超高温堆肥及其资源化与无害化研究进展

刘子乐, 白林*, 胡红文

(1.四川农业大学动物科技学院, 畜禽遗传资源发掘与创新利用四川省重点实验室, 成都 611130; 2.内江市农业科学研究院, 四川 内江 641000)

城市化建设和农业发展产生了大量有机固废，包括污泥、农业废弃物、城市固废、食品和餐厨垃圾、园林垃圾和动物废弃物等[1]。不正确地处理这类有机固废会对环境造成污染，也会影响城市的建设进度和产业发展。堆肥被认为是一种综合利用有机固废的方式，能够利用废弃物中氮、磷、钾等元素[2]，堆肥产生的有机肥中含有大量腐殖酸，既能促进物质循环又能增加产品附加值。

传统堆肥最适温度在55 ℃左右，超过70 ℃虽然能够更加高效地杀死病原微生物，但同时也会阻碍微生物对有机质的降解[3]。超高温堆肥工艺能够突破这一限制，使高温期温度能够超过70 ℃，并同时使有机固废资源化。目前，传统堆肥技术已经取得了很大的研究突破，但是堆肥时间仍较长，处理效率无法与固废产率达到平衡[4]。Oshima等[5]将传统堆肥进行改良，提出了超高温堆肥这一新方法。之后，我国科研人员利用嗜热菌筛选的方法开发出一种专用于超高温堆肥的菌剂[6]，并已在北京市、河南省郑州市和焦作市得到应用，在处理污泥和畜禽粪便方面取得了良好效果。该法能够突破传统堆肥70 ℃的限制，将堆肥时间减少50%左右，在减量化、无害化方面均优于传统堆肥[7]。本文以近年来超高温堆肥技术相关文献为基础，总结了不同超高温堆肥方法，以及国内外对超高温堆肥无害化和资源化方面的研究进展，对超高温堆肥研究与应用中可能存在的问题进行论述并提出了相关建议。

1 超高温堆肥与传统堆肥工艺对比

有机质矿化与腐殖化是堆肥主要的两个阶段，堆肥腐熟在很大程度上受有机物降解速率的影响[8]，超高温能够加速有机质降解速率，缩短物料腐熟时间。

1.1 有机物矿化

许多学者对超高温堆肥和传统堆肥进行过对比研究。在利用脱水污泥超高温堆肥后，有机质降解率为21.2%，比传统堆肥高5.3%[9]。水溶性碳(water soluble carbon，WSC)的变化趋势直接反映了堆肥中有机质的降解情况，在WSC随时间变化方面，超高温堆肥和传统堆肥有很大差异。传统堆肥中WSC在18 d达到峰值22 g·kg-1，后稳定处于16.2 g·kg-1左右；而超高温堆肥在21 d就能增加到32.1 g·kg-1，并稳定于21.8 g·kg-1[9]。对比各时间段WSC发现，在堆肥全过程中，超高温堆肥WSC都高于传统堆肥，且两者在9 d时达到最大差值10 g·kg-1[10]。所以，超高温堆肥的有机质降解率大于传统堆肥，且降解速度更快。

1.2 有机质腐殖化

从整体腐熟时间来看，由于选取的堆肥原料不同，超高温堆肥腐熟的一般时间为7～42 d[11-14]，而传统堆肥的腐熟需要17～45 d。其中，蔬菜[15]、污泥[16]、鸡粪[17]以及猪粪[18]分别需要17、44、45、35 d。从总腐殖酸含量变化来看，同样经过50 d的堆肥后，超高温堆肥能够使总腐殖酸含量增加27.6%[19]，而传统堆肥中这一数据仅为8.32%～8.71%[20]。从腐殖酸成分来看，超高温堆肥能够促进富里酸(fulvic acid，FA)转化成胡敏酸(humic acid，HA)的过程。对比传统堆肥，超高温堆肥后胡敏酸显著增加了42.6%～56.8%，且稳定性更高[21]。超高温堆肥能够加速堆肥腐殖化过程，并且腐熟料腐殖化程度高于传统堆肥。

