污泥堆肥腐熟度评价-需要了解

腐熟度(maturity)是衡量污泥堆肥成熟程度的参数。不应将污泥堆肥腐熟度和污泥堆肥质量相混淆，腐熟即指堆肥原料所含的能量和营养物质形成了稳定的腐殖质，而所谓腐熟度即堆肥完成度，即堆肥中的有机质经过矿化、腐殖化过程最后达到稳定的程度。污泥堆肥产品必须腐熟，若腐熟不完全就施于农田则易造成根部缺氧腐烂，并释放出有毒物质，且增加土壤中某些重金属离子的溶解性。因此建立污泥堆肥腐熟度评价标准既是保证农田安全使用的需要，也是堆肥工艺改进、产品市场化的客观要求。1 单项检测参数堆肥腐熟度评价指标分为三类：物理学指标、化学指标和生物学指标。物理学指标包括温度、气味、颜色；化学指标包括化学需氧量、挥发性固体含量、易降解有机质、腐殖质物质的变化、C／N等；生物学指标包括微生物活性测试和发芽试验。物理学指标易于定性描述堆肥过程所处的状态，因此可作为试验的经验判断，但用作评价则缺乏可比性，因此寻找合适的化学指标评价腐熟度是众多研究者所努力的方向之一，这方面的研究比较广泛深入。同时为了检验堆肥对植物的毒性，常用堆料中微生物活性的变化及对植物生长的影响来评价堆肥腐熟度，这就是所谓的生物学指标。国外关于腐熟度的检测有一些商业检测方法，比较著名的有Solvita测试法、Dewar 自热测试法。Solvita 测试法：该测试法由美国Woods End 研究实验室提出并申请了专利，已广泛应用了二十几年，有十三个国家采用了该方法，瑞典、丹麦、西班牙、挪威已经将该方法作为官方测试方法。该测试方法以现代凝胶技术为基础，操作简易、快速，可在4h内得出结论。将样品放入密闭小杯中并防入一个信号器，该信号器能反映CO2的存在（通过颜色），对照颜色表可得出结论，颜色对照表从1（生堆料）到8（腐熟堆肥）变化，读数越大则腐熟程度越好。Dewar 自热测试法：基于最初欧洲的自热测试标准方法，由Woods End 实验室总结整理。先调节测试样品的水分，然后插入一支温度计，温度计距瓶底大约5cm。样品放入一个绝热真空瓶中，这样置于室温至少5d，但不超过10d，并测试每天的最高温度，其结果即为腐熟过程的最高升温。该方法的缺点是测试结果只能区分腐熟和不腐熟，时间较长，但比较直观，具有很强的操作性。测试结果分为I-V五个等级来评价。此外还有其他测试方法，例如CO2探管测试法等。2 综合评价指标由于单项评价参数难以准确评价污泥堆肥腐熟度，所以必须选择几项适当合理的测试参数综合评价污泥堆肥腐熟指标。中国农业大学李国学提出用化学和生物学参数相结合来评价堆肥腐熟度；Frost Donna Nottingham、L Wu等认为腐熟度的检测应该包括腐熟程度的检测和稳定程度的检测，腐熟程度的检测主要侧重于堆肥产品后续使用对植物的影响，如水芹植物毒性测试；稳定程度的检测则侧重于生物学性质和微生物活性，如耗氧速率。2.1 国内污泥通过堆肥达到腐熟基本可消除有毒有害的有机物，稳定N、P营养元素，消除恶臭，消灭病原体。我国还未制定准确的评价堆肥腐熟度的标准参数和方法，评价方法多参考《粪便无害化卫生标准》（GB 7959-87），该标准主要从卫生学的角度来评价堆肥的腐熟程度，堆肥成熟的标志是物料呈黑褐色，无臭味，手感松散，颗粒均匀，蚊蝇不繁殖，病原菌、寄生虫卵、病毒以及植物种子均被杀灭。显然这些指标感性较强，但较难定量，作为评价标准存在很大局限性，已不适应当前堆肥的研究和堆肥产品的市场化。2.2 国外国外关于腐熟度的评价更多是建立在以有机固体废弃物为原料的基础上的，其中包括畜禽粪便、城市垃圾、厨余、庭院废物及城市污泥。