劉子樂, 白林*, 胡紅文

(1.四川農業(yè)大學動物科技學院, 畜禽遺傳資源發(fā)掘與創(chuàng)新利用四川省重點實驗室, 成都 611130; 2.內江市農業(yè)科學研究院, 四川 內江 641000)

城市化建設和農業(yè)發(fā)展產生了大量有機固廢，包括污泥、農業(yè)廢棄物、城市固廢、食品和餐廚垃圾、園林垃圾和動物廢棄物等[1]。不正確地處理這類有機固廢會對環(huán)境造成污染，也會影響城市的建設進度和產業(yè)發(fā)展。堆肥被認為是一種綜合利用有機固廢的方式，能夠利用廢棄物中氮、磷、鉀等元素[2]，堆肥產生的有機肥中含有大量腐殖酸，既能促進物質循環(huán)又能增加產品附加值。

傳統(tǒng)堆肥最適溫度在55 ℃左右，超過70 ℃雖然能夠更加高效地殺死病原微生物，但同時也會阻礙微生物對有機質的降解[3]。超高溫堆肥工藝能夠突破這一限制，使高溫期溫度能夠超過70 ℃，并同時使有機固廢資源化。目前，傳統(tǒng)堆肥技術已經取得了很大的研究突破，但是堆肥時間仍較長，處理效率無法與固廢產率達到平衡[4]。Oshima等[5]將傳統(tǒng)堆肥進行改良，提出了超高溫堆肥這一新方法。之后，我國科研人員利用嗜熱菌篩選的方法開發(fā)出一種專用于超高溫堆肥的菌劑[6]，并已在北京市、河南省鄭州市和焦作市得到應用，在處理污泥和畜禽糞便方面取得了良好效果。該法能夠突破傳統(tǒng)堆肥70 ℃的限制，將堆肥時間減少50%左右，在減量化、無害化方面均優(yōu)于傳統(tǒng)堆肥[7]。本文以近年來超高溫堆肥技術相關文獻為基礎，總結了不同超高溫堆肥方法，以及國內外對超高溫堆肥無害化和資源化方面的研究進展，對超高溫堆肥研究與應用中可能存在的問題進行論述并提出了相關建議。

1 超高溫堆肥與傳統(tǒng)堆肥工藝對比

有機質礦化與腐殖化是堆肥主要的兩個階段，堆肥腐熟在很大程度上受有機物降解速率的影響[8]，超高溫能夠加速有機質降解速率，縮短物料腐熟時間。

1.1 有機物礦化

許多學者對超高溫堆肥和傳統(tǒng)堆肥進行過對比研究。在利用脫水污泥超高溫堆肥后，有機質降解率為21.2%，比傳統(tǒng)堆肥高5.3%[9]。水溶性碳(water soluble carbon，WSC)的變化趨勢直接反映了堆肥中有機質的降解情況，在WSC隨時間變化方面，超高溫堆肥和傳統(tǒng)堆肥有很大差異。傳統(tǒng)堆肥中WSC在18 d達到峰值22 g·kg-1，后穩(wěn)定處于16.2 g·kg-1左右；而超高溫堆肥在21 d就能增加到32.1 g·kg-1，并穩(wěn)定于21.8 g·kg-1[9]。對比各時間段WSC發(fā)現(xiàn)，在堆肥全過程中，超高溫堆肥WSC都高于傳統(tǒng)堆肥，且兩者在9 d時達到最大差值10 g·kg-1[10]。所以，超高溫堆肥的有機質降解率大于傳統(tǒng)堆肥，且降解速度更快。

1.2 有機質腐殖化

從整體腐熟時間來看，由于選取的堆肥原料不同，超高溫堆肥腐熟的一般時間為7～42 d[11-14]，而傳統(tǒng)堆肥的腐熟需要17～45 d。其中，蔬菜[15]、污泥[16]、雞糞[17]以及豬糞[18]分別需要17、44、45、35 d。從總腐殖酸含量變化來看，同樣經過50 d的堆肥后，超高溫堆肥能夠使總腐殖酸含量增加27.6%[19]，而傳統(tǒng)堆肥中這一數據僅為8.32%～8.71%[20]。從腐殖酸成分來看，超高溫堆肥能夠促進富里酸(fulvic acid，F(xiàn)A)轉化成胡敏酸(humic acid，HA)的過程。對比傳統(tǒng)堆肥，超高溫堆肥后胡敏酸顯著增加了42.6%～56.8%，且穩(wěn)定性更高[21]。超高溫堆肥能夠加速堆肥腐殖化過程，并且腐熟料腐殖化程度高于傳統(tǒng)堆肥。

