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摘 要:腐熟度参数及其指标是评价堆肥过程及堆肥产品质量的重要尺度。由于堆肥是一个复杂的动力学和生物学过程,堆肥时间、堆肥原材料的性质与结构以及所有影响堆肥的因素均会影响堆肥腐熟度指标的建立及评价。
关键词:好氧发酵腐熟度指标
中图分类号:S141.4 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)07(c)-0125-01
堆肥化(Composting)是在微生物作用下通过高温发酵使有机物矿质化、腐殖化和无害化而变成腐熟肥料的过程,在微生物分解有机物的过程中,不但生成大量可被植物利用的有效态氮、磷、钾化合物,而且又合成新的高分子有机物—腐殖质,它是构成土壤肥力的重要活性物质。堆肥化可分为好氧发酵和厌氧发酵,好氧发酵又称高温发酵,由于高温发酵具有耗时短、异味少、有机物分解充分等突出优点,目前正成为研究开发的热点。
腐熟度是堆肥腐熟的程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。腐熟度参数及其指标是评价堆肥过程及堆肥产品质量的重要尺度。由于堆肥是一个复杂的动力学和生物学过程,堆肥时间、堆肥原材料的性质与结构以及所有影响堆肥的因素均会影响堆肥腐熟度指标的建立及评价。
关于好氧发酵腐熟度的参数及评价指标的研究,已有大量工作报道,也提出了许多评价的方法,主要有物理学指标、化学指标和生物学指标。
1物理学指标
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。
2化学指标
化学指标指的是通过化学方法分析堆肥的各项性质来确定堆肥腐熟度的一项方法。化学指标中目前较为常用的有:阳离子交换量(CEC),碳氮比,水溶性含氮化合物(铵态氮、硝态氮),腐殖化指标和有机酸的变化,光谱学分析等。
2.1 阳离子交换量(CEC)
Inbar(1990)等对污泥好氧堆肥的研究发现,CEC随着腐殖化过程的进行而逐渐增加,Harada(1981)等对城市垃圾堆肥的研究中也有同样的发现。Jimenez(1991)等以城市垃圾和污泥为原料进行堆肥实验时认为CEC高于60cmol/kg,(以灰分记)且C/N(水相)小于6时堆肥已腐熟。而Garcia(1992)等研究了不同堆肥原料的堆肥过程,由于堆肥原料的不同,腐熟堆肥的CEC值在41.4～123cmol/kg之间,变化范围很大,且某些堆肥原料,初始的CEC值就大于60cmol/kg,由此可见CEC的适用性还有待进一步研究。
2.2碳氮比
吴银宝(2003)等在研究猪粪堆肥腐熟度时发现,当起始固相C/N从30降至20比1以下时堆肥已基本腐熟。Guluoede(1981)指出腐熟的堆肥其碳氮比应小于20。Morel(1985)则认为由于各种堆肥底物碳氮比本身存在差异,不能单纯从碳氮比降低到某个值作为堆肥的一个腐熟指標,认为用堆肥的终点碳氮比与起始碳氮比的比值才更能说明问题,经过研究他将这一值定在0.6。
2.3 水溶性含氮化合物
Chanyasak等(1999)对垃圾、污泥、畜牧业废物等12种不同堆料进行堆肥试验,认为水溶性有机碳/有机氮在5～6时堆肥达腐熟。Hue等(1995)建议使用水溶性有机碳/总有机氮作为评价指标,提出水溶性有机碳/总有机氮小于0.70作为腐熟参考标准。张桥等(2004)提出水溶性碳与水溶性铵态氮之比值作为堆肥腐熟度的一个新的复合指标,并认为当其比值大于9时堆肥己基本腐熟。
2.4 腐殖化指标
根据堆肥在酸、碱中的溶解性质,可将堆肥中的腐殖质划分为:腐殖酸(HS),胡敏酸(HA),富里酸(FA),胡敏素(NFA)及非腐殖质成分NHF,它们的含量多少通常以含碳量表示。
有机质的腐殖化程度可通过以下参数来表示:腐殖化率HR[humification ratio,HR=(HA十FA)×100/TOC,TOC为总有机碳]、腐殖化指数HI(humification index,HI=HA/FA)、胡敏酸的百分含量HP(HP=HA×100/HS)及腐殖化度DH(DH%=(CHA+CFA)/TEC×100)。
