有機固體廢物堆肥化及有機肥的特點

固體廢物是指社會的生產(chǎn)、流通、消費等一系列活動中產(chǎn)生的一般不具有原使用價值而被丟棄的以固態(tài)和泥態(tài)賦存的物質(zhì)，或者是提取目的組分后棄之不用的剩余物質(zhì)[1]。目前，我國總有機廢物排放量為41.3～43.4×108t，其中蘊含粗有機質(zhì)為12.27×108t，氮、磷、鉀總貯量約為87.34×106t。
其中動物糞便和作物殘留物占有機廢物總量的21.8％和53.7％。每年排放的畜禽糞便中氮、磷、鉀總貯量約為6330萬t，相當(dāng)于4930萬t尿素、11940萬t過磷酸鈣和3380萬t的氯化鉀；農(nóng)業(yè)秸稈含有豐富的有機質(zhì)養(yǎng)分，占有機固體廢物的首要地位[2]。如何處理和利用這些固體廢棄物是我國保護環(huán)境和能源利用方面的重大課題。作為一個傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，對肥料和能源有著巨大的需求，因此，通過堆肥化處理農(nóng)牧業(yè)廢棄物能有效實現(xiàn)有機固體廢棄物資源化。
1堆肥過程中的影響因素
堆肥化（Composting）就是在人工控制下，在一定的水分、C/N比和通風(fēng)條件下通過微生物的發(fā)酵作用，將有機物轉(zhuǎn)變?yōu)榉柿系倪^程[3]。在這種堆肥化過程中，有機物由不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)物質(zhì)，對環(huán)境尤其土壤環(huán)境不構(gòu)成危害，堆肥化的產(chǎn)物稱為堆肥。
（1）C/N比。有機固體廢棄物C/N比一般較大，大多數(shù)都在30以上。為了使參與有機物分解的微生物營養(yǎng)處于平衡狀態(tài)，堆肥C/N比應(yīng)滿足微生物所需的最佳值25～35。因此，在堆肥化過程中C/N比較高的物料，應(yīng)通過補加Ｎ素材料（如畜禽糞便、肉食品加工廢棄物、污泥等一些含氮較多的物質(zhì)）的方法來調(diào)整C/N比。
（2）溫度和水分。溫度和水分主要影響堆體中微生物的活性和生長。一般認(rèn)為高溫菌對有機物的降解效率高于中、低溫菌。初堆肥時，堆體溫度一般與環(huán)境溫度一致，經(jīng)過中溫菌的作用，1～2d堆肥溫度便能達到高溫菌的理想溫度50℃～65℃，在這樣的高溫下，一般堆肥只要5～6d即可達到無害化[4]。溫度過低將大大延長堆肥達到腐熟的時間，而過高的堆溫（＞70℃）將對堆肥微生物產(chǎn)生有害的影響。就水分而言，有大量的研究表明，堆肥中水分含量保持在60％～80％為宜。這樣有利于CO2的生成、細菌生長和氧的攝入。
（3）pH值。pH值影響堆體中的微生物活性，一般微生物需要一個微酸性或中性的環(huán)境條件。但大部分植物殘渣卻具有較強的酸性（4.5～6.0），可以用消石灰或碳酸鈣來調(diào)節(jié)原料的pH，以達到pH為6.5左右。
（4）氧氣的攝入量。氧氣的供給是堆肥成功的關(guān)鍵因素之一。氧氣量的多少與堆體中的微生物的活動量有重要的關(guān)系，有機碳越多，需氧量越大。一般氧氣的濃度應(yīng)保持在18％左右，最低不能低于8％。氧濃度一旦低于8％，就成為好氧堆肥中微生物生命活動的限制因素，容易使堆肥厭氧而產(chǎn)生惡臭。
