堆肥稳定性和成熟度评价指标及堆肥应用现状

刘颖 付菁菁 卢月

0 引言

堆肥是处理有机废弃物的有效途径之一。堆肥过程中，通过微生物的活动降低废弃物中有害污染物的浓度，产生堆肥、水、二氧化碳和热量。堆肥产品富含腐殖质，是有机肥料和土壤改良剂的潜在来源。

堆肥产品质量关乎其应用对农业和环境的影响。堆肥应对植物友好，对土壤友好，对环境友好，对社会负责。堆肥是否“友好”主要看堆肥是否有植物毒性、种子杂草以及是否存在有害元素和污染物。就堆肥使用而言，堆肥的使用应承担社会责任。例如：产品应不含病原体，以免对植物和人类生存造成不利影响。

堆肥原料很多，包括园林废弃物、城市固体废弃物、污水污泥、农作物秸秆、粪污等。通常使用稳定性和成熟度来判定堆肥的质量。堆肥稳定性与有机物转化过程有关；成熟度关系到使用安全，与植物毒性的存在相关。

本文基于堆肥技术应用，分析了影响堆肥过程的关键因素以及堆肥稳定性和成熟度评价指标，并结合堆肥产品的应用现状，对堆肥发展前景提出展望。

1 堆肥影响因素

1.1 曝气

堆肥效率受O2水平影响很大，因为堆肥过程与微生物种群动态直接相关，曝气速率会影响堆肥理化特性（水分、有机物含量、温度、pH值等）和微生物活性，曝气有助于维持堆肥温度以促进有机废物的热分解。因此，曝气是影响堆肥稳定性的主要因素。为了确保堆肥原料有足够的通气，常用如下方法：定时翻动堆体原料、铺设管道通气、强制通气（使用鼓风机、空气压缩机等）。

1.2 温度

温度是监测堆肥过程的主要参数之一，它会影响有机物的降解速率、堆肥理化特性以及对堆肥微生物的生物利用度。堆肥是一个放热过程[1]。Lazcano等[2]提出了温度演化的两个阶段：亲热阶段（活跃阶段）和成熟阶段（以温度下降为特征）。堆肥的活跃期主要由细菌控制。有机物对人类和动物构成健康风险是因为它们含有病原性生物（粪便大肠菌、肠道寄生虫等）。温度高于55℃时有助于消除寄生虫和病原体[1]。若嗜热阶段持续三天以上，则堆肥中将没有杂草种子和病原体。堆肥最优温度介于40～60℃之间，温度不得超过60℃，过多的热量会杀死几乎所有微生物并导致该过程停止；同时，堆肥过热还可能会引起火灾。

1.3 碳氮比（C/N）

在堆肥过程中，微生物分解有机化合物获得代谢所需的能量并获取养分以维持其种群数量。C、N、P和K是堆肥中微生物所需的主要养分，其中C和N最关键。C被用作能源，N被用于构建细胞结构。C在生物氧化过程中以CO2的形式损失掉。当N含量受限时，微生物生长会减少，从而导致可用碳缓慢分解。当N含量超出微生物种群要求时，过量的N挥发为氨气。因此，碳氮比是判定有机物分解程度的指标［3］。对于主动堆肥而言，25～30：1是较优的碳氮比。碳氮比过低，N过量提供会以氨气形式损失，从而产生不良气味，同时会释放出大量可溶性碱性盐，不利于植物生长；碳氮比过高意味着没有足够的N来优化微生物的生长，会使堆肥分解速度缓慢。通常在堆肥前添加稻壳、木屑、锯末和花生壳等含木质纤维基的农林废弃物以提高堆肥前的孔隙率和原料碳氮比，可控制堆肥过程中的臭气排放。

1.4 水分

水分是监测堆肥过程的关键参数，它会影响O2的吸收率、自由通气孔隙、微生物活性和温度等。有效堆肥的最佳含水率取决于堆肥原料的具体物理化学特性和生物学特性。堆肥过程中水分的流失量可以视为评判分解速率的有力指标。极低的水分可导致堆肥过程中脱水，并可能阻碍生物过程；水分过高可能会形成水渍，并可能产生厌氧条件，从而停止活跃的堆肥活动。原料的最佳含水量为40%～60%。

