堆肥腐熟度快速测定指标和方法的建立

中国农业大学 硕士学位论文 堆肥腐熟度快速测定指标和方法的建立 姓名：张亚宁 申请学位级别：硕士 专业：环境工程 指导教师：李国学 20040601 摘要 现有的堆肥腐熟度指标种类繁多，适应范围各不相同。本文对现有的堆肥腐熟度物理评价 指标、化学评价指标、生物评价指标和波谱分析法四大类的3 0 多个指标的优缺点进行了分析评 价，通过对其适用范围、量化程度、测定方式的简便程度逐进行比较，筛选出部分可以进行 快速测定的畜禽粪便堆肥和污泥堆肥腐熟度指标，包括p H 值、电导率( E c ) 、总有机碳( T O C ) 、 全氮( 1 N ) 、固相C N 、水溶性碳( W S C ) 、总有机碳全氮( w s c r m ) 、水溶性铵态氮( N H 4 + - N ) 、水 溶性硝态氮( N 0 3 J ) 和E 4 E 6 等。并在实验室进行了污泥+ 麦秸、鸡粪+ 麦秸、牛粪+ 麦秸、猪粪 + 麦秸四个处理的高温堆肥试验，分析了选定的快速腐熟度评价指标随堆肥时间的变化规律。 通过对其与一些传统意义上，应用广泛的成熟堆肥腐熟度指标，如固相C N 、水溶性有机碳氮 比( W S C N o r g ) 、种子发芽率( G I ) 等指标做显著性相关检验和评价，筛选出具有评价效果好， 测定方法简便的3 个快速测定指标。即利用堆肥水浸提液测定水溶碳( W S C ) 、水溶性N H 4 + - N 和水溶性E g E 6 。 考虑到堆肥的实用意义，种子发芽率( G I ) 应是最具说服力的堆肥腐熟度指标一般认为G I 8 5 以上时，堆肥已经完全腐熟，因此本文以堆肥过程中G I ，8 5 为参比标准，确定了各堆 肥处理腐熟度快速测定指标的腐熟闽值和临界值：W S C 含量下降到O 3 O 6 时；或水溶性 N H 4 + - N 下降为2 0 0 3 0 0 m g k g 时；或E 4 ，E 6 下降到1 5 1 9 之间时，可以认为堆肥已经完全腐 熟。规范了3 个快速测定指标的测定方法，并通过对一些堆肥工厂腐熟堆肥的实际应用对其进 行了验证，最终建立起适合工厂化堆肥处理的备禽粪便和污泥的腐熟度快速测定指标。 关键词：堆肥，腐熟度，快速测定 A b s t r a c t C o m p o s tm a t u r i t yi sa ni m p o r t a n tf a c t o rd u r i n gt h ec o m p o s ta p p l i c a t i o n T h i st e s tw a sc o n d u c t e d t o s t u d yt h ef o u n d a t i o na n du s eo fs i m p l ei n d e x e sa n dr a p i dm e n s u r a t i o no fc o m p o s tm a t u r i t y A c c o r d i n gt o t h ec o m p o s tt e s ti na na u t o m a t i cc o m p o s td e v i c e u s i n gf e e dp l o tm a n u r e ( c h i c k e n m a n u r e ，p i gm a n u r e ，c o wm a n u r e ) a n dw h e a ts t r a w ，m u n i c i p a ls e w a g es l u d g ea n dw h e a ts t r a w , i t s h o w e dt h a tt h e r ei sh i g hc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h er a t i oo fo r g a n i cc a r b o nt oo r g a n i cn i t r o g e n ( C N ) ， t h er a t i oo f w a t e r - s o l u l eo r g a n i cc a r b o nt oo r g a n i cn i t r o g e n ( W S C N - o r g ) ，s e e dg e r m i n a t i o ni n d e x ( G I ) a n dt h er a t i oo fw a t e r - s o l u l eo r g a n i cc a r b o nt ot o t a lo r g a n i cn i t r o g e n ( W S C T N ) t h ec o n t e n to f w a t e r - s o l u b l eN H 4 + _ N ，t h ec o n t e n to fw a t e r - s o l u b l eN O z - N ，E 4 ，E 6 ，t h ec o n t e n to fw a t e r - s o l u b l e o r g a n i cc a r b o n ( w s c ) A n d i nt h e s ei n d e x e s ，m e n s u r a t i o n so fw a t e r - s o l u b l eo r g a n i cc a r b o n ( w s c ) ， w a t e r - s o l u b l eN H 4 + N ，E 4 E 6a r es i m p l e rt h a nw a t e r - s o l u l eo r g a n i cc a r b o nt ot o t a lo r g a n i cn i t r o g e n ( W S C 仃N ) a n du s e da ss i m p l ei n d e x e sa n dm e a s u r a t i o no f c o m p o s tm a m r i t y w h e nG Ii Sa b O V C8 5 t h ec o m p o s ti Sa l m o s ts t a b i l i z e da n dm a t u r e d ，o nb a s i so fh i g h C O r r e l a t i o n w h e nt h ec o n t e n to fW S Cd e c r e a s e dt o0 3 0 6 o rt h ec o n t e n to fw a t e rs o l u b l e N H 4 + 小 d e c r e a s e d t o2 0 0 3 0 0 m g k g ，o r 已E 6d e c r e a s e dt ol _ 5 1 9 ，t h ec o m p o s ti ss t a b i l i z e da n d m a t u r e d N o to n l yn u m e r i c a lv a l u eo f s i m p l ei n d e x e si sp r o v i d e d , b u ta l s om e n s u r a t i o ni sp r e s c r i b e d i nt h et e s t ，a n da s y s t e mo fs i m p l ei n d e x e sa n dr a p i dm e n s u r a t i o no f c o m p o s tm a t u r i t yi sp r o o f - t e s t e d a n dc o n c s t r u c t e d K e y w o r d s ：C o m p o s t ，M a t u r i t y , R a p i d M e n s u r a t i o n I I 独创性声明 矿6 59 3 5 8 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 、 研究生签名：易长易髯 时间：凇年g 月纠日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文铍查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、礼编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体卜 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 、， 研究生签名：乃长乒吁 时间： 2 护9 年g 月叫目 导师签名芍诩 时间：朋年i 月刃同 中国农业大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 现代农业和农村经济的发展，造成各种有机固体废弃物资源的大量产生。据统计，我国 目前畜禽粪便排放量( 湿重) 达2 7 1 0 8 t ，农作物秸秆产生量为6 5 1 0 8 t ，饼粕类0 2 s 1 0 8 t ，此外还有人粪便3 0X1 0 8 3 5 1 0 5t ，城市生活垃圾3 0 1 0 8 3 5 1 0 8t ，肉类加工厂( 包 括肉联厂、皮革厂和屠宰场) 废弃物O 5 X 1 0 8 O ，6 5 1 0 8t ，城市污泥0 2 1 0 8t m j 。这些废弃 物数量大，点集中，采用常规处理方法很难解决，如果处置不当或不经任何处理就直接排放， 不但侵占土地，影响景观，造成大气，土壤和地下水环境的污染，而且一旦进入食物链，如城 市污泥未经处理直接施入农田所造成的重金属、有机物污染以及病虫害等，将造成严重的食品 公害问题，直接危害人身健康。畜禽粪便用做肥料，是世界各国传统上最常用的办法。至今， 国内绝大多数畜禽粪便是作为肥料予以消纳的。国外一些经济发达的国家，甚至通过立法规 定了饲养场的家畜最大饲养量、家畜粪便施用量限额以及排污标准等，以迫使养殖场对畜禽 粪便进行处理，其中则以还田作肥料为主。实际上，让粪便还田是一种形成农牧良性循环， 维持生态平衡的有效措施。