有机固体废弃物堆肥的物质变化及腐熟度评价

有机固体废弃物堆肥的物质变化及腐熟度评价 3 黄国锋1 3 3 　钟流举1 　张振钿1 　吴启堂2 (1 广东省环境科学研究所 , 广州 510045 ;2 华南农业大学资源与环境学院 , 广州 510642) 【摘要】　堆肥是资源化处理有机固体废弃物的有效途径之一. 有机固体废弃物的种类繁多 , 物料的性质 差异很大 , 另外 , 由于堆肥条件的不同 , 也会引起堆肥的物质变化有很大差异 . 堆肥的稳定度和腐熟度 是衡量堆肥产品质量的尺度 , 其评价对于安全农用有着重要意义. 稳定度则重于堆肥施用对周围环境的 影响 , 而腐熟度则重于堆肥施用对植物生长的影响 , 它们受堆肥物料 , 堆肥条件等诸多因素的综合影响 , 其评价指标因而多种多样 . 堆肥稳定度主要从堆肥的温度、颜色、CO2 的释放速率、O2 的消耗速率、NO3 - 2 N 含量变化及病原菌数量变化等方面加以评价 , 其中温度是最为简便的稳定度评价指标 , 当其趋于环境 温度时 , 表明堆肥达到稳定. 堆肥腐熟度的评价指标很多 , 包括化学指标、生物活性指标以及植物毒性指 标 3 类 , 其中种子发芽系数作为植物毒性指标被认为是最可靠的评价指标之一. 关键词 　有机固体废弃物 　堆肥化 　稳定度 　腐熟度 　评价 文章编号 　1001 - 9332 (2003) 05 - 0813 - 06 　中图分类号 　S141. 4 　文献标识码 　A Physicochemical changes and maturity evaluation of solid organic waste compost. HUAN G Guofeng1 , ZHON G Liuju1 , ZHAN G Zhentian1 , WU Qitang2 (1 Institute of Envi ronmental Science of Guangdong Province , Guangz hou 510045 , China ;2 College of N atural Resources and Envi ronment , South China A gricultural U ni2 versity , Guangz hou 510642 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (5) :813～818. Composting is one of the most effective ways for recycling of organic solid waste. Various characteristics of dif2 ferent kinds of organic solid waste cause various physicochemical changes during composting , as well as the dif2 ferent composting conditions. Stability and maturity evaluation are the measurement for compost quality and the safe guarantee for its agricultural utilization. Stability evaluation of compost focuses on the impacts to environ2 ment after its agricultural utilization , while maturity evaluation pays attention on the phytotoxicity to plant . Sta2 bility and maturity of compost are affected by several factors , such as the characteristics of raw materials , the composting condition , and so on. Stability could be assessed by compost temperature , color , evolution rate of CO2 , consumption rate of O2 , content of NO3 - 2N and quantities of pathogen , etc. Temperature was suggested to be one of the most convenient parameters for stability evaluation. Maturity could be assessed by various pa2 rameters , including the chemical , biological , and phytotoxical parameters. Seed germination index , as the phy2 totoxical parameter , was recommended to be one of the most convenient and reliableparameters of maturity eval2 uation. Key words 　Solid organic waste , Composting , Stability , Maturity , Evaluation.3 美国勒克菲勒基金和广东省农来环境综合治理重点实验室资助项 目.3 3 通讯联系人. 