（环境工程专业论文）城市生活垃圾堆肥腐熟度综合评价指标与评价方法的研究.pdf

中文摘要 摘要 因为城市生活垃圾处理的滞后，许多城市都发生了“垃圾围城”的现象，城 市生活垃圾问题己成为困扰全球各国城市发展的焦点与难点。堆肥是符合可持续 发展战略的城市生活垃圾处理办法。施入土壤的堆肥产品必须是腐熟的。未腐熟 的堆肥产品c n 比较高，施入土壤会造成植物缺氮，而且会引起微生物的剧烈活 动导致氧的缺乏，产生极端厌氧环境影响根系的生长。因此必须保证堆肥产品的 腐熟。 堆肥腐熟度的判断方法可分为物理指标、化学指标和生物学指标等。研究者 们发现，由于堆肥原料的复杂性，仅用单一指标难以建立堆肥腐熟度的判断标准。 本文以生活垃圾作为原料，以通气静态仓式堆肥工艺进行了6 次堆肥实验。 通过测定和分析堆肥过程中温度、含水率、挥发分( v s ) 等工艺参数的变化，研 究了p h 值、电导率( e c ) 、碳氮比( c n ) 、铵态氮( n h 4 + - n ) 和耗氧速率( o u r ) 等参数在堆肥过程中的变化情况。通过实验得出了如下的结论： 堆肥过程中部分参数的变化情况； 通过分析堆肥过程中挥发分、p h 值、e c 、碳氮比、氨氮含量和耗氧速率等参 数的变化规律，可以看出在不同的堆料中，挥发分的变化具有相同的规律，但因 为堆肥原料的不同，堆肥结束时挥发分的数值差别较大；p h 值的情况也是如此； e c 值在堆肥的过程中的变化规律不同 实验数据表明在通气静态仓堆肥条件下，堆肥过程中的c n 、n i - 4 + n 和o u r 的变化趋势比较明显，而且在堆肥结束时的数值趋于一致。堆肥结束时堆料的c n 在15 左右，n h 4 + - n 含量低于o 5 9 k g ，o u r 值低于o 0 2 r a i n 。 建立了适合重庆地区城市生活垃圾特点的堆肥腐熟度判断标准。 1 ) 选定表观指数、c 肘、n h 4 + - n 和o u r 四个指标来判断堆肥产品的腐熟度。 并证明四指标是相对独立的。 2 ) 四个指标的分级方法的建立 通过对几个已经充分腐熟的样品，如土壤、填埋十几年的生活垃圾和堆肥后 放置一年的堆肥产品等的表观参数等指标的测定，建立四个指标的分级方法。 3 1 用模糊数学的方法进行综合，建立综合评价参数。 4 ) 堆肥产品的表观指数等指标按照建立的分级指标进行分级，然后用模糊数学 的方法对产品的腐熟度进行综合判断，可以计算出堆肥产品在腐熟、较好腐熟、 基本腐熟、未腐熟四个级别中的隶属度，判断堆肥产品的腐熟程度。 重庆大学硕士学位论文 关键词：城市生活垃圾，堆肥，腐熟度，综合评价，模糊数学 i i 英文摘要 a bs t r a c t b e c a u s eo ft h et a go ft h ed i s p o s a lo fm u n i c i l ； a ls o l i dw a s t e ( m s w ) ，m s w s u r r o u n d i n gc i t i e sw a s s e e nh e r ea n dt h e r e ，w h i c hw a st h ef o c u sa n dd i f f i c u l t yp u z z l e d t h ed e v e l o p m e n to fm a n yc i t i e si nt h ew o r l d c o m p o s ti sad i s p o s a lo fm s ww h i c h a c c o r dw i ms u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h ec o m p o s tu s e dt ot h es o i lm u s tb em a t u r i t y i m m a t u r ec o m p o s th a sh i g hc a r b o nt on i t r o g e nr a t i o n ，i fi tu s e dt ot h es o i lm a ym a k e c r o pr u ns h o r to fn i t r o g e na n dt h em i c r o b e a c u t ea c t i v i t yw h i c hm a yr e s u l ti nt h e s c a r c i t yo f o x y g e n t h eo x y g e ns c a r c i t yi nt h ee x 仃e m em a yi n f l u e n c et h eg r o w t ho f t h e c r o p s t h em a t u r i t yo f t h ec o m p o s tm u s tb eg u a r a n t e e d t h ep a r a m e t e r sf o rc o m p o s tm a t u r i t ya r eg r o u p e di n t ot h r e et y p e s ：p h y s i c n ， c h e m i c a la