好氧堆肥处理中的微生物及其对堆肥的影响
好氧堆肥过程中微生物群落变化研究
区域治理PRACTICE好氧堆肥过程中微生物群落变化研究*张鑫1,2,3,41.陕西省土地工程建设集团有限责任公司；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司；3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室；4.陕西省土地整治工程技术研究中心摘要：好氧堆肥是实现农业废弃物资源化和无害化利用的主要手段之一，堆肥过程不同阶段的变化主要是由微生物的活动所引起的，微生物的种类和丰度对堆肥的效率有着较大的影响，好氧堆肥是在多种微生物（如细菌、氮循环功能微生物）参与下实现对复杂有机物质的降解及利用，在不同阶段起主导地位的微生物存在较大差异，原料的不同也会影响微生物的群落结构，本文对好氧堆肥过程中细菌群落结构在不同阶段的变化、主要类别及硝化微生物进行了阐述。
好氧堆肥是处理农业有机废弃物的主要方式之一，在减少农业废弃物对环境造成污染的同时，其堆肥产物可作为产品循环利用于农业生产过程中。
实现农业废弃物的资源化利用，微生物在这期间起着关键性作用，微生物通过降解农业废弃物中的有机物来实现这个目的。
中图分类号：S718.52+1.3 文献标识码：A 文章编号：2096-4595（2020）13-0212-0001一、好氧堆肥细菌群落的变化规律细菌是在好氧堆肥过程中所占数量最多且最主要的微生物，堆肥原始材料主要是畜禽粪便，富含大量的嗜中温细菌和一些少量的嗜热细菌，堆肥过程温度的变化也是由微生物的活动所主导的。
堆肥过程按温度变化主要为升温阶段、高温阶段和降温阶段，在堆肥的初始阶段即升温阶段，占主导地位的是嗜中温细菌，在这一过程中，微生物通过分解物料中的有机物质产生热量，促使堆体的温度升高，在堆体温度升高过程中，嗜中温细菌数量及比例逐渐较少，嗜高温细菌数量增加，当堆体到达高温阶段时堆体中存在的细菌均属于高温细菌，在这一阶段堆体中的一些有害物质及病原微生物会有一大部分被消除，实现产品的无害化，随后堆体会进入降温阶段，嗜中温细菌数量开始增加，嗜高温细菌逐渐减少（张嘉超，2009）。
好氧堆肥的原理及作用
好氧堆肥的原理及作用
好氧堆肥是将有机废弃物在有氧条件下进行堆肥处理。
堆肥堆中通过施加适当的氧气、水分和温度条件，促进微生物的活性繁殖和代谢，加速分解和转化有机物质，最终形成肥料的过程。
好氧堆肥的作用主要包括：
1. 分解有机废弃物，减少污染：堆肥堆中的微生物能够有效地分解生物质废弃物，充分利用资源，避免对环境造成二次污染。
2. 生成有机肥料，提高土壤肥力：好氧堆肥后的有机物经过分解、转化和稳定化处理，形成稳定的有机肥料。
这些有机肥料富含微量元素和有益菌群，能够提高土壤肥力和提供植物所需的营养元素和生长因子。
3. 改善土壤结构，增加土壤通透性：好氧堆肥的有机物质能够改善土壤结构，增加土壤通透性，并且可以抑制土壤酸化反应。
4. 减少有机废弃物对环境的危害：好氧堆肥不仅可以降解有机废弃物，减少处理和储存费用，同时还可以减少有机废弃物对环境的危害。
5. 降低温室气体排放，保护环境：好氧堆肥是一种低碳经济的模式，通过有机废弃物的肥料化处理，能够减少气体排放，保护环境。
禽粪好氧堆肥发酵高温阶段微生物的分离及其作用
行好氧发酵可使其无 害化 、资源化【 】 在其好氧 ２。 ＿ ３ 堆肥过程 中，最关键的因素是微 生物 ，因此就其 关键时段（ 高温 阶段 ） 的微生物种系及其作用进行 探讨 ，对于禽粪便 及其废 弃物堆肥 的高效 、快速