2 超高温堆肥工艺方法及评价

2.1 超高温堆肥工艺方法

图1展示了超高温堆肥一般的工艺流程，这些方法主要是对传统堆肥方法的改良，主要区别在于堆肥初期对堆肥原料的处理不同，即采用了不同方法进行引入极端嗜热微生物。按照引入微生物的方式，大致可以分为以下3种：①将已腐熟的超高温堆肥产物作为反混料放入新的堆肥中，且反混料与新鲜污泥比例为1∶3，C/N一般控制在8左右。②在堆肥前期直接添加极端嗜热菌剂，该法与前一方法类似，都是在前期直接引入极端嗜热微生物。③在堆肥前期加外源热预处理，通常是油浴加热预处理，待结束后再转为普通堆肥。这一方法不依赖于外源微生物的加入，而是在堆肥初期对堆肥物料中的微生物进行高温选择，普通微生物对于70 ℃的高温不耐受，而嗜热微生物因对环境有很好的抗逆性而存活下来，并在高温期成为优势菌群。

2.2 不同引种方式的评价

表1展示了近年来关于超高温堆肥的一些主要研究，主要的引种方式包括：堆肥前期添加腐熟物料、堆肥前期直接添加超嗜热菌剂、堆肥前期进行高温预处理。不同引种方式之间的差别很大。

表1 不同超高温堆肥工艺比较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，在类似的固体废物中能够最大限度地把堆肥时间缩短24 d左右，腐殖土自身疏松多孔的结构和腐殖质表面较多的有机官能团为微生物提供了良好的微环境，促进了微生物在堆体内部的传输，加快了堆体深层有机质的分解[20]。该法产生的腐熟料中主要功能菌不发生改变，还可作为廉价的外源接种菌剂，节约成本[23]。

2.2.2堆肥前期添加超嗜热菌剂 在堆肥前期添加菌剂的方法中，菌剂的种类和使用量的选用可能与堆肥原材料有关。廖汉鹏等[7]在脱水污泥的超高温堆肥中添加了0.5%的极端嗜热菌剂；而Cui等[21]在新鲜鸡粪和稻壳的堆肥中添加了1%的极端嗜热菌剂；常瑞雪[11]对蔬菜进行堆肥时，则使用了3%VT菌剂。虽然在堆肥前期添加嗜热菌剂的方法操作简便，但是人工筛选和培养的嗜热菌有限，培养和保存嗜热菌种的步骤较为繁琐；若菌剂的选用不当，还达不到理想的效果。虽然现在尚未有关于菌剂的选择对超高温堆肥的影响研究，但是在传统堆肥中已有文献对当前市面上常见的菌剂进行过对比评估。文斌等[24]向兔粪中添加了3种市面上常见的菌剂进行堆肥，经过14 d的腐熟料能够满足兔粪无害化处理的目的，然而对堆肥腐熟、重金属去除以及总养分的提高均没有明显效果；而姚文英等[25]向牛粪和树叶的堆肥中添加了名为“沃宝”的普通菌剂以及嗜热侧孢霉的嗜热菌剂，并进行了对比研究，发现添加了嗜热菌的处理组在堆体中心温度以及种子发芽率方面均优于普通堆肥组和“沃宝”菌剂组。不仅仅菌剂种类的选择对堆肥结果会造成影响，同种菌剂的不同浓度可能也会产生不一样的堆肥结果。因此，堆肥前期添加嗜热菌剂的方法是否有效，还需要在后续研究中从菌剂成分、使用以及投入时间等方面考虑。