农业秸秆和畜禽粪便以及其它有机废弃物含有大量有机质和养分 资源，据估算可提供氮( N ) 4 7 0 5 5 0 万t 磷( P 2 0 5 ) 2 8 0 3 1 0 万t ，钾( K 2 0 ) 5 6 0 5 9 0 万t ，有机 质6 亿多吨，还含有大量的微量元素l 。这是宝贵的有机肥料资源，若予以处理利用，将对 我国农业生产起很大的促进作用。我国目前主要几种废弃物年排放量和养分贮量见表1 一l 一1 。 表1 - 1 1 说明了我国目前有机固体废弃物占主要地位的是畜禽粪便其氮、磷、钾总贮量 约为6 3 3 1 07 t ，相当于4 9 3 1 0 7 t 尿素，1 1 9 4 1 0 5 t 的过磷酸钙和3 3 8 1 07 t 的氯化钾； 占第二位的是农村秸秆，其氨、磷、钾总贮量约为4 7 4 1 0 。t 。 表1 1 1我国各莉疰弃物豹排放量羊口养分贮量 废弃物类型年产生量 垡生墨：壁：塑垦墨I 兰! 啦 ( 1 0 8 t )N 贮量P 2 0 5 贮量K 2 0 贮量贮量 引自：中国有机肥料资源全国农业技术排广中心1 9 9 9 堆肥不仅能在微生物作用下通过高温发酵使上述废弃物中的病原菌无害化，有机物腐殖 化、稳定化、最终达到腐熟，而且还会进一步加工为宝贵的复混肥料1 1 2 】。但是，现代农业条 中国农业大学硕士论文 第一章绪论 件F 音禽粪便采用传统的堆制技术，存在耗时长，污染环境等缺点，限制了畜禽粪便使用 质量的提高。为了保证堆肥质量，不仅要了解土壤与作物的性质，而且还须知道废弃物的堆肥 化过程与腐熟度1 4 】。堆肥如果过腐，则大量养分得不到充分利用，白白消耗：未完全腐熟的堆 肥c ，N 比则过高，其中的有机质没有达到足够稳定，施入士壤之后对农作物生长产生一些不利 影响，如阻碍农作物对氮的吸收、造成植物缺氮，而C N 比过低，施入土壤后则会造成氨气的 大量产生，对植物生长有毒害作用。未腐熟的堆肥在施入土壤后的一段时间，由于堆肥中的 有机质尚未分解完全，从而引起微生物在土壤中继续剧烈活动而导致氧的缺乏，容易在植物 根区形成厌氧条件增加土壤中某些重金属离子的溶解，影响植物的正常生长I l “。同时，所 有未经处理的有机废物、未腐熟的堆肥在这种环境条件下会产生大量中间代谢有机酸( 如 ，酸、戊酸、酚、己酸、庚酸) 及还原条件下产生的H 2 s 等有害成分，这些物质会严重毒害 植物根系，影响作物的正常生长还会产生臭味，给利用带来了很大问题。 为了避免这些负面效应。检测并保证堆肥的腐熟度是很基本的问题。它是堆肥产品质量及 其安全农用的保障。此外，堆肥的腐熟度是堆肥厂的设计、运行及堆肥过程控制的重要依据， 关系到堆肥厂的建造成本及运行效率。因此，堆肥的腐熟度问题至关重要，现有的堆肥腐熟 度指标种类虽然很多，却普遍存在适应范围较小，难以进行定量化，测定方法比较繁琐的缺 点，不适应现代化工厂化堆肥的需要，因此选择什么样的堆肥腐熟度指标尤其是适用于现代 化大规模生产的快速腐熟度指标体系及方法，对于指导有机肥及有机无机复混肥生产有重要 的现实意义。 1 2 固体废弃物堆肥化的原理及研究进展 1 2 1 堆肥化机理 堆肥化处理就是在人工控制一F ，在一定的水分、c ，N 比和通风条件下通过微生物的发酵 作用，对有机物有控制地进行生物降解，使之转化为腐殖质的生物化学处理技术【6 ”。在这种 堆肥化过程中，有机物由不稳定状态转化为稳定的腐殖质物质，对环境尤其土壤环境不构成 危害。根据处理过程中起作用的微生物对氧气要求的不同，有机废物处理可分为耗氧堆肥( 高 温堆肥) 和厌氧堆肥两种。现代化工厂堆肥一般指高温好氧堆肥。高温好氧堆肥的反应过程 如图1 2 1 所示： 1 2 2 堆肥化工艺 目前，比较常用的堆肥堆制方式主要有：静态曝气、条形堆和堆肥反应器等三种”】。其 中静态曝气是利用通风管道进行人工鼓风通气的一种堆制方式，这种堆制方式不用翻堆，一 般3 5 周即可完成堆制。条形堆则是将原料混合后堆成条堆，并定期翻堆，经1 4 个月完 成堆制7 ”。堆肥反应器则与前两者不同，它有同定的堆肥发酵装置，具体形式多种多样，有 塔式、卧式、简仓式等，堆制时间一般几天到儿周，具有时间短，效率高等特点，但花费较 2 中国农业大学硕士论文第一章绪论 火。 1 2 3 堆肥原料 释放环境 围1 2 1 高温耗氧堆肥反应过程 随着社会经济的不断发展，有机废弃物的种类越来越多，堆肥化处理的原料也变得越来 越多样，比较常见的有：污泥和城市生活垃圾、畜禽粪便、植物秸秆和其它农林废物、粉煤 灰、糖厂废渣及其他工业有机固体废弃物。 污泥是污水处理后的产物含有大量有机质和氮、磷、钾以及微量元素，污泥原料制成 的肥料，是理想的土壤改良剂，目前，污泥堆肥被大量用作林地用肥或花卉肥料，经过严格 的检测控制，也可以用作食用作物用肥。 城市生活垃圾的处置一直是困扰城市建设的问题，而原有的填埋场多已填满或即将填满， 不得不向更远的郊县寻地填埋，使运垃圾的费用进一步增加。随着垃圾中有机组分含量和比 例增大，垃圾资源的优越性进一步受到重视。经分拣、发酵处理的垃圾，制成有机复混肥或 改土剂施用，肥效和经济效益均优于直接施用。与污泥不同的是，垃圾成分复杂，粗细不等， 需经过分拣后方可进行堆肥。 随着畜禽养殖场规模化的发展，产生的粪便废物也越来越多。