腐熟 具有 重要 的意 义 。
将分离菌株分别点种 在相应 的淀粉培养基表 面 ，取样温度培养。３ ５ｄ后将碘液均匀覆于培养 ～ 基上 ，以透 明圈有无及直径大小判定各菌株水解淀
性 ，除 ＨＢ ２ 菌 株外 ，均 有芽 孢 。 一１
基金项目：国家 自然科学基金（ ０ ７ ０４ ３３１５） 作者简介：王立群 （９ ６ ，男 ，黑龙江人 ，硕士 ，教授 ，主要 １５一） 从事微生物学方面的研究 。Ｅ ｍａｌｗ ｎ ｌ ｕ ２ ６ ．ｏ － ｉ ａｇｉ ｎ ＠１３ ｃｒ ： ｑ ｎ
基 质 内 ；菌 落初 期呈 白色 ，气 生 菌丝 少 ，呈 絮 状 ； １一 １一 １一 １一 １ 、蛋 白质２和纤 维 素等一 １ ｌ－一 ＾ 质 的水解 Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ ２ ２ ２一 Ｂ一～ 一 ３一 １ １ Ａ一 ～子物。 对淀 粉 Ｂ Ｂ Ｂ —２ Ａ Ａ Ａ ，一 一 一 一 ～Ａ 一 大分 试验 ，按 其综 合 降解 能力 筛选 出高效 细菌 ９株 ，放 线菌 ５株 ，霉 菌 ２株 ，见 表 １ 。
通过对细菌、放线菌和霉菌的菌落及个体形态
特征观察及 比较 ，在 ５～ Ｏ 时分离到细菌 ３ 株 、 Ｏ ６ ｌ
放线菌 ｌ ７株 ；霉菌 只在 ５ Ｏ℃分离 得到 两株 。 ２２ 茵落及 个体 形 态 ． 细菌 ：菌 落 多数 较 透 明 、光 滑 、湿润 易 挑 起 ，
１ ． 菌株 分 离 ．２ ２
１ ． 方法 ２
１ ． 取 样 ．１ ２
固体废物的好氧堆肥处理
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
2、好氧堆肥化过程
堆肥是一系列微生物活动的复杂过程，包含着堆肥 原料的矿质化和腐殖化过程。
环境学院：固体废物处理与处置
补充知识点三：矿质化和腐殖化
有机物生物降解会向两个方向转化：
环境学院：固体废物处理与处置
异化作用就是生物的分解代谢。是生物体将体 内的大分子转化为小分子并释放出能量的过程。 呼吸作用是异化作用中重要的过程。 简单说，异化作用就是把自己变成非己。 异化作用的实质是生物体内的大分子，包括蛋 白质、脂类和糖类被氧化并在氧化过程中放出 能量。 有氧的异化作用中，糖、脂类、蛋白质等变为 含羧基的化合物并进行了脱羧的酶促反应，生 成二氧化碳；而氢则由脱氢酶激活在线粒体内 经过呼吸链的传递将底物还原逐步释放能量， 自身被氧化生成水。
供氧量 含水率 温度和有机物含量 颗粒度 C/N比和C/P比 pH值
环境学院：固体废物处理与处置
3.1 供氧量
氧气是堆肥过程有机物降解和微生物生长所必需的 物质。保证较好的通风条件、提供充足的氧气是好 氧堆肥过程正常运行的基本保证。
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
1、好氧堆肥的基本原理
好氧微生物在与空气充分接触的条件下，使堆肥原料中 的有机物发生一系列放热分解反应，最终使有机物转化 为简单而稳定的腐殖质的过程。 在堆肥过程中，微生物通过同化和异化作用，把一部分 有机物氧化成简单的无机物，并释放出能量，把另一部 分有机物转化合成新的细胞物质，供微生物生长繁殖。
腐殖质在土壤中可以呈游离的腐殖酸和腐殖酸盐类状态存 在，也可以呈凝胶状与矿质粘粒紧密结合，成为重要的胶 体物质。