2.2.3堆肥前期高温预处理 初期进行高温预处理后转为普通堆肥的方法是3种方法中前期能量输入最大的一种方法。虽然无需任何添加物，但是缺点是在超高温堆肥过程中，升温速度很快，同时高温期时间较长，相比于普通堆肥而言，微生物多样性下降速度很快[26]。在预处理中，极端嗜热菌成为了堆体中的主要微生物，当预处理结束后，由于极端嗜热菌在60 ℃以下会进入休眠状态[27]，且该方法无法在短期内升温到60 ℃，在堆肥初期的很长一段时间内，微生物的数量和多样性都较低，对大分子物质的利用率较低。操作步骤繁琐且最高温度和高温持续时间均低于其余2种方法，腐熟时间也最长，因此，该法用于实际生产的难度较大。

3 超高温堆肥无害化和资源化研究进展

无害化和资源化是处理有机固废的首要目的，超高温堆肥在这两个方面都具有一定的优势。

3.1 超高温堆肥资源化相关研究

传统堆肥中发现，难生物降解的有机质通常降解率较低，而且堆肥时氮损失严重，这些对物料腐熟程度和有机肥肥效都造成了不良影响。近年的研究表明，超高温堆肥在资源化方面有所突破，有望成为一种新型技术。

3.1.1超高温堆肥对难生物降解有机质的处理

木质纤维素类物质是一类难生物降解的有机质，如秸秆、稻草等，因其具有较高的C/N，又常常作为调节剂与其他有机固废一同堆肥[28]。目前还没有关于超高温堆肥与纤维素降解相关的系统研究，但是许多指标表现出超高温堆肥可能有加速处理难生物降解有机质的能力。已有研究表明，木质纤维素类的分解主要发生在堆肥高温期，温度对于木质素的降解有着促进作用[29]。溶解有机碳(dissolved organic carbon，DOC)是木质纤维素类分解后的产物。曹云等[30]在模拟超高温堆肥的研究中发现，超高温处理后DOC的含量显著少于普通堆肥，纤维素的降解速率逐渐增加并于堆肥结束达到稳定。

Abdel-Rahman等[28]研究发现，芽孢杆菌属(Bacillus)在耐热性和分解纤维素方面具有优势。

另外，超高温堆肥高温期菌落结构分析的结果表明，超高温堆肥和普通堆肥在嗜热细菌菌群结构方面存在很大区别，动球菌科(Planococcaceae)中未定义的一种菌和土壤芽胞杆菌属(Solibacillus)，两种与纤维素降解相关的细菌丰度在高温期分别是普通堆肥中的118倍和45.3倍；真菌中的曲霉菌属(Aspergillus)增加了11.2%～61.8%[31]。Bacillus是超高温堆肥中的优势菌群[26]，但这与堆肥方式有关。一般来说，加入反混料堆肥,Bacillus的丰度会明显高于初期外源加热预处理的堆肥[23]。Bacillus能够有效分泌内切纤维素酶和外切纤维素酶[32]，这两种酶使纤维素、半纤维素和木质素的降解率能够达到70%左右[33]。

3.1.2超高温堆肥对氮转化的影响 氮元素作为植物正常生长的必要元素之一，与有机肥腐熟程度密切相关，硝化指数和C/N等可用作腐熟度的评判标准。超高温堆肥会加速蛋白质的降解过程，6 d就能使蛋白类物质降解率达到100%[34]，并且水溶性氮在高温期会增加约90%[12]。在传统堆肥中，通常有一部分氮会在高温期以氨的形式损失。有研究证明，超高温堆肥会通过温度使脲酶和蛋白酶失活来减缓氨的排放过程，从而使总氮保留率提高16%[22]。持续高温会影响细菌活性，但不会影响真菌活性，腐熟期氨的转化主要会依赖真菌的作用，如支顶孢属(Acremonium)、链格孢属(Alternaria)和青霉属(Penicillum)等[22, 35]。

