3.5.2　混合物料堆肥过程与堆肥效率

3.5.2.1　堆肥温度

堆肥过程中堆料的温度变化对微生物的活力影响显著，在一定温度范围内，温度每升高10℃，有机体的生化反应速率提高1倍。在堆肥过程中，温度升高到55℃以上，并维持一定的时间，可以消灭堆料中的病原菌及蛔虫卵，达到无害化处理的要求。目前，研究者根据堆料温度变化将堆肥过程划分为若干阶段，但不同的研究者划分标准不一。有的划分为4个阶段，即升温阶段（由常温升至50℃）、高温阶段（50～70℃）、降温阶段（<50℃）、后腐熟阶段（堆料中温度稍大于外界环境温度）；有的划分为3个阶段，即升温过程、持续高温过程、降温过程。这两种划分法基本无差异，不同之处是前者从降温阶段中划分出后腐熟阶段，以便减少通气，保存养分。

从图3-35可见：T₁、T₂、T₃、T₄温度变化趋势大致相同，呈波浪式变化，图中低谷是由于翻堆造成的。在前150h，每次翻堆过后，所有处理出现短暂快速上升的现象，可能是因为翻堆暂时消除了堆体内的厌氧区域，堆体内氧气浓度相对增加，好氧微生物的活性增高，降解有机物的能力增强，产生的热量也随之增加，从而使堆体温度上升。所有处理温度前150h明显高于后200h，原因可能是前期易降解有机质充足，微生物大量繁殖，代谢活性高，释放大量热量，后期堆肥中主要含难降解的木质素、纤维素、半纤维素等物质，微生物代谢活性低，难以维持堆料的高温。

由图3-35和表3-23可见，堆肥初期，T₂、T₃升温速率明显大于T₁、T₄，T₂、T₃达到50℃所需时间仅为20.17h、20h，而T₁、T₄分别为55.56h、82.35h。高温（>50℃）维持时间，T₂、T₃明显长于T₁、T₄，我国的《粪便无害化卫生标准》（GB 7959—1987）中规定，堆肥温度在50～55℃以上维持5～7d达无害化要求^［66］。T₂、T₃高温维持时间为132h、120h，达到无害化水平，T₁、T₄高温维持时间仅为72h、60h，未达标。4个处理中，T₂、T₃达到的最高温度均为65.5℃，高于T₁、T₂的65℃、60℃。

从温度的角度来看，T₃的升温速率最大、高温维持时间最长，高温期达到的最高温度最高，T₂次之，T₁、T₄最差。

3.5.2.2　堆肥pH值

pH值的变化是反映堆肥过程的重要参数之一。适宜的pH值，一方面可使物料中的微生物快速繁殖生长，提高有机物的降解速率；另一方面，可以保留堆肥中的有效氮，减少氨氮的损失。因而堆料中pH值过高或过低都会影响堆肥转化效率和堆肥品质，一般认为pH值在7.5～8.5时可获得最大堆肥速率^［74］。

由图3-36可见，各处理堆肥过程pH值变化趋势相同，都经历升高-降低-升高的过程，pH值变化平稳，整体在8.0附近波动，最终都能达到腐熟堆肥呈弱碱性的标准。第6天，各处理堆肥正处于高温期，堆料中有机物高温快速降解^［78］，生成的小分子有机酸如乙酸、丁酸的挥发和含氮有机物产生的氨共同作用，导致pH值升高；随后，由于氨挥发，小分子有机酸产生的pH值降低效应大于氨对pH值的升高作用，所以，堆料pH值降低。在堆肥结束时，堆料中小分子有机酸消耗殆尽，剩下的是难降解的木质素、纤维素、半纤维素等物质，堆肥pH值有所回升，最后都呈弱碱性。

各处理堆肥pH值相差不大，堆肥结束时，T₁、T₂时pH值略大于T₃、T₄时pH值。

3.5.2.3　堆肥有机质

堆肥过程也就是利用微生物在好氧条件下分解可降解有机物质的过程，因此有机质被大量分解为CO₂和H₂O，并产生大量的热量，有机物含量的变化能在一定程度上反映堆肥的进程^［75］。

由图3-37可见，堆肥结束时各处理有机质损失量达初始值的30%左右。其中，T₃有机质损失量最高，达初始有机质含量的34.16%；T₂次之，为28.33%；T₁为23.64%；T₄最低，仅为22.91%。堆肥过程中大量易降解有机物如简单碳水化合物，脂肪和氨基酸等迅速被微生物利用而降解，其他较复杂的有机物如纤维素、半纤维素、木质素和蛋白质则被部分以较低的降解速率分解；在堆肥腐熟后期，有机质含量变化逐渐平稳，因此堆肥是有机质的部分矿化，碳素损失，而且使剩余有机物质趋于更加稳定的过程。