（5）生物菌劑。向堆肥中加入生物菌劑或加入10％～20％的糞肥，有利于堆肥物料的發(fā)酵，可以使堆體的溫度提早達到50℃以上，高溫（＞50℃）的持續(xù)時間延長，加快發(fā)酵效率，縮短腐熟時間。
2堆肥腐熟度的評價指標(biāo)
2.1物理指標(biāo)
溫度。溫度是堆肥過程中的一個重要的監(jiān)測項目。Pereia-Neto等[11]將溫度變化分為3個明顯階段，即：初期加熱階段，堆體溫度很快上升到55℃以上，維持一段時間高溫階段和堆肥逐漸達到腐熟冷卻階段。堆肥腐熟后，堆體的溫度與環(huán)境溫度趨于一致，一般不再有明顯變化。
顏色及氣味。堆肥過程中，堆料逐漸發(fā)黑，腐熟以后堆肥產(chǎn)品呈黑褐色或黑色。堆肥的原料通常具有令人不快的氣味，在堆肥過程中，這種氣味減弱并在堆肥結(jié)束后消失[12～13]。堆肥產(chǎn)品最后具有潮濕的泥土氣息。
2.2化學(xué)指標(biāo)
2.2.1有機物的變化
堆肥過程中，堆料中的不穩(wěn)定有機質(zhì)分解轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水、礦物質(zhì)和穩(wěn)定化有機質(zhì)，堆料的有機質(zhì)含量變化顯著。反映有機質(zhì)變化的參數(shù)有COD、BOD5、VS。張所明[14]等對垃圾堆肥的實驗結(jié)果顯示，COD的變化主要發(fā)生在熱降解階段，在隨后的階段趨于平穩(wěn)。Lossin[15]對動物的排泄物進行堆肥研究，提出當(dāng)堆料的COD＜700mg/g時堆肥達到腐熟。BOD5雖然不代表堆肥中的全部有機物，但代表了堆肥中的可生化降解的部分。Mathur等[16]認(rèn)為BOD5＜5mg/g，堆肥產(chǎn)品被腐熟了。VS基本上反應(yīng)了堆肥原料中有機質(zhì)的含量，在不同的堆肥過程中變化的幅度比較大[17～18]。
淀粉和糖類在堆肥過程中發(fā)生的變化具有一定的規(guī)律性。淀粉和糖類是易降解有機質(zhì)，很容易被微生物利用，當(dāng)堆肥物質(zhì)達到了穩(wěn)定狀態(tài)，就不再含有淀粉和糖類。可以用碘法來測定堆肥中的淀粉[19]。因為淀粉僅占堆料可降解物的一小部分，檢不出淀粉應(yīng)只是堆肥腐熟的一個必要條件，不能以淀粉的有無來判定堆肥是否腐熟。李艷霞[20]對污水污泥堆肥中纖維素的變化進行了試驗研究，認(rèn)為中、高溫有利于纖維素類物質(zhì)的降解。陳世和[21]等對垃圾堆肥的研究結(jié)果指出，高溫階段纖維素的降解占總降解率的63.5％～88.5％。Keller[22]在污泥與垃圾的堆肥試驗中，發(fā)現(xiàn)纖維素從最初占有機質(zhì)的34％下降至9％～11％，認(rèn)為纖維素也是堆肥腐熟度評價的適宜指標(biāo)。2.2.2水溶性的氮化合物