美国加利福尼亚州堆肥质量委员会(CCQC)是一个致力于制订统一的堆肥质量标准以促进堆肥产品的生产和使用的官方组织。该组织提出标准的制订原则：测试必须简易、快速、可靠且适合不同原料不同工艺的堆肥产品的评估。提出的评价标准为：堆肥试样首先必须满足C／N≤25，因为该值如过高则微生物就会争夺土壤中的氮，造成生长于土壤中的植物缺氮；必须至少通过A组(包括CO2释放量及呼吸作用、氧气消耗、自热测试)一项测试和B组(包括NH4+ -N／NO3--N、NH3浓度、挥发性有机酸浓度、种植测试)一项测试。A组测试主要表征堆肥中有机物质的降解程度，B组测试则主要表征堆肥产物可能会对植物产生的毒性作用。CCQC在提出评价内容的同时，对A组和D组也提供了相应的测试方法，从而根据结果可以评判堆肥产品为三种标准：高度腐熟、腐熟、不腐熟，具体见表1、2。表1　 A组腐熟度测试方法Tab.1 Determination methods for maturity of group A测试方法结果高度腐熟腐熟不腐熟耗氧速率测试[gO2/(kgVS·h)]＜0.505-1.5＞1.5CO2测试[gC/(kgVS·d)]＜22-8＞8SCL测试[gC/(kgVS·d)]＜22-8＞8WERL测试[gC/(kgVS·d)]＜55-14＞14Dewar自热测试（℃）＜1010-20＞20Solvita测试7-85-6＜5注：SCL=Soil Control Laboratory；WERL=Woods End Research Laboratory。表2　 B组腐熟度测试方法Tab.2 Determination methods for maturity of group B测试方法结果高度腐熟腐熟不腐熟NH4+-N/NO3--N＜0.50.5-3＞3总NH3浓度（10-6g/g干固体）＜100100-500＞500VOA（10-6g/g干固体）＜200200-1000＞1000种子发芽率（%）＞9080-90＜80种植测试（%）＞9080-90＜80在加拿大，涉及污泥堆肥质量标准的有三个机构：魁北克标准局(BNQ)、加拿大环境委员会(CCME）、加拿大农业和农业食品局(AAFC)。这三个机构主要分管加拿大土壤、有机肥料、公共健康、绿色产品、环境保护、城市污泥处理等。BNQ认为，由于现有技术问题，不可能找到一个单项检测方法就能充分、可靠、科学地评价堆肥腐熟度。 BNQ、AAFC提出了以下几个指标，并认为堆肥产品满足其中两项即可认为达到腐熟：①C／N＜25；②耗氧速率＜150mgO2／(ksVS·h)；③芹菜和萝卜种子发芽率90％，在堆肥和土壤混合物中的生长率与样品试验相比误差不超过50％。CCME也建议采用BNQ使用的分析方法，并对第三项作了进一步改进，指出也可采用下列的其中一项：①堆肥经过嗜热阶段后，必须再放置至少21d；堆肥后温度不应再继续升高并高于周围环境20℃；②有机物降解必须达到60％以上(质量)；堆肥经过嗜热阶段后必须再腐熟至少21 d。在欧洲，德国、匈牙利、荷兰、英国等国或由国家机构或由堆肥行业协会，都制订了比较完备的堆肥产品质量标准，其中包括堆肥腐熟度。3 结语①污泥堆肥化处理是污泥减量化、无害化、资源化的一种比较理想的污泥处理方法，堆肥腐熟度的评价已成为制约污泥堆肥技术发展的因素之一，建立堆肥腐熟度评价标准显得尤为重要。②腐熟度评价方法应简单、快速、准确、可靠且易于检测，应将其作为堆肥产品质量体系之一。③建议由国家环保局和农业部根据当前的技术发展和市场调查，参考国外标准研究制定适用标准，同时鼓励科研机构在试验的基础上提出科学简易的检测评价方法。