可以得出结论：堆料中沼渣、猪粪、鸡粪的组成比例对有机质的降解有较大影响，这可能与不同物料中有机质组成不同有关，沼渣中易降解有机质含量低，较复杂难降解的有机物含量较高，而猪粪、鸡粪中易降解有机物含量较高，所以不同的沼渣、猪粪、鸡粪配比堆肥有机质降解率不同。

3.5.2.4　堆肥C/N比值

碳源是微生物利用的能源，氮源是微生物的营养物质。在堆肥过程中碳源被消耗，转化成二氧化碳和腐殖质物质，而氮则以氨气的形式散失，或变为亚硝酸盐和硝酸盐，或是由生物体同化吸收。因此，碳和氮的变化是堆肥的基本特征之一。因为微生物体的C/N比值在16左右，在堆肥过程中众多的碳素将转变成CO₂。因此，一些研究者认为，腐熟的堆肥理论上讲趋向于微生物菌体的C/N比值，即16左右。有研究提出，堆体中的C/N比值从最初的30∶1降到（15～20）∶1时，可以认为已经腐熟。

由图3-38可见，堆肥结束后，T₁、T₄时C/N比值最高，T₂次之，T₃最低，如果按照C/N比值达到16即腐熟的标准，T₁、T₂、T₃、T₄都可认为已经腐熟，其中T₂、T₃的腐熟程度较高。但对一些原料（例如污泥）来讲，其本身的C/N比值便不足15∶1，所以，C/N比值降到16左右难以作为广义的指标参数使用，而且在不同的堆肥条件下，堆料中氮素含量的变化不尽相同。Morel等^［39］建议采用T=（终点C/N比值）/（初始C/N比值）来评价腐熟度，认为当T值小于0.6时堆肥达到腐熟。张鸣等实验也表明T值小于0.6时堆肥基本达到腐熟^{［83，84］}。T₁、T₂、T₃、T₄的T值分别为0.49、0.48、0.47、0.50，差异很小，可以认为4个处理基本达到腐熟。

3.5.2.5　堆肥氨氮含量

由图3-39可见，4个堆肥处理的变化规律是一致的，都经历升高-降低的过程。在堆肥升温期，由于粪便中不稳定氮化合物蛋白质降解，大量产生，造成堆体内含量增高。随着堆肥的进行，可降解氮成分减少，的产生量随之降低；同时，在降温期因pH值升高随通风作用而挥发掉，在堆肥腐熟期被硝化细菌转化为，含量逐步减少。腐熟期内，各堆肥处理含量继续减小，趋于稳定。

有研究认为高含量代表堆肥的不稳定性，并提出了城市垃圾堆肥产品含量应小于0.04%的极限值^［76］。从图3-39看出堆制30d后各处理堆肥含量从小到大排序为T₃<T₂<T₁<T₄，其中T₃、T₂、T₁时，含量分别为0.25mg/g、0.34mg/g、0.35mg/g，满足堆肥腐熟标准；T₄时含量为0.42mg/g，未达到腐熟标准。

3.5.2.6　堆肥/

堆肥高温期堆体温度超过50℃，硝化细菌在40℃以上活动就受到抑制，硝化过程不能进行^［77］；另外，堆肥高温期高浓度NH₃对硝化细菌也有抑制作用，所以硝态氮的形成主要是在降温期和腐熟期。堆肥后期堆体温度下降，硝化细菌活性增强，堆料中的通过硝化作用而转化为，其含量出现上升的趋势，腐熟期含量增加较多^［78］。/随着堆肥进行应逐渐减小，并在腐熟期达到最小值。Bernal等^［79］通过对多种原料的堆肥试验，提出/<0.16的堆肥腐熟指标。

由图3-40可见，堆肥结束后各处理/从小到大排序为：T₃<T₂<T₁<T₄，其中，T₁、T₄的分别为0.20、0.40；未达到腐熟堆肥/<0.16的标准；T₃、T₂的/分别为0.12、0.16，可认为已腐熟。

3.5.2.7　堆肥总养分含量

堆肥过程中，在微生物降解含碳有机化合物形成稳定腐殖质的同时，还伴随着氮、磷、钾等主要营养元素的固定与释放过程。因此，研究氮、磷、钾、腐殖质及其组分含量的变化特征，对于控制堆肥腐熟进程并加快堆肥腐熟，提高堆肥产品质量具有重要作用。