堆肥過程中，水溶性NH+4-N一方面轉(zhuǎn)化為NH3而揮發(fā)減少，另一方面，通過硝化作用一部分NH+4-N轉(zhuǎn)化為NO-3-N。因此，NH+4-N的減少及NO-3-N的增加，被認(rèn)為是堆肥腐熟度評價的常用指標(biāo)。但是，不同物料的總Ｎ及NH+4-N的含量存在很大差異，很難用其絕對數(shù)值來描述堆肥的腐熟程度。Ｓｅｎｅｓｉ等[23]認(rèn)為，當(dāng)污泥堆肥中的總Ｎ含量超過干重的0.6％時，堆肥達到腐熟。Ｚｕｃｃｏｎｉ等[24]認(rèn)為，當(dāng)污泥堆肥中水溶性的NH4+-N含量＜0.04％時，表示堆肥達到腐熟。Ｔｉｑｕｉａ等[25]則認(rèn)為，當(dāng)豬糞堆肥中NH+4-N的含量＜0.05％時，表示堆肥達到腐熟。Ｂｅｒｎａｌ等[26]提出以NH+4-N/NO-3-N的比值作為堆肥腐熟度的評價指標(biāo)，對污泥、豬糞以及城市垃圾等多種物料的堆肥進行研究后認(rèn)為，當(dāng)堆肥中NH+4-N/NO-3-N的比值＜0.16時，表明堆肥達到腐熟。但根據(jù)加拿大政府有關(guān)堆肥標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，則當(dāng)NO-3-N/NH+4-N的值＞2或NH+4-N/NO-3-N的值＜0.5時，可認(rèn)為堆肥已達腐熟。總的來說，由于Ｎ濃度變化受溫度、pH、微生物代謝、通氣條件和Ｎ源條件的影響，這一類參數(shù)通常只作為堆肥腐熟度的參考，不能作為堆肥腐熟度評價的絕對指標(biāo)。
2.2.3C/N比
固相C/N比是最常用的堆肥腐熟度評價方法之一。有利于微生物的正常生長繁殖和有機物的快速降解的堆肥起始的C/N比值為25～30。普遍認(rèn)為，隨著堆肥化的進行，C/N比減少到20以下時，堆肥達到腐熟[27～28]。但由于不同物料的初始和終點C/N比值的差異很大，而且許多堆肥原料的C/N比值較低，從而影響了這一參數(shù)的廣泛應(yīng)用。
Ｍｏｒｅｌ等[29]建議采用T＝（終點C/N）/（初始C/N）來評價城市垃圾堆肥的腐熟度，并提出當(dāng)T值＜0.6時堆肥達到腐熟，并且認(rèn)為T值適用于不同物料堆肥的腐熟度評價。
Ｃｈａｎｙａｓａｋ等[30]提出，以液相有機C/N比作為腐熟度的評價指標(biāo)，并且認(rèn)為腐熟堆肥的液相有機C/N比在5～6，且該數(shù)值與原始物料的C/N比無關(guān)。但Ｈｕｅ等[31]則提出，以（水溶性有機碳）/（總有機氮）作為評價的指標(biāo)，并認(rèn)為比值＜0.70表示堆肥已達腐熟。
2.3生物學(xué)指標(biāo)
2.3.1呼吸作用
堆肥應(yīng)是富含腐殖質(zhì)的穩(wěn)定產(chǎn)品，腐熟堆肥中含有的微生物處于休眠狀態(tài)，此時，腐殖化物質(zhì)的生化降解速率及二氧化碳產(chǎn)生和氧氣消耗都較慢。如果堆肥中仍存在大量的易降解性物質(zhì)，其二氧化碳和氧氣的產(chǎn)生、消耗就會較高。因此，對于好氧堆肥來說，微生物耗氧速率變化反映了堆肥過程中微生物活性的變化。Ｉａｎｎｏｔｔｉ等[32～33]建議采用溶解氧（ＤＯ）測定儀測定堆肥過程中氧氣的濃度變化，發(fā)現(xiàn)不同堆肥時期的氧濃度變化差別顯著，是快速、簡單和便宜的在線監(jiān)測方法，便于工藝控制。Ｒｉｃｈａｒｄ等[34]認(rèn)為呼吸速率與初始條件無關(guān)，僅與廢物分解的狀況有關(guān)，可用作堆肥工廠管理的定性參數(shù)。
2.3.2種子發(fā)芽率