2001 - 03 - 13 收稿 ,2001 - 05 - 28 接受. 1 　引 　　言 高温好氧堆肥是目前资源化处理有机固体废弃物最有 效的途径之一. 新鲜有机质经过一段时间的氧化分解后 , 形 成性质稳定的、对农作物无毒害的堆肥产品 . 堆肥稳定度和 腐熟度是堆肥产品的质量指标 , 其评价对于确保堆肥产品 的安全施用具有重要意义 , 因而在农业利用之前 , 有必要对 堆肥产品的稳定性和腐熟性进行科学合理的评价 , 以保证 其安全利用. 不同物料的物理化学性质有很大的差异. 另 外 , 不同的堆肥条件也会对堆肥的过程产生很大的影响 , 因 而堆肥的腐熟度受很多因素的综合制约 , 其评价指标也因 此而多种多样. 本文归纳了不同有机固体废弃物及不同堆 肥条件堆肥过程中的物质变化 , 并从物理学、化学、生物活 性以及植物毒性指标等方面对堆肥的稳定度及腐熟度评价 加以总结. 2 　有机固体废弃物堆肥化处理过程中的物质变化 各种有机固体废弃物堆肥化处理过程中的主要物质变 化如表 1 所示. 从表 1 中可以看出 , 堆肥过程中物质的变化 是非常复杂的 , 同一评价指标对于不同物料其数值变化有 很大差异. 另外 , 同一物料同一指标在不同 C/ N 比或不同堆 肥条件下其数值变化也不一样. 3 　有机固体废弃物堆肥稳定度 (Stabil ity)的评价 311 　温度 　　温度的变化反映了堆肥过程中微生物活性的变化 , 这 种变化与堆肥中可被氧化分解有机质的含量呈正相关 . 无 应 用 生 态 学 报 　2003 年 5 月 　第 14 卷 　第 5 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,May 2003 ,14 (5)∶813～818 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 论何种物料的堆肥 , 其温度通常在开始的 3～5d 从环境温 度迅速上升至 60～70 ℃的高温 , 并在这一水平持续一段时 间后逐渐下降[ 17 , 49 ] . 当其趋近于环境温度时 , 表明有机质 的分解接近完全 , 堆肥可被认为已达稳定. 表 1 　有机固体废弃物堆肥化处理的主要物质变化 Table 1 Selected physicochemical changes during composting of organic solid waste 参数 Parameters 堆肥物料 Raw materials 初始 C/ N比 Initial C/ N ratio 堆肥方式 Composting types 数值变化 Physicochemical changes 参考文献 References CEC 猪粪 +木屑 - 翻堆 ,每四天一次 开始为 29 cmol·kg - 1 ,60d时增加到 90 cmol·kg - 1 ,并维持在这一水平至 100d堆肥结束 [48 ] 污泥 +木屑 25 强制通气 从 68～181 cmol·kg - 1上升到堆肥结束时的 181 cmol·kg - 1 (有机质) [31 ] 城市废物 22 翻堆 成熟堆肥的 CEC为 123 cmol·kg - 1 (有机质) [20 ] 城市垃圾 20 翻堆 在 5～8周内从 40 cmol·kg - 1上升到 70～80 cmol·kg - 1 (有机质) [24 ] T - C 污泥 +粉煤灰 25 强制打气 从开始的 42 %～43. 5 %减少至 63d的 34 %～36 % ,并维持到 100d堆肥结束 [19 ] 猪粪 +稻草 22. 6～28. 5 滚动通气 ,每小时一次 前 7d减少 11 %～27 % ,70d结束时减少 62 %～66 % [51 ] 城市垃圾 +甘蔗渣 19. 5 强制打气 从开始的 32. 1 %减少至 77d的 15. 7 % , 并保持在这一水平至堆肥结束 [4 ] T2N 污泥 +粉煤灰 25 强制打气 从开始的 1. 6 %升高至 63d的 1. 9 %以上 ,并维持到 100d堆肥结束 [19 ] 猪粪 +稻草 22. 6～28. 5 滚动通气 ,每小时一次 经过 3 个月的堆肥后 , 从 1. 6 %～2. 0 %增加至 2. 8 %～3. 0 % [51 ] 城市垃圾 +甘蔗渣 19. 5 强制打气 从开始的 1611 mg·kg - 1减少至 77d的 182 mg·kg - 1 ,并保持在这一水平至堆肥结束 [4 ] C/ N比 污泥 +粉煤灰 25 强制打气 开始为 25 , 到 100d堆肥结束时为 17～19 [19 ] C/ Nratio 猪粪 +稻草 22. 