好氧堆肥处理中的微生物及其对堆肥的影响
接种微生物对堆肥的影响
对于加快堆肥进程、提高堆肥效率可通过两种方式：
一，通过改变堆肥底物的物理和化学特性，如水分、pH、C/N、物 料的透气性、堆肥的翻堆频率等，能够改变堆肥腐熟进程；
二，通过添加微生物菌剂加快堆肥进程，外源微生物的接入能够明 显的促进堆肥腐熟的功能，提高堆肥的效率。
接种微生物对纤维素的降解
好氧堆肥处理中的微生物 及其对堆肥的影响
1| 目 录
背景介绍 堆肥微生物学过程
2| 3| 4|
微生物对堆肥的影响
总结
好氧堆肥的原理
好氧堆肥是一种利用自然界中天然存在的，或经过人类某些改变的微生物对有机固体废物 的氧化、分解的能力，在一定氧气、温度、湿度和 pH 条件下使可降解有机固体废物发生生 物化学降解，形成类似腐殖质土壤的物质，达到有机固体废物处理无害化资源化的技术方法。
接种白腐菌真菌对堆肥质 中重金属的影响
水溶交换态 Pb 有机结合态Pb
残留态Pb
固定Pb 钝化作用
接种微生物对堆肥的影响
实验中使用的除臭菌种是由八种菌种和 两种天然植物提取物按配方混合而成，
异味强度 Z 的计算采用 Weber-Fecger 公式 Z = K ⋅log Y 式中，Y 为异味物质浓度；K 为常数，通常取 10
明显的促进堆肥腐熟的功能，提高堆肥的效率。
参考文献
THANKS
总结
A好氧堆肥法可以快速有效地处理有机质含量较高的固体废物，并
具有产生臭味少、安全性好、能够杀灭虫卵病菌等优点。
B微生物在好氧堆肥的过程中起到决定性作用，其中的细菌、真菌、
放线菌等可以有效地降解有机质，分解木质素、纤维素半纤维素等， 从而使得堆肥彻底稳定。
C通过接种微生物菌剂可以加快堆肥进程，外源微生物的接入能够
好氧堆肥技术：高效利用农业废弃物
堆肥利用：将破碎和筛分后的堆肥用于土壤改良、植物营养供给等方面，提高土壤质量 和植物生长效果。
堆肥效果评估：对堆肥的利用效果进行评估，并根据实际情况进行调整和改进，以提高 堆肥的利用效率和效果。
成品利用阶段
堆肥成品：可用于土壤改良、植物生长等 堆肥利用方式：可直接施用或加工成有机肥料 堆肥利用效果：提高土壤肥力，促进植物生长 堆肥利用注意事项：避免过量施用，以免造成土壤盐碱化
氧气供应的重要性
好氧堆肥技术原理：在有氧条件下，通过好氧微生物的作用，将农业废弃物分解为稳 定的腐殖质。
氧气供应的重要性：好氧微生物需要足够的氧气来维持其生长和代谢活动，从而加速 废弃物的分解。
氧气供应不足的影响：氧气供应不足会导致好氧微生物的生长受限，降低堆肥效率， 甚至产生臭味和有害气体。
氧气供应方式：可以通过翻堆、通风等方式来提供足够的氧气，促进好氧微生物的生 长和代谢。
政府加强宣传教 育，提高公众对 好氧堆肥技术的 认知度和接受度
面临的主要挑战及解决方案
技术推广难度 大：缺乏专业 技术人员和设 备，需要加强 技术培训和设
备引进。
资金投入不足： 需要政府和社 会资本的支持， 加大投资力度。
农业废弃物收 集困难：需要 建立废弃物收 集和处理体系， 加强废弃物资
源化利用。
堆肥产品质量 不稳定：需要 加强技术研发 和生产管理， 提高产品质量
和稳定性。
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汇报人：XXX
降低生产成本：好氧堆肥技术能够循环利用农业废弃物，降低农业生产成本，提高经济效益。
在城市垃圾处理中的应用
减少垃圾填埋场的污染 降低垃圾处理成本 提高垃圾资源化利用率 改善城市环境质量
