一.概述
任何合格的有機肥的生產都必須經過堆肥和發(fā)酵。
堆肥是在一定條件下,有機物在微生物的作用下不斷降解穩(wěn)定,生產出適合土地利用的產品的過程。
堆肥是一種古老而簡單的處理有機廢物和制作肥料的方法,隨著研究的深入和方法的改進,它受到了各國的高度重視,因為它具有良好的生態(tài)意義,也給農業(yè)生產帶來了效益。有許多報道稱,使用分解的堆肥制備種子苗床可以抑制土傳疾病。
并且經過堆肥的高溫階段,拮抗菌的數量可以達到非常高的水平;在堆肥過程中,在微生物的作用下,各種有機物難以分解,穩(wěn)定,容易被作物吸收;同時,微生物作用可以在一定范圍內降低重金屬的毒性作用。
因此,堆肥是生產生物有機肥的一種簡單有效的方法,有利于生態(tài)農業(yè)的發(fā)展。
我國大部分有機肥產品只需堆肥發(fā)酵15-20天,此類產品只能達到無害化標準。優(yōu)質有機肥的堆肥發(fā)酵過程一般需要45-60天。這是因為植物病原菌、蟲卵、雜草種子等有害微生物會在堆肥前期的加熱階段和高溫階段被殺死,但微生物在這個過程中的主要作用是代謝和繁殖,而只產生少量的代謝產物,這些代謝產物不穩(wěn)定,很難被植物吸收。
微生物對有機質進行腐植酸化處理,產生大量有利于植物生長和吸收的代謝產物,需要45-60天。通過這個過程堆肥可以達到三個目的,一是無害化;其次是腐殖質;第三,大量的微生物代謝產物如各種抗生素、蛋白質等。
為什么堆肥會產生這樣的效果?
我們將在下面詳細介紹堆肥的原理。
二、有機肥發(fā)酵的原理
堆肥過程中有機物的轉化
堆肥中的有機質在微生物的作用下發(fā)生復雜的轉化,可以概括為兩個過程:一是有機質的礦化過程,即復雜的有機質分解為簡單的物質,最終生成二氧化碳、水和礦質養(yǎng)分;另一種是有機質的腐殖化過程,即有機質分解再合成形成更復雜的特殊有機質——腐殖質。這兩個過程同時進行,但方向相反。在不同的條件下,每個過程的強度明顯不同。
1.有機物礦化
(1)無氮有機物的分解多糖化合物(淀粉、纖維素、半纖維素)在微生物分泌的水解酶作用下首先水解為單糖。在通風良好的情況下,葡萄糖迅速分解,酒精、醋酸、草酸等中間產物不易積累,最終形成CO2和H2O,同時釋放出大量熱能。通風不好的話,單糖分解慢,產生的熱量少,會積累一些中間產物——有機酸。在極端厭氧微生物條件下,還會產生CH4、H2等還原性物質。
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。除了腐殖質,大部分都很容易分解。如蛋白質在微生物分泌的蛋白酶作用下逐步降解,產生各種氨基酸,然后氨化硝化分別形成銨鹽和硝酸鹽,植物可以吸收利用。
(3)堆肥中含磷有機化合物的轉化,在各種腐生微生物的作用下,形成磷酸,成為植物可以吸收利用的養(yǎng)分。
(4)含硫有機物的轉化堆肥中的含硫有機物在微生物的作用下產生硫化氫。硫化氫容易在不尊重氣體的環(huán)境中積累,對植物和微生物產生毒性。但在通風良好的情況下,硫化氫在硫細菌的作用下被氧化成硫酸,與堆肥中的堿反應生成硫酸鹽,不僅消除了硫化氫的毒性,還成為植物可以吸收的硫營養(yǎng)物。在通風不良的情況下,會發(fā)生反硫化,使硫酸變成H2S酸,對植物有害。在堆肥發(fā)酵過程中,定期翻堆的措施可以改善堆肥的通氣性,消除反硫化。
⑸脂類和芳香族有機化合物如單寧、樹脂的轉化,結構復雜,分解緩慢,最終產物為CO2和水。木質素是含有植物原料(如樹皮、鋸末等)的堆肥中特別穩(wěn)定的有機化合物。).它結構復雜,含有芳香核,以聚合的形式存在于植物組織中,極難分解。在通風良好的條件下,主要通過真菌和放線菌的作用緩慢分解,其芳香核可轉變?yōu)轷惢衔?,是腐殖質再合成的原料之一。當然,這些物質在一定條件下會繼續(xù)分解。