6～28. 5 滚动通气 ,每小时一次 14d堆肥后 , 从 22. 6～28. 5 减少至 21. 8～26. 9 , 堆肥结束时为 12. 7～13. 6 [51 ] 生活垃圾 +树叶 28 发酵罐滚动通气 堆肥开始为 28 , 590d为 6 [17 ] 污泥 +麦秆 31 强制打气 堆肥开始为 31 , 119d堆肥结束时为 11. 8 [4 ] 城市垃圾 +甘蔗渣 19. 5 强制打气 堆肥开始为 19. 5 , 133d为 7. 8 [4 ] 水溶性有机碳 污泥 +粉煤灰 25 强制打气 从开始的 500～550 mg·kg - 1上升至 14d的 630～780 mg·kg - 1 ,之后减少 ,到 100d堆肥结束时为 [19 ] 480～580 mg·kg - 1 Disslovedorganic carbon 鸡粪 - 自然通风 从开始的 1. 35 %降至 60天堆肥结束时的 0. 39 % [55 ] 水溶性 C/ N比 鸡粪 +玉米糠 32. 4 强制打气 堆肥开始为 11. 9 , 第 10d上升至 19. 8 , 38d堆肥结束下降至 5. 7 [54 ] Soluble 鸡粪 +玉米糠 23. 4 强制打气 堆肥开始为 7. 9 , 第 10d上升至 13. 5 , 38d堆肥结束下降至 2. 8 [54 ] C/ N ratio 污泥 +粉煤灰 25 强制打气 经过 63d堆肥后从开始的 16减少至 6 , 并维持至 100d堆肥结束 [19 ] 牛粪 22 翻堆 新鲜堆肥为 12. 0 , 腐熟堆肥为 5. 16 [26 ] 水溶性 NH4 + 2N 污泥 +粉煤灰 25 强制打气 从开始的 1100～1600 mg·kg - 1升高至 7d的 2200～2800 mg·kg - 1 ,之后减少至 100d的 700 mg·kg - 1 [19 ] Soluble NH4 + 2N 鸡粪 - 自然通风 从开始的 0. 27 %降至 60d堆肥结束时的 0. 03 % [55 ] 水溶性 NO3 - 2N 猪粪 +木屑 - 翻堆 从开始的 0. 08 mg·kg - 1增加到 74d的 1. 87 mg·kg - 1 [47 ] Soluble NO3 - 2N 污泥 +粉煤灰 25 强制打气 开始时几乎为零 , 20d时开始增加 , 100d时为 100 mg·kg - 1 [19 ] NH4 + 2N 猪粪 +污泥 20 强制打气 堆肥开始为 2. 80～3. 19 g·kg - 1 , 77d堆肥结束时减少至 0. 18～0. 61 g·kg - 1 [49 ] 猪粪 +废棉花 15 强制打气 堆肥开始为 3385 mg·kg - 1 , 105d堆肥结束时为 286 mg·kg - 1 [4 ] 污泥 +麦秆 31 强制打气 堆肥开始为 1608 mg·kg - 1 , 119d堆肥结束时为 661 mg·kg - 1 [4 ] 城市垃圾 +甘蔗渣 19. 5 强制打气 堆肥开始为 1611 mg·kg - 1 , 133d为 184 mg·kg - 1 [4 ] NO3 - 2N 猪粪 +废棉花 15 强制打气 堆肥开始 < 1 mg·kg - 1 , 105d堆肥结束时为 3019 mg·kg - 1 [4 ] 污泥 +麦秆 31 强制打气 堆肥开始 < 1 mg·kg - 1 , 119d堆肥结束时为 1749 mg·kg - 1 [4 ] 生活垃圾 +树叶 22 发酵罐滚动通气 堆肥开始为 0 , 590d为 0. 46 % [17 ] 生活垃圾 +稻草 28 发酵罐滚动通气 堆肥开始为 0. 01 % , 590d为 0. 90 % [17 ] 腐殖质 Humic substances鸡粪 +玉米糠 32. 4 强制打气 占有机质的量从堆肥开始的 119. 8 g·kg - 1增加到 38d堆肥结束时的 297. 8 g·kg - 1 [54 ] 鸡粪 +玉米糠 23. 4 强制打气 占有机质的量从堆肥开始的 126. 9 g·kg - 1增加到 38d堆肥结束时的 352. 3 g·kg - 1 [54 ] 猪粪垫料 21 静态堆肥 占有机质的比例从开始的 28 %增加到 33d的 44 % [27 ] 牛粪 26. 3 静态堆肥 占有机质的量从开始的 377mg·kg - 1增加到堆肥结束的 710mg·kg - 1 [32 ] 市政固体废物 28 翻堆 没有显著变化 , 占有机质的比例在 14. 2 %～18 %之间 [8 ] 胡敏酸 Humic acid 猪粪垫料 21 静态堆肥 占有机质的比例从开始的 4. 6 %～6. 0 %增加到 21d的 15 % ,120d堆肥结束时为 21 % [27 ] 猪粪 +木屑 - 翻堆 ,每 4天一次 占有机质的量从开始 20～25 g·kg - 1增加到 28d的 64～78 g·kg - 1 , 91d时增加到 86～90 g·kg - 1 [48 ] 污泥 +麦秆 31 强制打气 占有机质比例从堆肥开始的 2. 59 %增加到 119d堆肥结束时的 4. 