堆肥中的有机质在微生物作用下进行复杂的转化，这种转化可归纳为两个过程：一个是有机质的矿质化过程，即把复杂的有机质分解成为简单的物质，最后生成二氧化碳、水和矿质养分等；另一个是有机质的腐殖化过程，即有机质经分解再合成，生成更复杂的特殊有机质-腐殖质。两个过程是同时进行的，但方向相反，在不同条件下，各自进行的强度有明显的差别。

1.有机质的矿化作用

⑴不含氮有机物的分解  多糖化合物（淀粉、纤维素、半纤维素）首先在微生物分泌的水解酶的作用下，水解成单糖。葡萄糖在通气良好的条件下分解迅速，酒精、醋酸、草酸等中间产物不易积累，最终形成CO2和H2O，同时放出大量热能。如果通气不良，在嫌气微生物作用下，单糖分解缓慢，产生热量少，并积累一些中间产物-有机酸。在极嫌气微生物条件下，还会生成CH4、H2等还原态物质。

⑵含氮有机物的分解  堆肥中的含氮有机物包括蛋白质、氨基酸、生物碱、腐殖质等。除腐殖质外，大部分容易被分解。例如蛋白质，在微生物分泌的蛋白酶作用下，逐级降解，产生各种氨基酸，再经氨化作用、硝化作用而分别形成铵盐、硝酸盐，可以被植物吸收利用。

⑶含磷有机物的转化  堆肥中的含磷有机化合物，在多种腐生性微生物的作用下，形成磷酸，成为植物能够吸收利用的养分。

⑷含硫有机物的转化  堆肥中含硫有机物，经微生物的作用生成硫化氢。硫化氢在嫌气环境中易积累，对植物和微生物会发生毒害。但在通气良好的条件下，硫化氢在硫细菌的作用下氧化成硫酸，并和堆肥中的盐基作用形成硫酸盐，不仅消除了硫化氢的毒害，并成为植物能吸收的硫素养料。在通气不良的情况下，发生反硫化作用，使硫酸转变为H2S散失，并对植物产生毒害。堆肥发酵过程中，可以通过定时翻倒措施改善堆肥的通气性，就能消除反硫化作用。

⑸脂类及芳香类有机物的转化  单宁、树脂等结构复杂，分解较慢，其最终产物也是CO2和水；木质素是含植物性原料（如树皮、木屑等）堆肥中特别稳定的有机化合物，它结构复杂，含芳香核，并以多聚形式存在于植物组织中，极难分解。在通气良好的条件下，主要通过真菌、放线菌的作用，缓慢地进行分解，其芳香核可变为醌型化合物，它是再合成腐殖质的原料之一。当然，这些物质在一定条件下，还会继续被分解的。

综上所述，堆肥有机质的矿质化，可为作物和微生物提供速效养分，为微生物活动提供能源，并为堆肥有机质的腐殖化准备基本原料。堆肥以好气性微生物活动为主时，有机质迅速矿化生成较多的二氧化碳、水及其它养分物质，分解速度快而彻底，并放出大量热能；以嫌气性微生物活动为主时，有机质的分解速度慢，且往往不彻底，释放热能少，其分解产物除植物养分外，尚易积累有机酸及CH4、H2S、PH3、H2等还原性物质，当其达到一定程度时，则对作物生长不利甚至有害。因此堆肥发酵期间的翻倒也是为了转换微生物活动类型，以消除有害物质。

2.有机质的腐殖化过程  

关于腐殖质的形成过程有很多种说法，概括起来大体可分为两个阶段：第一阶段，有机残体分解形成组成腐殖质分子的原始材料，如多元酚、含氮有机物（氨基酸、肽等）等；第二阶段，先由微生物分泌的多酚氧化酶将多酚氧化成醌，然后醌与氨基酸或肽缩合而成腐殖质单体。由于酚、醌、氨基酸种类很多，相互缩合的方式也不尽相同，因而形成的腐殖质单体也就多种多样。在不同条件下，这些单体又进一步缩合形成大小不等的分子。

城市污泥中含有丰富的作物生长所需的各种养分及有机质，是堆肥发酵最佳原材料之一。但城市污泥中往往含有重金属，这些重金属一般指汞、铬、镉、铅、砷等。微生物特别是细菌、真菌在重金属的生物转化中起重要作用。虽然有些微生物可以改变重金属在环境中的存在状态，使化学物毒性增强而引起严重的环境问题或浓缩重金属，并通过食物链积累。但也有些微生物可以通过直接和间接的作用去除环境中重金属，有助于改善环境。如最早受到关注的造成环境污染的重金属-汞，微生物转化汞包括3方面，无机汞（Hg2+）的甲基化、无机汞（Hg2+）还原成Hg0，甲基汞和其他有机汞化合物的裂解并还原成Hg0。这些能将无机汞和有机汞转化为单质汞的微生物称为抗汞微生物。微生物虽然不能降解重金属，但通过对重金属的转化作用，控制其转化途径，可以达到减轻毒性的作用。

堆肥实际就是废弃物稳定化的一种形式，但它需要特殊的湿度、通气条件和微生物以产生适宜的温度。一般认为这个温度要高于45℃，保持这种高温可以使病原菌失活，并杀死杂草种子。在合理堆肥后残留的有机物分解率较低、相对稳定并易于被植物吸收。堆肥后臭味可以大大降低。

