你定不知道的有机堆肥原理介绍

  堆肥过程通常分两个阶段，即次堆肥(也叫快速或高温发酵)和二次堆肥（也叫后熟或陈化)。这两个阶段之间通常没有明确的界限和区分。

 一、有机堆肥点

  次堆肥阶段的点是：高氧气吸收率，高温，可降解挥发性固体(BVS) 大量减少，高的臭味潜力。通常，次堆肥阶段由于需要减少臭气，因此需要提供通气和保持对堆肥过程的良好控制。

  二次堆肥阶段的点是：温度低，氧气吸收率低，臭味潜力低。相对次堆肥来讲，二次堆肥阶段的管理和调控比较简单，然面从工程角度看，不能没有二次堆肥，因为二次堆肥阶段可继续降解那些难降解的有机物，还要克服反应速率变慢以及重建低温微生物群落，从而有助于堆肥腐熟、减少植物毒性物质和抑制病原菌。这两个阶段对个完整的堆肥系统的设计和操作来说是缺不可的，而且是生产腐熟堆肥所必需的。

  次堆肥开始之前的原料处理称为前处理，后熟阶段之后的原料处理称为后处理。前处理或后处理是否需要依赖于原料的点和期望的产品质量。

 二、有机堆肥过程

  1、升温阶段般指堆肥过程的初期，在该阶段，堆体温度逐步从环境温度上升到45C左右，主导微生物以嗜温性微生物为主，包括细菌、真菌和放线菌，分解底物以糖类和淀粉类为主，期间能发现真菌的子实体，也有动物及原生动物参与分解、

  2、高温阶段堆温升至45C以上即进人高温阶段，在这阶段，嗜温微生物受到抑制甚至死亡，而嗜热微生物则上升为主导微生物。堆肥中残留的和新形成的可溶性有机物质继续被氧化分解，复杂的有机物如半纤维素纤维素和蛋白质也开始被强烈分解。微生物的活动交替出现，通常在50C左右时活跃的是嗜热性真菊和放线菌，温度上升到60C时真菌几乎完停止活动，仅有嗜热性细菌和放线菌活动，温度升到70C时大多数嗜热性微生物已不再适应，并大批进入休眠和死亡阶段。现代化堆肥生产的 佳温度般为55C，这是因为大多数微生物在该温度范围内活跃，易分解有机物，而病原菌和寄生虫大多数可被杀死。

  3、降温阶段高温阶段必然造成散生物的死亡和活动减少，自然进人低温阶段。在这阶段，嗜温性微生物又开始占据优势，对残余较难分解的有机物作进步的分解，但微生物活性普遍下降，堆体发热量减少，温度开始下降，有机物趋于稳定化，需氧量大大减少，堆肥进人腐熟或后熟阶段。

 二、堆肥反应基本原理

  好氧有机堆肥的基本反应过程可以表示为：

  好氧条件下，堆肥物料中的可溶性有机物透过微生物的细胞壁和细胞膜为做生物吸收；固体和胶体有机物质先附着在微生物体外，由微生物分泌胞外酶将其分解为可落性物质，再渗入细胞。

  同时微生物通过自身的代谢活动，也使部分有机物被氧化成简单的无机物，并释放能量，使另部分有机物用于合成微生物自身的细胞物质，提供微生物各种生理活动所需的能量，使机体能进行正常的生长与繁殖。好氧堆肥反应过程如图所示。

  堆肥中有机物的氧化与合成基本过程如下。

 四、堆肥生物学原理

  ()、堆肥微生物种类

  堆肥过程有许多不同种类的微生物参与。由于原料和条件的变化，各种微生物的数量也在不断发生变化，所以堆肥过程中没有任何微生物是始终占据主导地位的。每个环境都有其定的微生物种群，微生物的多样性使得堆肥在外部条件出现变化的情形仍可避免系统崩溃。

  参与堆肥过程的主要微生物种类是细菌、放线菌以及真菌。这三种微生物都有中温菌和高温菌。

  1、细菌

  在好氧堆肥系统中，存在着大量的细菌。细菌凭借大的比表面积，可以快速将可溶性底物吸收到细胞中。所以在堆肥过程中，细菌在数量上通常要比体积更大的微生物(如真菌)多得多。在不同的堆肥环境中分离的细菌在分类学上具有多样性，其中包括假单胞菌属(Pseduomonas)、克雷伯菌属(Klebsiella) 以及芽孢杆菌属(Bacillus) 的细菌。

  些细菌，例如芽孢杆菌，能够生成很厚的孢子壁以抵抗高温、辐射和化学腐蚀。因此芽孢杆菌属(Bacillus)的些种，例如枯草芽孢杆菌(B、 subtilis)、地衣芽孢杆菌(B、licheniformis)和环状芽孢杆菌(B、circulans)成为堆肥高温阶段中的代表性细菌或优势菌。嗜温细菌是堆肥系统中主要的微生物，研究表明，在堆肥过程的初始阶段，嗜温细菌为活跃，其数量为8.5X10*~5.8X109个/g干物料，随着堆温达到 大值，其种群数量达到 低：在降温阶段，嗜温细菌的数量又有所回升。

