第1章 引言
　　1.1 有机固体废弃物堆肥研究现状
　　1.1.1 有机固体废弃物现状及主要处理方式
　　有机固体废弃物（简称有机固废）是指人类在生产建设、日常生活和其他活动中产生的有机质含量较高的固态或半固态有机固废，通常具生物可降解特性，主要包括源于农业、城市生活和工业产生的城市生活垃圾、养殖场畜禽粪便、村镇秸秆、市政污泥等，如图1-1所示，如果不经过任何处理直接排放或处理方式不当，将对土壤、水体及大气在内的所有生态环境健康造成严重威胁，进而影响人类健康生活[1]。自19～20世纪以来，全球工业的快速发展及人类生活水平的迅速提高，全球固体废弃物产生量大幅增加。而我国属于农业大国，每年农业有机固废的产生量都呈现惊人数字，其同时也成为我国有机固废处理的主要内容之一，但从20世纪80年代以来，随着中国经济发展、人口增长及人民生活的提高，城镇生活垃圾、园林垃圾、农业废弃物、厨余、餐厨垃圾等有机固废也随之大量产生[2]，使我国固体废弃物的产生量已成为世界*位，因此，上述有机固废的合理处理处置对我国生态环境健康具有重要作用[3-5]。
　　图1-1 主要有机固体废弃物类型
　　我国有机固废的处理方式主要包括：焚烧、填埋、好氧堆肥、厌氧发酵等。填埋和焚烧依旧是*主要的处理方式，但这些处理方式成本较高，且容易污染环境，如不合理的土地填埋会改变土壤中营养物质含量和生物活性，引发流行病，对土壤、地下水、大气等造成危害；焚烧虽然可以产生电能，但这个过程中排放的烟尘及有毒气体二英等将严重影响环境空气质量[6]。目前，好氧堆肥处理因既能促进有机固废无害化、减量化，也能将其资源化，从而实现保护资源的目的，对环境和健康危害影响小，进而已经逐渐被广泛接受，成为处理各类有机固废、实现可降解固体废物（生活垃圾、农业废弃物等）资源化利用的*有效并且实用的方式之一[7]。
　　有机固废往往具备以下几个特点：①来源丰富、数量多、体积大，种类繁多；②富含农作物生长需求的营养成分，然而未经处理的有机固废中营养物质大部分属迟效性，且浓度低；③经过资源化处理的有机固废产物有机肥供肥稳定、养分平衡，有机质含量丰富，可以在培肥改土中发挥重要作用，能为作物生长提供有机养料及营养元素；④且经过无害化处理后，肥料质量稳定，不会再产生对植物正常生长有抑制作用的中间代谢产物；⑤有机固废堆肥产物中同时含丰富的微生物类群及活性酶类，在有机肥料施入土壤后对改善土壤生物特性、加速养分转化及循环过程有效。因此，基于有机固废的特点，目前全世界废弃物资源化处理方式正渐渐向肥料化、饲料化、生态化和能源化等方向改进[1]，充分挖掘有机固废中蕴含的大量生物质能，不仅有利于解决日益凸显的环境危机，还对环境和经济的可持续发展具有深远意义。
　　1.1.2 堆肥技术及其研究现状
　　堆肥是一种可控的生物降解过程，在堆肥过程中微生物对有机物质的降解转化发挥重要作用[7，8]。通过堆肥处理，有机固废的体积和质量会逐渐减少，有机营养物质逐步被生物稳定或发生腐殖化，腐殖质类物质逐渐形成[9，10]。堆肥产品作为土壤调理剂施入后，其中的营养物质可以缓慢释放到土壤中，进而实现有机固废中营养成分的循环利用[11]。根据堆肥过程中细菌、真菌等微生物类群对O2的要求不同，可以把堆肥分为两类，即厌氧发酵与好氧发酵或好氧堆肥。因此，好氧堆肥是在O2充足的情况下，通过堆体中丰富的好氧微生物，降解有机物质，是主要采用的堆肥方法；此外，根据堆肥发酵装置，又可将其分为开放式堆肥和密闭式堆肥。目前，降低成本是工厂化堆肥处理的主要原则，大多数大型堆肥处理场一般为敞开式静态堆肥，也有一些有机肥厂采用强制通风静态垛堆肥[12-14]。
