有機肥發(fā)酵原理

一、概述
   堆肥這種古老而簡便的處理有機廢棄物和制造肥料的方法，隨著研究的深入和方法的改進，其應用很受各個國家的重視，因為它有很好的生態(tài)意義，也為農業(yè)生產帶來效益。有許多報道指出，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菌，可使菌數達到很高水平;堆肥過程中各有機物在微生物作用下，達到不易分解、穩(wěn)定、作物易吸收狀態(tài);同時微生物作用在一定范圍內減少重金屬毒害作用。可見，堆肥是制造生物有機肥的簡便而有效的方法，有益于生態(tài)農業(yè)的發(fā)展。
   堆肥為什么產生這樣的效果呢?下面我們對堆肥原理進行比較詳盡的介紹。
二、有機肥發(fā)酵原理
   (一)堆肥過程中有機質的轉化
堆肥中的有機質在微生物作用下進行復雜的轉化，這種轉化可歸納為兩個過程：一個是有機質的礦質化過程，即把復雜的有機質分解成為簡單的物質，最后生成二氧化碳、水和礦質養(yǎng)分等;另一個是有機質的腐殖化過程，即有機質經分解再合成，生成更復雜的特殊有機質-腐殖質。兩個過程是同時進行的，但方向相反，在不同條件下，各自進行的強度有明顯的差別。
   1.有機質的礦化作用
   ⑴不含氮有機物的分解
   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、草酸等中間產物不易積累，最終形成CO2和H2O，同時放出大量熱能。如果通氣不良，在嫌氣微生物作用下，單糖分解緩慢，產生熱量少，并積累一些中間產物-有機酸。在極嫌氣微生物條件下，還會生成CH4、H2等還原態(tài)物質。
   ⑵含氮有機物的分解
堆肥中的含氮有機物包括蛋白質、氨基酸、生物堿、腐殖質等。除腐殖質外，大部分容易被分解。例如蛋白質，在微生物分泌的蛋白酶作用下，逐級降解，產生各種氨基酸，再經氨化作用、硝化作用而分別形成銨鹽、硝酸鹽，可以被植物吸收利用。
   ⑶含磷有機物的轉化
堆肥中的含磷有機化合物，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。
   ⑷含硫有機物的轉化
   堆肥中含硫有機物，經微生物的作用生成硫化氫。硫化氫在嫌氣環(huán)境中易積累，對植物和微生物會發(fā)生毒害。但在通氣良好的條件下，硫化氫在硫細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，使硫酸轉變?yōu)镠2S散失，并對植物產生毒害。堆肥發(fā)酵過程中，可以通過定時翻倒措施改善堆肥的通氣性，就能消除反硫化作用。
   ⑸脂類及芳香類有機物的轉化
   單寧、樹脂等結構復雜，分解較慢，其最終產物也是CO2和水;木質素是含植物性原料(如樹皮、木屑等)堆肥中特別穩(wěn)定的有機化合物，它結構復雜，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，緩慢地進行分解，其芳香核可變?yōu)轷突衔?，它是再合成腐殖質的原料之一。當然，這些物質在一定條件下，還會繼續(xù)被分解的。
   綜上所述，堆肥有機質的礦質化，可為作物和微生物提供速效養(yǎng)分，為微生物活動提供能源，并為堆肥有機質的腐殖化準備基本原料。堆肥以好氣性微生物活動為主時，有機質迅速礦化生成較多的二氧化碳、水及其它養(yǎng)分物質，分解速度快而徹底，并放出大量熱能;以嫌氣性微生物活動為主時，有機質的分解速度慢，且往往不徹底，釋放熱能少，其分解產物除植物養(yǎng)分外，尚易積累有機酸及CH4、H2S、PH3、H2等還原性物質，當其達到一定程度時，則對作物生長不利甚至有害。因此堆肥發(fā)酵期間的翻倒也是為了轉換微生物活動類型，以消除有害物質。
    2.有機質的腐殖化過程
   關于腐殖質的形成過程有很多種說法，概括起來大體可分為兩個階段：第一階段，有機殘體分解形成組成腐殖質分子的原始材料，如多元酚、含氮有機物(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，因而形成的腐殖質單體也就多種多樣。在不同條件下，這些單體又進一步縮合形成大小不等的分子。
   (二)堆肥過程中重金屬的的轉化
   城市污泥中含有豐富的作物生長所需的各種養(yǎng)分及有機質，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。微生物特別是細菌、真菌在重金屬的生物轉化中起重要作用。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)，使化學物毒性增強而引起嚴重的環(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。如最早受到關注的造成環(huán)境污染的重金屬-汞，微生物轉化汞包括3方面，無機汞(Hg2+)的甲基化、無機汞(Hg2+)還原成Hg0，甲基汞和其他有機汞化合物的裂解并還原成Hg0。這些能將無機汞和有機汞轉化為單質汞的微生物稱為抗汞微生物。微生物雖然不能降解重金屬，但通過對重金屬的轉化作用，控制其轉化途徑，可以達到減輕毒性的作用.
   (三)堆肥發(fā)酵工藝
   堆肥實際就是廢棄物穩(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生適宜的溫度。一般認為這個溫度要高于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物分解率較低、相對穩(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主導地位。每一個環(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行，微生物是堆肥發(fā)酵的主體。參與堆肥的微生物有兩個來源：一是有機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某些有機廢物具有較強的分解能力，具有活性強、繁殖快、分解有機物迅速等特點，能加速堆肥反應的進程，縮短堆肥反應的時間。
   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物料分解過程，其代謝產物主要是二氧化碳、水和熱;厭氧堆肥是在無氧條件下有機物料的分解過程，厭氧分解最后的代謝產物是甲烷、二氧化碳和許多低分子量的中間產物，如有機酸等。
   參與堆肥過程的主要微生物種類是細菌、真菌以及放線菌。這3種微生物都有中溫菌和高溫菌。