堆肥科学与技术-第六章

1、第六章堆肥腐熟度的判断 CompostIts RecyclingNaturally 第一节、堆肥的腐熟度与稳定性一、有机固体废弃物的堆肥腐熟度l堆肥化过程是基于易氧化有机质的部分氧化，从而获得较稳定的腐殖质和有机质。在有效的农业生产中堆肥最终产物的稳定和腐熟是至关重要的。依据经验来看，高质量的，腐熟的堆肥标准是很好识别的，它包括以下特性：堆积密度低，持水量高，pH呈碱性，有机质含量高。 l迄今为止还缺少一个统一的标准去鉴定堆肥的腐熟程度。显然这种半稳定的土壤改良添加剂还没有发挥出其最大的生物学效应和市场的开发潜质。 二、腐熟度与稳定性l堆肥腐熟度（Maturity）就是堆肥的腐熟程度，即堆肥中

2、的有机质经过矿化、腐殖化过程最后达到稳定的程度。l它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。堆肥腐熟度作为衡量堆肥产品的质量指标很早就被提出来，它的基本含义是： l（一）堆料中的有机物质通过微生物的活动，最终达到稳定化、无害化，即不对环境产生不良影响。l（二）堆肥产品的使用不影响作物的成长和土壤耕作能力。l腐熟度侧重于堆肥施用对植物生长的影响，受堆肥物料，堆肥条件等诸多因素的影响，其评价指标多种多样。Frost（1992）把腐熟度看做是一个非常主观的术语。l堆肥稳定性（Stability）是反映有机质降解的一种状态，是一个反映堆肥生物活性的函数。稳定性侧重于堆肥施用对周围环境的影响

3、，根据微生物的活动（如微生物呼吸和能量释放）来判断堆肥的稳定性。堆肥稳定性主要从堆肥的温度、颜色、CO2的释放速率、O2的消耗速率、NO3-N含量变化及病原菌数量变化等方面加以评价。l值得注意的是，稳定化概念包含有不同的内容。例如，可以将生物固体的稳定化仅限于病原微生物的减少，或生物固体的臭味及挥发性固体的降低 l现有的大多测试可划分为腐熟度测试和稳定性测试。腐熟度测试包括植物的生长情况，稳定性测试包括臭味浓度和微生物呼吸强度等。l有学者认为稳定的堆肥不一定是完全腐熟的，其仍然能够对供试植物产生抑制性物质或毒素。Simple tests for finished compostBag test

4、: sealing compost in a plastic bag for several days should produce no foul odorGermination test: will seeds germinate in the compost? (good test to use if compost will be part of a potting mix)l堆肥的稳定性和腐熟度都是衡量堆肥产品质量的尺度，其评价对于农用安全有着重要意义。到目前为止，还没有一种真正可靠、有效的方法来衡量堆肥腐熟的相对稳定程度。l堆肥稳定性和腐熟度界定的模糊性和不确定性部分原因可归结为：

5、（a）堆肥系统应用的微生物菌群的多样性；（b）有机物质的异构性和不可预知的特性；（c）其应用领域和产物的多样性；（d）新近复杂堆肥工艺技术的应用。 第二节 堆肥腐熟度的判定l一、腐熟度判断参数l关于堆肥腐熟度的参数及评价指标已有大量的研究工作报道，并提出了许多评价的方法。l表9-1列出了主要的指标和相关标准;l表9-2列出了一些学者的研究和他们各自的测试标准。主要的指标和相关标准堆肥的稳定性和相关参考文献 堆肥腐熟度的判定指标l可以划分为三大类包括：物理学指标化学指标（包括腐殖质）生物学指标 物理学指标l物理学指标通常指的是通过堆肥的表观特征及一些物理学方法来确定堆肥的腐熟程度。主要包括堆肥的

6、温度、颜色、气味以及是否不再滋生蚊蝇等特征。但是这种方法只能初步断定堆肥的腐熟度，并不能进行定量的分析，因此只能作为堆肥腐熟度的一项辅助指标。堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的物理学物理学指标指标 l指 标 （1）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 l温度 l接近环境温度 l易于检测；不同堆肥系统的温度变化差别显著，堆体各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 。l堆肥过程中堆体温度变化主要经历升温期、持续高温期、降温期，稳定期四个阶段。 l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