73 % [4 ] 城市垃圾 +甘蔗渣 19. 5 强制打气 占有机质比例从开始 2. 84 %增加到 133d堆肥结束的 4. 73 % [4 ] 富里酸 Fulvic acid 猪粪垫料 21 静态堆肥 占有机质比例从开始 7. 7 %减少到 120d堆肥结束的 6. 3 % [27 ] 猪粪 +木屑 - 翻堆 ,每 4天一次 占有机质的量从开始的 69～72 g·kg - 1增加到 42d的 80～83 g·kg - 1 , 并维持在这一水平至堆肥结束 [48 ] 污泥 +麦杆 31 强制打气 占有机质比例从开始的 8. 14 %增加到 119d堆肥结束时的 2. 39 % [4 ] 城市垃圾 +甘蔗渣 19. 5 强制打气 占有机质比例从开始的 4. 36 %增加到 133d堆肥结束的 1. 20 % [4 ] 淀粉 Starch 城市垃圾 - 静态堆肥 5～7周后全部被分解 [39 ] 城市垃圾 - - 10d时 ,从最初的 2. 7 %下降到 0. 06 % ,到 12d时基本消失 [9 ] 糖类 Sugars 城市垃圾 - 静态堆肥 5～7周后全部被分解 [39 ] 城市固体废物 - 静态堆肥 3周内减少了 60 % [42 ] 脂肪类物质 Fats 城市垃圾 - 静态堆肥 5～7周后 75 %被分解 [39 ] 纤维素 Cellulose 城市固体废物 - 静态堆肥 5～7周后 60 %被分解 [39 ] 污泥 +垃圾 - - 从占有机质的比例从 34 %下降到 9 %～11 % [36 ] 牛粪 - - 堆肥结束后减少了 1/ 3 [10 ] 半纤维素 Hemicellulose 城市垃圾 - 静态堆肥 5～7周后 60 %被分解 [39 ] 牛粪 - - 堆肥结束后减少了 50 % [10 ] 水溶性酚 Soluble phenol城市固体废物 - 静态堆肥 堆肥开始有所增加 ,之后从 0. 23 %～0. 44 %减少至 0. 1 % [42 ] 城市垃圾 - 强制打气 在最初的 26d内 ,从 1. 2μg·g - 1迅速减少至 0. 4μg·g - 1以下 [20 ] ”- ”表示原文中没有提及. No mentioned. 418 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 312 　颜色及气味 　　Keller[ 36 ]指出成熟堆肥的颜色呈褐色或黑色 , 并带有湿 润的泥土气味. Becker 等[ 3 ]指出堆肥的泥土气味是由土臭 味素和 22甲基异冰片两种物质引起 , 它们是真菌和放线菌 的副产物. 他还认为 , 堆肥中存在这些物质时 , 表明堆肥已 达稳定 . 313 　呼吸作用 　　新鲜堆肥中 , 由于微生物活动对有机物质的氧化分解 作用而产生大量的 CO2 . 但随着堆肥的进行 , 可供利用的有 机质减少 , 微生物活动减缓 , 放出的 CO2 也因此而减少. 不 论何种物料 , 当堆肥中每 100g 有机质能降解放出 CO2 的有 机质小于 500 mg 时 , 表明堆肥已达稳定[ 15 , 20 ] . Epstein[ 16 ] 总结了堆肥呼吸过程的数据后则提出 , 当堆肥中每 100g 有 机质能降解放出 CO2 的有机质小于 500 mg 时 , 达到相对稳 定 , 在小于 200mg 时 , 达到腐熟. 　　对于好氧堆肥来说 , 不成熟的堆肥中有机物质的强烈 分解需要大量的 O2 , 而腐熟堆肥的耗氧速率比堆肥初期明 显下降 , 其大小可表明堆肥的稳定程度[ 46 ,50 ] . E &A[ 15 ] 指 出 , 当堆肥中每降解 100g 有机质 O2 的消耗量小于 100 mg 时 , 认为堆肥已达稳定. 314 　NO3 - 2N 含量 　　NO3 - 2N 含量的增加也可以作为堆肥稳定度的一个评 价指标 . 因为在堆肥的高温阶段 , 由于高温环境强烈抑制了 硝化细菌的生长活动 , 所以 NO3 - 2N 在高温阶段的含量极 低 , 接近于零 , 之后 , 随着温度的下降 , 硝化细菌快速繁殖 生长 , 一部分 NH4 + 2N 被转化为 NO3 - 2N 而使其含量迅速 提高[ 4 , 17 , 48 , 51 ] . 可以认为 , 当堆肥中出现 NO4 - 2N 或其含 量开始升高时 , 表明堆肥已经过强烈的高温分解过程 , 已达 稳定. 315 　安全性测试 　　新鲜的有机固体废弃物中含有大量致病微生物 , 如大 肠杆菌、病毒及寄生虫等 , 直接影响堆肥的安全性. 但这些 致病微生物对温度非常敏感 , 当堆肥的温度高于 55 ℃, 并 保持 4d 以上时 ,可杀死大多数病原菌[ 14 ] . Tiquia 等[ 49 ]研究 猪粪的堆肥化处理时发现 , 堆肥开始时 ,堆肥中大肠杆菌的 数量为 (6. 18～6. 65) ×104 CFU g - 1 , 经过高温阶段后 ,堆肥 中已经检测不出大肠杆菌的存在. 所以可以认为 , 当堆肥中 检测不出大肠杆菌时 , 可认为堆肥已达稳定. Haug[ 28 ]提出 , 1g 堆肥干样中含有小于 1 个沙门氏菌和 0. 1～0. 