畜禽粪便有机质含量丰富， 含有较高的N 、P 、K 及微量元素，是很好的制肥原料。而且这些废物含有大量虫卵和病菌， 必须经过高温堆肥化处理以达到消灭病原菌平无害化的目的。由于各类不同动物粪便有不 同的特性，在配方时应给予注意，如鸡粪易烧卣，而牛粪则相对安全，但牛粪中可能混有杂 草种子，直接利用会造成农田尤其水田杂草( 如稗草) 的产生。畜禽粪便中养分含量依畜禽 种类而有较大变化，需要指出的是，由于饲料添加剂的普遍使用。近年来畜禽粪便中C u 、Z n 等微量元素含量增高，连续大量使用时，要考虑过量积累的可能性。 各地农林业每年产生种类繁多、数量很大的农林作物废物，也是一种很好的肥料资源。 其中木屑约占木材加工量的1 0 数量及其可观，秸秆中含有氮、磷、钾、镁、钙、硫等元 素，这些元素是农作物生长必需的主要营养元素，因此秸秆也是丰富的肥料资源，秸秆中 有机质平均含量为1 5 ，因作物不同各种营养元素含量也不同。在某些产棉区，每年产生大 3 圜 咽 中国农业太学硕士论文第一章绪论 量的棉秆正急待利用，此外，我国每年被抛弃或作燃料的花生壳资源有1 4 0 万吨。近年来， 在食用菌生产迅速发展的同时，还带来了食j = f I 菌废料的急剧增加，这些废物分布广、廉价易 得，是进行堆肥和沼气发酵的理想材料，经过高温堆肥后再进一步制成有机无机复混肥产晶 和颗粒复混肥产品比废物直接利用拥有更好的肥效和效益。 糖厂废渣包括滤泥、甘蔗、蔗髓。其中蔗髓可以作为制肥的有机原料，若经过堆放发酵 效果更好，或加入促其熟化的添加剂，可以2 4 h 内快速熟化，无须发酵。蔗渣、蔗髓无机养 分含量很低，主要用作补充有机质。滤泥也可以用作有机复混肥原料，滤泥发酵后易发臭， 故需及时干燥，干燥后也便于运输及存放。 此外还有很多有机固体废弃物可以作为堆肥原料，如：啤酒厂的滤泥，是硅藻土过滤 留下的大分子有机物的混合物，具有一定养分，又能调节复混肥理化性质；中药厂的废渣， 植物性农药厂的药渣，如烟叶、羊角扭、苦参等废渣和糠醛渣、木糖醇渣等，均可作为有机 肥原料使用。 总之，适用于堆肥的原料相当广泛，国外在这方面的研究更加多样化和深入。9 0 年代以 来，庭院废弃物同污泥混合堆肥在美国得到了越来越广泛的应用R J f f a l d i I s s 研究用不同的氮 源( 牛血、污泥和酵母萃取物) 和甜高粱废物进行混合堆肥，结果表明：污泥与甜高粱废物制作 的堆肥最适宜作为肥料。E p s t e i n 脚l 进行了猪粪、褐煤、轧棉剩余物和米糠的混合堆肥研究。 I t a v a r a I s o 】等论述了用工业规模的搅拌床反应堆肥系统处理养鱼废物，用氨和挥发性脂肪酸作为 鱼废物堆肥化过程的主要指示物，并发现泥炭是良好的调理剂。同时，利用堆肥化处理还可 以有效地降解大部分难降解的有机污染物如高分子的多环芳烃( P A H s ) 、石油烃、农药、炸药等， 美国B e m a l 1 等采用有机污染物与堆帝歧 的植物原料混合后继续进行堆制，降解了污染物中 的难降解物质和清除了病原菌。 堆肥的基本材料除了堆肥原料外，还包括堆肥填充料，它们的品质特性决定着堆肥的方 法( “。填充料具有提供碳源，提高堆体的空隙度，调节物料的湿度等作用。理想的填充料应该 是干燥的、疏松的、比较轻的有机物，能够增加堆料中碳源的数量，改善堆体的结构，利于 通气。一般常用的堆肥填充料有术屑、锯末、秸秆、稻壳等，近年来在美国，许多堆肥厂用 废纸作为填充剂，也取得了不错的效果。 1 3 堆肥腐熟度及影响因素 1 3 1 堆肥腐熟度 堆肥作为一个生物化学反应过程，其过程状态照是反映进行的程度，也即是堆肥产品的 腐熟度。腐熟度就是堆肥腐熟的程度即堆肥中的有机质经过矿化、腐殖化后最后达到稳定的 程度。它的基本含义在于；1 ，通过微生物的降解作用，要达到稳定化、无害化，即对环境不 产生有害的影响；2 ，堆肥产品的使用，不给作物的生长和土壤微生物活动带来不利影响，能 改良土壤理化性质，维持地力I | 。 有机肥料的堆腐大致经过四个时删，即升温期、高温期、降温期和稳定期。 4 中国农业大学硕士论文第一章绪论 ( 1 ) 升温期：有机物料在堆积初期由于微生物的活动逐渐分解，释放热量，不断提高堆内 温度，当堆温升至5 0 * ( 2 时，糖类、淀粉、蛋向质迅速分解产生二氧化碳和氧，并放出热量。 ( 2 ) 高温期：当堆温升至5 0 C 以后，保持在6 0 C 左右时，除了糖类、淀粉等易分解有机 物继续分解外，半纤维素、纤维素开始分解并往腐殖化过渡，此时杀虫灭菌，消灭杂草种 子的能力晟强，据试验，堆温达到4 5 5 8 ，玉米茬内的4 0 0 条粟灰螟1 d 全部死亡。 f 3 ) 降温期：高温阶段维持一定时间后，堆内温度开始下降，降到5 0 ( 2 以下，高温纤维菌 活动受到抑制。中温性微生物占优势，此时有机质仍在分解，腐殖质不断增加，有机肥进一 步腐熟。 ( 钔稳定期；此时堆肥稍高于气温，大部分有机质被分解，堆肥产品进一步稳定，最后达 到深度腐熟，这时应注意保存已形成的腐殖质和各种养分。特别是氮素。 