7、均衡，限制了温度作为腐熟度定量指标的应用，但是堆肥温度可以在一定程度上反应堆肥的进程，因此仍不失为堆肥腐熟度的一个重要的辅助性评价指标。堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的物理学物理学指标指标 l指 标 （2）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 l气味 l堆肥产品具有土壤气味 l根据气味可直观性地判定堆肥是否腐熟，难以定量 l通常堆肥的原料都具有令人不快的气味，而在堆肥运行过程中这些气味会慢慢消失。腐熟堆肥带有湿润的泥土气味,是由土臭味素和2-甲基异冰片两种物质引起，它们是真菌和放线菌的副产物。l气体的量化指标的建立最好指标就是气体单元（OU），一个可供参考的检测气味办法是气味极限值法（OTV

8、），即浓缩50%的气体能检测出气味。 堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的物理学物理学指标指标 l指 标 （3）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 l色度 l黑褐色或黑色 l堆肥的色度受原料成分的影响，较难建立一的色度标准以判别各种堆肥的腐熟程度 。l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。Sugahara等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：l 他们认为Y值为1113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。 堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的物理学物理学

9、指标指标 l指 标 （4）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 l色度光学特性 lE665nm0.008 l堆 肥 的 丙 酮 萃 取 物 在665nm的吸光度随堆肥的时间呈下降趋势；该研究只是初步的试验 。l堆肥腐殖酸在波长465 nm和665 nm处具有特征性吸收峰值，465 nm和665 nm的吸光度比值，称为E4/E6比。该比值与腐殖酸分子的数量无关而与腐殖酸分子大小或缩合度有直接关系，通常随腐殖酸分子量的增加或缩合度增大而减小，因此E4/E6比可作为堆肥腐殖化程度的重要指标。堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的物理学物理学指标指标 l指 标 （5）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限

10、 l残余浊度和水电导率 l l堆肥714d的产品在改进土壤残余浊度和水电导率方面具有最适宜的影响；需与植物毒性试验和化学指标结合进行研究 。l电导率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。l水溶性盐的浓度随着堆肥的腐熟程度发展而不断增加，在好氧性堆肥的高温阶段又迅速降低。降温过程中，由于硝化细菌重新活化，水提取物导电率（指可溶性盐离子浓度，包括硝酸盐，钙盐，镁盐）迅速增加。化学指标（包括腐殖质）l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

11、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。堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的化学化学指标指标 l指 标 （1）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 l挥发性固体（VS） lVS降解38%以上，产品中VS65% l易于检测；原料中VS变化范围较广且含有难于生物降解的部分，VS指标的应用难以具有普遍的意义 。l堆肥化过程中存在物质的缓慢转化的过程-由开始的易分解或易挥发的有机物质过渡到不易分解、更加稳定的形态，通过测定固体堆肥物质（指可挥发的固体物质）和堆肥材料产生的提取物（指可溶性挥发性的固体物质）过程中挥发性固体物质的减少，可以衡量堆肥化的程度。l在适宜的条件下，当挥发性固体含

12、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。 堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的化学化学指标指标 l指 标 （2）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 l淀粉 l堆肥产品中不含淀粉 l易于检测；不含淀粉是堆肥腐熟的必要条件而非充分条件 。l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。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。 堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的

13、评价的化学化学指标指标 l指 标 （3）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 l5日生化需氧量（BOD5） l2040g/kg lBOD5反应的是堆肥过程中可被微生物利用的有机物的量；对于不同原料的指标无法统一；且测定方法复杂、费时 。l有试验证明，当每千克固体物料中生化需氧量少于5055g/kg时，堆肥温度达不到60。在最初的堆肥高温期，生化需氧量降低很快。l堆料的不同理化特性对于生化需氧量的影响很大。有些固体废物原始值就较低，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，而且对于生化需氧量的测定，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。 堆肥

