劉穎 付菁菁 盧月

0 引言

堆肥是處理有機(jī)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(chǎn)生堆肥、水、二氧化碳和熱量。堆肥產(chǎn)品富含腐殖質(zhì)，是有機(jī)肥料和土壤改良劑的潛在來源。

堆肥產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)乎其應(yīng)用對農(nóng)業(yè)和環(huán)境的影響。堆肥應(yīng)對植物友好，對土壤友好，對環(huán)境友好，對社會負(fù)責(zé)。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(yīng)承擔(dān)社會責(zé)任。例如：產(chǎn)品應(yīng)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(nóng)作物秸稈、糞污等。通常使用穩(wěn)定性和成熟度來判定堆肥的質(zhì)量。堆肥穩(wěn)定性與有機(jī)物轉(zhuǎn)化過程有關(guān)；成熟度關(guān)系到使用安全，與植物毒性的存在相關(guān)。

本文基于堆肥技術(shù)應(yīng)用，分析了影響堆肥過程的關(guān)鍵因素以及堆肥穩(wěn)定性和成熟度評價指標(biāo)，并結(jié)合堆肥產(chǎn)品的應(yīng)用現(xiàn)狀，對堆肥發(fā)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(tài)直接相關(guān)，曝氣速率會影響堆肥理化特性（水分、有機(jī)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(jìn)有機(jī)廢物的熱分解。因此，曝氣是影響堆肥穩(wěn)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(shè)管道通氣、強(qiáng)制通氣（使用鼓風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)等）。

1.2 溫度

溫度是監(jiān)測堆肥過程的主要參數(shù)之一，它會影響有機(jī)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(xì)菌控制。有機(jī)物對人類和動物構(gòu)成健康風(fēng)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(xù)三天以上，則堆肥中將沒有雜草種子和病原體。堆肥最優(yōu)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(dǎo)致該過程停止；同時，堆肥過熱還可能會引起火災(zāi)。

1.3 碳氮比（C/N）

在堆肥過程中，微生物分解有機(jī)化合物獲得代謝所需的能量并獲取養(yǎng)分以維持其種群數(shù)量。C、N、P和K是堆肥中微生物所需的主要養(yǎng)分，其中C和N最關(guān)鍵。C被用作能源，N被用于構(gòu)建細(xì)胞結(jié)構(gòu)。C在生物氧化過程中以CO2的形式損失掉。當(dāng)N含量受限時，微生物生長會減少，從而導(dǎo)致可用碳緩慢分解。當(dāng)N含量超出微生物種群要求時，過量的N揮發(fā)為氨氣。因此，碳氮比是判定有機(jī)物分解程度的指標(biāo)［3］。對于主動堆肥而言，25～30：1是較優(yōu)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(chǎn)生不良?xì)馕?，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(yōu)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(zhì)纖維基的農(nóng)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(jiān)測堆肥過程的關(guān)鍵參數(shù)，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(xué)特性和生物學(xué)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(biāo)。極低的水分可導(dǎo)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(chǎn)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(dǎo)率（EC）

電導(dǎo)率（EC）反映了一種有機(jī)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(zhì)量。在堆肥過程中，由于有機(jī)物的分解，鹽的濃度不可避免地增加了。有機(jī)鹽轉(zhuǎn)化形成無機(jī)鹽是EC增加的可能原因，但氨的揮發(fā)和無機(jī)鹽的沉淀也可導(dǎo)致EC降低。堆肥產(chǎn)品最終要施用于土壤，作用于植物。為保證植物的生長，應(yīng)使堆肥具有較低的EC值。EC值過高會影響種子（或植物）發(fā)芽，尤其是在育苗期。2.5mS/cm的電導(dǎo)率是堆肥可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的最高限值。

1.6 pH值

pH值是堆肥的重要參數(shù)，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(dāng)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(wěn)定性的關(guān)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(dāng)?shù)耐饪茁视泻艽蟮挠绊?。用于堆肥的原料粒徑不?yīng)太大，否則會影響其分解速度；粒徑也不應(yīng)太小，否則會形成致密的團(tuán)塊，并降低堆肥產(chǎn)品的孔隙度。確定粒徑分布的主要方法是篩分，應(yīng)根據(jù)堆肥產(chǎn)品的后續(xù)應(yīng)用領(lǐng)域調(diào)節(jié)堆肥原料的粒徑分布。

2 堆肥穩(wěn)定性和成熟度評價指標(biāo)

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

2.1 堆肥穩(wěn)定性評價指標(biāo)

目前普遍接受的堆肥穩(wěn)定性是指有機(jī)物分解的速率或程度，表示為微生物活性的函數(shù)，并通過呼吸測量或研究堆肥有機(jī)物化學(xué)特性的變化進(jìn)行評估[4]。消耗的O2、產(chǎn)生的CO2及熱量常用于評定堆肥的穩(wěn)定性，該數(shù)據(jù)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(jī)質(zhì)的降解率[5]。由于大多數(shù)微生物代謝發(fā)生在水溶性階段，可溶性有機(jī)物（DOM）代表堆肥中最活躍的有機(jī)部分，DOM對堆肥過程中的微生物活性和養(yǎng)分運輸起重要作用。DOM的變化可以反映有機(jī)物的轉(zhuǎn)化進(jìn)度，DOM的質(zhì)量和數(shù)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(wěn)定性和成熟過程；同時，微生物群落也影響DOM的轉(zhuǎn)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(zhì)）的復(fù)雜混合物，由于混合物種類繁多，其結(jié)構(gòu)和組成是很難明確表征的。通常通過不同的技術(shù)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(jié)構(gòu)、化學(xué)和光譜特征。