25 个病毒 嗜菌斑 , 表明堆肥已达稳定 , 其施用不会对人体健康和周围 环境造成危害. 　　另外 ,堆肥中易降解有机物的消失 , 如淀粉在经过高温 阶段分解后检测不出[ 9 ,39 ] , 这也可作为堆肥稳定化的指标. Zucconi 等[ 58 ]还认为 , 当堆肥中有机碳含量占有机质总量大 于 10 %时 , 表示堆肥已达稳定. 总的说来 , 经过高温阶段 后 , 堆肥中的大部分有机质已被分解 ,堆肥已没有强烈的恶 臭 ,几乎所有的病原微生物已被杀死 , 不会对周围环境和人 体健康造成危害 , 堆肥已达稳定. 因此 , 温度被认为是堆肥 稳定度评价最简便快捷的指标 , 当其趋于环境温度时 , 表明 堆肥已达稳定. 4 　有机固体废弃物堆肥腐熟度 (Maturity) 的评价 411 　化学指标 41111 阳离子交换量 (CEC) 　Inbar 等[ 31 ]对污泥好氧堆肥的 研究发现 , CEC 随着腐殖化过程的进行而逐渐增加 , Harada 等[ 24 ]对城市垃圾堆肥的研究中也有同样的发现 , Harada 等[ 24 ]还发现 , CEC 与 C/ N 比之间有显著的负相关性 (r = - 0. 94) , 并提出当 CEC > 60 cmol·kg - 1 (有机质)时 , 表明堆肥 已达腐熟. 但 Garcia 等[ 20 ]研究城市垃圾、污泥、葡萄渣、泥炭 等不同物料的堆肥时发现 , 由于物料的不同 , 腐熟堆肥的 CEC值变化范围很大 , 而且对某些堆肥原料 , 初始 CEC 值 就大于 60 cmol·kg - 1 (有机质) , Bernal 等[ 4 ]在研究污泥、猪 粪、城市垃圾等多种不同物料的堆肥时也有同样的发现. 因 此 , CEC 的适用性还需要进行更广泛的研究. Bernal 等[ 4 ]研 究了多种不同物料的堆肥时还发现 , 所有堆肥的 CEC/ (水 溶性有机碳)的比值均在 1. 7～1. 9 之间. Jiminez 等[ 34 ]也发 现 , 城市垃圾堆肥的 CEC/ (水溶性有机碳) 值在 1. 9 左右. 因此可以认为 , 当 CEC/ (水溶性有机碳) 的比值大于 1. 9 时 , 表示堆肥已达腐熟. 41112 水溶性含氮化合物 　堆肥过程中 ,由于水溶性 NH4 + 2 N 一部分转化为 NH4 而挥发减少 ,另外 ,通过硝化作用一部 分 NH4 + 2N 又转化为 NO3 - 2N. 因此 , NH4 + 2N 的减少及 NO3 - 2N 的增加 ,也是堆肥腐熟度评价的常用指标 . Senesi 等[ 44 ]认为 ,当污泥堆肥中的总 N 含量超过干重的0. 6 %时 , 堆肥达到腐熟. Zucconi 等[ 58 ] 认为 ,当污泥堆肥中水溶性 NH4 + 2N 的含量小于 0. 04 %时 ,表示堆肥达到腐熟. Tiquia 等[ 47 ]则认为 ,当猪粪堆肥中 NH4 + 2N 的含量小于0. 05 %时 , 表示堆肥达到腐熟. 可见 ,不同物料的总 N 及 NH4 + 2N 的含 量存在很大差异 ,很难用其绝对数值来描述堆肥的腐熟程 度. 因此 ,Bernal 等[ 4 ]提出以 NH4 + 2N/ NO3 - 2N 的比值作为 堆肥腐熟度的评价指标 ,对污泥、猪粪以及城市垃圾等多种 物料的堆肥进行研究后认为 ,当堆肥中 NH4 + 2N/ NO3 - 2N 的 比值小于 0. 16 时 ,表明堆肥达到腐熟. 但根据加拿大政府有 关堆肥标准的规定 ,则当 NO3 - 2N/ NH4 + 2N 的值大于 2 或 NH4 + 2N/ NO3 - 2N 的值小于 0. 5 时 ,可认为堆肥已达腐熟 . 总的来说 ,由于 N 浓度变化受温度、p H、微生物代谢、通气条 件和 N 源条件的影响 ,这一类参数通常只作为堆肥腐熟度的 参考 ,不能作为堆肥腐熟度评价的绝对指标. 41113 碳氮比 (C/ N) 　固相 C/ N 比是最常用的堆肥腐熟度 评价方法之一. 堆肥起始的 C/ N 值在 25～30 为堆肥的最佳 条件 ,有利于微生物的正常生长繁殖和有机物的快速降解. 随着堆肥的进行 ,当 C/ N 比减少到 20 以下时 ,堆肥达到腐 熟[ 20 ,22 ,34 ,43 ] . 但由于不同物料的初始和终点 C/ N 值的差异 很大 ,而且许多堆肥原料的 C/ N 值较低 ,从而影响了这一参 数的广泛应用. Morel 等[ 38 ]建议采用 T = (终点 C/ N) / (初 始 C/ N) 来评价城市垃圾堆肥的腐熟度 ,并提出当 T 值小于 5185 期 　　　　　　　　　　　　黄国锋等 :有机固体废弃物堆肥的物质变化及腐熟度评价 　　　　　　　 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 0. 6 时堆肥达到腐熟 . Vuorinen 等[ 51 ]认为 ,腐熟猪粪与稻草 混合堆肥的 T 值应在 0. 49～0. 59 之间. Itavaara 等[ 33 ]的研 究则表明 ,当包装废物堆肥的 T 值下降到 0. 53～0. 72 之间 , 表示堆肥达腐熟. 可见 ,不同物料堆肥的 T 值变化不大 ,在 0. 