Hue(1995)等人用造纸污水与稻草堆肥的试验并对实验结果进行了检验分析表明:腐殖化指数(HI)适合作城市垃圾堆肥的腐殖质物质含量的指标,并且以CHA/CFA表示的HI与C/N比表示出了很好的相关性(p=0.01)经可靠性检验的数据表明:可以作为评价堆肥腐熟度的HI最小值是1.40。
3生物学指标
3.1 酶学分析
堆肥过程中,多种氧化还原酶和水解酶与C、N、P等基础物质代谢密切相关。分析相关的酶活力,可间接反映微生物的代谢活性和酶特定底物的变化情况。Breimerls(1982)等分析了污泥堆肥中尿酶、磷酸酶、蛋白酶、酩蛋白水解酶的活性变化。结果表明,水解酶的较高活性反映了堆肥的降解代谢过程,较低活性时反映堆肥的腐熟度。这与CO2的释放和ATP浓度变化是一致的。
3.2 种子发芽试验
从堆肥腐熟的实用意义,植物生长实验应是评价堆肥腐熟度最终和最具有说服力的方法。植物毒性是堆肥腐熟状况最直观的指标,许多研究者都是在以植物毒性的基础上来筛选其它的腐熟指标的。而测量植物毒性最简便的方法就是测量种子的发芽力。Zucconi(1981)等提出许多植物种子在堆肥原料和未腐熟堆肥的萃取液中生长受到抑制,而在腐熟堆肥的萃取液中生长得到促进,并以种子发芽指数GI(Germination Index)=(浸提液种子发芽率*发芽长度)/(空白液种子发芽率*发芽长度),来评价堆肥腐熟度,认为当GI大于50%时堆肥己达腐熟,GI大于85%时堆肥己完全腐熟。国内外许多专家学者都对此表示了极大程度上的认可,纷纷采用这种方法对堆肥腐熟度进行评价,并以此为参数筛选其它的腐熟指标。采用种子发芽指数评价堆肥腐熟度的方法,虽然会因堆肥原料、供试种子不同而不同,但却是目前被广泛接受和应用的。
参考文献
[1] 吴银宝,汪植三,寥新佛等.2003.猪粪堆肥腐熟指标的研究[N].农业环境科学学报,22(2):189～193.
[2] 张桥,吴启堂,黄焕忠等.2004.城市污泥与稻草堆肥的腐熟度指标研究[N].农业环境科学学报,23(4):782～786.
关键词:好氧发酵腐熟度指标
中图分类号:S141.4 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)07(c)-0125-01
堆肥化(Composting)是在微生物作用下通过高温发酵使有机物矿质化、腐殖化和无害化而变成腐熟肥料的过程,在微生物分解有机物的过程中,不但生成大量可被植物利用的有效态氮、磷、钾化合物,而且又合成新的高分子有机物—腐殖质,它是构成土壤肥力的重要活性物质。堆肥化可分为好氧发酵和厌氧发酵,好氧发酵又称高温发酵,由于高温发酵具有耗时短、异味少、有机物分解充分等突出优点,目前正成为研究开发的热点。
腐熟度是堆肥腐熟的程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。腐熟度参数及其指标是评价堆肥过程及堆肥产品质量的重要尺度。由于堆肥是一个复杂的动力学和生物学过程,堆肥时间、堆肥原材料的性质与结构以及所有影响堆肥的因素均会影响堆肥腐熟度指标的建立及评价。
关于好氧发酵腐熟度的参数及评价指标的研究,已有大量工作报道,也提出了许多评价的方法,主要有物理学指标、化学指标和生物学指标。
1物理学指标
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。
2化学指标
化学指标指的是通过化学方法分析堆肥的各项性质来确定堆肥腐熟度的一项方法。化学指标中目前较为常用的有:阳离子交换量(CEC),碳氮比,水溶性含氮化合物(铵态氮、硝态氮),腐殖化指标和有机酸的变化,光谱学分析等。
2.1 阳离子交换量(CEC)