由于堆肥原料大多含有秸稈等木質(zhì)纖維類材料，所以纖維的含量（纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量）也被用于評判原料堆肥的穩(wěn)定程度。還有的研究者提出一種有機(jī)物穩(wěn)定指數(shù)評定標(biāo)準(zhǔn)，采用分離方法將堆肥中的有機(jī)質(zhì)（OM）分開，已發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定和難降解有機(jī)質(zhì)的化學(xué)分區(qū)與土壤溫育后的碳保留和降解相對應(yīng)。

2.2 堆肥成熟度評價指標(biāo)

堆肥成熟度是指在主動堆肥階段產(chǎn)生植物毒性的有機(jī)物質(zhì)的分解程度，通常通過植物或種子生物測定法進(jìn)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(jī)酸）引起的，這可能導(dǎo)致在定義堆肥成熟度時產(chǎn)生混淆，并限制了對堆肥成熟度進(jìn)行植物毒性測試。因此，堆肥過程中的一些化學(xué)參數(shù)變化被認(rèn)為是有效評估堆肥熟化程度的指示器。

3 堆肥應(yīng)用

3.1 堆肥用作肥料或土壤改良劑

堆肥營養(yǎng)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(nóng)藝對植物生長的影響，發(fā)現(xiàn)堆肥能夠通過循環(huán)再利用來恢復(fù)土壤肥力并解決廢棄物問題，用有機(jī)廢棄物部分制成的堆肥對提高作物產(chǎn)量具有積極影響，表明堆肥長期應(yīng)用有良好的肥力。這是因為高有機(jī)質(zhì)含量的堆肥可以通過作用于根系中與膜結(jié)合的H+-ATP酶來充當(dāng)植物生長促進(jìn)劑，能顯著降低土壤pH值，提高養(yǎng)分吸收率。在Grigatti等人[7]的一項研究中發(fā)現(xiàn)，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(yǎng)成分主要來自于堆肥原料，原材料的不同導(dǎo)致堆肥產(chǎn)物具有不同的特性和目標(biāo)用途。與用作肥料相比，較低養(yǎng)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(yīng)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(chǎn)物進(jìn)行能源生產(chǎn)。能源化利用可以為低質(zhì)量堆肥和過量生產(chǎn)的堆肥提供新用途。

在堆肥過程中，作為有機(jī)物一部分的可燃物質(zhì)被分解，含水量發(fā)生變化，導(dǎo)致燃料性質(zhì)發(fā)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(shù)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(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)SMC具有與污水污泥（在無塵灰基礎(chǔ)上）類似的熱值；還進(jìn)行了SMC生產(chǎn)顆粒燃料技術(shù)的研究，包括確定顆粒參數(shù)、鑒定合適的粘合劑、熱處理技術(shù)比較和基于成本分析的經(jīng)濟(jì)可行性等，發(fā)現(xiàn)顆粒和SMC的燃燒是自我維持的，可產(chǎn)生足夠的溫度以產(chǎn)生有用的熱量，進(jìn)而可提高燃燒效率[9-10]。

此外，Raclavska等[11]已經(jīng)證明了使用不滿足農(nóng)業(yè)和土地開墾要求的堆肥作為總熱值高于10MJ/kg干物質(zhì)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(fā)現(xiàn)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(zhì)中具有一定風(fēng)險的元素總含量。

但是，關(guān)于堆肥能源化應(yīng)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(yuǎn)高于垃圾填埋及焚燒；同時，堆肥能源化應(yīng)用技術(shù)水平也有待提高。應(yīng)進(jìn)一步研究如何提高燃燒效率，減輕堆肥作為固體燃料的環(huán)境污染；還應(yīng)優(yōu)化燃燒系統(tǒng)的工藝設(shè)計，以解決燃燒過程中出現(xiàn)的問題，包括有害氣體的排放和灰分的積累等。

4 結(jié)論

廢棄物數(shù)量的不斷增加一直是全球性的危機(jī)，迫切需要一種可持續(xù)且具有成本效益的戰(zhàn)略來減輕大規(guī)模廢棄物處理所造成的污染。堆肥法是對環(huán)境影響較小、環(huán)保且廉價的廢棄物處理方法之一，但堆肥工藝的發(fā)展面臨著各種挑戰(zhàn)。首先，堆肥的質(zhì)量在很大程度上取決于所使用的原材料。根據(jù)收集系統(tǒng)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(zhì)將保留在混合物中，并隨后留在堆肥材料中影響堆肥質(zhì)量。因此，收集的廢棄物需要采取適當(dāng)?shù)姆蛛x方案（如分選）以消除雜質(zhì)。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(jù)原料特性對這些參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)控制，以防止氣味散發(fā)，污染環(huán)境。

堆肥質(zhì)量的控制主要針對堆肥作為肥料和土壤改良劑這一應(yīng)用。堆肥模式及堆肥反應(yīng)設(shè)備需要進(jìn)一步改進(jìn)，以確保堆肥產(chǎn)品符合后續(xù)堆肥應(yīng)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(qiáng)堆肥實用性，應(yīng)改進(jìn)堆肥技術(shù)，縮短堆肥時間。