堆肥穩定性和成熟度評價指標及堆肥應用現狀

劉穎 付菁菁 盧月

0 引言

堆肥是處理有機廢棄物的有效途徑之一。堆肥過程中，通過微生物的活動降低廢棄物中有害污染物的濃度，產生堆肥、水、二氧化碳和熱量。堆肥產品富含腐殖質，是有機肥料和土壤改良劑的潛在來源。

堆肥產品質量關乎其應用對農業和環境的影響。堆肥應對植物友好，對土壤友好，對環境友好，對社會負責。堆肥是否“友好”主要看堆肥是否有植物毒性、種子雜草以及是否存在有害元素和污染物。就堆肥使用而言，堆肥的使用應承擔社會責任。例如：產品應不含病原體，以免對植物和人類生存造成不利影響。

堆肥原料很多，包括園林廢棄物、城市固體廢棄物、污水污泥、農作物秸稈、糞污等。通常使用穩定性和成熟度來判定堆肥的質量。堆肥穩定性與有機物轉化過程有關；成熟度關系到使用安全，與植物毒性的存在相關。

本文基于堆肥技術應用，分析了影響堆肥過程的關鍵因素以及堆肥穩定性和成熟度評價指標，并結合堆肥產品的應用現狀，對堆肥發展前景提出展望。

1 堆肥影響因素

1.1 曝氣

堆肥效率受O2水平影響很大，因為堆肥過程與微生物種群動態直接相關，曝氣速率會影響堆肥理化特性（水分、有機物含量、溫度、pH值等）和微生物活性，曝氣有助于維持堆肥溫度以促進有機廢物的熱分解。因此，曝氣是影響堆肥穩定性的主要因素。為了確保堆肥原料有足夠的通氣，常用如下方法：定時翻動堆體原料、鋪設管道通氣、強制通氣（使用鼓風機、空氣壓縮機等）。

1.2 溫度

溫度是監測堆肥過程的主要參數之一，它會影響有機物的降解速率、堆肥理化特性以及對堆肥微生物的生物利用度。堆肥是一個放熱過程[1]。Lazcano等[2]提出了溫度演化的兩個階段：親熱階段（活躍階段）和成熟階段（以溫度下降為特征）。堆肥的活躍期主要由細菌控制。有機物對人類和動物構成健康風險是因為它們含有病原性生物（糞便大腸菌、腸道寄生蟲等）。溫度高于55℃時有助于消除寄生蟲和病原體[1]。若嗜熱階段持續三天以上，則堆肥中將沒有雜草種子和病原體。堆肥最優溫度介于40～60℃之間，溫度不得超過60℃，過多的熱量會殺死幾乎所有微生物并導致該過程停止；同時，堆肥過熱還可能會引起火災。

1.3 碳氮比（C/N）

在堆肥過程中，微生物分解有機化合物獲得代謝所需的能量并獲取養分以維持其種群數量。C、N、P和K是堆肥中微生物所需的主要養分，其中C和N最關鍵。C被用作能源，N被用于構建細胞結構。C在生物氧化過程中以CO2的形式損失掉。當N含量受限時，微生物生長會減少，從而導致可用碳緩慢分解。當N含量超出微生物種群要求時，過量的N揮發為氨氣。因此，碳氮比是判定有機物分解程度的指標［3］。對于主動堆肥而言，25～30：1是較優的碳氮比。碳氮比過低，N過量提供會以氨氣形式損失，從而產生不良氣味，同時會釋放出大量可溶性堿性鹽，不利于植物生長；碳氮比過高意味著沒有足夠的N來優化微生物的生長，會使堆肥分解速度緩慢。通常在堆肥前添加稻殼、木屑、鋸末和花生殼等含木質纖維基的農林廢棄物以提高堆肥前的孔隙率和原料碳氮比，可控制堆肥過程中的臭氣排放。

1.4 水分

水分是監測堆肥過程的關鍵參數，它會影響O2的吸收率、自由通氣孔隙、微生物活性和溫度等。有效堆肥的最佳含水率取決于堆肥原料的具體物理化學特性和生物學特性。堆肥過程中水分的流失量可以視為評判分解速率的有力指標。極低的水分可導致堆肥過程中脫水，并可能阻礙生物過程；水分過高可能會形成水漬，并可能產生厭氧條件，從而停止活躍的堆肥活動。原料的最佳含水量為40%～60%。