文献-污泥堆肥腐熟度评价一、未腐熟堆肥产品的危害堆肥腐熟度的评价是关系到堆肥的方法能否顺利进行的最为关键的问题之一。未腐熟的产品施用于土壤后，有机肥中的微生物还会利用土壤间隙中的氧气继续活动降解有机物，从而造成厌氧的环境，使植物根系缺氧，并产生H2S和NO等气体。未腐熟的产品中有很高的碳氮比(25∶1或更高) ，造成微生物的氮饥饿而去摄取土壤中的氮，使土壤产生缺氮现象。并且在微生物的持续降解活动中还会产生作为副产品的各种有机酸，对植物产生毒性，尤其是乙酸和酚类化合物会抑制植物种子发芽、根系的生长，减少作物的产量。二、堆肥腐熟度的现有评价指标虽然国内外在堆肥腐熟度的评价方面已经作了广泛而且很深入的研究，提出了众多的评价指标及方法，但仍没有形成一种公认的堆肥腐熟度指标。 李承强等把堆肥腐熟度指标划分为三类：物理学指标、化学指标(包括腐殖质) 和生物学指标。李艳霞等把堆肥腐熟度的评价方法分为表观分析法、化学分析法、波谱分析法及植物生长分析法4类，与前者的分类方法也比较相似。简介如下：(1)物理学指标或表观分析指标：指堆肥过程中的一些变化比较直观的性质，如温度、气味和颜色等。具体有：①堆肥开始后堆体温度是逐渐升高再降低的变化过程，而堆体腐熟后堆体温度与环境温度一致或稍高于环境温度，一般不会明显变化，因此温度是堆肥过程中最重要的常规检测指标之一；②堆肥原料具有令人不快的气味，并在堆肥过程中会产生H2S，NO等难闻的气体，而良好的堆肥过程后这些气味逐渐减弱并在堆肥结束后消失，所以气味也可以作为堆肥腐熟的指标；③堆肥过程中堆料逐渐发黑，腐熟后的堆肥产品呈黑褐和黑色，颜色也可以作为一判断标准；④对不同时间的堆肥的水萃取物在波长280 nm，465 nm和665 nm的光学性质研究表明，由于个别有机成分的少量存在，抑制了对短波的吸收，而对665 nm波长的可见光影响较少，由此通过检测堆肥萃取物在波长665 nm下的吸光度变化可反映堆肥腐熟度。(2)由于物理学指标难于定量化表征堆肥过程中堆料成分的变化，所以通过分析堆肥过程中堆料的化学成分或化学性质的变化以评价堆肥腐熟度的方法更常用一些。这些化学指标有：有机质变化指标、氨氮指标、腐殖化指标、碳氮比和有机酸等。具体内容包括：①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、矿物质和稳定化有机质，堆料的有机质含量变化显著，因此可以通过一些反映有机质变化的参数(如COD，BOD及VS等)的测量及某些有机质在堆肥过程中的变化规律来表征腐熟度；②在堆肥的生化降解过程中含氮的成分发生降解产生氨气，在堆肥后期部分氨气被氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，所以可以用亚硝酸盐或硝酸盐的存在判断腐熟度，并且由于这两个指标的测定较为快速而简单，具有较好的实用价值；③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，由此提出CEC(阳离子交换容量)、腐殖质HS、腐酸HA、富里酸FA 、富里部分FF及非腐殖质成分NHF等参数用以评价堆肥腐熟度；④碳源是微生物利用的能源，氮源是微生物的营养物质，碳和氮的变化是堆肥的基本特征之一，C/N(固相)是最常用于评价腐熟度的参数。而也有研究指出微生物在对堆肥原料的降解中代谢发生在水溶相，因此水溶性有机碳/有机氮的指标可以作为堆肥腐熟度的参数；⑤有机酸广泛存在于未腐熟的堆肥中，可通过研究有机酸的变化评价堆肥腐熟度。(3)堆料中微生物的活性变化及堆肥对植物生长的影响常用于评价堆肥腐熟度。这些指标主要有呼吸作用、生物活性及种子发芽率实验等。