　　好氧堆肥归根结底是在一系列合适的理化因素（包括通气情况、湿度、pH、孔隙度、C/N等）和生物因素的条件下，微生物进行剧烈代谢活动，实现有机固废中的有机组分矿化及腐殖化的过程，堆肥过程的输入和产出变化如图1-2所示，源于堆肥原材料的微生物和外源接种的微生物从有机质表面逐步降解有机物，产生CO2、NH3、H2O和有机酸，并释放出更多的能量，*终得到稳定的富含微生物的堆肥产品[15]，其基本反应过程可以表示为：有机物+O2→稳定的有机物 + CO2+H2O+热量。
　　图1-2 堆肥过程中的输入和产出
　　堆肥效率和产品质量决定堆肥技术对有机固废无害化和资源化的程度，这依赖于好氧堆肥过程参数的控制，优化堆肥工艺，尤其是改善限制堆肥的关键因素，是实现快速高效好氧堆肥的重要基础，公认的堆肥关键因素有含水率、氧气浓度（通气情况）、堆肥物理结构（容重、孔隙度、粒径等）、物料选择和配比、温度以及堆肥时间等[16]，堆肥初期的理想含水率是60%～70%，而降解阶段的*适含水率是50%～60%[15]；对于含氧量，一般认为当堆肥物料含氧量超过10%时可满足微生物代谢要求，过低的含氧量会抑制好氧微生物的生命活动，降低产能和降解效率，影响堆体升温效果，而含氧量较高时有机物被微生物快速降解，大量产能，释放热量，如果积蓄过多热量，会导致温度上升，超出适宜微生物的生长温度，抑制微生物活性，影响其对有机物的降解，进而延长堆肥周期。对于通气量，一般可通过翻堆或通风装置强制通风调整，通气量过多时气体流动也会带走部分热量，影响堆肥热量累积、限制升温速度。而pH会通过影响微生物的生长和代谢活性改变堆肥进程，通常pH在7～8时适合堆肥，此时微生物活性达到*高[17]。温度是影响微生物活性的*重要参数，显著影响其对有机质的降解，因此，常用温度来反映堆肥过程[18]，进而堆肥常被分为升温期、高温期、降温期及腐熟期4个时期，如图1-3所示，高温期对杀灭病原菌、快速降解有机物具有重要作用[17]。在微生物方面，堆肥过程不同阶段细菌、放线菌和真菌等主要微生物群落都需经历一系列的演替过程，对堆肥过程及堆肥产品性质起到重要作用[19，20]。所以，监测堆肥微生物量变化和群落组成演替对预测堆肥产品在土壤中的应用效果具有重要意义。
　　图1-3 好氧堆肥典型温度阶段
　　相对来讲，堆肥具有操作简便、成本低、收益高的优点，对于发展中国家，其是一种具有较大可开发空间的有机固废处理手段。当然，堆肥技术也存在一定的问题和局限性，并不能处理所有类型的固体废弃物，仅对其中易腐的、微生物可降解的有机物具有明显处理优势。因此，在有机固废堆肥前，要将其中带有的石块、金属、塑料、玻璃等非有机物成分进行分拣筛除。此外，国家规定堆肥过程要保证堆体高温期物料内部温度在50～55℃甚至更高温度并维持一周左右，以消除病原菌和寄生虫，实现堆肥产品的无害化，所以堆肥处理往往周期较长，处理量相对较小，单纯靠堆肥处理很难满足越来越多的有机固废的处理要求；此外，堆肥产品质量往往参差不齐，肥效较低，易引起“土壤渣化”，不被广大农户认可，所以推广堆肥处理应该先优化堆肥工艺，实现堆肥产品保质保量。
　　1.2 磷素资源现状及转化
　　1.2.1 磷素资源现状
　　磷（phosphorus，P）是植物生长所必需的一种主要营养元素，属于一类重要的不可再生资源，与其他参与生物地球化学循环的主要元素相比，磷元素具有一个特征，即在全球磷素循环中仅在固相和液相中参与，基本不存在气态形式[21]。虽然磷在地壳中储量丰富，约占0.7%，列第11位[22，23]，且广泛存在于生物圈中，据统计，陆地磷储量在960亿～1600亿t，存于海洋的磷量约为800亿t，但在农业生产中，由于固相中磷酸盐的溶解性低，而游离的活性磷又容易快速转化为难溶态磷，因此，基于土壤有效磷含量缺乏及磷素利用率低的现状，磷是限制作物产量的第二大营养元素[24-28]，土壤磷缺乏问题应该受到全世界的普遍关注。