  2、放线菌

  放线菌是具有多细胞菌丝的细菌，因此它更像是真菌。放线菌可以分解纤维素，并溶解木质素。同时，它们比真菌能够忍受更高的温度和pH值。所以，尽管放线菌降解纤维素和木质素的能力并没有真菌强，但是它们在堆肥过程中的高温期却是分解木质纤维素的优势菌群。在条件恶劣的情况下，放线菌则以孢子的形式存活。研究表明，诺卡菌(Nocardia)、链霉菌Streptomyces)、 高温放线菌( Thermoactinomyces)和单孢子菌(Micromonos pora)等都是在堆肥中占优势的嗜热性放线菌，它们不仅出现在堆肥过程中的高温阶段，同样也在降温阶段和熟化阶段出现。

  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质纤维素，由此，真菌的存在对于堆肥的腐熟和稳定具有重要的意义。嗜温性真菌地霉菌Geotrichumsp) 和嗜热性真菌烟曲霉(Aspergillusfumigatus) 是堆肥物料中的优势种群，其他些真菌，如担子菌( Basidiomycotina),子囊菌(Ascomycotia), 橙色嗜热子囊菌( Thermoascusaurantiacus)也具有较强的分解木质纤维素的能力。但随着温度的升高，真菌的菌数开始减少，在64C时，几乎所有的嗜热性真菌部消失。当温度下降到60C以下时，嗜温性真菌和嗜热性真菌又都会重新出现在堆肥中。研究显示，温度是影响真菌生长的重要因素之，大部分的真菌是嗜温性菌，可以在5~37C的环境中生存，其适温度为25~30C。但是，在堆肥过程中，由于高温时间持续较短，在增强真菌降解能力的同时却不足以将其致死。

  病原体是对人体、动物或者植物有害的生物。动物的粪便、植物秸秆以及庭院废弃物中都能发现病原体，城市污泥也含有人体病原微生物。高温堆肥能大量减少植物和动物病原体的数量。

  总之，堆肥过程主要靠微生物的作用进行，微生物是堆肥发酵的主体。参与堆肥的微生物有两个来源：是有机废物里面原有的大量微生物；二是人工加入的微生物接种剂，这些菌种在定条件下对某些有机废物具有较强的分解能力，具有活性强、繁殖快、分解有机物迅速等点，能加速堆肥反应的进程，缩短堆肥反应的时间。

  (二)、堆肥过程微生物演替规律

  堆肥过程中微生物的种群随温度的变化发生如下的交替变化：低、中温菌群为主转变为中、高温菌群为主，中、高温菌群为主转变为中、低温菌群。随着堆肥时间的延长，细菌逐渐减少，放线菌逐渐增多，霉菌和酵母菌在堆肥的末期显著减少。研究发现：堆肥温度在50C时，高温真菌、细菌和放线菌非常活跃：65C时， 真菌少，细菌和放线菌占优势；75C时仅有产孢细菌是存活的微生物。

  在高温堆肥中，微生物的活动主要分为三个时期：糖分解期、纤维素分解期、木质素分解期。堆制初期主要是氨化细菌、糖分解菌等无芽孢细菌为主，对粗有机质、糖分等水溶性有机物以及蛋白质类进行分解，称为“糖分解期”。当堆内温度升高到50~70C的高温阶段，高温性纤维素分解菌占优势，除继续分解易分解的有机物质外，主要分解半纤维素、纤维素等复杂有机物，同时也开始了腐殖化过程，这阶段称为“纤维素分解期”。当堆肥温度降至50C以下时，高温分解菌的活动受到抑制，中温性微生物显著增加，主要分解残留下来的纤维素、半纤维素、木质素等物质，称为“木质素分解期”。

  堆肥既然是微生物作用的过程，如何通过各种手段满足微生物的生长需要就成为堆肥工程的核心。堆肥实际工作者应了解这些基本的微生物作用点，为合理的物料配比、过程控制以及保障产品质量奠定良好的生物学理论基础。

 五、堆肥热力学原理

  热力学是个涉及能量和其转化的学科，其原理也广泛用于堆肥系统的分析。

  热力学 定律为能量守恒定律，即能量既不会凭空产生也不会消失。因此，可以认为能量进人个系统后只有两条出路：是储存起来；二是流出此系统。堆肥工艺中的主要能量输人是堆肥基质的有机分子，当这些分子被微生物分解时，能量可转化为微生物机体或以热释放到周围环境中。由此可见，有机物分解产生的能量推动了堆肥化进程，使温度升高，同时还可干燥湿基质。实际上也正好可以使微生物继续获得能量对周围有机质进行分解。