n db i o l o g i c a li n d i c e s a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h e r s ，t h e r ei sn o tau n a n i m o u s p a r a m e t e rt oe v a l u a t ec o m p o s tm a t u r i t yt i l ln o w i nt h i sa r t i c l e , m s ww a sc o m p o s t e di na i la e r a t e ds t a t i cb o x t h ee x p e r i m e n tw a s m a d ef o r6t i m e s t h er e c o r do ft e c h n i c a lp a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r e ，m o i s t u r e ， v o l a t i l es o l i d ，p h ，e c ，c n ，n h 4 + - na n do u rw e r em e n s u r a t e da n da n a l y z e d a c c o r d i n g t ot h ed a t a , t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： t h ev a r i e t yo fs e v e r a li n d e x e sd u r i n gc o m p o s t i n g t oa n a l y z et h ed a d ao fp h ，e c ，c n ，n i x 4 + - na n do u r ，i tf o u n dt h a tt h o u g ht h e r a wm a t e r i a l sw e r ed i f f e r e n t ，t h ev a r i e t yo fv sh a st h es a m el a w b e c a u s eo ft h e d i f f e r e n to f r a wm a t e r i a l s ，t h ed a t aw e r ed i f f e r e n ta tt h ee n do f c o m p o s t i n g t h es a l t l ea s t h ep h t h ev a r i e t yo f e cw e r ed i f f e r e n t mt 1 1 ea e r a t e ds t a t i cb o xc o m p o s t ，t h et r e n do fc n ，n h 4 + - na n do u rw e r ei n e v i d e n c ea n dt h ed a t aw e n tc o n s i s t e n ta tt h ee n do fc o m p o s t i n g t h ei n d e xo fc nw a s a b o u t15 , n h 4 + - nw a su n d e ro 5 9 k ga n do u rw a sl o w e rt h a n0 0 2 m i n 匡) e s t a b l i s ht h ec r i t e r i o ns u i tf o rc o m p o s tm a t u r i t yo f t h em s w i nc h o n g q i n g 1 ) f o u ri n d e x e s ，a p p a r e n ti n d e x ，c n ，n i t 4 + 一na n do u r ，w a ss e l e c t e dt o e s t i m a t et h em a t u r i t yo f t h ec o m p o s t a n dt h ef o u ri n d e x e sa r ed i s r e l a t e d 2 ) b u i l dt h ec l a s s i f i c a t i o no f t h ef o u ri n d e x e s f o u ri n d e x e so fs e v e r a lw e l lm a t u r es a m p l e sw e r ea n a l y s e d t h es a m p l e sw e r et h e s o i l ，t h eo v e r r o t t e nm s w w h i c hw a sl a n d f i l l e df o rt j l i n e e ny e a r sa n dt h ec o m p o s tw h i c h w a sc o m p o s t e df o ra b o u tt h i r t yd a y sa n dt h e nl a i