14、堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的化学化学指标指标 l指 标 （4）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 lpH值 l8 9 l测定较简单；pH值受堆肥原料和条件的影响，只能最为堆肥腐熟的一个必要条件 。l许多研究者提出，pH值可以作为评价堆肥腐熟程度的一个指标。堆肥物料或发酵初期，pH值为弱酸到中性，一般为6.57.5。腐熟的堆肥一般呈弱碱性，pH值在89左右。但是pH值亦受堆肥物料和条件的影响，只能作为堆肥腐熟的一个必要条件，而不是充分条件。 堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的化学化学指标指标 l指 标 （5）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 l水溶性碳（WSC） lWSC6.5g/kg

15、l水溶性成分才能被微生物所利用；WSC指标的测定尚无统一的标准 。堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的化学化学指标指标 l指 标 （6）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 lWSC/ WSNlWSC/ WSN趋于56l一些原料（如污泥）初始的WSC/WSN 6 。堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的化学化学指标指标 l指 标 （7）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 lC/N比 l1520：1 l腐熟堆肥的C/N比趋向于微生物菌体的C/N比，即16左右；某些原料初始的C/N比不足16，难以作为广泛的参数使用 。堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的化学化学指标指标 l指 标 （8）l腐熟堆肥特征值

16、l特 点 与 局 限 lWSC/ON lWSC/ON2lWSC含量较少，测定结果的准确性较差 。堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的化学化学指标指标 l指 标 （9）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 lNH4+-N lNH4+-N0.4g/kglNH4+-N的变化趋势组主要取决与温度、pH值、堆肥材料中氨化细菌的活性、通风条件和氮源条件的影响 。堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的化学化学指标指标 l指 标 （10）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 lNH4+-N /（NO2-+NO3-） lNH4+-N/（NO2-+NO3-）3 l堆肥过程中伴随着明显的硝化反应过程，测定快速简单；硝态氮

17、和铵态氮含量受堆肥原料和堆肥工艺影响 。l研究发现，随堆肥进程的发展硝酸盐表现出一定的变化趋势，辅以其他参数，NO3-可以作为评价堆肥腐熟度的简单而有力的参数之一。因为不同物料的总N及NH3-N的含量存在一定的差异，很难用其绝对值来描述堆肥的腐熟程度。堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的化学化学指标指标 l指 标 （11）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 l阳离子交量（CEC） l lCEC是反应堆肥吸附阳离子的能力和数量的重要容量指标；不同堆料之间CEC变化范围太大。l研究发现，在不同初始物料的好氧堆肥过程中，阳离子交换量都会随着堆肥腐殖化过程的发展而逐渐增加。腐殖质（腐殖酸）中阳离子交换

18、量的增加同样遵循这样的规律。l通过研究不同堆肥原料的堆肥过程发现，由于堆肥原料的不同，腐熟堆肥的阳离子交换量值变化范围很大。由此可见CEC的适用性还有待进一步研究。堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的化学化学指标指标 l指 标 （12）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 lCEC/TOC l CEC/TOC1.9（CEC60） lCEC/TOC代表堆肥的腐殖化程度；CEC/TOC显著受堆肥和堆肥过程的影响 。堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的化学化学指标指标 l指 标 （13）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 l腐殖化参数（HI） l HI3 l应用各种腐殖化参数可评价有机废物堆肥的稳定性

19、；堆肥过程中，新的腐殖质形成时，已有的腐殖质可能会发生矿化 。l腐殖质物质（总腐殖酸碳，CHS；胡敏酸碳，CHA；富里酸碳，CFA；胡敏素碳，CNFA；）等参数相继被提出。l进一步的研究发现，未腐熟的堆肥中还有高水平的富里酸以及低水平的胡敏酸，随着物料的降解腐熟富里酸含量降低或不变，但产生大量的胡敏酸，因此可以通过胡敏酸与富里酸比值即腐殖指数（CHA/CFA）指示总有机碳的百分含量,并作为堆肥腐熟度的判断指标之一。堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的化学化学指标指标 l指 标 （14）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 l腐殖化程度（DH） l lDH值受含水量等堆肥条件和原料的影响较大 。l

20、腐殖化过程是指能够促使新鲜有机物材料中产生的芳香族和脂肪族的高分子化合物降解后，其基团进行化学再综合和再聚合的生物化学过程。 l腐殖化程度作为腐熟度的一个指标，表示腐熟过程中腐殖酸的变化，通过计算腐殖质占有机碳的比例来判断堆肥的腐熟程度。 堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的化学化学指标指标 l指 标 （15）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 l生物可降解指数（IB） l IB2.4 l该指标仅考虑了堆肥时间和原料性质，未考虑堆腐条件，如通风量和持续时间 。生物学指标l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熟度，这些指标主要有呼吸作用、生物活性及种子发芽率。堆肥堆肥腐熟度腐

