒的密度減少到檢測(cè)臨界值(約0.25CFU/g ds)以下，在堆肥過(guò)程中，溫度可能是影響病毒失活的主要因素。關(guān)鍵在于要不斷保證有的堆肥條件并使所有的堆肥物質(zhì)達(dá)到熱失活溫度。如果堆肥物質(zhì)達(dá)不到足夠高的溫度，病毒可以在肥堆中存活25天。如果堆肥的 高溫度低于50C，糞大腸菌在肥堆中的密度也會(huì)很高。

  Farrell認(rèn)為53C或者更高的溫度保持充足的時(shí)間可以有地消除病原體細(xì)菌、腸病毒和蛔蟲(chóng)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(jīng)過(guò)兩步條垛堆肥過(guò)程，總大腸菌的密度減少到10MPN/g固體，或者更少。在條垛堆肥系統(tǒng)優(yōu)化之前，冬季的殺菌果通常低于夏季。例如，在8月份，堆肥內(nèi)部的溫度和加熱時(shí)間平均是66C和33天，大約85%的條垛堆肥的大腸菌數(shù)低于1MPN/g。2月份，堆肥內(nèi)部的溫度和加熱時(shí)間平均是59C和50天，但是沒(méi)有個(gè)條垛堆肥的大腸菌數(shù)低于1MPN/g。

  Strauch分析了歐洲幾個(gè)堆肥反應(yīng)器中的肥料，包括Weiss/Kneer生物反應(yīng)器，BAV反應(yīng)器和Schnorr反應(yīng)器，均使用污泥、鋸屑、樹(shù)皮和回收產(chǎn)品等混合物在反應(yīng)器中進(jìn)行堆肥，然后進(jìn)行回收。假定在達(dá)到失活溫度時(shí)，反應(yīng)器中的沙門(mén)菌、病毒和蛔蟲(chóng)卵很容易被殺死。但當(dāng)工藝的溫度僅在49~53C這種情況下，沙門(mén)菌仍能生存。

  從以上的討論中，可以得出以下幾個(gè)結(jié)論。

  ①堆肥可以完破壞性寄生的病原體，也可以把指示細(xì)菌和非性寄生細(xì)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性寄生細(xì)菌病原體的再生。如果堆肥的溫度接近周?chē)臏囟?，微生物種群就會(huì)增加。

  ③所有的物質(zhì)應(yīng)該暴露在失活的時(shí)間/溫度條件下，這點(diǎn)很重要。保證所有的物質(zhì)都能在失活的條件，可以獲得高概率的病原體破壞。

  ④為了保證病原體在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的高破壞概率，要進(jìn)行質(zhì)量控制。

  ⑤程監(jiān)控堆肥系統(tǒng)或者應(yīng)用堆肥反應(yīng)器都可以使病原體的破壞概率提高，尤其適用于低溫和潮濕的地區(qū)。