2 超高溫堆肥工藝方法及評價

2.1 超高溫堆肥工藝方法

圖1展示了超高溫堆肥一般的工藝流程，這些方法主要是對傳統(tǒng)堆肥方法的改良，主要區(qū)別在于堆肥初期對堆肥原料的處理不同，即采用了不同方法進行引入極端嗜熱微生物。按照引入微生物的方式，大致可以分為以下3種：①將已腐熟的超高溫堆肥產物作為反混料放入新的堆肥中，且反混料與新鮮污泥比例為1∶3，C/N一般控制在8左右。②在堆肥前期直接添加極端嗜熱菌劑，該法與前一方法類似，都是在前期直接引入極端嗜熱微生物。③在堆肥前期加外源熱預處理，通常是油浴加熱預處理，待結束后再轉為普通堆肥。這一方法不依賴于外源微生物的加入，而是在堆肥初期對堆肥物料中的微生物進行高溫選擇，普通微生物對于70 ℃的高溫不耐受，而嗜熱微生物因對環(huán)境有很好的抗逆性而存活下來，并在高溫期成為優(yōu)勢菌群。

2.2 不同引種方式的評價

表1展示了近年來關于超高溫堆肥的一些主要研究，主要的引種方式包括：堆肥前期添加腐熟物料、堆肥前期直接添加超嗜熱菌劑、堆肥前期進行高溫預處理。不同引種方式之間的差別很大。

表1 不同超高溫堆肥工藝比較Table 1 Comparison of different hyperthermophilic composting process

2.2.1堆肥前期添加腐熟物料 在堆肥前期施加已腐熟的物料，在類似的固體廢物中能夠最大限度地把堆肥時間縮短24 d左右，腐殖土自身疏松多孔的結構和腐殖質表面較多的有機官能團為微生物提供了良好的微環(huán)境，促進了微生物在堆體內部的傳輸，加快了堆體深層有機質的分解[20]。該法產生的腐熟料中主要功能菌不發(fā)生改變，還可作為廉價的外源接種菌劑，節(jié)約成本[23]。

2.2.2堆肥前期添加超嗜熱菌劑 在堆肥前期添加菌劑的方法中，菌劑的種類和使用量的選用可能與堆肥原材料有關。廖漢鵬等[7]在脫水污泥的超高溫堆肥中添加了0.5%的極端嗜熱菌劑；而Cui等[21]在新鮮雞糞和稻殼的堆肥中添加了1%的極端嗜熱菌劑；常瑞雪[11]對蔬菜進行堆肥時，則使用了3%VT菌劑。雖然在堆肥前期添加嗜熱菌劑的方法操作簡便，但是人工篩選和培養(yǎng)的嗜熱菌有限，培養(yǎng)和保存嗜熱菌種的步驟較為繁瑣；若菌劑的選用不當，還達不到理想的效果。雖然現(xiàn)在尚未有關于菌劑的選擇對超高溫堆肥的影響研究，但是在傳統(tǒng)堆肥中已有文獻對當前市面上常見的菌劑進行過對比評估。文斌等[24]向兔糞中添加了3種市面上常見的菌劑進行堆肥，經過14 d的腐熟料能夠滿足兔糞無害化處理的目的，然而對堆肥腐熟、重金屬去除以及總養(yǎng)分的提高均沒有明顯效果；而姚文英等[25]向牛糞和樹葉的堆肥中添加了名為“沃寶”的普通菌劑以及嗜熱側孢霉的嗜熱菌劑，并進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)添加了嗜熱菌的處理組在堆體中心溫度以及種子發(fā)芽率方面均優(yōu)于普通堆肥組和“沃寶”菌劑組。不僅僅菌劑種類的選擇對堆肥結果會造成影響，同種菌劑的不同濃度可能也會產生不一樣的堆肥結果。因此，堆肥前期添加嗜熱菌劑的方法是否有效，還需要在后續(xù)研究中從菌劑成分、使用以及投入時間等方面考慮。