1.5 电导率（EC）

电导率（EC）反映了一种有机修正的盐度，表示堆肥的总含盐量，可反映用作肥料的堆肥质量。在堆肥过程中，由于有机物的分解，盐的浓度不可避免地增加了。有机盐转化形成无机盐是EC增加的可能原因，但氨的挥发和无机盐的沉淀也可导致EC降低。堆肥产品最终要施用于土壤，作用于植物。为保证植物的生长，应使堆肥具有较低的EC值。EC值过高会影响种子（或植物）发芽，尤其是在育苗期。2.5mS/cm的电导率是堆肥可应用于农业的最高限值。

1.6 pH值

pH值是堆肥的重要参数，它会影响堆肥过程中的微生物活动。通常情况下，堆肥初期pH值下降，堆肥后期pH值升高。当pH值超出最佳范围时，微生物活性就会受到限制。pH值为7～8时，最适合堆肥。但pH值不是决定堆肥稳定性的关键因素。

1.7 粒径

堆肥的粒径分布很重要，因为它决定了气水交换量，尤其是持水量。粒径对维持适当的通气孔率有很大的影响。用于堆肥的原料粒径不应太大，否则会影响其分解速度；粒径也不应太小，否则会形成致密的团块，并降低堆肥产品的孔隙度。确定粒径分布的主要方法是筛分，应根据堆肥产品的后续应用领域调节堆肥原料的粒径分布。

2 堆肥稳定性和成熟度评价指标

堆肥产品大多是作为有机肥或土壤改良剂施用于土壤，影响其利用的关键因素是堆肥稳定性和成熟度。施用未充分降解的有机物堆肥，可能会抑制种子发芽、植物生长，甚至产生植物毒性，造成作物损失。因此，形成一套系统指标用于评价堆肥稳定性和成熟度对堆肥应用具有重要意义。

2.1 堆肥稳定性评价指标

目前普遍接受的堆肥稳定性是指有机物分解的速率或程度，表示为微生物活性的函数，并通过呼吸测量或研究堆肥有机物化学特性的变化进行评估[4]。消耗的O2、产生的CO2及热量常用于评定堆肥的稳定性，该数据是由堆肥底物的微生物降解所得，可在一定程度上反映有机质的降解率[5]。由于大多数微生物代谢发生在水溶性阶段，可溶性有机物（DOM）代表堆肥中最活跃的有机部分，DOM对堆肥过程中的微生物活性和养分运输起重要作用。DOM的变化可以反映有机物的转化进度，DOM的质量和数量影响微生物群落的分解和功能，其浓度和组成可以有效反映最终堆肥的稳定性和成熟过程；同时，微生物群落也影响DOM的转化。DOM是低分子量化合物（例如游离氨基酸和糖）和高分子量化合物（例如多酚和类腐殖质）的复杂混合物，由于混合物种类繁多，其结构和组成是很难明确表征的。通常通过不同的技术手段（如元素分析、紫外可见光谱、傅立叶变换红外光谱和荧光光谱等）分析DOM的组成、功能、结构、化学和光谱特征。

由于堆肥原料大多含有秸秆等木质纤维类材料，所以纤维的含量（纤维素、半纤维素和木质素的含量）也被用于评判原料堆肥的稳定程度。还有的研究者提出一种有机物稳定指数评定标准，采用分离方法将堆肥中的有机质（OM）分开，已发现不稳定和难降解有机质的化学分区与土壤温育后的碳保留和降解相对应。

2.2 堆肥成熟度评价指标

堆肥成熟度是指在主动堆肥阶段产生植物毒性的有机物质的分解程度，通常通过植物或种子生物测定法进行评估。但实际上，植物毒性也可能是由其他因素（如大量游离氨、过量的可溶性盐、高重金属浓度以及某些有机酸）引起的，这可能导致在定义堆肥成熟度时产生混淆，并限制了对堆肥成熟度进行植物毒性测试。因此，堆肥过程中的一些化学参数变化被认为是有效评估堆肥熟化程度的指示器。