好氧堆肥的基本原理
好氧堆肥的基本原理
好氧堆肥的基本原理是利用空气中的氧气，将有机废弃物进行分解和转化为肥料的过程。
好氧堆肥过程中，有机废弃物被有效地堆放在一个容器中，这个容器通常是一个堆肥桶或者堆肥堆。
堆肥堆通常由开放底部的框架构成，以便空气能够通过底部进入堆肥堆。
在堆肥过程中，有机废弃物与空气中的氧气和水分接触，通过微生物的活动进行分解。
这些微生物包括细菌、真菌和其他微生物，它们分解有机废弃物，同时产生热能。
由于有氧条件和适宜的温度，这些微生物能够有效地分解有机废弃物，从而加速分解过程。
分解后的有机废弃物逐渐转化为稳定的有机肥料，富含植物所需的营养元素。
这些有机肥料可以提供植物生长所需的养分，并且具有良好的透气性和保水性。
通过好氧堆肥，有机废弃物得到了有效的处理和利用，减少了垃圾污染和资源浪费。
需要注意的是，在好氧堆肥过程中，适当的湿度、温度和空气流通是非常重要的。
适宜的湿度可以促进微生物的生长和活动，适宜的温度可以加速分解过程，而良好的空气流通可以提供足够的氧气供微生物进行呼吸。
总的来说，好氧堆肥是利用氧气进行堆肥的一种方法。
通过提供适宜的环境条件，有机废弃物可以被高效地分解为有机肥料，实现资源的循环利用。
垃圾好氧堆肥技术的研究进展
酶促降解作用的研究具有积极意义。
➢工业堆肥电子鼻(e-nose)（López R et al.,2016）
• 通过传感器对温度、O2、水分、VOCs、堆肥气体（NH3,H2S,CO2等）的检测，电子鼻可以对堆肥的质量和腐 熟度进行现场评估。
应对措施
① 采用封闭式堆肥 ② 做好堆肥厂的卫生工作，定期消毒 ③ 堆肥厂地址科学安排，建在居民区的下风向
案例：德国 UTV-GORE 膜覆盖式畜禽粪便高温好氧发酵法
垃圾堆肥的环境问题及应对措施
➢重金属（Heavy metals）
应对措施：
① 源头分离的堆肥中，所有六种重金属的浓度均明显低于机械分离的堆肥。（Wei et al.,2017） ② 堆肥分级 根据堆肥中重金属的含量，确定堆肥的不同用途，优质堆肥适宜农业应用，二级堆肥可用作
后处理：
根据需要进行 破碎分选，进 一步去除杂物
脱臭：
包括酸碱溶液吸 收法，臭氧氧化 法，活性炭吸附 法等。
贮存：
干燥、透气下的 环境存放
堆肥的工艺流程
堆肥腐熟度的评价
堆肥腐熟度的评价
国内外堆肥状况
Fig. 1. The amount of MSW generated and composted in the USA, UK, Japan and China during 2004–2013 (Unit: million tons) (Eurostat, 2015; USEPA, 2013; MOEJ, 2015 a National Bureau of Statistics of China, 2015)
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诺卡氏菌 分解纤维素 链霉菌 半纤维素 高温放线菌 单孢子菌 角质素
木质素等
好氧堆肥微生物的种类与作用
接种黄孢原毛平革真菌对木质素降解的影响
堆肥过程中，B中木质素由初始的27498 mg 降至堆 肥结束时的15438 mg，总降解率达43.9%， 而A仅由初始的27498mg 降至 19764mg，总降解率 为28.1%，表明接种黄孢原毛平革真菌可促进堆肥过程 中木质素降解。