未腐熟的堆肥含有植物毒性物質(zhì)，如：乙酸等低分子量有機酸和大量NH3、多酚等物質(zhì)對植物的生長產(chǎn)生抑制作用，因此可用堆肥和土壤混合物中植物的生長狀況來評價堆肥腐熟度。種子發(fā)芽實驗是測定堆肥植物毒性直接快速的方法。Ｇａｒｃｉａ比較了新鮮污泥和污泥堆肥對大麥發(fā)芽率的影響，發(fā)現(xiàn)新鮮污泥幾乎完全抑制大麥種子的發(fā)芽，而堆肥后的污泥卻未發(fā)現(xiàn)。Ｚｕｃｃｏｎｉ[35]進行了十字花科植物種子的發(fā)芽實驗，通過發(fā)芽率和報長計算發(fā)芽指數(shù)（GI），作為衡量堆肥腐熟的指標(biāo)。通常當(dāng)GI＞80％時，堆肥已消除植物毒性。
3有機肥的特點
（1）有機質(zhì)含量高。有機肥一般含有機質(zhì)20％左右，這是區(qū)別有機肥和化肥的重要標(biāo)志，也是土壤有機質(zhì)的主要來源。
（2）養(yǎng)分全面。生物有機肥中不僅含有植物必需的大量元素、微量元素，還含有生物活性小分子化合物，如維生素、植物生長調(diào)節(jié)劑等，當(dāng)然也包括一些有益的生物菌。總之，凡是植物必需的功能元素，包括已知的和未知的，植物能夠從土壤中吸收到的，生物有機肥料中都存在。
（3）具改善土壤理化性狀的良好作用。有機肥能調(diào)節(jié)和緩沖土壤的酸堿度，所以不管是酸性土還是堿性土施用效果都比較好。有機肥能增加土壤的陽離子代換量，提高土壤的保肥性，增加土壤有機質(zhì)的含量，有利于土壤良好結(jié)構(gòu)的形成，特別是水穩(wěn)團粒結(jié)構(gòu)的增加，從而可改善土壤的松緊度、通氣性、保水性和熱狀況，有利于土壤的物理化學(xué)性狀向好的方向轉(zhuǎn)化。許多試驗和實踐都表明長期施用有機肥，一般土壤含水量能增加2％～4％，早春和晚春能提高地溫2～3℃[36]。
（4）肥力柔和，肥效持久而穩(wěn)定。有機肥的施用量多一些、少一些，一般不會危害作物的生長，允許變動的幅度較大。施用有機肥不僅當(dāng)季作物增產(chǎn)，一般若干年后仍可見成效。
（5）可維持和促進養(yǎng)分平衡。植物從土壤中攝取各種養(yǎng)分制造出大量的有機物，帶走土壤中大量的養(yǎng)分元素，這些養(yǎng)分很大一部分可以通過施用有機肥的途徑回歸土壤。這是一條維持和促進土壤養(yǎng)分平衡的重要途徑。4小結(jié)
堆肥是有機固體廢棄物無害化和資源化的有效途徑，堆肥過程中應(yīng)該根據(jù)物料的基本性質(zhì)，調(diào)節(jié)適合堆肥發(fā)酵的條件，使堆肥發(fā)酵過程快速高效進行。對堆肥的腐熟和穩(wěn)定性方面的評判應(yīng)該利用物理、化學(xué)、生物活性和植物毒性等手段，綜合分析，形成有利于堆肥產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定的評價體系。另外，從現(xiàn)在有機食品和綠色食品的迅速發(fā)展，人們對食品安全性要求的進一步提高以及有機肥在農(nóng)業(yè)中的不可替代的作用和優(yōu)勢來看，有機肥的應(yīng)用和發(fā)展必將掀起一個新的高潮，采用堆肥的方式處理有機固體廢棄物，無論作為一種環(huán)保手段還是作為一種資源化利用的途徑，都將具有廣闊的前景。
參考文獻：略