dt h e r ef o ray e a r t h ec l a s s i f i c a t i o n w e r eb u i l e dt h r o u g ht h ed a t a i 重庆大学硕士学位论文 3 ) e s t a b l i s ht h ec o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n tw j 也t h eh e l po ff u z z y 4 ) t h ec o m p o s t i n d e x e ss u c ha st h ea p p a r e n ti n d e xw a sc l a s s i f i e da s a b o v e c l a s s i f i c a t i o n t h e nt h em a r u t i r yo ft h ec o m p o s tw a sa s s e s s e dw i t hc o m p r e h e n s i v e a s s e s s m e n t w ec a r lk n o wt h ec o m p o s tw a sm a t u r e ，b e t t e rm a t u r e ，b a s a lm a n l r eo r i m m a t u r e k e y w o r d s ：m s w , c o m p o s t ，m a t u r i t y , c o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n t ，f u z z y , i v l 概述 1 概述 1 1 城市生活垃圾及其处理 1 1 1 垃圾及其危害 城市生活垃圾 m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，简称m s w ) ：指在城市日常生活中或 为城市日常生活提供服务的活动中产生的固态、半固态废物【l 4 j 。主要成分包括 厨余物、废纸、废塑料及砖瓦渣土等。其主要特点是成分复杂、有机物含量高。 随着经济的增长、城市规模的扩大和人民生活水平的提高，城市生活垃圾的产量 也持续增加，2 0 0 0 年，全球共产生垃圾约1 0 0 亿吨，其中我国约1 2 亿吨。最近 几年各国城市生活垃圾的产量呈上升趋势，据统计，发达国家的年增长率为3 - - 6 ；发展中国家为3 - - 1 0 ；我国为3 5 5 f “。许多城市都发生了“垃圾围 城”的现象，所以城市生活垃圾问题己成为困扰全球各国城市发展的焦点与难点 【7 1 1 1 。 由于长期以来人们习惯将生活垃圾随意堆放或沿江倾倒，三峡库区城市生活 垃圾污染长江水体的情况已十分严重。库区城市生活垃圾已超过2 0 0 万吨a ，其 成分也比较复杂，产生的大量垃圾渗滤液直接污染长江水质。三峡库区蓄水后， 库区水质要求总体达到i i 类标准。库区城市现有的生活垃圾进行无害化处理与处 置是确保三峡库区水体与库区生态环境安全的重要措施【l 。1 3 a 表i 1 三峡库区垃圾成分( ) t a b l e i 1t h em s w c o m p o s i t i o n si nt h r e eg o r g e s 露天存放或置于处置场的城市生活垃圾，其中的有害成分可通过环境介质一 一大气、土壤、地表、地下水体等直接或间接传至人体，造成健康威胁。其对人 重庆大学硕士学位论文 类环境的危害主要表现在以下几个方面。 侵占土地 城市生活垃圾产生以后，必须占地堆放，堆积量越大，占地越多。据估算， 每堆积l x l 0 4 t 垃圾约占地1 亩。我国许多城市将垃圾堆放于市郊，侵占了大量农 田，1 9 9 7 年调查显示，我国垃圾累计堆存侵占土地己超过5 亿m 2 。随着生产 的发展和消费的增长，垃圾占地的矛盾日益尖锐。 污染土壤 垃圾堆置，其中的病菌、寄生虫等有害组分容易污染土壤，垃圾淋洗和渗沥 液中所含的有害物质会改变土壤性质与结构，并对土壤中微生物的活动产生影响。 这些有害组分不仅阻碍植物根系的发育和生长，而且还会在植物有机体内积蓄， 通过食物链危及人体健康。 污染水体 堆置的垃圾随风飘迁落入水体，或经过雨水的浸渍和废物本身的分解，随天 然降水或地表径流进入河流、湖泊等水体，污染地面水。随渗沥液进入土壤则可 污染地下水。国内外发生多起事故，如哈尔滨市韩家洼予垃圾填埋场，地下水锰 含量超过标准3 倍，汞含量超过2 9 倍，细菌总数超过4 3 倍，大肠菌超过4 l 倍， 其浊度、色度等亦超过许多倍【2 】。垃圾未经无害化处理直接排入河流、湖泊或海 洋，能造成更大的水体污染，目前我国某些地区每年仍有成千上万吨垃圾直接倾 入江湖之中，其所产生的严重后果是不言而喻的。 污染大气 以细粒状存在的垃圾，在大风吹动下随风飘逸，或者其中某些物质的分解和 化学反应，可以不同程度地产生毒气或恶臭，造成地区性空气污染，危及人类健 康；其运输和处理过程也能产生有害气体和粉尘，如焚烧法处理垃圾，己成为一 些国家大气污染的主要污染源之一，有的露天焚烧炉排出的粉尘在接近地面处的 浓度达到0 5 6 9 m 3 ，大大超过国家允许排放标准。