高温堆肥温度变化及无害化效果试验

摘要：通过鸡粪和玉米秸秆混合堆肥试验，研究了高温堆肥过程中堆体温度变化规律和堆肥无害化效果。结果表明：高温堆肥经过了升温期、高温期和降温期，高温（5～60 ℃）期维持在20 d左右，环境温度对堆体温度有一定的影响；高温堆肥工艺达到了堆肥无害化对温度的要求，堆肥后样品大肠杆菌值和蛔虫卵死亡率均达到了有机肥行业标准的要求；在该试验条件下，供试外源微生物的引入对堆肥温度影响不大。

关键词：高温堆肥；温度；无害化

对于堆肥系统而言，温度是堆肥系统微生物活动的反应，它是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素，对于堆肥过程来讲，温度是其状态的表观体现[1]。堆肥作为一种生物系统，与非生物系统是有差别的[2]。对于非生物系统而言，反应的速度直接与温度有关，温度越高反应速度越快。然而，靠酶促进行的堆肥生物化学反应系统，有利于反应进行的温度是有限定范围的，限度以外的反应则是衰弱的。当温度超过极限时，温度越高，反应的衰退变得更加迅速[3，4]。不同种类微生物的生长对温度有不同的要求。一般而言，嗜温菌最适合的温度是30～40 ℃，嗜热菌发酵最适合温度是45～60 ℃[5]。由于高温分解较中温分解速度快，并且高温堆肥又可以将虫卵、病原菌、寄生虫、孢子等杀灭。此外，高温还可杀死畜禽粪便中的杂草种子[6]，故一般多采用高温堆肥。笔者采用鸡粪和玉米秸秆进行混合堆肥试验，分析堆肥过程中堆体温度变化规律，为高温堆肥技术推广提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 堆肥原料及制作

1.2 测试项目及分析方法

堆肥前期每天检测堆体温度和气温2次，后期每天检测1次，堆体温度从上到下依次测定10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm等5个层次的温度，浅层温度用水银温度计测定，深层温度用热电偶温度传感器测定；每天测定一次堆体氧气浓度和二氧化碳浓度。分别在堆制第0、3、7、13、23、28、33、38、43、48、53 d均匀地从堆体内部取样，阴凉处自然风干，待测。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中的温度变化

对于堆肥系统而言，温度是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素，是堆肥状态的表观体现，堆温的高低决定堆肥速度的快慢。所有过程参数的控制都是为了使堆肥堆体温度最快上升、维持适当的堆腐温度及顺利地下降。因为堆体的高温才能杀死其中的病原菌，在堆体的适当温度范围内有机质降解最快，同时需要在适当的情况下进行水分的去除和堆温的下降结束堆腐[7，8]。

2.1.1 一次发酵（主发酵）期温度变化情况

一次发酵可在露天或发酵装置内进行，通过翻堆或强制通风向堆积层或发酵装置内供给氧气。在露天堆肥或发酵装置内堆肥时，由于原料和土壤中存在的微生物或外源微生物作用而开始发酵。首先是易分解物质分解，产生CO2和H2O，同时产生热量，使堆温上升。一般将温度升高到开始降低为止的阶段称为主发酵阶段，以生活垃圾为主体的城市垃圾及畜禽粪便的好氧堆肥，主发酵期约为5～20 d。而将堆体温度开始下降至腐熟阶段称为二次发酵（后发酵）。

图1～5表明了5个处理发酵过程中不同层次堆体温度和环境温度的变化情况，从图中可以看出，各处理一次发酵期（0～20 d）温度曲线变化相近，均有升温期、高温期、降温期和腐熟期几个阶段，不同处理同一层次温度变化差异不大，说明外源微生物对堆体一次发酵温度影响不大，这是由于堆肥原料自身含有大量的微生物。而同一处理不同层次温度变化差异较大，说明堆肥过程中温度分布是不均匀的，为了达到堆肥的无害化，就需要翻堆。堆肥各层次温度均是中层温度最高，其次是上层，下层温度最低。堆肥初期，堆层基本上呈中温，嗜温菌较为活跃，大量繁殖，堆料中富含的易分解有机物，在好氧微生物的作用下快速分解，并释放大量热能，由于堆肥物料具有良好的保温作用，堆层温度不断上升，导致堆制后1～2 d堆温迅速上升至50～60 ℃，在这个温度下，嗜温菌受到抑制，甚至死亡，而嗜热菌的繁殖进入激发状态，嗜热菌的大量繁殖和温度的明显提高，使堆肥发酵直接由中温进入高温，并在高温范围内稳定一段时间。正是在这一温度范围内，堆肥中的寄生虫和病原菌被杀死，腐殖质开始形成，堆肥达到初步腐熟，此后，各处理堆体温度进入一个较长时间的高温动态平衡至发酵20 d左右，尽管期间因翻堆而产生了温度的微小波动。一般将堆体中心的温度上升至55 ℃作为翻堆的标志。