堆肥过程中，氨会发生氨氧化反应，产生氮氧化物(NOx)，并以这种形式损失掉。有学者发现，超高温堆肥会减少20%N2O的排放[21]，氨氧化作用主要发生在40 ℃以下[36]，持续高温抑制了前期氨氧化过程，使参与反硝化反应的底物减少，并将此过程推迟到了高温期结束以后。不仅如此，超高温堆肥还可以通过“温度-氧气-细菌-基因”来影响N2O的相关基因表达。Cui等[21]对超高温堆肥氮代谢相关基因丰度变化的结果表明，在两次翻堆后，amoA与norB两种参与硝化和反硝化过程的基因显著低于普通堆肥组。这些都说明，超高温堆肥在保氮方面有着明显优势，但是尚未有诸如磷、钾等植物所需营养元素的变化过程的研究。

3.2 超高温堆肥无害化相关研究

堆肥无害化指的是利用堆肥手段对动物产品与排泄物进行处理，使其中的病原失活，最终产品不对动物、人与环境构成危害。粪便的无害化处理在堆肥温度、蛔虫卵死亡率、粪大肠杆菌和苍蝇4个基本指标都已有相关规定[37]，超高温堆肥最高温度和高温持续时间能够确保有机固废的无害化满足最基本要求。随着近年来研究的不断深入，对于固废堆肥无害化处理而言，除了关注上述4个基本参数，还应该考虑到抗生素残留和重金属富集等隐性问题。

3.2.1超高温堆肥对抗性基因的去除 在很多研究中都发现，传统堆肥方法无法根除抗性基因，即在堆肥后，虽然抗生素含量快速下降，但是与抗生素耐药性有关的基因无法被传统堆肥完全降解[38]。当高温期结束后，与抗性基因有关的整合子会在不同细菌直接转移[39]，这会直接导致在腐熟阶段再次出现抗性基因[40]，而抗性基因相比于抗生素更能威胁人类健康。因此，解决堆肥中抗生素问题的根源在于完全除去抗生素相关基因。

许多研究表明，极端嗜热菌能够在含有抗生素的培养基上生存。Jia等[41]从鸡粪中发现了一种嗜热球菌属(Thermococcus)的极端嗜热细菌；Hensley等[42]把同属的另外一株细菌接种在含有头孢的牛奶中，发现其生长活性不会受到影响；Liao等[26]应用超高温堆肥对脱水污泥中的抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)和可移动遗传序列(mobile genetic elements, MGEs)的去除做了相关研究，发现对传统堆肥而言，55～70 ℃的温度无法对ARGs和MGEs完全降解，当高温期结束后，位于MGEs上的ARGs会在残留下来的宿主菌中发生水平转移[39]。超高温堆肥最高温度比传统堆肥高出20～30 ℃，可以把ARGs和MGEs分别降解91%和88%，而传统堆肥中仅为39%和51%。且作为优势菌的极端嗜热菌中仅有少数可能是宿主菌，更多的ARGs宿主菌在高温期都已被灭活。

3.2.2超高温堆肥对重金属的钝化 目前，关于重金属污染评价的指标，国内主要以重金属含量为主；而国外主要以分析重金属各种形态为主，采用BCR连续浸提法可以将重金属分为4种形态，即可交换态、还原态、氧化态和残渣态，在土壤中的稳定程度依次递减[43]，这一评判方式参考数据更多，结果也更加客观。

刘晓明等[34]研究认为，超高温堆肥能够缩短污泥的腐熟周期，并快速形成腐殖酸和富里酸；这可能是通过高温破坏了细菌细胞膜和细胞壁上的某些化学键，产生大量胞外多聚物，如多糖、蛋白质和腐殖酸等。富里酸在水中的溶解性较高，且酸性官能团更多，腐殖酸能与重金属离子发生络合反应[43-45]。Tang等[46]利用EEM-平行因子结合二维相关光谱分析对Cu2+与超高温堆肥产生的腐殖酸的络合过程进行了研究，发现相比于某些有机固废，超高温堆肥产生的腐殖酸中含有更多的酚类化合物，而酚类化合物又能与Cu2+更快地发生络合反应，反应的官能团由强到弱依次为羧基、酚羟基、烷烃基、芳基和酰胺基[47]。此外，对于Pb2+，超高温堆肥中还可能存在细菌吸附后通过代谢或酶作用介导形成稳定的纳米晶体矿物，使残渣态含量达到94.49%，且最大吸附量可达115 mg·g-1[6]。因此，超高温堆肥中重金属迁移性以及有效性的降低，可能与物料腐殖化程度和过程中菌群活动有关。