　　磷在自然界中的存在形式多样，生物功能广泛。一般认为，作物的品质、作物对病虫害的抗性、豆科植物的固氮过程以及光合作用、碳代谢、能量转化、膜形成和信号转导等代谢过程都与磷素营养密切相关，磷素是所有生物体中组成一些辅酶、磷脂和含磷蛋白质类物质结构的元素，也与遗传物质DNA息息相关[29，30]，但是，大部分磷素以磷矿形式存在于土壤，移动性相对较小。
　　1.2.2 土壤磷素现状及主要转化途径
　　磷素的不同存在形态直接影响植物和土壤有机质，因此，在农业生产中，对土壤磷循环（如下列公式所示）涉及的磷素形态尤为关注。
　　土壤磷循环中，仅有少量土壤溶液中的磷素可以被植物吸收利用，当植物或土壤生物生长吸收土壤溶液中的磷时，活性磷会快速溶解补充至土壤溶液中，维持磷平衡[31]。另外，从来源上看，土壤磷素一般有两种来源，一部分是土壤中的主要矿物质经过自然风化作用将磷素释放到土壤溶液中，另一部分源于外源施肥残留于土壤中的磷素[32]。
　　在农业种植中，土壤中的磷素一般无法满足作物生长的需求，仍需要来源于化学磷肥或动物粪便等有机肥的磷素补充[9，33]，即使如此，在作物生育期内，化学磷肥或有机磷肥中仅5%～30%的磷素会被植物吸收利用，一部分化学磷肥中的无机态磷素很容易在土壤中与Ca2+、Fe2+、Fe3+、Al3+等金属离子结合，形成难溶性磷酸盐而失去作物营养活性，转换成难以被作物利用的磷形态，导致磷素可利用性降低[34，35]。通常人们为保证作物生长发育顺利进行以及增产的需要，常向土壤中大量甚至过量施入磷肥，据报道，自2000年以来，在工业化程度较发达的国家每年平均土壤磷输入量为3.1×107t，而平均磷输出量为1.9×107t，因此，每年会导致1.2×107t的磷素累积[36]。如图1-4所示，2013年在英国农田产生大量的磷素累积，虽然土壤因施肥残留而累积的磷素利用率高于土壤固有矿物质中的磷素利用率[37]，但利用率依旧较低，由于作物生长持续需要大量的可利用磷，而土壤溶液中可利用磷又难以在土壤大量稳定存在，因此，每年春耕时节还需要施入大量无机磷肥以保证磷素供应充足，满足植物生长需求。预计至2050年，全球土壤磷素累积将达到每年1.8×107t[36]。也有少量土壤磷素因土壤对磷素的容量有限，通过径流作用从土壤流失而进入河流或地下水，这一现象未对磷素循环造成有益的影响，据报道，这部分流失的磷素往往会引起水体富营养化，危害环境[38]。
　　图1-4 土壤不同磷素循环网络模式图[22]
　　此图表示英国农田2013年磷流动量，单位为×103t，输出包括商品作物、饲料作物和草，径流按农业土壤每年0.5kg P/hm2计算
　　
　　在土壤中，无机磷一般占总磷的35%～70%，而有机磷占30%～65%。在土壤磷素转化中，植物主要吸收以正磷酸盐形式（H2PO4–或HPO42–）存在的无机磷，其参与作物生长过程中的能量贮存和转运[39]，而土壤中剩余的有机磷则需要在磷酸酶或植酸酶水解矿化后才能被植物吸收利用，但其余形态的磷也可以通过转化成为植物可利用磷，一般可分为以下几种途径：①根据矿物平衡而产生的溶解和沉淀过程，主要为钙、铁、铝等金属元素与活性磷酸盐直接发生反应；②吸附和解吸作用，主要在次生矿物表面和磷素之间发生；③原生矿物的风化，不过此过程相当漫长，对于短期提高农田磷素可利用性意义不大；④矿化和固定作用，主要通过生物转化改变有机磷形态，产生无机磷（图1-4）。尽管可以产生植物可利用磷的转化途径较多，但转化产生的活性磷和通过添加肥料而直接施入的活性磷都很容易被土壤中的含水铁铝化合物固定[22]，形成难利用的闭蓄态磷，即无机磷酸盐离子被铁铝化合物包裹，形成胶膜而降低了磷素利用率，*终形成难溶性磷酸盐，因此，利用生物学手段充分挖掘土壤累积磷素利用潜力的同时，提高土壤磷素输入后的利用率意义重大。