2.2.3堆肥前期高溫預處理 初期進行高溫預處理后轉為普通堆肥的方法是3種方法中前期能量輸入最大的一種方法。雖然無需任何添加物，但是缺點是在超高溫堆肥過程中，升溫速度很快，同時高溫期時間較長，相比于普通堆肥而言，微生物多樣性下降速度很快[26]。在預處理中，極端嗜熱菌成為了堆體中的主要微生物，當預處理結束后，由于極端嗜熱菌在60 ℃以下會進入休眠狀態(tài)[27]，且該方法無法在短期內升溫到60 ℃，在堆肥初期的很長一段時間內，微生物的數量和多樣性都較低，對大分子物質的利用率較低。操作步驟繁瑣且最高溫度和高溫持續(xù)時間均低于其余2種方法，腐熟時間也最長，因此，該法用于實際生產的難度較大。

3 超高溫堆肥無害化和資源化研究進展

無害化和資源化是處理有機固廢的首要目的，超高溫堆肥在這兩個方面都具有一定的優(yōu)勢。

3.1 超高溫堆肥資源化相關研究

傳統(tǒng)堆肥中發(fā)現(xiàn)，難生物降解的有機質通常降解率較低，而且堆肥時氮損失嚴重，這些對物料腐熟程度和有機肥肥效都造成了不良影響。近年的研究表明，超高溫堆肥在資源化方面有所突破，有望成為一種新型技術。

3.1.1超高溫堆肥對難生物降解有機質的處理

木質纖維素類物質是一類難生物降解的有機質，如秸稈、稻草等，因其具有較高的C/N，又常常作為調節(jié)劑與其他有機固廢一同堆肥[28]。目前還沒有關于超高溫堆肥與纖維素降解相關的系統(tǒng)研究，但是許多指標表現(xiàn)出超高溫堆肥可能有加速處理難生物降解有機質的能力。已有研究表明，木質纖維素類的分解主要發(fā)生在堆肥高溫期，溫度對于木質素的降解有著促進作用[29]。溶解有機碳(dissolved organic carbon，DOC)是木質纖維素類分解后的產物。曹云等[30]在模擬超高溫堆肥的研究中發(fā)現(xiàn)，超高溫處理后DOC的含量顯著少于普通堆肥，纖維素的降解速率逐漸增加并于堆肥結束達到穩(wěn)定。

Abdel-Rahman等[28]研究發(fā)現(xiàn)，芽孢桿菌屬(Bacillus)在耐熱性和分解纖維素方面具有優(yōu)勢。

另外，超高溫堆肥高溫期菌落結構分析的結果表明，超高溫堆肥和普通堆肥在嗜熱細菌菌群結構方面存在很大區(qū)別，動球菌科(Planococcaceae)中未定義的一種菌和土壤芽胞桿菌屬(Solibacillus)，兩種與纖維素降解相關的細菌豐度在高溫期分別是普通堆肥中的118倍和45.3倍；真菌中的曲霉菌屬(Aspergillus)增加了11.2%～61.8%[31]。Bacillus是超高溫堆肥中的優(yōu)勢菌群[26]，但這與堆肥方式有關。一般來說，加入反混料堆肥,Bacillus的豐度會明顯高于初期外源加熱預處理的堆肥[23]。Bacillus能夠有效分泌內切纖維素酶和外切纖維素酶[32]，這兩種酶使纖維素、半纖維素和木質素的降解率能夠達到70%左右[33]。

3.1.2超高溫堆肥對氮轉化的影響 氮元素作為植物正常生長的必要元素之一，與有機肥腐熟程度密切相關，硝化指數和C/N等可用作腐熟度的評判標準。超高溫堆肥會加速蛋白質的降解過程，6 d就能使蛋白類物質降解率達到100%[34]，并且水溶性氮在高溫期會增加約90%[12]。在傳統(tǒng)堆肥中，通常有一部分氮會在高溫期以氨的形式損失。有研究證明，超高溫堆肥會通過溫度使脲酶和蛋白酶失活來減緩氨的排放過程，從而使總氮保留率提高16%[22]。持續(xù)高溫會影響細菌活性，但不會影響真菌活性，腐熟期氨的轉化主要會依賴真菌的作用，如支頂孢屬(Acremonium)、鏈格孢屬(Alternaria)和青霉屬(Penicillum)等[22, 35]。