綜上所述,堆肥有機質的礦化可以為作物和微生物提供速效養(yǎng)分,為微生物活動提供能量,為堆肥有機質的腐殖化準備基礎原料。當堆肥以好氧微生物活動為主時,有機物迅速礦化,產生更多的二氧化碳、水等營養(yǎng)物質,分解迅速徹底,釋放大量熱能;當以厭氧微生物為主要活性時,有機物分解速度緩慢,往往不完全,釋放的熱能較少。除植物養(yǎng)分外,有機酸和CH4、H2S、PH3、H2等還原性物質在尚義積累,達到一定程度時對作物生長不利甚至有害。所以堆肥發(fā)酵過程中的翻堆也是為了改變微生物活動的類型,消除有害物質。
2.有機物的增濕過程
關于腐殖質的形成過程有很多說法,大致可以分為兩個階段:第一階段,有機殘留物分解形成構成腐殖質分子的原始物質,如多酚類和含氮有機物質(氨基酸、肽等)。);第二階段,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形成腐殖質單體。由于酚類、醌類、氨基酸類種類繁多,縮合方式不同,形成的腐殖質單體也多種多樣。在不同的條件下,這些單體進一步縮合形成不同大小的分子。
(2)堆肥過程中重金屬的轉化
城市污泥是堆肥和發(fā)酵的最佳原料之一,富含作物生長所需的營養(yǎng)物質和有機物。然而,城市污泥往往含有汞、鉻、鎘、鉛和砷等重金屬。微生物,尤其是細菌和真菌,在重金屬的生物轉化中起著重要作用。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),增加化學品的毒性,造成嚴重的環(huán)境問題,或者將重金屬濃縮,通過食物鏈積累。但有些微生物可以直接或間接去除環(huán)境中的重金屬,有助于改善環(huán)境。例如,第一個涉及造成環(huán)境污染的重金屬——汞,汞的微生物轉化包括三個方面:無機汞(Hg2+)的甲基化,無機汞(Hg2+)還原為Hg0,甲基汞等有機汞化合物裂解還原為Hg0。這些能夠將無機汞和有機汞轉化為元素汞的微生物被稱為抗汞微生物。微生物雖然不能降解重金屬,但可以通過轉化重金屬和控制其轉化途徑來降低毒性。
(3)堆肥發(fā)酵過程
堆肥實際上是一種廢物穩(wěn)定化的形式,但它需要特殊的濕度、通風條件和微生物來產生合適的溫度。一般認為這個溫度高于45℃。保持這個高溫可以滅活病原菌,殺死雜草種子。合理堆肥后殘留有機質分解率低,相對穩(wěn)定,易被植物吸收。堆肥后氣味可以大大減少。
堆肥過程中涉及許多不同種類的微生物。由于原料和條件的變化,各種微生物的數量不斷變化,因此在堆肥過程中沒有微生物始終占據主導地位。每個環(huán)境都有自己特定的微生物菌群,微生物的多樣性使得堆肥即使在外部條件變化時也能避免系統崩潰。
堆肥過程主要依靠微生物的作用,微生物是堆肥發(fā)酵的主體。堆肥涉及的微生物來源有兩個:一是有機廢棄物中的大量微生物;另一種是人工添加的微生物接種劑。在一定條件下,這些菌株對一些有機廢棄物有很強的分解能力,具有活性強、繁殖快、有機物分解快的特點,可以加快堆肥反應的進程,縮短堆肥反應的時間。
堆肥一般分為好氧堆肥和厭氧堆肥。好氧堆肥是有機物在好氧條件下的分解過程,其代謝產物主要是二氧化碳、水和熱量;厭氧堆肥是有機物質在厭氧條件下的分解過程。厭氧分解的最終代謝產物是甲烷、二氧化碳和許多低分子量中間體,如有機酸。
參與堆肥的主要微生物種類是細菌、真菌和放線菌。這三種微生物都有嗜溫菌和嗜熱菌。