3 堆肥应用

3.1 堆肥用作肥料或土壤改良剂

堆肥营养成分非常丰富，被称为“全肥料”，长期以来一直用作土壤改良剂。Fagnano等人[6]使用城市固体垃圾制成的堆肥来评估其施肥能力以及农艺对植物生长的影响，发现堆肥能够通过循环再利用来恢复土壤肥力并解决废弃物问题，用有机废弃物部分制成的堆肥对提高作物产量具有积极影响，表明堆肥长期应用有良好的肥力。这是因为高有机质含量的堆肥可以通过作用于根系中与膜结合的H+-ATP酶来充当植物生长促进剂，能显著降低土壤pH值，提高养分吸收率。在Grigatti等人[7]的一项研究中发现，采用厌氧消化工艺，用餐厨垃圾堆肥，可以减少CO2排放，所得堆肥可用作土壤改良剂。

堆肥的营养成分主要来自于堆肥原料，原材料的不同导致堆肥产物具有不同的特性和目标用途。与用作肥料相比，较低养分含量的堆肥作为土壤改良剂的价值更大。例如：食物垃圾堆肥氮含量较高，适合用作肥料；而牛粪堆肥适合用作土壤改良剂。

3.2 堆肥能源化应用

堆肥能源化利用途径如下：一是回收堆肥高温阶段释放的热量用作可再生能源，二是利用堆肥产物进行能源生产。能源化利用可以为低质量堆肥和过量生产的堆肥提供新用途。

在堆肥过程中，作为有机物一部分的可燃物质被分解，含水量发生变化，导致燃料性质发生变化，随着灰分含量的增加，材料的总能量会降低；但大多数可燃物保留在堆肥中，可生成高能堆肥用以直接燃烧、热解或气化[8]。有研究对菌渣堆肥（SMC）作为能源的潜力进行评估，发现SMC具有与污水污泥（在无尘灰基础上）类似的热值；还进行了SMC生产颗粒燃料技术的研究，包括确定颗粒参数、鉴定合适的粘合剂、热处理技术比较和基于成本分析的经济可行性等，发现颗粒和SMC的燃烧是自我维持的，可产生足够的温度以产生有用的热量，进而可提高燃烧效率[9-10]。

此外，Raclavska等[11]已经证明了使用不满足农业和土地开垦要求的堆肥作为总热值高于10MJ/kg干物质的替代燃料的可能性。Zajonc等[12]评估了堆肥的能量特性，研究发现纤维素含量高的成分（例如废纸板）可以消除堆肥过程中的碳损失，降低堆肥干物质中具有一定风险的元素总含量。

但是，关于堆肥能源化应用的研究大多仅限于对于堆肥作为能源的潜力的分析和评估，原因是其处理成本远高于垃圾填埋及焚烧；同时，堆肥能源化应用技术水平也有待提高。应进一步研究如何提高燃烧效率，减轻堆肥作为固体燃料的环境污染；还应优化燃烧系统的工艺设计，以解决燃烧过程中出现的问题，包括有害气体的排放和灰分的积累等。

4 结论

废弃物数量的不断增加一直是全球性的危机，迫切需要一种可持续且具有成本效益的战略来减轻大规模废弃物处理所造成的污染。堆肥法是对环境影响较小、环保且廉价的废弃物处理方法之一，但堆肥工艺的发展面临着各种挑战。首先，堆肥的质量在很大程度上取决于所使用的原材料。根据收集系统的不同，堆肥前废弃物中可能会有很大一部分惰性材料，在处理过程中原料被粉碎成碎片，这些杂质将保留在混合物中，并随后留在堆肥材料中影响堆肥质量。因此，收集的废弃物需要采取适当的分离方案（如分选）以消除杂质。此外，诸如通气率、水分含量、pH值、颗粒大小等因素也会影响堆肥过程，因此，必须根据原料特性对这些参数进行适当控制，以防止气味散发，污染环境。

堆肥质量的控制主要针对堆肥作为肥料和土壤改良剂这一应用。堆肥模式及堆肥反应设备需要进一步改进，以确保堆肥产品符合后续堆肥应用的条件。另外，堆肥过程通常需要很长时间（从两个月到一年不等），为了增强堆肥实用性，应改进堆肥技术，缩短堆肥时间。