5～0. 7 之间. 因而可以认为 , T 值适用于不同物料堆肥的 腐熟度评价. 　　Garcia 等[ 20 ]对城市废物堆肥的研究表明 ,当水溶性有机 碳 (Dissolved organic carbon ,DOC) 在堆肥中的含量 < 0. 5 % 时 ,表明堆肥已达腐熟要求. Chanyasak 等[ 6 ]提出 ,以液相有 机 C/ N 比作为腐熟度的评价指标 ,并在研究多种腐熟堆肥 后认为 ,腐熟堆肥的液相有机 C/ N 比在 5～6 ,并且该数值与 原始物料的 C/ N 比无关. 但是 ,由于有机氮含量很低 ,这一 比值较难在实际中应用. Hue 等[ 29 ]研究多种物料堆肥后提 出 ,以 (水溶性有机碳) / (总有机氮) 作为评价的指标 ,并认 为当比值小于 0. 70 ,表示堆肥已达腐熟. 41114 有机酸 　短链脂肪酸广泛存在于未腐熟堆肥中 ,其存 在对种子发芽和植物生长有不良影响 ,且含量大小与其植物 毒性有关[ 5 ,45 ] . Baziramakenga 等[ 2 ]对猪粪堆肥的研究中发 现 ,低分子量脂肪酸的含量随堆肥时间而减少. Chanyask 等[ 7 ]检出未腐熟堆肥中含有氨基酸、挥发性脂肪酸和其它低 分子有机酸 , 其中乙酸含量最高 , 占 42 % ～ 93 %. De Vleeschauwer[ 13 ]发现 ,新鲜城市垃圾堆肥中含有大量的乙 酸、丙酸、二异丁基甲酸、丁酸、异戊酸等短链脂肪酸 ,对植物 有毒害作用 ,其中乙酸浓度最高 ,经过 69 d 堆肥后 ,乙酸浓度 有显著下降. Garcia 等[ 21 ]也发现 ,新鲜污泥中甲酸、乙酸、丙 酸和丁酸含量分别为 244、325、190 和 271 mg·kg - 1 ,而成熟 堆肥中已经检测不出来 ,他还发现 ,当乙酸浓度超过 300 mg· kg - 1时 ,种子发芽率受到强烈抑制 ,但未提出堆肥腐熟度评 价的有机酸含量标准. 41115 腐殖化程度 　猪粪堆肥化处理过程中 ,有机质随着堆 肥过程的进行有所增加 ,并且保持在一定水平直至堆肥结 束[ 27 ,30 ] . Roletto 等[ 41 ]在研究木质2纤维素类堆肥时发现 ,当 腐殖质含量大于 3 %时 ,可以认为堆肥腐熟. 但 Chefeta[ 8 ]在 研究城市固体废弃物 (Municipal solid waste) 堆肥时却发现 , 腐殖质在整个堆肥过程中没有明显变化 ,这表明堆肥物料对 堆肥腐殖质的数量及腐殖化过程起决定性作用. 新鲜堆肥 含有较低含量的胡敏酸 ( Humic acid ,HA) 和较高含量的富里 酸 ( Fulvic acid ,FA) ,而随着堆肥化的进行 , HA 含量显著增 加 ,而 FA 含量没有显著变化 ,这种变化表明了堆肥的腐殖化 和腐熟化过程[ 8 ,11 ,30 ,47 ] . de Bertddi 等[ 12 ]则认为有机物的腐 殖化程度不适于描述堆肥腐熟度 ,因为其总含量有时在堆肥 过程中变化不明显 ,新腐殖质形成同时 ,有些腐殖质会发生 矿化作用. 因此 ,有机质在堆肥过程中的变化只可作为堆肥 腐熟度评价的一个参考指标. 　　Hsu 等[ 27 ]在研究猪粪堆肥过程中有机质的转化时 ,定义 腐殖化系数 ( Humification index , HI) = HA2C/ FA2C ,并发现 , 随堆肥进行不断提高. Bernal 等[ 4 ]发现腐熟的城市垃圾、污 泥和猪粪等物料混合堆肥的 HI 均大于 1. 9. Jimenez 等[ 35 ] 也认为 ,在城市垃圾以及污泥堆肥中 ,当 HI 大于 1. 9 时 ,堆 肥可被认为已达腐熟. Adani[ 1 ]定义了有机物质的稳定化指 数 SI = CH2/ CH1 ,其中 CH1 和 CH2 分别表示极性溶剂和非 极性溶剂萃取液中腐殖酸碳的含量 ,通过对不同原料的试 验 ,他们认为当 SI 大于 0. 6 和 0. 8 时 ,堆肥分别达到稳定和 腐熟. 　　堆肥过程中有机固体废物中的糖类、淀粉、木质素、纤维 素、半纤维素、脂肪类和水溶性酚等物质含量的变化可以指 示堆肥中有机质的腐熟化过程[ 9 ,36 ,39 ] . 但由于不同物料在 性质上有很大差异 ,因而堆肥中的糖类、淀粉、纤维素、半纤 维素和水溶性酚等物质的变化不能作为堆肥腐熟度评价的 绝对指标 ,也很难确定其腐熟标准. 41116 光谱学 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 　通过波谱分析从物质结构的角度认识 和评价堆肥腐熟度 ,使用较多的有13 C2核磁共振法 (Cross2po2 larization magic angle spinning 13 C2nuclear magnetic resonance , CPMAS 13 C2NMR) 和红外光谱法 ( Fourier2transform infrared spectroscopy ,FTIR) . 红外光谱法可以辨别化合物的特征功 能团 ,核磁共振法可提供有机分子骨架的信息 ,能敏感地反 映碳核所处化学环境的细微差别 ,还可以确定有机物的结 构. 　　