在堆肥過程中,微生物種群交替變化:低溫和中溫菌群轉化為中溫和高溫菌群,中溫和高溫菌群轉化為中溫和低溫菌群。隨著堆肥時間的延長,細菌逐漸減少,放線菌逐漸增加,霉菌和酵母菌在堆肥結束時顯著減少。
有機堆肥的發(fā)酵過程可分為以下四個階段:
(1)堆肥初期,堆肥中的微生物以中溫好氧性為主,最常見的是無芽孢菌、芽孢菌和霉菌。他們開始堆肥的發(fā)酵過程,分解容易分解的有機物質(如單糖、淀粉、蛋白質等)。)在有氧條件下劇烈運動,產生大量熱量,不斷將堆肥溫度從20℃左右提高到40℃,這就是所謂的加熱階段,或者說中溫階段。
⑵在高溫階段,隨著溫度的升高,嗜熱微生物逐漸取代嗜溫種而發(fā)揮主導作用,溫度持續(xù)上升,一般在幾天內達到50℃以上,進入高溫階段。在高溫階段,嗜熱放線菌和嗜熱真菌成為主要種類。它們分解復雜的有機物質(如纖維素、半纖維素、果膠等)。)在堆肥中強烈積聚熱量,堆肥溫度上升到60-70℃,甚至高達80℃。那么大多數嗜熱微生物也會大量死亡或進入休眠狀態(tài)(20天以上),這對加速堆肥的成熟起著重要作用。堆肥不當的堆肥只有短時間的高溫,或者根本達不到高溫,所以成熟緩慢,半年甚至更長時間也達不到半成熟狀態(tài)。
⑶冷卻階段,當高溫階段持續(xù)一定時間后,大部分纖維素、半纖維素、果膠物質已經分解,留下難以分解的復雜成分(如木質素)和新形成的腐殖質,微生物活性減弱,溫度逐漸降低。當溫度降至40℃以下時,嗜溫微生物再次成為優(yōu)勢種
如果冷卻階段來得早,說明堆肥條件不理想,植物物質分解不充分。此時可以將堆翻過來,將堆好的物料混合均勻,從而產生第二次熱量,提高溫度,促進堆肥的成熟。
(4)堆肥分解后,體積減小,堆溫降至略高于氣溫。此時應壓實堆肥,造成厭氧狀態(tài),削弱有機質礦化,有利于肥料的保存。
簡而言之,有機堆肥的發(fā)酵過程實際上是各種微生物的代謝和繁殖過程。微生物的代謝過程就是有機分解的過程。有機物的分解必然會產生能量,促進堆肥過程,提高溫度,使?jié)窕|變干。
許多堆肥基質攜帶來自人類、動物和植物的病原體,以及令人討厭的生物,如雜草種子。在堆肥過程中,這些生物的生長可以通過短期持續(xù)升溫得到有效控制。因此,高溫堆肥的主要優(yōu)點之一是可以滅活人、動物和植物的病原體和種子。
病原體和種子的失活是由于細胞死亡,這在很大程度上是基于酶的熱失活。酶的失活在適當的溫度下是可逆的,但在高溫下是不可逆的。在很小的溫度范圍內,酶的活性部分會迅速下降。沒有酶的作用,細胞會失去功能,然后死亡。只有少數酶能長時間耐高溫。因此,微生物對熱滅活非常敏感。
研究表明,在一定溫度下加熱一段時間可以消滅病原體或討厭的生物。一般在60-70℃(濕熱)下加熱5-10分鐘。能破壞無芽孢菌的活性和芽孢菌的非休眠體。在70℃下加熱30分鐘,可清除污泥中的病原體。但在較低溫度下(50-60℃),部分病原菌可滅活60天。因此,堆肥過程中需要保持60℃以上的溫度一段時間。
堆肥過程中,必要時應翻堆。一般在堆溫超過峰值開始降溫時進行。翻堆可以使內層和外層分解溫度不同的物質均勻再混合。如果濕度不足,可以加入一些水,促進堆肥均勻分解。
在堆肥過程中,各種生物和微生物的死亡、置換和物質轉化是同時進行的。以上板塊介紹從不同角度簡要介紹了堆肥發(fā)酵原理。這些反應不可能在幾天或十天內完成,這就是為什么即使在各種溫度、濕度、濕度、微生物等條件得到很好控制的前提下,堆肥仍然需要經過45-60℃
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