21、熟度评价的评价的生物学生物学指标指标 l指 标 （1）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 l呼吸作用 l比耗氧速率0.5mgO2/（gVSh） l微生物耗氧速率变化反映了堆肥过程中微生物活性的变化；氧含量的在线监测快速、简单 。堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的生物学生物学指标指标 l指 标 （2）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 l生物活性试验 l l反映微生物活性的参数有酶活性和ATP；这些参数的应用尚需进一步研究 。堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的生物学生物学指标指标 l指 标 （3）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 l利用微生物评价 l l不同堆肥时期的微生物的群落结构随

22、堆温不同而变化；堆肥中某种微生物存在与否及其数量多少并不能指示堆肥的腐熟程度 。堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的生物学生物学指标指标 l指 标 （4）l腐熟堆肥特征值 l特 点 与 局 限 l发芽试验 l发芽指数（GI）：80%85% l植物生长试验应是评价堆肥腐熟度的最终和最具说服力的方法；不同植物对植物毒性的承受能力和适应性有差异 。Plant Performance Tests lI - Plant Biomass Tests for composted products水芹水芹番茄番茄黄瓜黄瓜II - TOPS + ROOTS POT STUDIES III - Exised/Wash

23、ed Rootlet Bioassays III. Herbicide Residue Bioassays IV. LEMNA BIOASSAYS 浮萍浮萍堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的其他其他指标指标 l光谱学分析光谱学分析l最普遍利用的光谱法是13C-核磁共振光谱法和红外光谱法以及元素分析法。红外光谱法可以辨别化合物的特征官能团，13C-核磁共振法可提供有机分子骨架的信息，能更敏感的反应碳所处化学环境的细微差别，为测定复杂有机物提供帮助。有了碳谱的化学位移及其它必要的分析数据，基本上可以确定有机物的结构。l用于检测堆肥腐熟度的方法中，这几种方法应用前景较好，但所需设备昂贵。堆肥堆肥腐熟度

24、腐熟度评价的评价的其他其他指标指标 l明胶测试法明胶测试法l明胶测试法已有相应的产品面世，测试的方法为：将一定的堆料（约250mL）放入特制的杯子中，在将其密封前把一个塑料的测试测试器放入其中。该测试器中有一条化学明胶可以和杯中堆料所释放的CO2反应并改变颜色，最后将明胶的颜色与对应的颜色表对照即可得出结论。一般是将对照表颜色分为8个级别，从生堆料的级别1到腐熟堆肥的级别8。其特点是：操作简便快捷，仅4h就可以得出结果，但是成本造价高。 堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的其他其他指标指标 l自热测试法自热测试法l该方法就是将1L左右的新鲜堆肥样品（装满一瓶）放入一个绝热的真空瓶中，通过观察每天的

25、净温度增长值来判断堆肥是否达到了稳定和腐熟。稳定和腐熟的堆肥有很小净温度增长值。最多需要的测试时间是6天。评估堆肥腐熟度最廉价，最简便的方法。这个方法的特点是：所需设备简单易得、可操作性强，一次投资，可以反复使用。l这项技术已经广泛的应用于欧洲的堆肥厂，在北美的很多地区也作为一种衡量堆肥腐熟度的标准。堆肥堆肥腐熟度腐熟度评价的评价的其他其他指标指标 l腐熟度综合评价方法腐熟度综合评价方法 l人们对堆肥腐熟度、稳定性的评价通常采用某一指标值来衡量。随着人们对堆肥化过程的进一步认识，实际的堆肥是一个非常复杂的有机物降解过程，同时堆肥工艺及原料的复杂多样，用单一的参数较难确定堆肥的化学及生物学的稳定