1.5 電導率（EC）

電導率（EC）反映了一種有機修正的鹽度，表示堆肥的總含鹽量，可反映用作肥料的堆肥質量。在堆肥過程中，由于有機物的分解，鹽的濃度不可避免地增加了。有機鹽轉化形成無機鹽是EC增加的可能原因，但氨的揮發和無機鹽的沉淀也可導致EC降低。堆肥產品最終要施用于土壤，作用于植物。為保證植物的生長，應使堆肥具有較低的EC值。EC值過高會影響種子（或植物）發芽，尤其是在育苗期。2.5mS/cm的電導率是堆肥可應用于農業的最高限值。

1.6 pH值

pH值是堆肥的重要參數，它會影響堆肥過程中的微生物活動。通常情況下，堆肥初期pH值下降，堆肥后期pH值升高。當pH值超出最佳范圍時，微生物活性就會受到限制。pH值為7～8時，最適合堆肥。但pH值不是決定堆肥穩定性的關鍵因素。

1.7 粒徑

堆肥的粒徑分布很重要，因為它決定了氣水交換量，尤其是持水量。粒徑對維持適當的通氣孔率有很大的影響。用于堆肥的原料粒徑不應太大，否則會影響其分解速度；粒徑也不應太小，否則會形成致密的團塊，并降低堆肥產品的孔隙度。確定粒徑分布的主要方法是篩分，應根據堆肥產品的后續應用領域調節堆肥原料的粒徑分布。

2 堆肥穩定性和成熟度評價指標

堆肥產品大多是作為有機肥或土壤改良劑施用于土壤，影響其利用的關鍵因素是堆肥穩定性和成熟度。施用未充分降解的有機物堆肥，可能會抑制種子發芽、植物生長，甚至產生植物毒性，造成作物損失。因此，形成一套系統指標用于評價堆肥穩定性和成熟度對堆肥應用具有重要意義。

2.1 堆肥穩定性評價指標

目前普遍接受的堆肥穩定性是指有機物分解的速率或程度，表示為微生物活性的函數，并通過呼吸測量或研究堆肥有機物化學特性的變化進行評估[4]。消耗的O2、產生的CO2及熱量常用于評定堆肥的穩定性，該數據是由堆肥底物的微生物降解所得，可在一定程度上反映有機質的降解率[5]。由于大多數微生物代謝發生在水溶性階段，可溶性有機物（DOM）代表堆肥中最活躍的有機部分，DOM對堆肥過程中的微生物活性和養分運輸起重要作用。DOM的變化可以反映有機物的轉化進度，DOM的質量和數量影響微生物群落的分解和功能，其濃度和組成可以有效反映最終堆肥的穩定性和成熟過程；同時，微生物群落也影響DOM的轉化。DOM是低分子量化合物（例如游離氨基酸和糖）和高分子量化合物（例如多酚和類腐殖質）的復雜混合物，由于混合物種類繁多，其結構和組成是很難明確表征的。通常通過不同的技術手段（如元素分析、紫外可見光譜、傅立葉變換紅外光譜和熒光光譜等）分析DOM的組成、功能、結構、化學和光譜特征。

由于堆肥原料大多含有秸稈等木質纖維類材料，所以纖維的含量（纖維素、半纖維素和木質素的含量）也被用于評判原料堆肥的穩定程度。還有的研究者提出一種有機物穩定指數評定標準，采用分離方法將堆肥中的有機質（OM）分開，已發現不穩定和難降解有機質的化學分區與土壤溫育后的碳保留和降解相對應。

2.2 堆肥成熟度評價指標

堆肥成熟度是指在主動堆肥階段產生植物毒性的有機物質的分解程度，通常通過植物或種子生物測定法進行評估。但實際上，植物毒性也可能是由其他因素（如大量游離氨、過量的可溶性鹽、高重金屬濃度以及某些有機酸）引起的，這可能導致在定義堆肥成熟度時產生混淆，并限制了對堆肥成熟度進行植物毒性測試。因此，堆肥過程中的一些化學參數變化被認為是有效評估堆肥熟化程度的指示器。