1 3 2 堆肥腐熟度的影响因素 有机肥料腐熬的过程是在微生物作用下通过高温发酵使有机物矿质化、腐殖化和无害化 而变成腐熟肥料的过程，在微生物分解有机物的过程中，不但生成大量可被植物吸收利用的 有效态氨、磷、钾化合物，而且又合成新的高分子有机物腐殖质，它是构成土壤肥力的 重要活性物质I ”1 。 有机肥料的腐熟度一般受以下几个因素的影响： n ) 堆肥原材料的碳氮比( c N ) C N 是影响有机肥料腐熟的重要因素，如果堆肥原料C N 过高，容易导致腐熟堆肥的碳 氨比过高。碳素多，氮素养料相对缺乏，细菌和其它微生物的发展受到限制，有机物的分解 速度就慢，发酵过程就长，这样的堆肥施入土壤后，将夺取土壤中的氮素使土壤陷入“氮 饥饿”状态，会影响作物生长。若碳氮比过低，低于2 0 ，可供消耗的碳素少，氮素养料相对 过剩，则氮将变成铵态氨而会发，导致氮元素大量损失而降低肥效。 有机固体废弃物含碳量般为4 0 5 0 ，氮的含量变化却很大，因而C N 比的变化也 较大，一般均超过3 0 ，少数废弃物的C N 比小于3 0 ，如鸡粪C N 比一般为9 , 0 ，化纤污泥C N 为9 9 6 。因此，为了使参与有机物分解的微生物营养处于平衡状态，堆肥C N 比应满足微生 物所需的最佳值2 5 3 5 ，最多不能超过4 0 应通过补加氮素材料( 含氮较多的物质) 的方法 来调整C N 比使其不超过4 0 ，畜禽粪便、肉食品加工废弃物、污泥均在可利用之列。 磷是磷酸和细胞核的重要组成成分，一般要求堆肥料的C P 比在7 5 1 5 0 为宜。 ( 2 ) 水分 水分是微生物繁殖和活动的重要因素。水分过少，堆内空气流通，好气微生物活动强， 易造成有机质和氮素大量损失，材料不能吸水软化，微生物不易侵入和分解；堆腐中的各种 养料只有溶解在水中才能为微生物吸收利用，所以水分少时，微生物活动受阻，腐解缓慢。 水分过多，堆内空气少，通气不良，腐解同样缓慢，最适宜的含水量是6 0 7 0 ，即加水到 表l 一2 - l 各种有机物的氮含量和碳氮比( c m ) 引自：中国有机肥料资源全国农业技术推广中心1 9 9 9 手握成团，触之即散的状态。如发现堆内出现白毛，说明此时含水量过低，对迸一步腐解不 利，这时应补充加水，当堆温升至6 0 C ，气候又干又热，也应补水【8 】，水分含量低于4 0 时， 不能满足微生物生长需要，有机物难以分解。 D ) 氧气含量 通风供氧是堆肥成功的关键因素之一。堆腐时需要保持适当的氧气以利于好气微生物繁 殖和活动，促进有机质分解。如果通气太旺，微生物活动加剧，有机质分解的养分及堆内水 分损失过多造成有机质分解加剧，腐殖质积累的少，因此通气要适当。堆肥过程中合适的氧 浓度为1 8 ，最低为8 ，氧浓度一旦低于8 ，就成为好氧堆肥中微生物生命活动的限制因 素，容易使堆肥厌氧而产生恶臭。通风是供养的主要方式，通风供氧的速度决定着堆肥物质 的转化速率。一般的堆肥通风供氧有三种方式：倒堆供氧：表面扩散供氧：机械通风。 ( 4 ) 温度 对堆肥而言，温度是堆肥得以顺利进行的重要因素，温度的作用主要是影响微生物的生 长，一般认为高温菌对有机物的降解效率高于中温菌，现在的快速、高温好氧堆肥正是利用 了这一点。初堆肥时，堆体温度一般与环境温度相一致，中温菌l 2 d 的作用，堆肥温度达 到高温菌的理想温度5 0 6 0 C ，在这样的高温下，一般堆肥只要5 6 d 即可达到无害化。过 低的温度将大大延长堆肥达到腐熟的时间，而过高的堆温( 7 0 ) 将对堆肥微生物产生有 害的影响。 ( 5 ) p H 值 口H 值也是影响微生物生长的重要条件之一。有机物料堆积过程中，堆内酸碱度是变化的， 微生物的降解活动，需要个微酸性或中性的环境条件，p H 值过高或过低都不利于微生物的 繁殖和有机物的降解。在整个堆肥过程中，p H 值随时间和温度的变化而变化。堆制初期由 于有机物质分解产生有机酸而使有机肥料p H 值下降，堆制后期，由于氨的释放和积累p H 义 会升高，如果堆肥变成厌氧状态，则继续下降。此外，p H 值也会影响氮的损失，因p H 值在 6 中国农业火学硕士论文第一章绪论 7 0 时，氮则以氨气的形式逸入大气。一般情况下，堆体有足够的缓冲作用，使p H 值稳定在 可以保证好氧分解的酸碱度水平，如果原料p H 值过低，为了调节原料的p H 为6 5 ，可向每n 屯 堆料中加入O 6 6 1 蜒消石灰或O 8 8 5k g 的碳酸钙；相反如果p H 值过高，可加入新鲜绿肥、 青草，它们分解产生有机酸，可以调节p H 值至合适水平。 ( 6 ) 有机物含量 有机物是微生物赖以生存和繁殖的重要困素。在高温好氧堆肥中，适合堆肥的有机物含 量范围为2 0 8 0 ，当有机物含量低于2 0 时，堆肥过程中产生的热量太低，不利于堆体 中高温分解微生物的繁殖，无法提高堆体中微生物的活性，最后导致堆肥不能达到腐熟而失 败：当堆体有机物含量高于8 0 时由于高含量的有机物在堆制过程中对氧气的需求很大， 往往达不到好氧状态而产生恶臭，也不能使好氧堆肥顺利进行。 ( 7 1 堆肥添加剂 为了促进堆肥腐熟，加快堆肥进程，提高堆肥产品质量。需要在堆肥物料中加入一些微 生物、有机或无机物质作为堆肥添加剂，包括接种剂、营养调节剂、膨胀剂、调理剂等。堆 料中加入接种剂可以加快堆腐材料的发酵速度。