4 超高温堆肥现存问题及建议

4.1 现存问题

现阶段超高温堆肥在国内外仍处于初始探究阶段，虽取得了许多成就，但仍存在许多不足，主要有以下几点。

4.1.1选用原料单一 超高温堆肥各引种方法中的原料单一，其中反混料引种法仅选用了城市污泥进行探讨，而对其他固废如畜禽粪便、农牧场污泥、城市生活垃圾等未见有文献报导。不同的固废C/N、含水率等均不同。虽然已有研究对超高温堆肥的工艺参数进行了一定探讨，但涉及参数少，没有考虑到其他固废材料，且未对各参数之间的交互作用进行研究。传统堆肥中不同的初始参数之间堆肥结果表现出很大的差异，各参数之间还存在交互作用，超高温堆肥或许也存在类似影响因素[48]。

4.1.2需要额外供能 超高温堆肥能量输入大，在堆肥过程中微生物的需氧量很大，故在各超高温堆肥过程中都安装了通气设备，这会增加设备和能源输入开支。传统堆肥解决这一问题较为经济的方法是从原材料入手，通过选用一些孔隙度大的添加剂，对通风方式进行改良，达到减少能量输入或直接使用自然通风的目的[49]。超高温堆肥也可从这一角度进行研究，减少设备的运行时间甚至免去通风设备。

4.1.3部分有机质降解过程不明 堆肥中有机质降解主要表现在微生物的氮代谢和碳代谢两个方面。超高温堆肥中没有对碳代谢全过程系统性阐述，仅在各文献中分开叙述。从实际应用的角度考虑，探究从有机碳到CO2和TOC之间的碳流动情况对于减少碳排放有着重要作用[50]。机理方面也存在许多不足，部分胺类、糖类、羧酸类、聚合物类碳源的代谢与微生物活动之间的关系尚不明确。

4.1.4部分重金属钝化效果不明 除Cu2+和Pb2+以外，其他重金属离子在超高温堆肥中的钝化效果不明。除Cu2+和Pb2+以外，固废中还存在很多不同的重金属离子，如Cd、Ni、Zn等。这些重金属离子在动物粪便中含量超标。就机理而言，传统堆肥中重金属钝化包括了物理吸附钝化、化学络合钝化和微生物作用等方面[51]，超高温堆肥中除了化学络合和微生物作用两方面，其他方面没有进行过深入探讨，而且超高温堆肥与物理钝化剂的联用也未见有文献涉及，但堆肥中温度过高，添加剂应该具备一定的耐热性。

4.1.5未对成品肥料的肥效进行评估 堆肥的最终目的是利用废物产生经济价值。现如今，有机肥在我国的推广受阻，有机肥造价高、质量参差不齐，难以成为广大农民的首选[52]。成品肥效的评估能够引导未来研究方向，超高温堆肥在这一领域暂时还停留在实验室内的小规模研究阶段，尚未有在其成品肥料实际应用方面的相关研究。

4.2 相关建议

针对现有研究中存在的不足，本课题组提出以下4点建议：①验证不同原料对超高温堆肥的适用性，拓宽超高温堆肥可选的原料范围；②类比现有堆肥研究重金属钝化的机理，探明和超高温堆肥特有的重金属钝化方式；③联系有机物各组分变化情况和微生物中酶和基因的动态变化过程，明确各微生物在堆肥各个时期中的作用；④对比普通堆肥产品，评估超高温堆肥成品对植物生长性能和成熟时间的影响。