  热力学二定律则提出了热量的散失方向，即对于所有立系统来讲，其熵的变化总是向着无序增加的状态进行。堆肥过程中始终伴随着热量的散失，热量旦损失，就不可逆转，必须靠微生物进 步利用有机碳源来获得能量。

  堆肥热力学过程简图描述了系统的主要输人输出过程。主要输人有基质、其他调理剂、空气及其携带的水蒸气;主要输出是堆肥产品、排出的干燥气体和水蒸气。图中分析了与这些物质相关的热量输人和输出，虽然散发到环境中的热损失没有计在内，但通常是热输出的-小部分；堆肥回料和膨胀剂回料没在图中标出，这些物料的流动属于系统边界的内部因素，它们对系统内的平衡是重要的，但不影响整个系统热平衡。

  有机物分解产生的热量使堆肥混合物中的水、气和固体基质温度升高，也驱动了水分随气体排出而蒸发。由于堆垛温度比周围环境温度要高，热量会从暴露于空气的堆体表面散失。堆垛的隔离应定程度上可限制热传导，并减少了热损失。条垛或堆体在机械搅拌下也会产生热量损失。

 六、堆肥热失活原理

  许多堆肥用的基质携带人类、动植物的病原体，以及令人讨厌的生物如杂草种子，来源于城市污水处理后的污泥，就是典型的携带病原体的基质。在堆肥过程中，通过短时间的持续升温，可以有地控制这些生物的生长。因此，高温堆肥的个主要优势就是能够使人和动植物病原体以及种子失活。

  细胞的死亡很大程度上基于酶的热失活。在适宜的温度下，酶的失活是可逆的，但在高温下是不可逆的。热力学的观点表明，在个很小的温度范围内酶的活性部分将迅速降低。如果没有酶的作用，细胞就会失去功能，然后死亡。只有少数几种酶能够经受住长时间的高温。因此，微生物对热失活非常敏感。

  研究表明，在定的温度下加热段时间可以破坏病原体或者是令人讨厌的生物体。通常在60~70C (湿热)的温度下，加热5~ 10min,可以破坏非芽孢细菌和芽孢细菌的非休眠体的活性。在表1-3中，资料表明，利用加热灭菌，在70C条件下加热30min可以消灭污泥中的病原体。但在较低的温度下(50~ 60C)，些病原菌的灭活则长达60天(表1-4)，因此堆肥过程中保持60C以上温度段时间是必须的。

  表中的数据也表明，热失活应与时间和温度有关。短时间的高温和长时间的低温具有相同的热失活果。

  Yanko等研究了污水污泥堆肥过程中病毒的动态。他们得出结论，有的堆肥可以使病毒的密度减少到检测临界值(约0.25CFU/g ds)以下，在堆肥过程中，温度可能是影响病毒失活的主要因素。关键在于要不断保证有的堆肥条件并使所有的堆肥物质达到热失活温度。如果堆肥物质达不到足够高的温度，病毒可以在肥堆中存活25天。如果堆肥的 高温度低于50C，粪大肠菌在肥堆中的密度也会很高。

  Farrell认为53C或者更高的温度保持充足的时间可以有地消除病原体细菌、肠病毒和蛔虫卵。

  Hay和Kuchenrither将露天条垛堆放的消化污泥肥料与土壤改良剂混合，研究了其中总大肠菌的密度，经过两步条垛堆肥过程，总大肠菌的密度减少到10MPN/g固体，或者更少。在条垛堆肥系统优化之前，冬季的杀菌果通常低于夏季。例如，在8月份，堆肥内部的温度和加热时间平均是66C和33天，大约85%的条垛堆肥的大肠菌数低于1MPN/g。2月份，堆肥内部的温度和加热时间平均是59C和50天，但是没有个条垛堆肥的大肠菌数低于1MPN/g。

  Strauch分析了欧洲几个堆肥反应器中的肥料，包括Weiss/Kneer生物反应器，BAV反应器和Schnorr反应器，均使用污泥、锯屑、树皮和回收产品等混合物在反应器中进行堆肥，然后进行回收。假定在达到失活温度时，反应器中的沙门菌、病毒和蛔虫卵很容易被杀死。但当工艺的温度仅在49~53C这种情况下，沙门菌仍能生存。

  从以上的讨论中，可以得出以下几个结论。

  ①堆肥可以完破坏性寄生的病原体，也可以把指示细菌和非性寄生细菌病原体减少到很低的水平。

  ②维持多种微生物的种群可以抑制非性寄生细菌病原体的再生。如果堆肥的温度接近周围的温度，微生物种群就会增加。

  ③所有的物质应该暴露在失活的时间/温度条件下，这点很重要。保证所有的物质都能在失活的条件，可以获得高概率的病原体破坏。

  ④为了保证病原体在统计学上的高破坏概率，要进行质量控制。

  ⑤程监控堆肥系统或者应用堆肥反应器都可以使病原体的破坏概率提高，尤其适用于低温和潮湿的地区。