26、性，这些指标都不是孤立的，而是相互影响相互制约的，单一指标无法全面反应实际堆肥过程的腐熟、稳定化特征，应由几个或多个参数如表现指数、碳氮比降解率、平均耗氧速率、微生物量、氨氮变化率等指标共同确定。l研究者普遍认为，利用化学方法、生物活性和植物毒性分析等手段，对堆肥的腐熟和稳定做多方面的监测较为可靠。通常，化学方法提供堆肥的基础数据，其中水溶性有机化合物的分析及C/N比最为常用。生物活性测试通过对呼吸作用、微生物量及酶学的研究，可反映堆肥的稳定性，其中呼吸作用是较为成熟的评估堆肥稳定性的方法。植物毒性分析中发芽指数的测定较为快速、简便，一般只用于评估堆肥的腐熟性。 l随着分析技术和微生物技术的发

27、展，先进、快捷的堆肥评估方法不断出现，堆肥的生产和使用者可根据实际情况，选择合适的评估方法。同时交叉学科的兴起，在腐熟度判断研究方面，众多研究者将数学、生物学及物候学等融入到了堆肥工程之中，给此领域注入了生机。 l美国加州堆肥质量协会（California Compost Quality Council，CCQC）采用以下方法判断堆肥的腐熟度：将C/N比25：1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CO2产生速率或呼吸作用、比耗氧速率和自升温检测；B组包括NH4+-N/NO3-N、 NH4+-N含量、挥发性有机酸含量和植物生长试验。通过这种方法将堆肥分为充分

28、腐熟、腐熟和未腐熟堆肥三类。l物理学指标较为直观易于监测，可以定性的描述堆肥过程所处的状态，有助于评价化学指标的合理性；l化学指标提供堆肥的基础数据，其中水溶性有机化合物的分析及C/N比值最为常用；l核磁共振MNR，红外光谱等仪器的引入和运用揭示了堆肥微观物质结构的变化，并可对化学指标的合理性做出评判，但是仪器的高昂费用阻碍了其广泛运用;l生物学指标能够综合反映堆肥的实用性，是评价堆肥腐熟度最具说服力的方法，其中呼吸速率、种子发芽指数是较为成熟的方法。l正确评价堆肥腐熟度是一个复杂的问题，一些评价参数的确定还有争议。采用多种分析方法测定多个指标，然后依据这些指标综合分析堆肥的腐熟状况，将化学指

29、标与生物学指标结合起来评价堆肥腐熟度是今后研究的方向。 三、堆肥腐熟度的标准三、堆肥腐熟度的标准l其中包括对产品外观目测测定、有效活菌数测定、有机质的测定、水分测定、pH值测定、粪大肠菌群数的测定、蛔虫卵死亡率的测定、重金属As、Cd、Pb、Cr、Hg的测定和N-P2O5-K2O含量等项目的测定。 lCCQC-加利福尼亚州堆肥质量委员会也具有一系列测定堆肥稳定性的类似程序用于堆肥产品的审批（表9-8）。这些标准要求所有堆肥样品的C：N比小于25：1，这个标准在一些情况下并不准确，如对于叶废物的初始C：N比就很高。在魁北克，BNQ不允许单独使用呼吸强度作为堆肥稳定性的检测。散料堆肥的呼吸强度必须

30、限制在每天每kg挥发性固体物质500mg以内；而袋装堆肥则要在300mg以内。 l此规范把堆肥划分为两类，用于反映堆肥内含物的性质。A类堆肥（具有低的金属含量）的应用没有限制；而B类（含有高的金属含量）则具有较为严格的限制。l在很多情况下，鉴定一种堆肥产品是否达到稳定，不但取决与结果本身，也同样取决与所选择的测试标准。依据现行的规范测试，会产生一些与事实不符的结果，有时会有某一个不稳定堆肥样品被评估为已腐熟的情况发生。因为依据现行的原则（由一系列严格的不同程度的标准构成），即使有两种测试检测出堆肥材料未稳定，但仍可认为此堆肥产品达到腐熟。l普遍认为现存的堆肥稳定性监管条例不够严谨和清晰，所有的堆肥产品必须具有一个统一的腐熟标准，以避免堆肥化过程中的潜在毒性中间产物进入周围环境。产品的化学成分直接影响到其应用范围。另一方面在保证生物和环境安全的基础上，堆肥的质量要依据原材料的性质及其预期的应用范围而制定不同的标准。堆肥中的重金属l堆肥在土地利用中其重金属的环境污染风险一直都