堆肥過程中，氨會發(fā)生氨氧化反應，產生氮氧化物(NOx)，并以這種形式損失掉。有學者發(fā)現(xiàn)，超高溫堆肥會減少20%N2O的排放[21]，氨氧化作用主要發(fā)生在40 ℃以下[36]，持續(xù)高溫抑制了前期氨氧化過程，使參與反硝化反應的底物減少，并將此過程推遲到了高溫期結束以后。不僅如此，超高溫堆肥還可以通過“溫度-氧氣-細菌-基因”來影響N2O的相關基因表達。Cui等[21]對超高溫堆肥氮代謝相關基因豐度變化的結果表明，在兩次翻堆后，amoA與norB兩種參與硝化和反硝化過程的基因顯著低于普通堆肥組。這些都說明，超高溫堆肥在保氮方面有著明顯優(yōu)勢，但是尚未有諸如磷、鉀等植物所需營養(yǎng)元素的變化過程的研究。

3.2 超高溫堆肥無害化相關研究

堆肥無害化指的是利用堆肥手段對動物產品與排泄物進行處理，使其中的病原失活，最終產品不對動物、人與環(huán)境構成危害。糞便的無害化處理在堆肥溫度、蛔蟲卵死亡率、糞大腸桿菌和蒼蠅4個基本指標都已有相關規(guī)定[37]，超高溫堆肥最高溫度和高溫持續(xù)時間能夠確保有機固廢的無害化滿足最基本要求。隨著近年來研究的不斷深入，對于固廢堆肥無害化處理而言，除了關注上述4個基本參數，還應該考慮到抗生素殘留和重金屬富集等隱性問題。

3.2.1超高溫堆肥對抗性基因的去除 在很多研究中都發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)堆肥方法無法根除抗性基因，即在堆肥后，雖然抗生素含量快速下降，但是與抗生素耐藥性有關的基因無法被傳統(tǒng)堆肥完全降解[38]。當高溫期結束后，與抗性基因有關的整合子會在不同細菌直接轉移[39]，這會直接導致在腐熟階段再次出現(xiàn)抗性基因[40]，而抗性基因相比于抗生素更能威脅人類健康。因此，解決堆肥中抗生素問題的根源在于完全除去抗生素相關基因。

許多研究表明，極端嗜熱菌能夠在含有抗生素的培養(yǎng)基上生存。Jia等[41]從雞糞中發(fā)現(xiàn)了一種嗜熱球菌屬(Thermococcus)的極端嗜熱細菌；Hensley等[42]把同屬的另外一株細菌接種在含有頭孢的牛奶中，發(fā)現(xiàn)其生長活性不會受到影響；Liao等[26]應用超高溫堆肥對脫水污泥中的抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)和可移動遺傳序列(mobile genetic elements, MGEs)的去除做了相關研究，發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)堆肥而言，55～70 ℃的溫度無法對ARGs和MGEs完全降解，當高溫期結束后，位于MGEs上的ARGs會在殘留下來的宿主菌中發(fā)生水平轉移[39]。超高溫堆肥最高溫度比傳統(tǒng)堆肥高出20～30 ℃，可以把ARGs和MGEs分別降解91%和88%，而傳統(tǒng)堆肥中僅為39%和51%。且作為優(yōu)勢菌的極端嗜熱菌中僅有少數可能是宿主菌，更多的ARGs宿主菌在高溫期都已被滅活。

3.2.2超高溫堆肥對重金屬的鈍化 目前，關于重金屬污染評價的指標，國內主要以重金屬含量為主；而國外主要以分析重金屬各種形態(tài)為主，采用BCR連續(xù)浸提法可以將重金屬分為4種形態(tài)，即可交換態(tài)、還原態(tài)、氧化態(tài)和殘渣態(tài)，在土壤中的穩(wěn)定程度依次遞減[43]，這一評判方式參考數據更多，結果也更加客觀。

劉曉明等[34]研究認為，超高溫堆肥能夠縮短污泥的腐熟周期，并快速形成腐殖酸和富里酸；這可能是通過高溫破壞了細菌細胞膜和細胞壁上的某些化學鍵，產生大量胞外多聚物，如多糖、蛋白質和腐殖酸等。富里酸在水中的溶解性較高，且酸性官能團更多，腐殖酸能與重金屬離子發(fā)生絡合反應[43-45]。Tang等[46]利用EEM-平行因子結合二維相關光譜分析對Cu2+與超高溫堆肥產生的腐殖酸的絡合過程進行了研究，發(fā)現(xiàn)相比于某些有機固廢，超高溫堆肥產生的腐殖酸中含有更多的酚類化合物，而酚類化合物又能與Cu2+更快地發(fā)生絡合反應，反應的官能團由強到弱依次為羧基、酚羥基、烷烴基、芳基和酰胺基[47]。此外，對于Pb2+，超高溫堆肥中還可能存在細菌吸附后通過代謝或酶作用介導形成穩(wěn)定的納米晶體礦物，使殘渣態(tài)含量達到94.49%，且最大吸附量可達115 mg·g-1[6]。因此，超高溫堆肥中重金屬遷移性以及有效性的降低，可能與物料腐殖化程度和過程中菌群活動有關。