Inbar(1990)等对污泥好氧堆肥的研究发现,CEC随着腐殖化过程的进行而逐渐增加,Harada(1981)等对城市垃圾堆肥的研究中也有同样的发现。Jimenez(1991)等以城市垃圾和污泥为原料进行堆肥实验时认为CEC高于60cmol/kg,(以灰分记)且C/N(水相)小于6时堆肥已腐熟。而Garcia(1992)等研究了不同堆肥原料的堆肥过程,由于堆肥原料的不同,腐熟堆肥的CEC值在41.4～123cmol/kg之间,变化范围很大,且某些堆肥原料,初始的CEC值就大于60cmol/kg,由此可见CEC的适用性还有待进一步研究。
2.2碳氮比
吴银宝(2003)等在研究猪粪堆肥腐熟度时发现,当起始固相C/N从30降至20比1以下时堆肥已基本腐熟。Guluoede(1981)指出腐熟的堆肥其碳氮比应小于20。Morel(1985)则认为由于各种堆肥底物碳氮比本身存在差异,不能单纯从碳氮比降低到某个值作为堆肥的一个腐熟指標,认为用堆肥的终点碳氮比与起始碳氮比的比值才更能说明问题,经过研究他将这一值定在0.6。
2.3 水溶性含氮化合物
Chanyasak等(1999)对垃圾、污泥、畜牧业废物等12种不同堆料进行堆肥试验,认为水溶性有机碳/有机氮在5～6时堆肥达腐熟。Hue等(1995)建议使用水溶性有机碳/总有机氮作为评价指标,提出水溶性有机碳/总有机氮小于0.70作为腐熟参考标准。张桥等(2004)提出水溶性碳与水溶性铵态氮之比值作为堆肥腐熟度的一个新的复合指标,并认为当其比值大于9时堆肥己基本腐熟。
2.4 腐殖化指标
根据堆肥在酸、碱中的溶解性质,可将堆肥中的腐殖质划分为:腐殖酸(HS),胡敏酸(HA),富里酸(FA),胡敏素(NFA)及非腐殖质成分NHF,它们的含量多少通常以含碳量表示。
有机质的腐殖化程度可通过以下参数来表示:腐殖化率HR[humification ratio,HR=(HA十FA)×100/TOC,TOC为总有机碳]、腐殖化指数HI(humification index,HI=HA/FA)、胡敏酸的百分含量HP(HP=HA×100/HS)及腐殖化度DH(DH%=(CHA+CFA)/TEC×100)。
Hue(1995)等人用造纸污水与稻草堆肥的试验并对实验结果进行了检验分析表明:腐殖化指数(HI)适合作城市垃圾堆肥的腐殖质物质含量的指标,并且以CHA/CFA表示的HI与C/N比表示出了很好的相关性(p=0.01)经可靠性检验的数据表明:可以作为评价堆肥腐熟度的HI最小值是1.40。
3生物学指标
3.1 酶学分析
堆肥过程中,多种氧化还原酶和水解酶与C、N、P等基础物质代谢密切相关。分析相关的酶活力,可间接反映微生物的代谢活性和酶特定底物的变化情况。Breimerls(1982)等分析了污泥堆肥中尿酶、磷酸酶、蛋白酶、酩蛋白水解酶的活性变化。结果表明,水解酶的较高活性反映了堆肥的降解代谢过程,较低活性时反映堆肥的腐熟度。这与CO2的释放和ATP浓度变化是一致的。
3.2 种子发芽试验
从堆肥腐熟的实用意义,植物生长实验应是评价堆肥腐熟度最终和最具有说服力的方法。植物毒性是堆肥腐熟状况最直观的指标,许多研究者都是在以植物毒性的基础上来筛选其它的腐熟指标的。而测量植物毒性最简便的方法就是测量种子的发芽力。Zucconi(1981)等提出许多植物种子在堆肥原料和未腐熟堆肥的萃取液中生长受到抑制,而在腐熟堆肥的萃取液中生长得到促进,并以种子发芽指数GI(Germination Index)=(浸提液种子发芽率*发芽长度)/(空白液种子发芽率*发芽长度),来评价堆肥腐熟度,认为当GI大于50%时堆肥己达腐熟,GI大于85%时堆肥己完全腐熟。国内外许多专家学者都对此表示了极大程度上的认可,纷纷采用这种方法对堆肥腐熟度进行评价,并以此为参数筛选其它的腐熟指标。采用种子发芽指数评价堆肥腐熟度的方法,虽然会因堆肥原料、供试种子不同而不同,但却是目前被广泛接受和应用的。
参考文献
[1] 吴银宝,汪植三,寥新佛等.2003.猪粪堆肥腐熟指标的研究[N].农业环境科学学报,22(2):189～193.
[2] 张桥,吴启堂,黄焕忠等.2004.城市污泥与稻草堆肥的腐熟度指标研究[N].农业环境科学学报,23(4):782～786.