堆肥腐熟机理研究进展

2.1.3矿质化和腐殖化过程。堆肥的腐熟过程是在一系列微生物活动下堆肥材料的矿质化和腐殖化过程。在有机碳的分解转化过程中，一方面碳素物质在急速分解，另一方面分解产物在微生物作用下又重新合成新腐殖质。一般研究认为，腐熟初期矿质化过程占优势，后期腐殖化过程占优势。随着矿化过程的进行，堆肥材料中有机质含量变化显著。化学耗氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)、挥发性固体(VS)是反应有机质变化的重要参数。垃圾堆肥过程中COD的变化主要发生在热降解阶段，之后变化趋于平稳[27]。BOD5代表着堆肥有机物中的可生化降解部分，有研究表明，堆肥材料中BOD5与挥发水蒸气量具有正相关关系[28]。VS基本反应了堆肥材料中有机质的含量，它在不同的堆肥过程中变化的幅度比较大[29]。有机质当中糖类和淀粉类物质是最先被微生物利用而降解的部分，因此在堆肥结束后一般检测不到这2种物质的存在。堆肥材料中的纤维素类物质，如纤维素、半纤维素、木质素等，是不易降解的成分，在堆肥过程降解速度较慢。畜粪和麦秸在前期高温堆肥过程中粗纤维降解幅度小于CO2释放速度，因而表现出了粗纤维相对含量增加的现象，整个堆肥过程中粗纤维降解量不足50%。陈世和等研究指出，高温阶段纤维素的降解占总降解率的63.5%～88.5%[30]。纤维素的降解是在纤维素分解酶的作用下进行的。何琳燕等研究发现，堆肥过程中纤维素分解酶活性在堆肥前15d内升高，之后保持稳定[31]。堆肥腐熟过程中可产生大量稳定的腐殖质，它对改善土壤有机质状况和理化性状有着重要的影响。用NaOH提取的腐殖质(HS)可分为胡敏酸(HA)、富里酸(FA)及未腐殖化的组分(NHF)。其中HA和FA是腐殖质的重要组成部分，对腐殖质的质量起着决定性作用。国外学者研究认为，堆肥过程中堆料的HS含量从377g/kg提高到710g/kg，HA从184g/kg增加到457g/kg，NHF从107g/kg上升170g/kg，而FA基本保持不变，维持在80～100g/kg[32]。李吉进等研究表明，堆肥前后HS绝对含量下降约15%，但其占有机碳比例上升了15%。生活垃圾堆肥过程中，HA含量呈先降低、后增加的趋势，各处理均在35d时达到最低点，FA含量的变化与HA不同，总体呈现为逐渐降低趋势[33]。HA与FA比值即腐殖化指数(HI)，是反映堆肥腐熟程度的重要指标。大多数研究表明，新鲜堆肥含有较低含量的HA和较高含量的FA，而随着堆肥化的进行，HA含量显著增加，而FA含量没有显著变化[34-35]。因此在堆肥过程中，HI值呈现增加趋势[36]。魏自民等研究认为在城市生活垃圾堆肥过程中，前28d内HI变化较为平缓，之后增加幅度变大。
2.1.4微生物活动。堆肥过程中有机物的生物降解一般属于脱氢过程。畜牧粪便与稻草的混合堆肥过程中，脱氢酶在堆肥开始时含量为21.5～22.9μmol/g，堆肥结束时为4.44～5.43μmol/g[37]。李吉进等研究发现，堆肥过程中过氧化氢酶活性在堆肥初期(3～10d)迅速下降，之后呈缓慢下降趋势，堆制后较堆制前下降了56%。朴哲等研究认为，过氧化氢酶活性在堆肥过程中有所波动，但堆肥前后变化不大；纤维素酶始终保持着较高的活性；脲酶活性整体变化趋势为堆肥前期迅速上升，之后略有下降趋势[38]。何琳燕等认为，纤维素酶或多酚氧化酶活性在堆制前15d内升高，之后呈缓慢下降趋势。而国外学者研究认为，在城市固体废弃物堆肥过程中纤维素酶和脂酶活性在堆肥后期(80～120d)迅速增加[39]。细菌是粪便堆肥中温阶段的主要作用菌群，对发酵升温起主要作用，放线菌是高温阶段的主要作用菌群[40]。研究表明，细菌总数在牛粪堆肥过程中呈增加趋势，真菌和放线菌数量在堆肥前5d内有所减少，之后增加，堆肥前后整体变化不大。树叶堆肥过程中，细菌数量从堆肥开始的108个/g增加到10d的1010个/g，之后又有所下降；真菌的数量较少，大约在106个/g，而且在高温阶段之后明显减少；放线菌在高温阶段仍维持较大数量，大约在108个/g，但在堆肥的后熟阶段其数量明显减少[41]。
2.1.5其他营养元素变化。有效磷和速效钾含量在有机肥腐熟过程中也有不同程度的变化。城市垃圾在堆肥过程中速效钾含量大幅度增加，由堆制时的3947mg/kg增加到结束时的5728mg/kg，有效磷含量变化也呈现相同的趋势。朴哲等研究认为，家禽粪在堆肥过程中，速效钾含量明显上升，但有效磷含量变幅不大。
2.2微生物处理促腐技术研究
传统的堆肥腐熟过程是在自然微生物的作用下进行的，利用添加外源微生物处理，提高微生物活度，从而达到加速腐熟过程、提高腐熟质量的目的。有研究表明，接种腐熟菌剂后，牛粪堆肥5d内堆温迅速上升到59℃，最高可达70℃，高温期持续15d左右，而未接种处理温度升幅不大，进入高温腐熟期需要25d以上。接种嗜热球杆菌株能有效加快堆肥的腐熟进程，促进堆肥初期温度的上升。接种处理最高温度比对照高6.9℃，到达最高温度的时间也比对照提前15d左右[42]。