另外，垃圾填埋场逸出的填埋气， 在一定程度上会消耗其上层空间的氧，造成植物衰败，大气环境恶化。 影响环境卫生 我国许多城市收运系统不能满足城市发展的需要，影响了城市容貌和环境卫 生。目前我国无害化处理率仅1 5 左右，很大部分垃圾简易堆放于市郊，给附近 居民健康和安全构成潜在威胁。 1 1 2 城市生活垃圾的处理 纵观全球城市生活垃圾处理技术现状，可以发现，目前主要采取焚烧、堆肥、 卫生填埋等常见的处理处置方法【1 4 ”。表1 2 是部分国家处理城市生活垃圾的方 法及所占比例。这几种处理技术各有利弊。焚烧法减量化好，处理彻底，但是它 2 i 概述 一次性投资大，运行费用高，对管理水平和设备维修要求高，而且焚烧过程中产 生的烟气含有大量有毒有害物质，若处理不当，其二次污染对环境仍有很大的危 害；卫生填埋法具有投资省，处理费用低，处理量大，所需设备少，操作简便， 回收填埋气获得一定经济效益等优点，但卫生填埋场选址困难，占地面积大，产 生的渗滤液与填埋气会产生二次污染等；堆肥法存在肥效低，产品出路欠佳，与 化肥等产品相比竞争力差的缺点，但堆肥是实现城市生活垃圾资源化、无害化、 减量化的一条重要途径，特别是对于含水率及有机质含量高的厨余垃圾，堆肥化 更是一种不可或缺的方法。 表1 2 部分国家垃圾处理方法及所占比例( ) t a b l e l 2 m e a s u r e m a d p r o p o r t i o no f m s w i n m a n y c o u n t r i e s 意大利 美国 澳大利亚 比利时 法国 日本 英国 德国 瑞典 新西兰 荷兰 丹麦 瑞典 加拿大 中国 1 4 现代堆肥技术是从2 0 世纪3 0 年代开始发展的，已经形成了各种完善的工艺 和成套设备。由于堆肥产品的市场等原因，堆肥处理特别是城市生活垃圾的堆肥 处理在发达国家曾一度处于停滞甚至萎缩阶段。进入九十年代以后，由于以下几 方面因素，堆肥处理又呈上升的发展趋势。欧美发达国家垃圾填埋场的标准和焚 烧处理的排放标准都不同程度的进行修订并进一步提高，焚烧处理和填埋处理成 本也随着增加；垃圾分类收集的普遍推行为垃圾的再生利用也包括堆肥处理的发 展提供了良好条件；垃圾再生利用得到广泛的重视。近几年来，欧美发达国家把 垃圾堆肥也看作可降解有机物的再生利用。垃圾的再生利用是垃圾减量和垃圾资 b笛m”砸加巧珏如加6 5942 6 m 2 h 一 2阳酷缸船明饥酪舛n让”帅卯 重庆大学硕士学位论文 源化的最佳途径。以美国为例，由于禁止庭院垃圾进行填埋处置的条例的实施， 庭院垃圾堆肥处理场发展很快，1 9 9 6 年全国庭院垃圾堆肥处理场达到3 4 0 0 座， 比1 9 8 8 年增长了4 倍以上。为提高城市垃圾再生利用率，城市垃圾堆肥处理也有 明显增长。由于欧洲推行填埋税，使得垃圾填埋处理费用显著提高，以及限制进 入填埋场的有机物含量的填埋标准将在欧盟内实施等因素的影响，欧洲大陆垃圾 堆肥厂从1 9 9 0 年8 7 座增加到1 9 9 6 年6 8 4 座；英国的垃圾堆肥厂从1 9 9 0 年4 座 增加到1 9 9 6 年5 7 座；至1 9 9 9 年德国共有5 5 0 家堆肥设施年处理约6 5 0 万吨垃圾、 5 0 家厌氧发酵设施年处理约1 0 0 万吨垃圾、2 7 家机械一生物处理设施年处理约 1 6 0 万吨垃圾【2 2 1 。表1 3 是1 9 9 5 年欧洲主要国家有机垃圾利用情况。 表1 31 9 9 5 年欧洲主要国家有机垃圾利用率矧 t a b l e l 3 t h e u t i l i z a t i o no f o r g a n i s m g a r b a g eo f m a i nc o u n t r i e s i n e u r o p e i n l 9 9 5 在“七五”和“八五”期间，我国相继开展了机械化程度较高的动态高温堆 肥研究和开发，并取得了积极成果，制定了静态垃圾高温堆肥的技术标准和卫生 标准；在一些城市开展了机械化堆肥的示范工程研究；研制并生产了破碎机、筛 分机和翻堆机等堆肥专用设备：运用有孔塑料通风管和塑料薄膜，改善了人工制 作堆肥的通风和堆体覆盖条件。垃圾经自然通风式和发酵仓式堆肥后，加工成复 合肥，在一些城市推广使用。常州市采用以高温堆肥为主，把筛上物、焚烧灰及 残渣填埋于一体的综合垃圾处理场，取得了成功经验。广汉市的垃圾综合处理也 有新的进展。北京引进了德国技术设备，建成了南宫垃圾堆肥厂，己投入运营。 中国物理研究院在传统堆肥工艺基础上，研究开发了城市垃圾无害化综合处理工 艺，已建成四川西昌、江油生活垃圾处理场，运转良好 2 3 2 4 】。 1 2 课题的提出 堆肥法是目前我国处理有机固体废物的重要方法，是处理有机废物行之有效 4 1 概述 的方法。有机废物转化为有机肥料是符合生态原理的m s w 处理方法。它较好的 克服了有机废物含水率高、不易燃烧、直接填埋二次污染严重的弊端【2 ”。堆肥不 仅能在微生物作用下通过高温发酵使垃圾中的病原菌无害化、有机物腐殖质化、 稳定化，最终达到腐熟，而且还能进一步加工为复合肥料。 堆肥没有完全腐熟就施入土壤，会造成非常严重的后果。