就各处理不同层次比较，随着堆肥层次加深，升温速度逐渐降低，10 cm表层升温最快，堆制24 h就达到了60 ℃，升温速度达到2.11℃/h，该层次最高温度达到了67 ℃；而20 cm处升至60 ℃用了66 h，升温速度为0.83℃/h，该层最高温度达到了71.7 ℃；30 cm升温至60 ℃用了90 h，升温速度为0.61 ℃/h，该层最高温度达到70.1 ℃；至于40 cm处尽管经过翻堆，升温至60 ℃却用了156 h（6.5 d），升温速度仅为0.35 ℃/h，该层最高温度达到65.8 ℃。导致堆体内部各层次温度分布差异的主要原因是堆体内部氧气浓度分布不均匀。各层次维持50 ℃高温时间达到了15～17 d，满足了堆肥达到无害化的要求，不但杀死了畜禽粪便中的病原菌，而且杀死了杂草种子。

2.1.2 二次发酵（后发酵）期温度变化情况

经过主发酵的半成品进入后发酵程序，将主发酵工序尚未分解的易分解有机物和较难分解的有机物进一步分解，使之变成腐殖酸、氨基酸等比较稳定的有机物，得到完全腐熟的堆肥制品。后发酵时间通常在20～30 d以上。在二次发酵阶段，由于大部分的有机物在一次发酵阶段已被降解，因此堆肥不再有新的能量积累，堆肥温度逐渐缓慢下降，这时堆肥产物进一步稳定，最后达到深度腐熟。

2.2 堆肥的无害化效果

堆肥作为一种生物系统，它与非生物反应系统有着本质区别。对于非生物系统而言，一般情况下，反应的速度直接与温度有关，温度越高，反应速度越快。然而，靠酶促进行的堆肥生物化学反应系统，则只在某些限度上依靠温度，限度以外的反应则是衰弱的。当温度超过限值时，温度越高，反应的衰退变得更加迅速。这种温度的宏观影响主要是由于不同种类微生物的生长对温度具有不同的要求。一般而言，嗜温菌最适宜温度是30～40 ℃，嗜热菌发酵最适温度是50～60 ℃。由于高温分解较中温分解速度要快，并且高温堆肥又可将虫卵、病原菌、寄生虫、孢子等杀灭，故一般多采用高温堆肥。高温堆肥时，温度上升达65～70 ℃时，孢子进入形成阶段，这个阶段是不受欢迎的，因为孢子呈不活动状态，使分解速度相应变慢。此外，在此温度范围内，形成的孢子再发芽的可能性也很小，因此，高温堆肥温度最好控制在55～65 ℃。

从图1～5可以看出，当堆制进行到第20天，堆温以较快的速度下降，届时认为一次发酵（0～20 d）结束，进入二次发酵阶段。再次翻堆后，温度又升至原来的水平，随后堆温缓缓下降，到50 d后即使再翻堆，也看不到增温现象。在整个过程中，5个处理55 ℃以上的堆温均保持20 d左右，在此温度条件下，大肠杆菌和蛔虫卵被杀死，堆肥腐熟后大肠杆菌值和蛔虫卵死亡率（见表3）全部达到GB 8172—87《城镇垃圾农用控制标准》。

物料C/N、水分和通气状况固然是影响堆肥升温的重要因素，而环境温度对堆温也构成一定影响。当环境温度发生变化或环境温度过低时，堆温也会发生相应的变化，尤其发生在堆体体积较小时，这种影响就更加剧烈。从图1～5可以看出，堆肥进行到15 d，环境温度降至10 ℃以下，最低温度降至6 ℃，导致堆体温度从50～60 ℃的高温区降至30～40 ℃的中温区，直到环境温度升高后，堆体温度才恢复至高温区。

从图1～5还可以看出，堆肥过程中二次发酵处理间温度变化差异不大，说明在堆肥材料中含有大量的原生微生物，这些微生物的存在足以使堆体顺利发酵，供试外源微生物对堆体温度影响不大。

总之，该试验条件下堆肥经过了升温期、高温期和降温期，高温维持的天数达到了堆肥无害化对温度的要求。

2.3 堆肥过程中的温度控制

基于上述原因，堆肥过程中温度的过程控制十分必要。好氧堆肥中，温度的过程控制一般是通过控制供氧量来实现。但对于静态条垛堆肥而言，堆垛内不同部位温度的分布有较大的差异，因此堆体内不同部位有机物的分解速率也有很大差异，因此通常需要采用翻堆达到均衡温度和有机物分解速率的目的，一般把堆体中心温度达到55 ℃作为翻堆标志，从图1～5可以看出因翻堆导致的温度-时间曲线呈“锯齿”形变化。一般而言，在堆肥初期的3～5 d中，供气的主要目的是满足供氧，使生化反应顺利进行，以达到提高堆层温度之目的，当堆肥温度升到峰值以后，供氧量的调节主要以控制温度为主。在极限情况下，堆层温度可上升至80～90 ℃，这将严重影响微生物的生长繁殖。因此，必须加大供气，通过水分蒸发带走热量，使堆温下降。在生产实际中，往往通过温度-供氧反馈系统来完成温度的自动控制。

3 结论

3.1 该试验条件下，堆肥经过了升温期、高温期和降温期，高温（55～60 ℃）期维持在20 d左右，环境温度对堆体温度有一定的影响。

3.2 高温堆肥工艺达到了堆肥无害化对温度的要求，堆肥后样品大肠杆菌值和蛔虫卵死亡率均达到了有机肥行业标准的要求。

3.3 该试验条件下，供试外源微生物的引入对堆肥温度影响不大。

参考文献

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