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、流通、消費等一系列活動中產生的一般不具有原使用價值而被丟棄的以固態和泥態賦存的物質，或者是提取目的組分后棄之不用的剩余物質[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，相當于4930萬t尿素、11940萬t過磷酸鈣和3380萬t的氯化鉀；農業秸稈含有豐富的有機質養分，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境和能源利用方面的重大課題。作為一個傳統的農業大國，對肥料和能源有著巨大的需求，因此，通過堆肥化處理農牧業廢棄物能有效實現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比和通風條件下通過微生物的發酵作用，將有機物轉變為肥料的過程[3]。在這種堆肥化過程中，有機物由不穩定狀態轉化為穩定的腐殖質物質，對環境尤其土壤環境不構成危害，堆肥化的產物稱為堆肥。
（1）C/N比。有機固體廢棄物C/N比一般較大，大多數都在30以上。為了使參與有機物分解的微生物營養處于平衡狀態，堆肥C/N比應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）的方法來調整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，堆體溫度一般與環境溫度一致，經過中溫菌的作用，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節原料的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系，有機碳越多，需氧量越大。一般氧氣的濃度應保持在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酵，可以使堆體的溫度提早達到50℃以上，高溫（＞50℃）的持續時間延長，加快發酵效率，縮短腐熟時間。
2堆肥腐熟度的評價指標
2.1物理指標
溫度。溫度是堆肥過程中的一個重要的監測項目。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，堆料逐漸發黑，腐熟以后堆肥產品呈黑褐色或黑色。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束后消失[12～13]。堆肥產品最后具有潮濕的泥土氣息。
2.2化學指標
2.2.1有機物的變化
堆肥過程中，堆料中的不穩定有機質分解轉化為二氧化碳、水、礦物質和穩定化有機質，堆料的有機質含量變化顯著。反映有機質變化的參數有COD、BOD5、VS。張所明[14]等對垃圾堆肥的實驗結果顯示，COD的變化主要發生在熱降解階段，在隨后的階段趨于平穩。Lossin[15]對動物的排泄物進行堆肥研究，提出當堆料的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]認為BOD5＜5mg/g，堆肥產品被腐熟了。VS基本上反應了堆肥原料中有機質的含量，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生的變化具有一定的規律性。淀粉和糖類是易降解有機質，很容易被微生物利用，當堆肥物質達到了穩定狀態，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，認為中、高溫有利于纖維素類物質的降解。陳世和[21]等對垃圾堆肥的研究結果指出，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，發現纖維素從最初占有機質的34％下降至9％～11％，認為纖維素也是堆肥腐熟度評價的適宜指標。2.2.2水溶性的氮化合物
堆肥過程中，水溶性NH+4-N一方面轉化為NH3而揮發減少，另一方面，通過硝化作用一部分NH+4-N轉化為NO-3-N。因此，NH+4-N的減少及NO-3-N的增加，被認為是堆肥腐熟度評價的常用指標。但是，不同物料的總Ｎ及NH+4-N的含量存在很大差異，很難用其絕對數值來描述堆肥的腐熟程度。Ｓｅｎｅｓｉ等[23]認為，當污泥堆肥中的總Ｎ含量超過干重的0.6％時，堆肥達到腐熟。Ｚｕｃｃｏｎｉ等[24]認為，當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]則認為，當豬糞堆肥中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，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為，當堆肥中NH+4-N/NO-3-N的比值＜0.16時，表明堆肥達到腐熟。但根據加拿大政府有關堆肥標準的規定，則當NO-3-N/NH+4-N的值＞2或NH+4-N/NO-3-N的值＜0.5時，可認為堆肥已達腐熟。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。
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的廣泛應用。
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T值＜0.6時堆肥達到腐熟，并且認為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，并且認為腐熟堆肥的液相有機C/N比在5～6，且該數值與原始物料的C/N比無關。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，并認為比值＜0.70表示堆肥已達腐熟。
2.3生物學指標
2.3.1呼吸作用
堆肥應是富含腐殖質的穩定產品，腐熟堆肥中含有的微生物處于休眠狀態，此時，腐殖化物質的生化降解速率及二氧化碳產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，其二氧化碳和氧氣的產生、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，發現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測方法，便于工藝控制。Ｒｉｃｈａｒｄ等[34]認為呼吸速率與初始條件無關，僅與廢物分解的狀況有關，可用作堆肥工廠管理的定性參數。
2.3.2種子發芽率
未腐熟的堆肥含有植物毒性物質，如：乙酸等低分子量有機酸和大量NH3、多酚等物質對植物的生長產生抑制作用，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芽率的影響，發現新鮮污泥幾乎完全抑制大麥種子的發芽，而堆肥后的污泥卻未發現。Ｚｕｃｃｏｎｉ[35]進行了十字花科植物種子的發芽實驗，通過發芽率和報長計算發芽指數（GI），作為衡量堆肥腐熟的指標。通常當GI＞80％時，堆肥已消除植物毒性。
3有機肥的特點
（1）有機質含量高。有機肥一般含有機質20％左右，這是區別有機肥和化肥的重要標志，也是土壤有機質的主要來源。
（2）養分全面。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、植物生長調節劑等，當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。有機肥能調節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，增加土壤有機質的含量，有利于土壤良好結構的形成，特別是水穩團粒結構的增加，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性狀向好的方向轉化。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。施用有機肥不僅當季作物增產，一般若干年后仍可見成效。
（5）可維持和促進養分平衡。植物從土壤中攝取各種養分制造出大量的有機物，帶走土壤中大量的養分元素，這些養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分平衡的重要途徑。4小結
堆肥是有機固體廢棄物無害化和資源化的有效途徑，堆肥過程中應該根據物料的基本性質，調節適合堆肥發酵的條件，使堆肥發酵過程快速高效進行。對堆肥的腐熟和穩定性方面的評判應該利用物理、化學、生物活性和植物毒性等手段，綜合分析，形成有利于堆肥產品品質穩定的評價體系。另外，從現在有機食品和綠色食品的迅速發展，人們對食品安全性要求的進一步提高以及有機肥在農業中的不可替代的作用和優勢來看，有機肥的應用和發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