未完全腐熟的堆肥 c n 比较高，施入土壤会造成植物缺n ：而c n 过低又会产生氨毒性。未腐熟的 堆肥在施入土壤后，能引起微生物的剧烈活动导致氧的缺乏，产生极端厌氧环境， 影响根系生长。同时，未腐熟的堆肥在这种环境条件下还会产生大量中间代谢产 物有机酸及还原条件下产生的n i l 3 、i - 1 2 s 等有害成分，这些物质会严重毒害 植物的根系，影响作物的正常生长。未腐熟的堆肥产生的有毒代谢产物会抑制种 子发芽，并散发臭味给利用带来很大不便。 由于对堆肥过程中有机质的转化及其机制的认识有限，研究者试图通过研究 某些参数来寻求有机质在堆肥过程中的内在变化规律。他们普遍认为，仅用某个 单一参数很难确定堆肥的化学及生物学的稳定性，需要有几个参数共同来确定。 陈世和1 2 6 】介绍了用综合评定法对堆肥腐熟度进行判断的方法。在堆肥过程中 对p h 、c o d 、c n 、c h 、总n 、粗脂肪酸和全糖作同步跟踪测定，根据测定的 结果来评定堆肥是否达到腐熟。在评定项目之中，p h 、c o d 作为复核项目，c n 、 c h 、总n 、粗脂肪酸和全糖作为评分项。在p h 和c o d 等满足条件的情况下， 若最终的评定分数( 总氮、碳氮比、碳氢比、粗脂肪+ 全糖共四个指标，每个指 标的权重均为2 5 ) 小于8 0 分，则认为堆肥已腐熟。否则，则必须继续发酵直至 腐熟为止。这种评定方法存在以下缺陷：首先是参数中不包括卫生学指标，难以 判断堆肥产品是否达到卫生学标准：其次，测定的参数过多，不利于在工厂中的 应用；最后，在完全腐熟的堆肥中，四个指标的分值都是2 5 分，不能体现每个指 标在腐熟堆肥中所占的权重。 s w i t z e n b a u m 等【27 在堆肥产品的稳定性评价中，建议采用c 0 2 产生速率或耗 氧速率连同自升温方法来评价；判断堆肥腐熟度时，再辅以植物生长试验。自升 温方法在欧洲被广泛应用，即采用在一定的起始条件下的堆肥产品的自升温过程 来衡量堆肥的腐熟程度。具体方法如下：在室温下，堆肥起始温度2 0 ，湿度4 5 5 5 ，装入直径1 0 e r a ，容积1 2 5 l 的保温容器中，进行发酵升温，测定所能达到 的最高温度，根据该最高温度来划分堆肥的腐熟度。2 0 3 0 腐熟度为v ，3 0 4 0 腐熟度为1 v ，4 0 5 0 腐熟度为i ，5 0 6 0 。c 腐熟度为i i ，高于6 0 腐熟 度为i 【“。 5 重庆大学硕士学位论文 美国加州堆肥质量协会( c a l i f o r n i ac o m p o s tq u a l i t yc o u n c i l ，c c q c ) 【2 9 】采用 以下方法判断堆肥的腐熟度：将c n 比三2 5 作为强制性指标，再从a 、b 两组中 至少各选出一个参数来评价。a 组中的参数包括c 0 2 产生速率或呼吸作用、耗氧 速率和自升温检测；b 组包括n h 4 + - n n 0 3 - n 、n i - h + 一n 浓度、挥发性有机酸浓度 和植物生长试验。通过这种方法将堆肥分为充分腐熟、腐熟和未腐熟堆肥三类。 魏源送等 3 0 】在以污泥为原料的堆肥中认为比耗氧速率( s o u r ) 与b o d ，值适 于评价不同原料的堆肥稳定度。当s o u r o 5 m g o z ( g v s h ) 和b o d 5 5 0 m g o j g v s 时，采用不同调理剂的污泥堆肥产品是稳定和腐熟的。 从以上分析可知，正确评价堆肥的腐熟情况是一个复杂问题，一些评价参数 的确定还有争议。一般通过测定多个指标，然后根据这些指标综合反应堆肥的腐 熟状况。将化学指标与生物学指标结合起来，形成综合评价参数来评价腐熟度是 目前常用的方法，也是堆肥腐熟度评价的发展方向。但在反映堆肥腐熟特征的各 个指标的选取方面差异较大，很难达成一致的标准；在普遍性和实用性方面亦有 不足之处。因此，腐熟度综合评价指标及方法仍需进一步深入研究。 1 3 课题研究的目的和意义 我国对堆肥腐熟度的研究较少，因此在堆肥厂运行时，常借鉴国外经验来指 导国内堆肥厂的运行管理。这种方式在我国堆肥厂的运行中起到了一定的作用。 但由于国内外垃圾成分的差异，照搬国外经验参数并不十分科学、合理。所以有 必要针对我国垃圾实际情况进行腐熟度方面的研究，寻求有机质在堆肥过程中的 内在变化规律，从而建立适合我国情况的生活垃圾堆肥腐熟度判断标准。 国内外的研究者们普遍认为，由于堆肥过程的复杂性，仅用某个单一参数很 难确定堆肥的化学及生物学的稳定性，需要用几个参数共同来确定。针对重庆地 区城市生活垃圾中有机质及水分含量高的特点，本研究目的在于寻找一种适合于 城市生活垃圾堆肥腐熟度判断的综合评定方法。 本研究对堆肥厂的生产实践具有重要的理论与实际意义，具体意义在于： 为堆肥厂的修建提供理论指导，防止不必要的浪费，提高堆肥设备的利用 率； 寻找具有操作方便、反映直观、适应面广、技术可靠等特点，可作为生产 中用于指示反应进行程度的控制标准，从而生产出腐熟度较好的堆肥成品。 6 1 概述 1 4 国内外研究现状 腐熟度指标( m a t u r i t y i n d i c e s ) 是国际上公认的衡量堆肥反应进行程度的一个 概念性参数，即判定堆肥过程已经完成的标准是腐熟度3 ”。