4 超高溫堆肥現(xiàn)存問題及建議

4.1 現(xiàn)存問題

現(xiàn)階段超高溫堆肥在國內外仍處于初始探究階段，雖取得了許多成就，但仍存在許多不足，主要有以下幾點。

4.1.1選用原料單一 超高溫堆肥各引種方法中的原料單一，其中反混料引種法僅選用了城市污泥進行探討，而對其他固廢如畜禽糞便、農牧場污泥、城市生活垃圾等未見有文獻報導。不同的固廢C/N、含水率等均不同。雖然已有研究對超高溫堆肥的工藝參數進行了一定探討，但涉及參數少，沒有考慮到其他固廢材料，且未對各參數之間的交互作用進行研究。傳統(tǒng)堆肥中不同的初始參數之間堆肥結果表現(xiàn)出很大的差異，各參數之間還存在交互作用，超高溫堆肥或許也存在類似影響因素[48]。

4.1.2需要額外供能 超高溫堆肥能量輸入大，在堆肥過程中微生物的需氧量很大，故在各超高溫堆肥過程中都安裝了通氣設備，這會增加設備和能源輸入開支。傳統(tǒng)堆肥解決這一問題較為經濟的方法是從原材料入手，通過選用一些孔隙度大的添加劑，對通風方式進行改良，達到減少能量輸入或直接使用自然通風的目的[49]。超高溫堆肥也可從這一角度進行研究，減少設備的運行時間甚至免去通風設備。

4.1.3部分有機質降解過程不明 堆肥中有機質降解主要表現(xiàn)在微生物的氮代謝和碳代謝兩個方面。超高溫堆肥中沒有對碳代謝全過程系統(tǒng)性闡述，僅在各文獻中分開敘述。從實際應用的角度考慮，探究從有機碳到CO2和TOC之間的碳流動情況對于減少碳排放有著重要作用[50]。機理方面也存在許多不足，部分胺類、糖類、羧酸類、聚合物類碳源的代謝與微生物活動之間的關系尚不明確。

4.1.4部分重金屬鈍化效果不明 除Cu2+和Pb2+以外，其他重金屬離子在超高溫堆肥中的鈍化效果不明。除Cu2+和Pb2+以外，固廢中還存在很多不同的重金屬離子，如Cd、Ni、Zn等。這些重金屬離子在動物糞便中含量超標。就機理而言，傳統(tǒng)堆肥中重金屬鈍化包括了物理吸附鈍化、化學絡合鈍化和微生物作用等方面[51]，超高溫堆肥中除了化學絡合和微生物作用兩方面，其他方面沒有進行過深入探討，而且超高溫堆肥與物理鈍化劑的聯(lián)用也未見有文獻涉及，但堆肥中溫度過高，添加劑應該具備一定的耐熱性。

4.1.5未對成品肥料的肥效進行評估 堆肥的最終目的是利用廢物產生經濟價值?，F(xiàn)如今，有機肥在我國的推廣受阻，有機肥造價高、質量參差不齊，難以成為廣大農民的首選[52]。成品肥效的評估能夠引導未來研究方向，超高溫堆肥在這一領域暫時還停留在實驗室內的小規(guī)模研究階段，尚未有在其成品肥料實際應用方面的相關研究。

4.2 相關建議

針對現(xiàn)有研究中存在的不足，本課題組提出以下4點建議：①驗證不同原料對超高溫堆肥的適用性，拓寬超高溫堆肥可選的原料范圍；②類比現(xiàn)有堆肥研究重金屬鈍化的機理，探明和超高溫堆肥特有的重金屬鈍化方式；③聯(lián)系有機物各組分變化情況和微生物中酶和基因的動態(tài)變化過程，明確各微生物在堆肥各個時期中的作用；④對比普通堆肥產品，評估超高溫堆肥成品對植物生長性能和成熟時間的影響。