比如可以在堆肥中加入分解较好的厩肥或加 入占原始材料体积1 0 2 0 的腐熟堆肥，能加快发酵速度口”，在堆肥堆制过程中，按自然 的方式形成了参与有机废弃物发酵和腐殖化的微生物群落，通过有效的菌系选择，可以从中 分离出具有很大活性的微生物培养物，形成微生物接种剂，能有效的促进堆肥腐熟，缩短堆 制周期，提高堆肥质量。 1 3 3 堆肥腐熟过程中的养分分解变化 堆积、沤制的有机肥都要经历一个复杂的有机物质在微生物作用下，进行矿质化和腐殖 化的过程。矿质化：有机物料经微生物分解成无机态养分，它标志着速效养分的释放。腐殖 化：有机物料分解的中间产物经微生物酶的作用再合成为黑褐腐殖质。腐殖质则是黄腐酸、 褐腐酸、黑腐酸等成分组成的总体，它是有机肥料熟化的标志。矿质化和腐殖化是同时进行 的。 有机肥料的养分来源大体可分为含氦有机物和不含氮有机物质两类【“。 1 3 3 1 不含氮有机物质的分解 ( 1 ) 碳水化合物分解 一般生物体有机组分中约含5 0 0 o 的碳( I 干重) 。堆肥材料中的碳水化台物主要作用于微 生物活动的能源和碳源。在好气条件下此类物质易分解成二氧化碳和水，并放出热量；在嫌 气条件下氧化不完全，大部分物质分解成甲烷、有机酸和醇类，同时也产生少量二氧化碳。 表1 - 2 2 列出了微生物降解有机物质的相对速率。在可被微生物利用的碳水化合物中，首先分 7 中国农业大学硕士论文第一章绪论 解的是可溶性糖和淀粉，进而是果胶、半纤维素，最后是纤维素、木质素。果胶在植物体内 含量很少，大约1 ，半纤维素分解初期消失很快，后期变慢，纤维素性质稳定，不易分解， 高温堆肥中多种微生物作用，分解较快。木质素是植物木质化组织的主要成分。是最难分解 的有机物料，含量占干重的1 5 2 0 ，好气条件下比嫌气条件下分解得快。脂肪可被微生物 水解形成甘油和脂肪酸，甘油可氧化成二氧化碳和水，脂肪酸较难分解尤其在嫌气条件下， 必须经过长期转化才能慢慢消失。 表1 2 - 2微生物降解有机物的相对速率排序 引自：李国学圆体废弃物堆肥化与有机复混肥生产化学工业出版社1 9 9 3 ( 2 ) 含磷物质分解 含磷的核酸经核酸酶作用，水解产生核苷酸，进一步水解成核苷和磷酸。磷脂在磷脂酶 作用下，水解放出磷酸。 1 3 3 2 含氮有机物质分解 有机物料中的含氮物质大致可分为蛋白态氮和非蛋白态氮两种。 ( 1 ) 蛋白态氮 蛋白态氮主要通过氧化作用和硝化作用产生铵态氮和硝态氮。 蛋白态氮一氨基酸或酰铵一铵态氮一硝态氮 ( 2 ) 非蛋白态氮分解 非蛋白态氮主要有尿素、尿酸、马尿酸。尿素在尿酶作用下迅速分解成碳铵，碳铵不稳 定易产生氨和二氧化碳。尿酸首先分解为尿囊素，尿囊素在继续分解为尿素和已醛酸，尿素 冉进一步分解为碳铵。 1 4 国内外堆肥腐熟度指标研究现状 多年来，国内外许多学者为了建立一个合理统一的腐熟度标准，在堆肥化过程中生物降 解和物质转化等机理方面作了大量细致深入的研究。由于堆肥原料及堆肥条件的复杂性，堆 肥腐熟和稳定的评估方法，一直是堆肥研究的重要课题，根据堆肥腐熟度参数及指标的分析 手段不同，现阶段国内外有以下的一些堆肥腐熟度指标： 8 中国农业大学硕士论文第一章绪论 1 4 1 物理评价指标 通俗的说。即通过观察堆肥的表观特征来确定是否腐熟，通常情况F ，腐熟堆肥的表观 特征为：堆肥后期温度自然降低；不再吸引蚊蝇；不会有令人讨厌的臭味；由于真 菌的生长，堆肥表面有A 色或灰白色菌丝附着；堆肥产品呈现疏松的团粒结构1 。此外， 高品质的堆肥应是深褐色，肉眼看上去均匀并发出令人愉快的泥浆气味，这种方法只能从 感官上进行初步判断，难以进行定量分析。 ( 1 ) 温度 堆肥过程中的温度变化可分为三个明显阶段，初期加热阶段堆体温度很快上升到5 5 ( 2 以 上，接着维持段时间高温阶段。随后是堆肥逐渐达到腐熟的冷却阶段。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。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，但其仍是堆肥过程悬重要的常规检测指标之 ( 2 ) 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，其中低分子量挥发性脂肪酸是引起不快气味的主要成分之一。堆肥鹰熟后， 堆体内无不快气味产生，并检测不到低分子脂肪酸，堆肥产品具有森林腐殖土和潮湿泥土的气 息。 ( 3 ) 色度 堆肥过程中堆料逐渐发黑，腐熟厉的堆肥产品呈黑褐色或黑色。B r e i m e r 等1 5 8 】提出可以用 检测堆肥产品的色度来判断其是否腐熟，但使用该法时要注意取样的代表性，而且堆肥的色 度受其原料成分的影响，所以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j 虫厦 S e l a 等“悃城市垃圾进行堆肥试验将不同腐熟程度的堆肥按比例与某些结构上有缺陷 的土壤混合，在3 0 。