腐熟度作为衡量堆肥 产品的质量指标早就被提出。堆肥产品腐熟的基本含义包括： 通过微生物的作用，堆肥的产品要达到稳定化、无害化及不对环境产生不 良影响； 堆肥产品的使用不影响作物的生长和土壤的耕作能力2 6 1 。 判断堆肥腐熟度的指标一般可分为三类：物理学指标、化学指标和生物学指 标。物理学指标易于检测，常用于描述堆肥过程所处的状态；化学指标得到了广 泛研究和应用；堆肥化是微生物对有机物的分解过程，可采用生物学指标进行评 价。此外还有光谱分析法等。 1 4 1 国外研究现状 物理学指标 1 ) 温度 物理学指标，如温度、气味和颜色随堆肥过程的变化比较直观。p e r e i a n e t o 3 2 】 等采用强制通风静态垛进行堆肥试验，将温度变化分为三个明显阶段，初期加热 阶段堆体温度很快上升到5 5 。c 以上，接着维持一段时间高温阶段，随后是堆肥逐 渐达到腐熟的冷却阶段。温度的变化与堆肥过程的微生物代谢活性有关，研究表 明二者之间的关系可用如下关系式表示吲： k r = k 2 0 0 t _ 2 0 ) 式中k _ t 、k 2 0 分别为温度在t 、2 0 。c 时的呼吸速率，0 ：常数 堆肥腐熟后，堆体温度与环境温度趋于一致，一般不再明显变化，不同堆肥 系统的温度变化差别显著。由于堆体为非均相体系，其各个区域的温度分布不均 衡，限制了温度作为腐熟度定量指标的应用，但其仍是堆肥过程最重要的常规检 测指标之一。 2 1 气味 通常，堆肥原料具有令人不快的气味，在运行良好的堆肥过程中，这种气味 逐渐减弱并在堆肥结束后消失。c h a n y a s a k 3 4 】等对家庭垃圾进行堆肥试验，指出低 分子量挥发性脂肪酸是引起不快的主要成分之一。堆肥结束和翻堆后，堆体内无 不快气味产生，并检测不到低分子脂肪酸，堆肥产品具有潮湿泥土的气息。 3 ) 色度 堆肥过程中堆料逐渐发黑，腐熟后的堆肥产品呈黑褐色或黑色。s u g a h a r a 等 【3 5 1 提出一种简单的技术用于检测堆肥产品的色度，并回归出一关系式： 7 重庆大学硕士学位论文 y = ( o 3 8 8 c n ) + 8 1 3 ( r 2 = 0 7 4 9 ) 他们认为y 值为1 1 1 3 的堆肥产品是腐熟的。使用这种方法时要注意取样的 代表性。不过，堆肥的色度显然受其原料成分的影响，很难建立统一的色度标准 以判别各种堆肥的腐熟程度。 4 ) 残余浊度( r i s i d u a lt u r b i d i t y ) 和水电导率( h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y ) s e l a 等【3 6 悃城市垃圾进行堆肥试验，将不同腐熟度的堆肥按比例与某些结构 上有缺陷的土壤混合，在温度3 0 c 下好氧培养一段时问，分析堆肥对土壤结构的 影响以评价堆肥的腐熟度。结果发现，堆肥时间为7 1 4 天的堆肥产物在改进土 壤残余浊度和水电导率方面具有最适宜的影响。同时混合物中多糖的成分也达最 高。但该研究只是初步的试验，需与植物毒性试验和化学指标结合进行综合研究。 5 ) 光学特性 r a j b m l s h i 掣”1 以树叶为原料进行堆肥试验，发现堆肥的丙酮萃取物在6 6 5 n m 的吸光度随堆肥的时间呈下降趋势。对不同时间堆肥的水萃取物在波长2 8 0 h m 、 4 6 5r l l t l 和6 6 5 n m 的光学性质研究表明，由于个别有机成分的少量存在，抑制了 对短波2 8 0 n m 、4 6 5h i l l 的吸收，而对波长6 6 5 n m 的可见光影响较小。通过检测 堆肥在e 6 6 5n l t l ( e 6 6 5r g r l 表示堆肥萃取物在波长6 6 5n n 的吸光度) 的变化可反 映堆肥腐熟度，腐熟堆肥e 6 6 5 应小于o 0 0 8 。 6 ) 热重分析( t h e r m o g r a v i m e t r i c a n a l y s i s ) 麦秸中含有大量木质纤维素，b l a n c o 等3 8 1 研究地中海地区以麦杆为主要原料 的堆肥试验中，认为水溶性和碱萃取成分的腐熟度指标与堆肥系统有关，局限性 较大。他采用热重方法分析堆肥在4 0 5 4 04 c 的重量分布，结合植物发芽及黑麦温 室试验，发现堆料在3 6 0 5 4 0 。c 的重量损失与之有较好的相关性。但并未给出定 量指标。 化学指标 温度、气味和颜色等参数难于定量表征堆肥过程中堆料成分的变化，也就不 易定量说明堆肥的腐熟程度。所以，常通过分析堆肥过程中堆料的化学成分或性 质的变化来评价堆肥腐熟度。 1 ) 挥发性固体( 有机质或全碳) 堆肥过程是利用微生物分解和转化原料中的不稳定有机质，挥发性固体代表 着堆肥中可被微生物利用的总能量，影响着堆肥过程的温度变化。在适宜的条件 下，当挥发性固体含量高时( 堆肥初期) ，微生物有大量可以利用的能源，使堆体 温度升高，随着挥发性固体含量的减少，堆体温度降低。美国科罗拉多州健康标 8 1 概述 准局要求，挥发性固体经堆腐后必须降解3 8 以上，产品中挥发性固体含量应低 于6 5 i ”1 。