固废堆肥有机与应用一微生物在中的作用

近年来，微生物随着人口增长和工农业的机固发展，有机固体废弃物的废堆肥中产生量日益增加，对环境造成了巨大压力。用应用有机固体废弃物的微生物来源主要包括城市生活垃圾、畜禽粪便、机固农作物秸秆等。废堆肥中在我国，用应用畜禽粪便和农作物秸秆是微生物最主要的两种有机固体废弃物来。根据 2017 年的机固统计，我国畜禽粪污年产生量达到 38 亿 t，废堆肥中综合利用率不足 60%，用应用农作物秸秆年产生量约 10亿 t，微生物综合利用率约为 80%。机固大量未被利用的废堆肥中有机废弃物被丢弃，不但造成了巨大的资源浪费，也造成了严重的土壤、大气和水体污染，因此，当前迫切需要提高有机固体废弃物的资源化利用率。目前，有机固体废弃物的资源化利用途径包括肥料化、饲料化、能源化等。
其中，通过好氧堆肥方式将有机废弃物转化为有机肥是实现废弃物资源化利用的主要途径之一。好氧堆肥因其具有成本较低、有机物降解较快、无害化程度高等优势，在国内外得到广泛应用。堆肥腐熟是一个由微生物主导的生理生化过程，通过微生物发酵使堆料矿质化、腐殖化和无害化而变成腐熟肥料。传统的好氧堆肥技术存在周期较长、养分损失严重、臭味和温室气体排放等问题，在堆肥过程中使用添加剂是解决这些问题的思路之一。根据成分不同，添加剂可以分为有机、无机和微生物添加剂。其中，微生物添加剂由于成本低、无二次污染、易操作等优点成为当前研发的热点。本文简述了好氧堆肥基本过程及这个过程中主要微生物类群与其演替规律，总结了有关微生物添加剂在好氧堆肥过程中的应用及其作用方面的研究进展，并对目前微生物添加剂在应用中存在的问题和解决途径进行探讨和展望。

1 好氧堆肥过程及影响因素

1.1 好氧堆肥过程

好氧堆肥又称高温堆肥，是一个由微生物主导、有机物料通过高温发酵使有机物矿质化、腐殖化和无害化而转变成腐熟肥料的过程。一个完整的好氧堆肥过程通常可以分为 4 个阶段：升温阶段、高温阶段、降温阶段和腐熟(固化)阶段。

(1) 升温阶段

升温阶段一般为堆肥起始的 1~3 d，这个阶段的微生物以嗜温微生物为主，主要分解糖类和淀粉类等底物，产生 CO2 和 H2O，同时释放热量。由于堆体具有良好的保温作用，随着堆肥的进行，堆体温度迅速升高。

(2) 高温阶段

当堆体温度升高到 45 ℃以上时，堆肥进入高温阶段，该阶段一般持续 10~20 d。在这一温度条件下，嗜温微生物受到抑制甚至死亡，而嗜热微生物成为优势种群，开始分解堆肥中的脂肪、纤维素、半纤维素、果胶、木质素等较难分解的物质。同时，该阶段产生的高温可杀灭堆体中的病原菌、寄生虫、杂草种子等有害生物，实现堆肥的无害化处理。我国农业农村部发布的畜禽粪便堆肥技术规范(NY/T 3442-2019)规定，堆肥高温阶段的温度应达到 55 ℃以上并持续至少 5 d，以保证有机物料的无害化。这一阶段微生物代谢活跃，需氧量增加，需要通过曝气或抛翻来增加堆体中的氧气，从而满足微生物的生长和代谢对氧气的需求。

(3) 降温阶段

随着堆体内易降解有机物的减少，嗜热微生物的活动逐渐减弱，堆体温度逐渐降低，嗜温微生物重新成为优势种群，继续分解堆体中剩余的纤维素、半纤维素、木质素等难分解的有机物。但堆体中微生物的代谢活跃度下降，堆体内产生的热量减少，温度开始下降，有机物的组成逐渐趋于稳定化。

(4) 腐熟(固化)阶段

腐熟阶段也称为二次发酵阶段，在微生物的作用下，堆肥进行二次发酵，将堆体中复杂的有机物转化为腐殖质；同时，硝化反应也在该阶段发生。腐熟阶段一般持续 20~30 d，该阶段中堆体温度逐渐下降至环境温度，耗氧量大幅减少，含水量也逐渐降低，堆肥的稳定性和腐殖化程度逐渐提高。

1.2 好氧堆肥的影响因素

作为一个复杂的物理、化学和生物过程，堆肥过程受到多种因素的影响，主要包括温度、含水率、pH、C/N、通气量、有机质含量、微生物组成、堆体大小、原料颗粒大小、添加剂等。这些因素能够影响堆体的理化性质和其中微生物的代谢活动，从而影响堆肥过程中堆体的生化反应、养分和热量损失及臭味气体排放，并最终影响堆肥的效率和品质(图 1)。Torres-Climent 等以含水率(50%、70%)和 C/N (28、31、33、36)及 pH (5.7、7.0、7.7、8.0)为变量，通过优化实验选择有利于厌氧发酵残留物堆肥的组合，实验结果与数据分析表明，起始含水率 50%、C/N 在 28~31 之间、pH 7.7 是提高微生物活性的最优组合研究表明，以制酒工业的蒸馏谷物废弃物为原料进行堆肥时，如果不调节 pH (pH 3.5)，堆肥活动则无法启动，而使用 CaO 调节起始 pH 至 5.0 则有利于堆肥产品腐熟。研究发现，以猪粪与玉米秸秆为原料进行堆肥时，曝气速率能够显著影响二甲基硫的排放，曝速率为 2.0 m³/(m3·h)时二甲基硫的累积排放量最高(约为 0.03 mol)，曝气速率为 4.0 m³/(m3·h)时累积排放量最低(约为 0.007 mol)；猪粪与玉米秸秆配比显著影响二甲基二硫的排放，配比为 2.2:1 时二甲基二硫的累积排放量最大(约为 0.038 mol)，配比为 0.7:1 时累计排放量最小(约为 0.01 mol)。

以上结果说明对影响因素的优化提高了堆肥效率和品质，在应用中有借鉴价值，但这些研究只是在特定原料和堆肥方式条件下对影响因素的优化，在生产应用中还应该根据实际情况进行监控并调节各个因素，使得堆肥过程高效进行，保证堆肥的效率和品质。

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