Inbar 等[ 30 ,31 ]对牛粪堆肥样本进行了 CPMAS13 C2NMR 分析 ,将谱图分为 9 个功能团组 ,分别积分 ,得出了含 C 功能 团的分布为 :0～50 ppm 为甲基组和亚甲基组 ,50～60 ppm 为 C2OH 组 ,70～98 ppm 为 C2O 和 C2N 组 ,98～112 ppm 为 异头碳 ,112～145 ppm 为芳香族碳 ,145～163 ppm 为苯酚 碳 ,163～190 ppm 为羧基、酯类和酰胺类组 ,190～215 ppm 为羰基组. 通过计算 ,堆肥样品中含有脂肪类碳 65 %～78 % (0～112 ppm) ,多糖降低了 33 %(50～112 ppm) ,这与用酸解 法测定结果一致[ 32 ] . 　　城市固体废物堆肥过程中得到的红外谱图的波数范围 从 4000 到 400 cm - 1 . 腐熟堆肥与原料相比较 :1650 cm - 1峰 降低 ;1738 cm - 1峰降低并转变为小肩峰 (CO2 H 峰) ;脂肪区 (2930 cm - 1和 2850 cm - 1峰)显著降低 ;芳香族区 (1650 cm - 1 峰)增加. Chefetz 等[ 8 ]研究城市固体废弃物的堆肥化处理 , 并计算了谱峰密度比值 ,发现 1650/ 2930 (芳香碳/ 脂肪碳) 从 0. 88 提高到 1. 10 ;1650/ 2850 (芳香族碳/ 脂肪族碳) 从0. 79 提高到 1. 54 ;1650/ 1050(芳香碳/ 多糖)从 2. 39 提高到2. 80 ; 1650/ 1560 (芳香碳/ 酰胺)从 0. 94 提高到 1. 52. Hsu 等[ 27 ]在 研究猪粪堆肥时发现 ,1650/ 2930 从 1. 04 提高到1. 68 ;1650/ 2850 从 1. 49 提高到 2. 33 ;1650/ 1050 从 0. 86 提高到 1. 11 ; 1650/ 1560 从 1. 36 提高到 1. 67. 这些变化反映了腐熟堆肥 中多糖、脂肪族和酰胺等成分的减少及芳香结构成分的增 加. 另外 ,他还发现以上 3 组比值与 C/ N 比呈显著的相关 性 ,R2 分别为 0. 93、0. 87 和 0. 62. 所以 ,FTIR 被认为是反映 堆肥过程中有机质变化的可靠工具. 但不同物料堆肥 ,其有 机成分的转化情况并不一致. 因此 ,如何运用波谱法从数值 上评价堆肥的腐熟度还有待进一步研究. 412 　生物活性指标 41211 微生物量 　Hankin 等[ 23 ]研究树叶堆肥时发现 ,细菌 618 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 从堆肥开始的 108·个·g - 1增加到 10 d 的 1010·个·g - 1 . 之 后 ,细菌的数量在 107～109·个·g - 1之间 ,这是因为部分嗜温 细菌在高温阶段被杀死 . 真菌的数量较少 ,大约在 106·个· g - 1左右 ,而且在高温阶段之后明显减少 . 放线菌在高温阶 段仍维持较大数量 ,大约在 108·个·g - 1 ,在堆肥的后熟阶段 其数量明显减少 . 特定微生物数量及种群的变化 ,也是反映 堆肥代谢情况的依据 ,它间接反映了堆肥过程的腐熟度变 化. 但由于微生物在不同生长环境其数量有很大差异 ,因而 未能提出腐熟堆肥的标准. 41212 酶学分析 　堆肥过程中 ,多种酶与 C、N、P 等基础物 质代谢密切相关 ,分析其活力 ,可间接反映微生物的代谢活 性 ,一定程度上反映了堆肥的腐熟程度. Vuorinen 等[ 51 ]对畜 牧粪便与稻草的混合堆肥研究中发现 ,脱氢酶在堆肥开始时 含量为 21. 5～22. 9μmol·TPF·g - 1之间 ,堆肥结束时为 4. 44 ～5. 43μmol TPF·g - 1 . Fang 等[ 18 ]采用污泥和粉煤灰进行 堆肥试验 ,发现酶活性随时间下降 ,β2糖酶、磷酸酶和尿酶活 性之间具有较好的相关关系 ,但嗜热细菌与酶活性间没有必 然的相关关系. Herrmann 等[ 25 ]在城市固体废弃物堆肥过程 中发现纤维素酶和脂酶活性在堆肥后期 (80～120 d) 迅速增 加 ,这是因为微生物活动增强了对难分解 C 源的利用 ,故可 用来了解堆肥的稳定性. Tiquia 等[ 46 ]研究猪粪垫料堆肥时 发现 ,A TP 含量从开始的 0. 1μmol·g - 1上升到 0. 3μmol· g - 1 ,并在这一水平保持到 28 d ,之后开始下降 ,到 56 d 时仅 为 0. 05μmol·g - 1 . Garcai 等[ 20 ] 也发现 ,在最初的 26 d 内 , A TP 含量从 1. 2μg·g - 1迅速减少到 0. 4 ug·g - 1以下. 这些 活性指标的变化可以用来了解堆肥的稳定性 ,但对于如何用 作堆肥腐熟度的评价 ,还需进一步研究 . 