具体有： ①堆肥是富含腐殖质的稳定产品，微生物处于休眠状态，此时腐殖质的生化降解速率及二氧化碳产生和氧气消耗都较慢，因此可以用二氧化碳的产生和微生物的耗氧速率作为反映腐熟度的指标；②同时也可以用反映微生物活性变化的参数如酶活性、ATP和微生物的数量、种类来表征堆肥的稳定和腐熟；③未腐熟的堆肥产品对植物的生长有抑制作用，因此可用堆肥和土壤的混合物中植物的生长状况来评价堆肥的腐熟度，考虑到堆肥腐熟度的实用意义，这是最终和最具说服力的评价方法。(4)波谱分析法可以从物质结构的角度认识堆肥过程和腐熟度问题，迄今为止较多使用的是 13C-核磁共振法和红外光谱法，红外光谱法可以辨别化合物的特征官能团，核磁共振法可提供有机分子的骨架信息。三、堆肥腐熟度指标的应用在这些评价腐熟度指标的方法中，比较常用的有碳氮比指标，耗氧速率的测定，NO3- -N 和NH4+-N的测定比较快速而简单，而用氢氧化钠溶液吸收堆料产生的CO2气体以确定其产生量的方法经常作为标准的实验室对比试验方法。但是应用这些评价方法经常会得到不同的结果，这是因为堆肥的腐熟度受很多因素的综合影响，单个指标的评价只能片面地反映某个阻碍因素的作用，不能最直接反映植物的生长特性。因此，不能用单一的指标评价堆肥的腐熟度。而堆肥产品最终要作为有机肥应用于作物的生产，种子发芽指数是一个很好的生物指标，综合反映了堆肥产品的植物毒性，所以目前较为认同的堆肥腐熟度的评价方法是将化学指标与生物指标结合起来，采用多种分析方法测定多个指标，然后根据这些指标综合分析堆肥的腐熟状况。美国加利福尼亚堆肥质量委员会(CCQC)建议必须用两项以上的化学/生物指标来评价堆肥的腐熟度。评价指标由三部分组成：① 碳氮比；②A组测试指标中的至少一项；③B组测试指标中的至少一项。在进行A组和B组的测试之前，C/N的测试必须要达到小于或等于25。A组测试指标主要是表征堆肥中有机物质的降解程度，内容有CO2的释放量、氧气的消耗速率和自热产生量。B组测试指标主要是表征堆肥产品可能会对植物产生的毒性的一些化学性质，内容有NH4+-N和NO 3--N的比例、氨浓度、挥发性有机酸的浓度及种子发芽或植物生长试验。四、种子发芽率实验对于一些有机肥生产厂家而言，判断堆肥腐熟度的指标包括以下三个部分即可完成：⑴ 感官指标：即温度、气味和颜色等指标，需要定时记录。⑵ 生化指标：C/N，有机质，腐植化等指标。⑶ 生物学指标：种子发芽率实验一般种子发芽率在50%以上则表示有机肥基本腐熟。以小青菜种子作为实验对象，实验步骤如下：①      准备两个培养皿，分别放入一张滤纸，编号1号，2号。②      在1号培养皿中倒入有机肥浸提液30ml，2号培养皿中倒入30ml的清水。③      每个培养皿中撒入20粒种子，21℃下恒温培养2天。④      记录1，2号中发芽种子数分别为a，b。记录1,2号种子平均根长分别为c,d。⑤      种子发芽率=[（a/20）*c]/[（b/20）*d]*100%发芽试验法将风干产品5g放入200mL烧杯中，加入60℃的温水100mL浸泡3h后过滤，将滤出汁液取10mL，倒进铺有二层滤纸的培养皿，排种100粒白菜、萝卜、黄瓜或番茄的种子，进行发芽试验过程。另设对照，培养皿中使用的是蒸馏水，种子与发芽试验方法与上相同，一般认为发芽率为对照区的90%以上，说明产品已腐熟合格。此法对鉴定含有木质纤维材料的产品尤其适用。蚯蚓法准备几条蚯蚓以及杯子、黑布。杯子里放入弄碎的产品，然后把蚯蚓放进去，用黑布盖住杯子，如蚯蚓潜入产品内部，表示腐熟，如爬在堆积物上面不肯潜入堆中，表明产品未充分腐熟，内有苯酚或氨气残留。