堆肥过程有许多不同种类的微生物参与。由于原料和条件的变化，各种微生物的数量也在不断发生变化，所以堆肥过程中没有任何微生物始终占据主导地位。每一个环境都有其特定的微生物菌群，微生物的多样性使得堆肥在外部条件出现变化的情况下仍可避免系统崩溃。

堆肥过程主要靠微生物的作用进行，微生物是堆肥发酵的主体。参与堆肥的微生物有两个来源：一是有机废弃物里面原有的大量微生物；另一是人工加入的微生物接种剂。这些菌种在一定条件下对某些有机废物具有较强的分解能力，具有活性强、繁殖快、分解有机物迅速等特点，能加速堆肥反应的进程，缩短堆肥反应的时间。

堆肥一般分为好氧堆肥和厌氧堆肥两种。好氧堆肥是在有氧情况下的有机物料分解过程，其代谢产物主要是二氧化碳、水和热；厌氧堆肥是在无氧条件下有机物料的分解过程，厌氧分解最后的代谢产物是甲烷、二氧化碳和许多低分子量的中间产物，如有机酸等。

参与堆肥过程的主要微生物种类是细菌、真菌以及放线菌。这3种微生物都有中温菌和高温菌。

堆肥过程中微生物的种群随温度的变化发生如下的交替变化：低、中温菌群为主转变为中高温菌群为主，中高温菌群为主转化为中低温菌群。随着堆肥时间的延长，细菌逐渐减少，放线菌逐渐增多，霉菌和酵母菌在堆肥的末期显著减少。

⑴发热阶段  堆肥制作初期，堆肥中的微生物以中温、好气性的种类为主，最常见的是无芽孢细菌、芽孢细菌和霉菌。它们启动堆肥的发酵过程，在好气性条件下旺盛分解易分解有机物质（如简单糖类、淀粉、蛋白质等），产生大量的热，不断提高堆肥温度，从20℃左右上升至40℃，称为发热阶段，或中温阶段。

⑵高温阶段  随着温度的提高，好热性的微生物逐渐取代中温性的种类而起主导作用，温度持续上升，一般在几天之内即达50℃以上，进入高温阶段。在高温阶段，好热放线菌和好热真菌成为主要种类。它们对堆肥中复杂的有机物质（如纤维素、半纤维素、果胶物质等）进行强烈分解，热量积累，堆肥温度上升至60-70℃，甚至可高达80℃.随即大多数好热性微生物也大量死亡或进入休眠状态（20d以上），这对加快堆肥的腐熟有很重要的作用。堆肥不当的堆肥，只有很短的高温期，或者根本达不到高温，因而腐熟很慢，在半年或者更长时期内还达不到半腐熟状态。

⑶降温阶段  当高温阶段持续一定时间后，纤维素、半纤维素、果胶物质大部分已被分解，剩下很难分解的复杂成分（如木质素）和新形成的腐殖质，微生物的活动减弱，温度逐渐下降。当温度下降到40℃以下时，中温性微生物又成为优势种类

如果降温阶段来的早，表明堆制条件不够理想，植物性物质分解不充分。这时可以翻堆，将堆积材料拌匀，使之产生第二次发热、升温，以促进堆肥的腐熟。

⑷腐熟保肥阶段  堆肥腐熟后，体积缩小，堆温下降至稍高于气温，这时应将堆肥压紧，造成厌气状态，使有机质矿化作用减弱，以利于保肥。

简而言之，有机堆肥的发酵过程实际上就是各种微生物新陈代谢、繁殖的过程。微生物的新陈代谢过程即有机物分解的过程。有机物分解必然会产生能量，这些能量推动了堆肥化进程，使温度升高，同时还可干燥湿基质。

许多堆肥用的基质携带人类、动植物的病原体，以及令人讨厌的生物如杂草种子。在堆肥过程中，通过短时间的持续升温，可以有效地控制这些生物的生长。因此，高温堆肥的一个主要优势就是能够使人和动植物病原体以及种子失活。

病原体以及种子失活是由于其细胞死亡，而细胞的死亡很大程度上基于酶的热失活。在适宜的温度下，酶的失活是可逆的，但在高温下是不可逆的。在一个很小的温度范围内酶的活性部分将迅速降低。如没有酶的作用，细胞就会失去功能，然后死亡。只有少数几种酶能够经受住长时间的高温。因此，微生物对热失活非常敏感。

研究表明，在一定温度下加热一段时间可以破坏病原体或者是令人讨厌的生物体。通常在60-70℃（湿热）的温度下，加热5-10min。可以破坏非芽孢细菌和芽孢细菌的非休眠体的活性。利用加热灭菌，在70℃条件下加热30min可以消灭污泥中的病原体。但在较低温度下（50-60℃），一些病原菌的灭活则可长达60d。因此堆肥过程中保持60℃以上温度一段时间是必须的。

堆肥制作过程中，必要时应进行翻堆。一般在堆温越过高峰开始降温时进行，翻堆可以使内层外层分解温度不同的物质重新混合均匀。如湿度不足可补加一些水，促进堆肥均匀腐熟。

堆肥过程中的各种生物、微生物的死亡、更替及物质形态转化都是同时进行的，上述分块介绍是从不同角度对堆肥发酵原理进行了简单介绍，无论是从热力学、生物学还是物质转化角度，这些反应都不是几天或十几天这么短时间能够完成的，这也是为什么即使各种温度、湿度、水分、微生物等条件都控制的很好的前提下，堆肥仍要经历45-60天时间的原因。