413 　植物毒性指标 　　Kirchmann 等[ 37 ]认为 ,未成熟堆肥中可能含有挥发性脂 肪酸 (Volatile fatty acids) 及酚酸 ( Phenolic acids) 等对植物生 长产生抑制作用的物质 . Wong[ 53 ]认为 ,未腐熟堆肥的植物 毒性主要来自于小分子的有机酸和大量的 NH3 、多酚等物 质. Warman[ 52 ]也提出 ,堆肥中引起植物毒性的物质只局限 于小分子量组分 ,大分子量的组分反而会对植物生长有刺激 作用. 许多植物种子在堆肥原料和未腐熟堆肥萃取液中生 长受到抑制 ,而随着堆肥的进行 ,这种抑制作用不断减少 . 因此 ,堆肥腐熟度可以通过堆肥产品对种子发芽及植物生长 的抑制程度进行评价[ 57 ] . 　　Garcia 等[ 21 ]比较了新鲜污泥和污泥堆肥对大麦发芽率 的影响 ,发现新鲜污泥几乎完全抑制大麦种子的发芽 ,而堆 肥后却未发现. 加拿大政府以种子发芽率 ( Germination ra2 tio , GR)作为评价堆肥腐熟程度的指标 ,规定当水堇 (Cress) 的种子发芽率达 90 %时 ,表示堆肥达腐熟. Zucconi 等[ 56 ]报 道 ,水堇种子的发芽系数 ( Germination index , GI) 用于堆肥腐 熟度评价更能有效地反映堆肥的植物毒性大小 ,它不仅考虑 了种子的发芽率 ,还考虑了植物毒性物质对种子生根的影 响. 他指出 ,当水堇种子的发芽系数大于 50 %时 ,表示堆肥 已达腐熟 ,这是一个使用比较普遍的评价指标. 意大利政府 已将该标准用作有机固体废弃物堆肥产品的腐熟标准. 5 　结 　　语 　　在有机固体废弃物堆肥的高温分解阶段 ,不稳定的有机 质强烈分解并趋于稳定. 另外 ,大部分病原菌也在高温环境 中被杀死 ,这些变化都与堆肥的温度有关. 因而 ,温度被认 为是堆肥稳定度的指标 ,当其趋于环境温度时 ,表明堆肥达 稳定. 　　通过植物毒性试验进行腐熟度的评价是一种最为可靠 的生物测试方法 ,它受堆肥产品各方面性质的影响 ,是一个 综合性的指标. 而且 ,堆肥产品最终必将用于植物生长中 去. 因此 ,种子发芽试验被认为是评价堆肥腐熟度最具说服 力的方法. 但不同植物种类对植物毒性的承受能力和适应 性存在很大差异 . 因而 ,结合当地的具体植物种类进行相应 的种子发芽试验更为可靠. 种子发芽系数不受堆肥物料的 影响 ,而且操作和测定非常简便 ,可作为堆肥腐熟度评价的 推荐指标. 有研究表明 ,完全腐熟的堆肥浸提液可促进种子 的发芽 ,但目前的研究大多集中在堆肥产品对种子发芽的抑 制作用上 ,对于其促进作用的研究则很少 ,其物质的分离、鉴 定、浓度的变化以及其与堆肥腐熟度的关系等 ,可作为一个 新的研究内容. 　　由于种子发芽系数的测定时间较长 ,一般需要 48h 或更 长的时间 ,因而有必要利用多个化学指标对堆肥腐熟度进行 快速合理的评价 . C/ N 比的变化反映了堆肥过程中有机质 的稳定化和腐熟化程度 ,且 (终点 C/ N) / (初始 C/ N) 的比值 受堆肥物料的影响较小 ,而 NH4 + 2N 和有机酸 (主要为乙酸) 的含量直接影响堆肥的植物毒性作用. 因此 ,可以认为 ,在 众多化学指标中 ,以堆肥 (终点 C/ N) / (初始 C/ N) 比值 NH4 + 2N 和乙酸浓度 3 个化学指标来综合评价堆肥的腐熟 度较为合理可靠 . 钱学玲等[ 40 ]提出 ,以模糊数学为基础的模 糊综合评判法来评价堆肥的腐熟度 ,从而避免了单一指标评 价可能带来的偏差和片面性 ,更加科学地反映了堆肥的腐熟 度情况 ,但各个单项指标的权重大小及腐熟度的标准还需进 一步研究确定. 参考文献 1 　Adani F , Genevini PL ,Crasperi F and Zorai G. 1995. A new index of organic matter stability. Com post Sci Uti ,3 (2) : 25～37 2 　Baziramakenga R and Simard RR. 1998. Low molecular weight aliphatic acid contents of composted manures. J Envi ron Qual , 2727 :557～561 3 　Becker H. 1995. Good earth. A gric Res ,42 (6) :16 4 　Bernal MP , Paredes C , Sanchez2Monedero MA and Cegarra J . 1998. Maturity and stability parameters of composts prepared with a wide range of organic wastes. Biores Technol ,63 :91～99 5 　Brinton WF. 1998. Volatile organic acids in compost : production and odorant aspects. Com post Sci Util ,6 (3) :75～82 6 　Chanyasak V and Kubota H. 1981. 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