在堆肥化过程中， 可溶性有机物质可透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物直接吸收； 而不溶的胶体有机物质，先被吸附在微生物体外，依靠微生物分泌的跑外酶分解为可溶性 物质，再渗入细胞。 微生物通过自身的生命代谢活动，进行分解代谢(氧化还原过程)和合成代谢(生物合成过程)， 把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并放出生物生长、活动所需要的能量，把另一 部分有机物转化合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体。
好氧堆肥的微生物学过程
高温期
当温度45 ℃ 以上时就进入到高温堆肥阶 段。在该阶段中，大部分嗜温微生物会因受 到抑制而死亡，而嗜热微生物成为主导微生 物。复杂的有机物，如半纤维素、纤维素等 开始被强烈分解，同时开始了腐殖质的形成 过程，出现了能溶解于弱碱的黑色物质。 嗜热微生物通常在50℃左右最为活跃，当 温度上升到60℃或更高时真菌就几乎停止活 动，仅剩下嗜热菌。在堆肥技术中，最适宜 的温度在55℃左右，在这个温度范围内，堆 体内大部分微生物最活跃也最容易分解有机 物，而其中的寄生虫、致病菌和寄生虫卵等 均可被去除。
降解脂肪、脂质体 克雷伯氏菌属 降解蛋白质、淀粉 芽孢杆菌属
放线菌
放线菌是具有多细胞菌丝，它可以分 解半纤维素，并可溶解木质素类和在高 温下分解纤维素、角质素等。 与真菌相比，放线菌分解木质纤维素 类的能力要弱一些，但其比真菌耐受温 度要高和对恶劣条件适应性强，它们在 堆肥高温阶段对木质纤维素的分解起着 主要作用。
接种白腐菌真菌对堆肥质 中重金属的影响
水溶交换态 Pb 有机结合态Pb
残留态Pb
固定Pb 钝化作用
接种微生物对堆肥的影响
实验中使用的除臭菌种是由八种菌种和 两种天然植物提取物按配方混合而成，
异味强度 Z 的计算采用 Weber-Fecger 公式 Z = K ⋅log Y 式中，Y 为异味物质浓度；K 为常数，通常取 10
降解半纤维素
纤维素 木质素
真菌
好氧堆肥的微生物学过程
根据堆肥温度的变化和微生物生长情况可以分为四个阶段：
潜育期、中温期，高温期、腐熟期
潜育期
◎调整适应阶段 ◎微生物基本不生长 ◎堆体温度稳定
好氧堆肥的微生物学过程
中温期
通常在堆肥开始后40h左右，堆体基本呈15°C45°C的中温，嗜温微生物较为活跃，通过利用糖 类、淀粉类等可溶性易降解有机物进行旺盛的生命 活动，迅速繁殖。这些嗜温微生物包括真菌、细菌 和放线菌。 细菌主要以水溶性单糖类为底物，放线菌和真菌 则对分解纤维素和半纤维素物质具有特殊功能。这 些菌类在分解有机物过程中，转换和利用化学能并 释放出大量热量，使堆体温度迅速上升，随着温度 升高，嗜温菌更为活跃，成为优势菌群，降解更多 的有机物并释放出更多的热能。
好氧堆肥与厌氧堆肥的比较
好氧堆肥
①发酵迅速，产品产生周期短，一般在 1-10 天内就可完成（含腐熟期）。 ②堆温较高可达55°C，能杀灭病菌虫卵等， 降低水分，减少浸出液生成量。 ③只要保持好氧状态，产生臭味少，不产生 易燃易爆气体，安全性较好。 ④占地面积小。⑤可堆肥物（易腐有机物） 分解比较彻底。 ①堆肥过程需要对氧浓度运行维持 ②运行费用相对稍高。
厌氧堆肥
①处理工艺简单。 ②通过堆体自身发酵分解有机物，不必
优点：
由外界提供能量，运行费用低。
③堆肥产品中氮保存较多。 ④如果对所产生的甲烷处理得当，还有 利用的可能，实现能量回收。
缺点：
