有機堆肥的發酵過程簡單可分為以下4個階段：

發熱階段

堆肥制作初期，堆肥中的微生物以中溫、好氣性的種類為主，最常見的是無芽孢細菌、芽孢細菌和霉菌。它們啟動堆肥的發酵過程，在好氣性條件下旺盛分解，易分解的有機物質（如簡單糖類、淀粉、蛋白質等），產生大量的熱，不斷提高堆肥溫度，從20℃左右上升至40℃，稱為發熱階段，或中溫階段。

高溫階段

隨著溫度的提高，好熱性的微生物逐漸取代中溫性的種類而起主導作用，溫度持續上升，一般在幾天之內即達50℃以上，進入高溫階段。

在高溫階段，好熱放線菌和好熱真菌成為主要種類。它們對堆肥中復雜的有機物質（如纖維素、半纖維素、果膠物質等）進行強烈分解，熱量積累，堆肥溫度上升至60-70℃，甚至可高達80℃。

隨即大多數好熱性微生物會大量死亡或進入休眠狀態（20d以上），這對加快堆肥的腐熟有很重要的作用。如果堆肥不當，高溫期會很短，或者根本達不到高溫，造成腐熟很慢，在半年或者更長時期內還達不到半腐熟狀態。

降溫階段

當高溫階段持續一定時間后，纖維素、半纖維素、果膠物質大部分已被分解，剩下很難分解的復雜成分（如木質素）和新形成的腐殖質，微生物的活動減弱，溫度逐漸下降。當溫度下降到40℃以下時，中溫性微生物又成為優勢種類。

如果降溫階段來的早，表明堆制條件不夠理想，植物性物質分解不充分。這時可以翻堆，將堆積材料拌勻，使之產生第二次發熱、升溫，以促進堆肥的腐熟。

腐熟保肥階段

堆肥腐熟后，體積縮小，堆溫下降至稍高于氣溫，這時應將堆肥壓緊，造成厭氣狀態，使有機質礦化作用減弱，以利于保肥。

堆肥實際就是廢棄物穩定化的一種形式，但它需要特殊的濕度、通氣條件和微生物以產生適宜的溫度。研究表明，在一定溫度下加熱一段時間可以破壞病原體、雜草種子。通常在60-70℃（濕熱）的溫度下，加熱5-10min（分鐘），可以破壞非芽孢細菌和芽孢細菌的非休眠體的活性。利用加熱滅菌，在70℃條件下加熱30min（分鐘）可以消滅污泥中的病原體。

但在較低溫度下（50-60℃），一些病原菌的滅活則可長達60d。因此堆肥過程中保持60℃以上溫度一段時間是必須的。在合理堆肥后殘留的有機物分解率較低、相對穩定并易于被植物吸收。堆肥后臭味可以大大降低。

堆肥有機質的礦質化，可為作物和微生物提供速效養分，為微生物活動提供能源，并為堆肥有機質的腐殖化準備基本原料。

堆肥以好氣性微生物活動為主時，有機質迅速礦化生成較多的二氧化碳、水及其它養分物質，分解速度快而徹底，并放出大量熱能；以嫌氣性微生物活動為主時，有機質的分解速度慢，且往往不徹底，釋放熱能少，其分解產物除植物養分外，尚易積累有機酸及CH4、H2S、PH3、H2等還原性物質，當其達到一定程度時，則對作物生長不利甚至有害。

因此堆肥發酵期間的翻堆也是為了轉換微生物活動類型，以消除有害物質。

堆肥過程中的各種生物、微生物的死亡、更替及物質形態轉化都是同時進行的，無論是從熱力學、生物學還是物質轉化角度，這些反應都不是幾天或十幾天這么短時間能夠完成的，這也是為什么即使各種溫度、濕度、水分、微生物等條件都控制的很好的前提下，堆肥仍要經歷45-60天時間的原因。

優質的商品有機肥料堆肥發酵過程一般需要45-60天的時間。這是因為在堆肥前期的升溫階段以及高溫階段會殺死植物致病病原菌、蟲卵、雜草籽等有害微生物，但此過程中微生物的主要作用是新陳代謝、繁殖，而只產生很少量的代謝產物，并且這些代謝產物不穩定也不易被植物吸收。到后期的降溫期，微生物才會進行有機物的腐殖質化，并在此過程中產生大量有益于植物生長吸收的代謝產物，這個過程需要45-60天。

經此過程的堆肥可以達到三個目的，一是無害化；二是腐殖質化；三是產生大量微生物代謝產物如各種抗生素、蛋白類物質等。

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