3.6.4　生物过程中有机物质转化

堆肥过程实质上是有机物质稳定化和腐殖化的过程。因此，国内外学者对城市污泥、垃圾和牛粪等堆肥过程中各种有机物的变化特征做了许多研究，但对接种微生物后堆肥过程中有机物的变化特征仍缺乏深入探讨。堆肥中腐殖质含量、组成是评价堆肥质量的重要因素。在堆肥产品培肥土壤后，腐殖质及其组分对土壤的理化性质及生物学特性具有十分重要的影响，并且对作物的生长发育产生积极的作用。因此，采用合适的堆肥工艺，可以缩短堆肥周期，提高堆肥质量，对固体废物堆肥资源化处理的成功运行具有重要意义。在不同堆肥物料的堆肥中，其腐殖质及其组分存在差异。Chefetz等^［154］研究认为，废物经过堆肥处理后腐殖质含量会显著增加；另有研究发现，城市垃圾等固体废物经过堆肥处理后，其腐殖质增加得很少或没有变化。因此，到目前为止不同学者所得到的研究结论并不一致。

易分解有机质和水溶性有机质（DOC）是有机质中比较活跃的部分，对土壤微生物活动等许多过程均有明显的影响，其在堆肥产品中的含量无疑会直接影响到堆肥产品的质量及其应用效果。但目前对于堆肥过程中易分解有机质和DOC的动态变化过程的报道很少，对此问题仍待深入研究。

3.6.4.1　总有机碳含量（TOC）的变化

生活垃圾堆肥是在高温下，通过好氧微生物的生命活动，使有机物质分解的过程，因此城市生活垃圾堆肥实际上也是一个有机碳含量减少的过程，试验也证明了这一点（图3-59）。随着堆肥的进行，各处理有机碳含量均呈现明显的降低趋势，与堆肥初期相比，CM、CK有机碳含量分别降低了48.48%、45.28%。并且在堆肥中、前期有机碳的下降幅度较大，而在堆肥后期下降幅度则趋于缓慢。这是由于在堆肥过程中，微生物首先利用易降解的无机物和简单的有机物（可溶性糖、有机酸、淀粉等）进行生命活动，有机碳的分解速率加快；而在堆肥后期，随着易分解物质被完全降解之后，微生物只能利用较难降解的有机物质（纤维素、半纤维素和木质素等）作为碳源，因此，有机碳降解速率相对缓慢。由图3-59可以看出，在堆肥不同时期内，CM处理有机碳含量明显低于CK，表明采用接种微生物可明显增加堆肥有机物质的降解速度。

3.6.4.2　易分解有机质的动态变化

如图3-60所示，从总体上看，易分解有机质经历了一个降低—升高—降低的波动过程，但在堆肥结束时其含量明显减少。在升温阶段，堆料中的易分解有机质减少的速度很快，CK、CM处理分别由开始的168g/kg、170g/kg降低到120g/kg、112g/kg，与CK处理相比，CM处理降低幅度增大。表明在堆肥的升温阶段，堆体的氧气含量较高，有利于易分解有机质的分解，由于CM处理堆料中微生物浓度较高，活性较大，使易分解有机质此阶段降解速率加快。高温阶段，CK、CM处理分别由前期的低点上升至140g/kg、155g/kg，其中CM处理易分解有机质的上升幅度是CK处理的2倍。这是由于当堆体处于高温阶段时，CM处理中较多的外源微生物活动非常活跃，大量有机质被分解，在消耗易降解有机质的同时还会形成更多的易分解有机质，使其净含量反而呈上升趋势。到了降温阶段，微生物分解有机物的能力下降，降解的易分解有机质主要满足微生物本身的需要，所以此阶段堆体中易分解有机质含量呈减少的趋势；在后腐熟阶段，易分解有机质含量稳定在相对较低的水平。

3.6.4.3　水溶性有机碳（DOC）含量的变化

图3-61表明，堆肥过程中，DOC含量总体呈明显的下降趋势。但在堆肥的初期（0～48h）DOC浓度相对稳定，这是由于在堆肥的升温阶段，虽然微生物的生命活动要消耗一定的DOC，但由于易分解脂肪、碳水化合物的快速降解，生成DOC，使堆体中DOC得到补充。随着堆肥的进行，微生物迅速繁殖，堆体中DOC逐渐被微生物利用，致使DOC浓度明显降低。与堆肥初期相比，堆肥后CK、CM处理DOC下降幅度依次为37.38%、41.20%。在堆肥周期内，CM处理DOC浓度均明显低于CK。由于微生物不能直接利用堆料中的固相成分，需通过微生物分泌胞外酶将堆料中的可降解成分水解为水溶性成分才能加以利用，因此通过水溶性成分随堆肥过程的变化，可以判断堆肥的腐熟度。研究者们通过堆体中DOC含量变化来评价堆肥腐熟度进行了有益的尝试，但由于堆肥条件及物料的不同，DOC变化存在一定差异。