但是，不同原料的挥发性固体含量及性质显著不同( 见表1 4 ) 。使 得这一参数及指标的使用难以具有普遍意义。 表1 4 国内外部分城市垃圾成分比较 t a b l e1 4g a r b a g ec o m p o s i t i o nc o m p a r i s o n so f p a r t so f c i t i e si nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l 2 ) 易降解有机质 在堆肥过程中，最易降解的有机质可能被微生物用作能源而最终消失，所以 一些研究者认为它们是最有用的参数【4 “。 淀粉和可溶性糖：堆肥原料中一般含有3 类碳水化合物，即：糖、淀粉和纤 维素。在堆肥过程中，糖首先消失，接着是淀粉，最后才是纤维素。淀粉和可溶 性糖是堆肥原料中典型的易降解有机质，易被微生物利用“1 。p o i n c e l o t 4 2 1 试验显 示，垃圾的糖和淀粉含量分别为5 及2 8 ，经过5 7 周的可完全降解。 3 ) 碳氮比的变化 碳源是微生物利用的能源，氮源是微生物的营养物质。在堆肥过程中，碳源 被消耗，转化成二氧化碳和腐殖质物质，而氮则以氨气的形式散失，或变为亚硝 酸盐和硝酸盐，或是由生物体同化吸收 4 3 】。因此，碳和氮的变化是堆肥的基本特 征之一。 9 重庆大学硕士学位论文 a c n ( 固相中全碳与全氮之比) ：因为微生物体的c n 在1 6 左右，在堆肥 过程中，众多的碳素将转变成c 0 2 。因此，一些研究者认为，腐熟的堆肥理论上 讲趋向于微生物菌体的c n ，即1 6 左右1 4 4 1 。有研究提出，堆体中的c n 从最初 的3 0 ：1 降低到1 5 2 0 ：1 时，可以认为已经腐熟。但对一些原料( 例如污泥) 来讲，其本身的c n 便不足1 5 ：1 1 4 5 l 。所以，c n 降到1 6 左右难以作为广义的指 标参数使用。而且，在不同的堆肥条件下，堆料中氮素含量的变化不尽相同。从 表1 5 也可以看出，大部分堆肥产品的c 瓜并不在1 5 - 2 0 ：1 的范围内。 b c 。，n o 。w ，( 水溶性有机碳与有机氮之比) ：有研究提出，堆肥过程是微 生物对原料中的水溶性有机质进行矿化的过程。通过监测堆肥浸提液中水溶态成 分的变化，可以判断堆肥的腐熟过程。h i r a i 等【4 5 】分析了1 2 种原料的堆肥产品发 现，不论原料如何，完全腐熟的堆肥c 。，n o 。n 几乎都在5 - 6 左右。但是，当 堆肥原料中含有污泥时，原料的c o 。w ，n o 。w ，很低，只有5 5 6 7 1 9 ，这时c o 。w ， n o 。w 】不能作为腐熟度的指标。另外，从表1 5 看出，树叶和污泥的原始c o 。w ， n oc w ) 分别为2 9 5 和5 5 6 ，经过堆腐过程后，其值反而上升，这说明，堆肥过程 并不只是微生物对水溶态的有机物进行矿化，原存在于固相中的c 和n 也参与了 反应，体系中水溶相与固相之间存在着一定的转化关系。所以，对这一指标的应 用还需进一步研究。 表1 5 不同类型原料堆肥前后的c n e 4 5 1 t a b l e1 5 t h e c no f d i f f e r e n tr a w m a t e r i a l s b e f o r ea n da f t e r e o m p o s t i n g a 测定值不包括牛粪 1 0 1 概述 4 ) 二氧化碳释放量 在有氧堆肥初期，所有原料都会以二氧化碳( c 0 2 ) 形式降解一部分有机质， 可降解有机质越多，释放c o ：越多。随着堆腐的进行，可降解并释放出c o ：的有 机质数量会减少，当它达到一定的值或者消失时，可以认为堆肥已达腐熟。g a r c i a 等【4 0 1 认为，堆肥的每1 0 0 9 有机质中，能降解放出c 0 2 的有机质少于5 0 0 m g 时， 该堆肥便达腐熟。但是此参数的测定比较复杂，因此该指标的实际应用价值受到 限制。 5 ) p h 值 许多研究者提出，p h 值可以作为评价堆肥腐熟程度的一个指标 4 。堆肥原 料或发酵初期，p h 值为弱酸到中性，一般为6 5 7 5 。腐熟的堆肥一般呈弱碱性， p h 值在8 9 左右。但是p h 值亦受堆肥原料和条件的影响【4 ”，只能作为堆肥腐熟 的一个必要条件，而不是充分条件。 6 ) 生化需氧量( b o d 5 ) 堆肥化反应是利用微生物使原料中有机物降解稳定化的过程，b o d 5 反映的 是堆肥过程中可被微生物利用的有机物的量，随堆腐的进行，b o d s 不断降低。 有试验证明 4 8 1 ，当每千克固体物料中b o d 5 少于5 0 5 5 9 & g 时，堆肥温度达不到 6 0 。在最初的堆肥高温期，b o d 5 降低很快。堆料的不同对于b o d 5 的含量影响 很大。有些固体废物原始值就较低( 同挥发性固体) ，使得这一参数与上述的挥发 性固体相类似，对于不同原料的指标无法统一；而且对于b o d 5 的测定，方法复 杂、费时，不能及时反馈产品的结果，从而影响对操作过程的控制。 7 ) 氮成分的变化 堆肥过程虽然是有机物的生化降解过程，但也伴随着明显的硝化反应过程 【4 9 1 。