3 堆肥應用

3.1 堆肥用作肥料或土壤改良劑

堆肥營養成分非常豐富，被稱為“全肥料”，長期以來一直用作土壤改良劑。Fagnano等人[6]使用城市固體垃圾制成的堆肥來評估其施肥能力以及農藝對植物生長的影響，發現堆肥能夠通過循環再利用來恢復土壤肥力并解決廢棄物問題，用有機廢棄物部分制成的堆肥對提高作物產量具有積極影響，表明堆肥長期應用有良好的肥力。這是因為高有機質含量的堆肥可以通過作用于根系中與膜結合的H+-ATP酶來充當植物生長促進劑，能顯著降低土壤pH值，提高養分吸收率。在Grigatti等人[7]的一項研究中發現，采用厭氧消化工藝，用餐廚垃圾堆肥，可以減少CO2排放，所得堆肥可用作土壤改良劑。

堆肥的營養成分主要來自于堆肥原料，原材料的不同導致堆肥產物具有不同的特性和目標用途。與用作肥料相比，較低養分含量的堆肥作為土壤改良劑的價值更大。例如：食物垃圾堆肥氮含量較高，適合用作肥料；而牛糞堆肥適合用作土壤改良劑。

3.2 堆肥能源化應用

堆肥能源化利用途徑如下：一是回收堆肥高溫階段釋放的熱量用作可再生能源，二是利用堆肥產物進行能源生產。能源化利用可以為低質量堆肥和過量生產的堆肥提供新用途。

在堆肥過程中，作為有機物一部分的可燃物質被分解，含水量發生變化，導致燃料性質發生變化，隨著灰分含量的增加，材料的總能量會降低；但大多數可燃物保留在堆肥中，可生成高能堆肥用以直接燃燒、熱解或氣化[8]。有研究對菌渣堆肥（SMC）作為能源的潛力進行評估，發現SMC具有與污水污泥（在無塵灰基礎上）類似的熱值；還進行了SMC生產顆粒燃料技術的研究，包括確定顆粒參數、鑒定合適的粘合劑、熱處理技術比較和基于成本分析的經濟可行性等，發現顆粒和SMC的燃燒是自我維持的，可產生足夠的溫度以產生有用的熱量，進而可提高燃燒效率[9-10]。

此外，Raclavska等[11]已經證明了使用不滿足農業和土地開墾要求的堆肥作為總熱值高于10MJ/kg干物質的替代燃料的可能性。Zajonc等[12]評估了堆肥的能量特性，研究發現纖維素含量高的成分（例如廢紙板）可以消除堆肥過程中的碳損失，降低堆肥干物質中具有一定風險的元素總含量。

但是，關于堆肥能源化應用的研究大多僅限于對于堆肥作為能源的潛力的分析和評估，原因是其處理成本遠高于垃圾填埋及焚燒；同時，堆肥能源化應用技術水平也有待提高。應進一步研究如何提高燃燒效率，減輕堆肥作為固體燃料的環境污染；還應優化燃燒系統的工藝設計，以解決燃燒過程中出現的問題，包括有害氣體的排放和灰分的積累等。

4 結論

廢棄物數量的不斷增加一直是全球性的危機，迫切需要一種可持續且具有成本效益的戰略來減輕大規模廢棄物處理所造成的污染。堆肥法是對環境影響較小、環保且廉價的廢棄物處理方法之一，但堆肥工藝的發展面臨著各種挑戰。首先，堆肥的質量在很大程度上取決于所使用的原材料。根據收集系統的不同，堆肥前廢棄物中可能會有很大一部分惰性材料，在處理過程中原料被粉碎成碎片，這些雜質將保留在混合物中，并隨后留在堆肥材料中影響堆肥質量。因此，收集的廢棄物需要采取適當的分離方案（如分選）以消除雜質。此外，諸如通氣率、水分含量、pH值、顆粒大小等因素也會影響堆肥過程，因此，必須根據原料特性對這些參數進行適當控制，以防止氣味散發，污染環境。

堆肥質量的控制主要針對堆肥作為肥料和土壤改良劑這一應用。堆肥模式及堆肥反應設備需要進一步改進，以確保堆肥產品符合后續堆肥應用的條件。另外，堆肥過程通常需要很長時間（從兩個月到一年不等），為了增強堆肥實用性，應改進堆肥技術，縮短堆肥時間。