3.6.4.4　腐殖质及其组分含量的变化

（1）腐殖质（HS）含量变化

堆肥过程中，堆体腐殖质呈现先降低后增加的趋势（图3-62）。一方面，堆肥初期堆体中腐殖质结构较简单，芳构化程度较低，堆肥中腐殖质也存在一定程度的矿化。另一方面，堆肥初期降解的有机物质主要是简单的碳水化合物，腐殖质的形成率较低，因此，堆体中腐殖质含量减少；在堆肥的中后期，微生物主要利用较难降解的纤维素、木质素等物质为碳源，在这类物质降解的同时，逐渐形成了结构复杂的腐殖质类物质，使腐殖质的含量呈明显增加的趋势。由图3-62可以看出，在堆肥的0～96h，CM处理腐殖质含量明显低于CK；而在堆肥的腐熟时期（144～336h），腐殖质含量则明显高于CK。与最低点比较，堆肥后CM、CK处理腐殖质含量依次增加15.34%、8.11%。在堆肥过程中，一方面是有机物质在微生物作用下进行分解，另一方面分解产物在一定条件下又重新合成新的腐殖质类物质。堆肥产品培肥土壤后，腐殖质类物质对土壤的理化性质及生物学特性将产生重大的影响，因此，堆肥中腐殖质含量是堆肥质量的重要影响因素之一。由图3-62可见，与CK相比，堆肥336h后CM处理腐殖质含量增加8.61%，表明微生物接种技术对提高堆肥产品质量效果显著。

（2）胡敏酸（HA）及富里酸（FA）含量变化

胡敏酸与富里酸是腐殖质的重要组成成分，并对腐殖质性质具有十分重要的影响。堆肥过程中胡敏酸含量呈明显上升趋势（图3-63）（标题中没有HA和其他图不一样），在堆肥0～336h，处理CM、CK分别由25.0g/kg、26.5g/kg增加至46.7g/kg、40.0g/kg，其中CM处理在堆肥各个时期均明显高于CK。而富里酸含量在堆肥过程中呈明显降低趋势（图3-64），并且在堆肥的各个时期，CM处理富里酸含量明显低于CK处理。由于堆肥原料及堆肥工艺条件的不同，对堆肥过程中腐殖质、胡敏酸、富里酸变化规律的研究的报道也不完全一致，但综合以往报道，堆肥过程中胡敏酸与富里酸的比值（腐殖化指数，HI）均呈明显增加的趋势。因此，一些学者也尝试用HI值变化判断堆肥的腐熟度，虽然目前应用于不同物料堆肥腐熟度评价还存在一定的局限性，但堆肥过程中HI值升高，表明堆肥腐殖化、稳定化程度增强，这一点已基本达成共识。因此，由图3-65可见，采用接种微生物堆肥技术可明显增加堆肥各个时期的HI值，进而加强堆肥中腐殖质类物质的芳构化程度，促进堆肥快速腐熟。

（3）胡敏酸元素组成分析

堆肥初期及堆肥后期胡敏酸元素组成如表3-34所列，与堆肥初期相比，堆肥C、H元素含量呈明显降低的趋势，N元素含量较为稳定，而O元素含量则呈增加态势。胡敏酸原子比率C/N值降低，C/H、O/C值则表现为明显的增加。

堆肥前后，CK、CM处理胡敏酸元素组成的变化趋势一致，但与堆肥初期相比，各种元素及其原子比率变化的幅度不同。CK处理胡敏酸中C、H含量降低幅度依次为7.90%、15.48%，O元素含量、C/H、O/C分别增加2.62%、9.68%、10.91%；CM处理胡敏酸中C、H含量降低幅度依次为10.36%、19.06%，O元素含量、C/H、O/C分别增加6.61%、11.11%、20.37%。由于堆肥实质是有机物质在微生物作用下降解，同时也是腐殖质合成与复杂化的过程，堆肥后期胡敏酸C/H、O/C值增加是其分子缩合度、芳构化程度增加的体现，也是堆肥进入稳定化、腐熟化进程的标志。因此，通过对堆肥后期胡敏酸分子元素分析表明，采用接种微生物堆肥可以缩短堆肥的腐熟进程，进而提高堆肥效率。但与土壤胡敏酸相比，堆肥中胡敏酸C元素含量较低、H元素含量较高，因此C/H值较低，表明堆肥产品中胡敏酸分子中脂族类化合物相对较高，芳构化程度相对简单，活性较强。