①厌氧堆肥对有机物分解缓慢， 堆肥周期长，一般需 4-6 个月。 ②易产生恶臭，影响环境卫生。 ③占地面积大。
好氧堆肥与厌氧堆肥的比较
总结
A好氧堆肥法可以快速有效地处理有机质含量较高的固体废物，并
具有产生臭味少、安全性好、能够杀灭虫卵病菌等优点。
B微生物在好氧堆肥的过程中起到决定性作用，其中的细菌、真菌、
放线菌等可以有效地降解有机质，分解木质素、纤维素半纤维素等， 从而使得堆肥彻底稳定。
C通过接种微生物菌剂可以加快堆肥进程，外源微生物的接入能够
(L一低温、M一中温、H一高温、B一细菌、 F一真菌、A一放线菌、C一纤维素分解菌)
接种微生物对堆肥的影响
种子发芽指数( GI) 是反映堆肥液对植物毒性的重要指标，也是判定堆肥腐熟度的重要指 标。当 GI 达到 50% 时堆肥基本腐熟，对植物基本没有毒性，当 GI 达到 80% 时对植物没 有毒性，可以认定堆肥已充分腐熟。 在堆肥过程中，微生物分解有机氮产生氨气，在高温阶段容易挥发，造成氮素损失。如 何控制氮素的损失，提高堆肥氮素养分含量是当前研究的关键问题。
由于好氧堆肥的堆体温度高，可以最大限度地杀灭病原菌体、虫卵和垃圾中的植物种籽，使堆肥 达到无害化。同时，好氧堆肥对垃圾中的有机物降解速度快，且环境卫生条件好。因此，现代采用 的堆肥工艺大多为高温好氧堆肥，好氧堆肥也是研究开发的热点。
好氧堆肥微生物的种类与作用
假单胞菌属
细菌
在堆肥过程中，细菌因其较大的比表 面积，可迅速将可溶性底物吸收到细胞 中以生长繁殖，数量比真菌明显要多。 主要包括、与芽孢杆菌等。 它们是堆肥过程中易降解有机物的主 要分解者。
明显的促进堆肥腐熟的功能，提高堆肥的效率。
参考文献
THANKS
好氧堆肥的微生物学过程
腐熟期 ◎内源呼吸期 ◎微生物活性下降 ◎堆体温度下降 ◎需氧量下降 最终堆肥稳定
从图中可以看出：堆肥的中温期和高温期的多样性指数均高于1.5，发酵前期微生物种类丰富， DGGE条带数也应证了这一点；而在降温期间微生物多样性指数相对下降，但是较为平稳的维持在1.5左 右，此时纤维素分解菌起到主要的左右，种类变化不大，说明堆肥后期以嗜温菌为主。
曲霉菌
真菌对堆肥物料的分解和稳定起着重要的 作用。真菌不仅能分泌胞外酶，水解有机质， 而且由于其菌丝的机械穿插作用，还对物料 施加一定物理破坏作用，促进生物化学作用。 在堆肥过程中，真菌影响着堆肥反应的进 程，对于堆肥物料的分解转化和腐熟稳定具 有重要意义。
果胶、纤维素
假丝酵母菌
木霉菌 白腐菌 褐腐菌
接种微生物对堆肥的影响
对于加快堆肥进程、提高堆肥效率可通过两种方式：
一，通过改变堆肥底物的物理和化学特性，如水分、pH、C/N、物 料的透气性、堆肥的翻堆频率等，能够改变堆肥腐熟进程；
二，通过添加微生物菌剂加快堆肥进程，外源微生物的接入能够明 显的促进堆肥腐熟的功能，提高堆堆肥处理中的微生物 及其对堆肥的影响
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背景介绍 堆肥微生物学过程
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微生物对堆肥的影响
总结
好氧堆肥的原理
好氧堆肥是一种利用自然界中天然存在的，或经过人类某些改变的微生物对有机固体废物 的氧化、分解的能力，在一定氧气、温度、湿度和 pH 条件下使可降解有机固体废物发生生 物化学降解，形成类似腐殖质土壤的物质，达到有机固体废物处理无害化资源化的技术方法。