C 温度下好氧培养一段时间，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 4d 的堆肥产物在改进土壤残余浊度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，需与植物毒性物质和化学指 标结合进行综合研究 ( 5 ) 热重分析 麦秸中含有大量的术质纤维素，B e r n a l 8 。l 在研究地中海地区以麦秸为主要原料的堆肥实验 中，采用熟重方法分析堆肥在4 0 5 4 0 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。但未给出具体定量指标- m 耋星农些耋茎堡耋耋耋；呈二i ：墼- - ，_ _ _ - - - _ _ _ - _ _ - _ - - _ _ - - - 。；= = ；= = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! ! _ - _ _ ! = = ，_ _ _ _ _ _ 一 总的来说，物理的一些指标虽然简便、直观，但是难以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腐熟程度，缺乏可信度和可操作性。 1 4 2 化学评价指标 温度、气味和颜色难于定蹙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以评价堆肥腐熟度。用来 研究腐熟度的化学指标有：有机质变化指标、氨氮指标、腐殖化指标、碳氮比和有机酸等。 ( 1 ) p H 值和电导率( E c l 许多研究者提出，州值可以作为评价准肥腐熟程度的个指标”l ：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 ，膳熟的堆肥一般呈弱碱性p H 值在8 9 左右，但是p H 值受堆肥原料的影响，只能作为堆肥腐熟的一个必要条件，而不是充分条件。电导率( E C ) 反映 了堆肥浸提液中的离子总浓度，即可溶性盐的含量。堆肥中的可溶性盐是对作物产生毒害作 用的重要因素之一，主要是由有机酸盐类和无机盐等组成，聂永丰认为口8 1 ，当堆肥E C 值小于 9 0 m s C N 。时，对种子发芽没有抑制作用，同样，电导率( E c ) 也是堆肥腐熟的一个必要条件。 f 2 ) 有机质的变化 在堆肥过程中，堆料中的不稳定有机质分解转化为二氧化碳、水、矿物质和稳定有机质， 堆料的有机质含量变化显著。反映有机质变化的参数有化学耗氧量( C O D ) 、生化需氧量( B O D 5 ) 、 挥发性固含量( v S ) 。 张所明”4 等对城市生活垃圾堆肥的实验结果显示，C O D 的变化主要发生在热降解阶段， 在随后的阶段趋于平稳。L o s s i n ”1 对畜禽粪便进行堆肥过程中，提出当堆料的C O D 小于 7 0 0 m g g 干堆肥时可以认为达到腐熟。 B O D ，虽然不代表堆肥中的全部有机物，但代表了堆肥中的可生化降解部分，随着堆腐的 迸行，B O D 5 不断降低。K a s p e r l 7 7 1 等认为腐熟的堆肥产品中B O D 5 值应小于5 m g g 干堆肥。但 是，原料成分对于B O D s 的影响很大。有些固体废弃物原始B O D 5 值就较低，使得这一参数与 上述挥发性固体相类似，对于不同原料的指标无法统一：且测定B O D s 的方法复杂、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。 挥发性固体含量( V s ) 基本上反应了堆肥原料中有机质的含量，在不同的堆肥过程中变化的 幅度比较大J ，以污泥为原料的堆肥，V S 的测定可采用5 5 0 下灼烧4 小时的重量损失但 也有研究者提出4 3 0 C 下燃烧2 4 小时能更好的反映有机质含量I I ”。 某些有机质，如淀粉、糖类、脂肪、纤维索等在堆肥过程中发生的变化具有规律性。淀 粉和糖类是易降解有机质，很容易被微生物利川，如果堆肥物质达到了稳定状态，就不应再 含有淀粉和糖类。可用碘法来测定堆肥中的淀粉【I ”，但不能以淀粉消失判定堆肥腐熟，冈为 淀粉仅占堆料可降解物的- d , 部分，检不出淀粉应是堆肥腐熟的必要条件。水溶性糖类( s c ) 含量在堆肥过程中太幅度降低，所以堆肥中水溶性糖含量可作为堆肥腐熟度指标，腐熟堆肥 0 中国农业大学硕士论文第一章绪论 的水溶性糖含量s c o 1 ( s 9 1 。在有氧堆肥初期，所有原料都会以c 0 2 形式释放出一部分有机 质，可降解有机质越多，释放c 0 2 越多。随堆腐过程的进行，可降解并放出c 0 2 的有机质含 量会减少。当它达到一定的值或者消失时，可以认为堆肥己达腐熟。堆肥的每l O O g 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，但是此参数的测定周期较长，需 要3 8 d ，因此其实际应用价值受到限制。 纤维素类物质包括纤维素、半纤维素、水质素等，是堆料中不易降解的成分，降解速度缓 慢。李艳霞I l ”对污水污泥堆肥中纤维素的变化进行了试验研究，认为中、高温有利于纤维素类 物质的降解。曲颂华p “等对垃圾堆肥的研究结果指出高温阶段纤维索的降解占总降解率的 6 3 5 8 8 5 。