含氮成分发生降解产生氨气，释放的氨气或被微生物同化吸收，或由固氮微 生物氧化为亚硝酸盐或硝酸盐，或是逸入大气( 氮损失) 。垃圾中氮的成分很少， 产生的氨气多被微生物吸收利用，氮的损失较少，而污泥中氮含量相对较高，存 在氮的损失问题。在堆肥后期，部分氨气被氧化成亚硝酸盐和硝酸盐【5 0 】。 n h 4 中+ 1 5 0 2 ( ) 一n 0 2 一+ h 2 0 + 2 h n 0 2 。j 。0 2一n 0 3 因此亚硝酸盐或硝酸盐的存在可用于判断堆肥腐熟的依据。亚硝酸盐和硝酸 盐的测定较为快速而简单，具有较好的实用价值。i n b a r 等【5 l j 描述了硝酸盐随堆肥 时间变化的趋势，认为辅以其他参数，n 0 3 是评价堆肥腐熟度的简单而有力的参 数。r a f f a l d i 等【5 2 用造纸工业污水污泥进行堆肥试验，发现堆料中的氨氮占总氮的 比率从初始的3 9 下降至o 6 。他们认为氨氮和硝酸盐氮适合于评价堆肥的腐 熟度，但并未提出具体指标，并认为评价堆肥腐熟需采用多个参数。而h i r a i 4 5 】 重庆大学硕士学位论文 研究说明，堆肥水溶相氨氮与硝酸盐氮比值的变化范围在o 0 3 1 8 9 ，因此，尽 管硝酸盐氮的出现可作为堆肥腐熟的象征，但氨氮与硝酸盐氮比值用于指示堆肥 腐熟并不可靠。 8 ) 腐殖质物质的变化 一些研究者认为，在堆肥过程中，原料中的有机质经微生物的作用，在降解 的同时还进行着腐殖化过程。腐殖质物质( 总腐殖酸碳，c h s ；胡敏酸碳，c h a ； 富里酸碳，c f a ；胡敏素碳，c n f a ；) 等参数相继被提出5 2 5 3 l 。i n b a r 5 3 1 报道，在 牛粪( s e p e r a t e dc a t t l em a n u r e ，s c m ) 的堆腐过程中，其c h s 有机质的含量从 3 7 7 9 k g ，提高到7 1 0g k g 。但c h e f e t z 等 5 4 】使用市政固体废物进行堆肥，在堆腐 期c h s 没有变化，而c h a 和c f a 却各有增减。这个结论与d a s t 5 5 】及j i r a e n e z 5 6 l 的结果一致，说明原材料对堆肥过程中的腐殖化反应影响很大，对不同的原料和 堆肥技术很难给出统一的定量关系。 9 ) 腐殖化程度( d h ) 腐殖化程度作为腐殖化程度的一个指标在研究中被提出使用 5 7 , 5 8 1 ： d i t = ( ( c h a + f a ) c o ( w ) ) 1 0 0 从上式来看，d h 可以表达腐熟过程中腐殖酸的变化，并通过计算占有机碳 的比例来判断堆肥的腐熟程度。c i a v a t t a 等【5 9 】采用静态垛强制通风方式对m s w 进 行了堆肥试验。试验分别于夏季和冬季进行，所得结果见表1 6 。从表1 6 可以看 出，在不同季节，d h 的变化显示了相反的趋势。c i a v a t t a 认为，夏季样品初始的 d h 值高，可能是由于开始时的假腐殖质加大了c h a + f a 的测定值，另造成冬 夏d h 值差别的可能原因是堆肥湿度的影响。冬季的堆肥含水量在大约周内稳 定降低到大致5 0 ，而在夏季，含水量迅速降低，一周后大约只有3 0 。在有机 表1 6 堆腐过程总有机碳( c o ) 、水溶态有机碳( c o ( w ) ) 、腐值酸( c h ”f a ) 和d h 变化5 观 竺! ! ! ：! 堡虫竺壁! ! ! ! ：竺贼：! 坠坠型望! 竖! ! ! ! 竺! 竺 堆腐时间 c oc 0 ( 呐c h a + e a d h 1 2 1 概述 物降解的过程，需要保持适当的湿度水平，才能保证堆体内微生物的活性。从 c i a v a t t a 的结果可以看出，d h 值受含水量等堆肥条件和原料的影响较大，这对 d h 指标的确定和应用造成很大的局限。 生物学指标 堆料中微生物的活性变化及对植物生长的影响常用以评价堆肥腐熬度，这些 指标主要有呼吸作用、生物活性及种子发芽率。 1 ) 呼吸作用 在堆肥中好氧微生物的主要生命活动形式就是分解有机物的同时消耗氧产生 c o ：，微生物耗氧速率的变化或c o ：的产生速率变化反映了堆肥过程中微生物活 性的变化，标志了有机物分解的程度和堆肥反映的进行程度，。u s u i 等【6 0 j 研究了 污泥堆肥过程的耗氧速率变化，认为其反映了堆肥过程中有机质的变化。各堆肥 阶段耗氧速率明显不同，腐熟堆肥的耗氧速率随堆肥时间变化曲线显得平滑，其 值比堆肥初期明显下降。i a n n o t i 等【6 l 】建议采用溶解氧( d 0 ) 测定来反映堆肥过 程中氧气的浓度变化，发现不同时期堆肥的氧浓度变化差别显著，是快速、简单 和便宜的在线监测方法，便于工艺控制。 2 ) 生物活性试验 反应微生物活性变化的参数有酶活性、a t p 和微生物量。f a n g 等 6 2 】采用污泥 和煤灰进行堆肥试验，发现酶活性随时间下降，糖酶、磷酸酶和尿酶活性之间具 有较高的相关关系，但嗜热细菌与酶活性之间没有必然的相关关系。 三磷酸腺苷( a t p ) 的分析是土壤中生物量的测定方