堆肥结束后，各处理总养分含量见表3-24，总养分含量从大到小排序为T₃>T₂>T₁>T₄。

堆肥过程中TN含量，均呈先降低后增加的变化趋势。这是由于堆肥高温期开始时堆料的pH值较高（8.5左右），而且微生物分解有机酸，高温作用导致低分子有机酸大量挥发；同时，微生物的矿化作用产生了大量的铵根，在较高的堆肥温度和湿度下大量的NH₃挥发逸出，造成氮素的大量损失。在高温发酵期和降温期，由于有机物的矿化分解，CO₂的损失和水分的蒸发引起干物质的减少，以及氮素损失的减少而使TN含量呈逐渐增加的趋势。腐熟稳定时期，有机物分解较为缓慢，堆温降低，氮素也不再损失，堆料逐步趋于稳定，因此TN含量变化较小，略有升高后逐渐趋于平缓。也有学者认为，堆肥后期固氮菌也有助于堆肥产品TN含量的升高。

堆肥过程中，TP、TK含量不断增加，而且在一次发酵期间增幅较大，在腐熟稳定期逐渐趋于稳定。这是由于高温期微生物分解活动较强，有机物质或分解为CO₂、H₂O及NH₃，或转化为易挥发有机质而损失，使堆料干物质含量降低，而磷和钾的绝对含量变化较小，因而堆肥TP、TK的含量会因“相对浓缩”而不断升高。

3.5.2.8　堆肥粪大肠菌值

对堆肥中粪大肠菌值进行检测，可直接判断堆肥的无害化水平，根据《粪便无害化标准》（GB 7959—1987）规定，经无害化处理后的堆肥应达到粪大肠菌值10^-2～10^-1的卫生标准。由表3-25可见，T₂、T₃粪大肠菌值分别为10^-1、10^-2，已达无害化标准；T₁、T₄粪大肠菌值均为1，未达标，这与前述温度的分析结果是一致的。

3.5.2.9　堆肥过程种子发芽指数变化

通过对堆肥毒性敏感植物种子的毒性研究，不但可以检测堆肥样品中的残留植物毒性，而且也能预计毒性的发展。从理论上说，GI（种子发芽指数）<100%就可判断有植物毒性。Zucconi等^［34］最初认为，如果当GI>50%时，说明堆肥已腐熟并达到了可接受的程度，即基本没有毒性。但是随着堆肥毒性相关研究的开展，包括Zucconi在内的众多研究学者普遍认为，在所有状况下，当发芽指数GI达到80%～85%时这种堆肥就可以认为是没有植物毒性或者说堆肥已腐熟。

由图3-41可见，各处理GI在堆肥过程中都呈持续上升的趋势，堆肥结束后都能达到80%～85%的标准，可以认为各处理堆肥已腐熟。随着堆肥的进行，对植物有抑制作用的物质逐渐减少，是GI持续升高的主要原因。不同处理在堆肥同一时期GI值差异较大，且堆肥初期各处理GI差异尤为显著，这可能与各处理物料配比不同有关。不同物料组成成分不同，适宜繁殖的微生物种群也不同，所以，在高温堆肥过程中不同物料配比处理产生的挥发性脂肪酸（volatile fatty acids）及酚酸（phenolic acids）等引起植物毒性物质的含量不同，所以各处理GI值差异大。

堆肥结束后，各处理GI按从大到小排序为T₂>T₃>T₁>T₄。

3.5.2.10　堆肥发酵效果评价

根据表3-26堆肥效果评价指标及标准对每个处理进行加权评分，各处理综合得分见表3-27。T₃得分最高，为7.6分；其次为T₂，得分为7.2；此后是T₁、T₄得分最低。将各处理的综合得分进行正交因素分析，见表3-28。

从表3-28各因素的极差值来看，沼渣>鸡粪>猪粪，表明影响沼渣、猪粪、鸡粪混合堆肥发酵效果的最主要因素是沼渣，鸡粪和沼渣的影响作用很小。通过比较沼渣、猪粪、鸡粪的不同水平的平均效果值，可知沼渣量5.85kg得分高于7.02kg，猪粪量7.425kg得分高于8.49kg，鸡粪量8.19kg得分高于6.825kg，由此得出沼渣、猪粪、鸡粪混合堆肥最佳配比为5.85∶7.425∶8.19。