K i r c h m a n 等1 7 ”在污泥与垃圾的堆肥试验中发现纤维素从最初占有机质的3 4 下降至9 1 1 ，认为纤维素是腐熟度评价的适宜指标。C h e n 等阻1 采用牛粪进行了堆肥试验， 发现纤维素和半纤维素在堆肥结束后分别减少了三分之一和5 0 木质素成分随时间增加， 但在末期有所减少。该试验显示，虽然纤维素在堆肥进行到4 0 6 0d 时已发生了很大变化， 而此时堆肥尚未腐熟，对植物生长还有抑制作用。 类脂物也是堆肥过程中一类比较难降解的物质，D i a z 等m 1 利用农业粪便、垃圾和碎纸的 混合物进行堆肥试验，分别采用乙醚( D E E ) 和氯仿( C H C L 3 ) 萃取堆肥中的类脂物。D E E 萃 取的类脂是易于降解的低分子量直链和支链烷烃、链烯酸和链烷酸等；C H C L 3 萃取的类脂是不 易降解的高分子链烷化合物及少量酚类和芳香类化合物。分析试验数据，他们得出当 C H C L 3 一脂“C H C L 3 脂+ D E E 脂) 0 2 5 D E E 脂，C H C L l 脂电5 0 时可作为判断堆肥腐熟的指标。李艳霞【1 也认为类脂物的变化是评价污泥堆肥腐熟度的合适 指标，但未给出定量的说明。 ( 3 1 氮成分变化 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。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。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。I n b a r 等唧1 描述了硝酸 盐随堆肥时间变化的趋势，认为辅以其它参数，硝酸盐是评价堆肥腐熟度的简单而有力的参 数，具有较好的实用价值。R a f f a l d i m “等用造纸 ：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时的3 9 下降至o 6 ，硝酸盐氮从O 3 上升到0 6 。他们认为水溶 相氨氮和硝酸盐比值的变化范围在o 0 3 1 8 9 。杨毓峰等1 4 8 1 研究了以鸡粪与牛粪为代表的 畜禽废弃物，在强制通风静态堆肥设备中堆肥化时，几种化学参数的变化趋势及作为腐熟指标 的可行性。结果表明堆前N 0 3 - - N 含量太少与堆后N H t + - N 含量太少，且不受原料种类的限制， 为评价畜禽粪便堆肥的腐熟提供了一个尺度，可作为畜禽废弃物堆肥的优选指标”“。 ( 4 ) 与腐殖化过程有关的参数 中I 羽农业大学硕士论文 第一章绪论 I I 堆肥过程中伴随着腐殖化的过程，研究各腐殖化参数的变化是评价腐熟度的重要方法。 C E C ( 阳离子交换容量)C E C 值一般随腐殖化过程的进行而逐渐增加，垃圾堆肥过 程中，C E C 值从初始的4 0 c m o l k g 有机质上升到堆肥结束后的8 0 c m o l k g 有机质当C E C 6 0 c m o l k g 有机质( 以灰分计) 且C ，N ( 水相) 值小于6 时；可以认为堆肥达到腐熟 “j 。但是对 于不同堆料的堆肥过程，由丁堆料的不同，腐熟堆肥的C E C 值在4 1 4 c m o l k g 1 2 3 c m o l k g 有 机质之间，变化范围太大。而且，对某些堆肥原料初始C E C 值就大于6 0 e m o l k g 的有机质，显 然不太适合。因此，C E C 值需和其它指标结合起来用以判断堆肥是否腐熟。C a r c i a 等1 6 7 】报道 不同类型的原料，经过2 1 0 d 堆腐后，C E C T O C ( 阳离子交换量与总有机碳之比) 值均从1 2 2 4 升到3 5 4 2 之间。所以，一些研究者认为，C E C T O C 可以用作供试材料的腐熟指标，但是 它也受到堆肥原料及堆肥过程的影响。 腐殖化参数因为影响土壤生态环境、团粒结构及肥力和植物生长，所以腐殖质 是土壤有机质中最重要的组分。根据堆肥在酸、碱中的溶解性质，可将堆肥中的腐殖质划分 为：腐殖质H S ，腐殖酸H A ，富里酸F A ，富里部分F F 及非腐殖质成分N H F ，它们的含量多 少通常以含碳量表示。在堆肥原料中H A 含量低，F A 含量多但随着堆肥过程的进行，二者 的含量发生显著变化，H A 含量增加，F A 含量在堆肥过程中下降。一般的，有机质的腐殖化 程度可通过以下参数来表示：腐殖化指数( H I = H A F A ) 、腐殖化率( H R = H A F F , F F = F A + N H F ) 、 胡敏酸的百分含量( H P = H A x l 0 0 H S ) 及腐殖化度( D H = ( c H A + C F A ) T E C 1 0 0 ) 。 l n b a r 等l “1 总结了堆肥过程中各腐殖化参数的变化，试验中堆料的H S 含量增加了两倍，从 3 7 7 提高到7 1 0 9 k g 有机质，H A 从1 8 4 增加到4 5 7 9 k g 有机质；N H F 从1 0 7 上升1 7 0 9 k g 有 机质，丽F A 基本保