城市污水污泥堆肥腐熟度的評(píng)價(jià)

城市污水處理廠的污泥是指處理污水所產(chǎn)生的固態(tài)、半固態(tài)及液態(tài)的廢棄物，含有大量的有機(jī)物、豐富的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物、重金屬以及致病菌和病原菌等，不加處理的任意排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染［１］。隨著城市化的進(jìn)一步發(fā)展，新的污水處理廠將不斷建立，必將產(chǎn)生更大量的污泥。尤其以上海市為例，新建或?qū)⒁�建設(shè)的石洞口、竹園、白龍港污水處理廠均為大型污水處理廠，一旦三大污水處理廠建成并投入滿負(fù)荷運(yùn)行，上海市城市污水處理廠的污泥總量(以含水率80%折算)的預(yù)測(cè)值見表1［２］。由此可見，解決如此大量的污泥的出路問(wèn)題已成為上海市污水處理的當(dāng)務(wù)之急。

表1　上海市城市污水處理廠污泥產(chǎn)量估算

污泥堆肥化的方法是將污泥減量化、無(wú)害化、穩(wěn)定化和資源化融為一體的比較理想的污泥處理方法。既消納污泥，又充分利用了污泥中大量含有植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的氮、磷、鉀及維持植物正常生長(zhǎng)發(fā)育的多種微量元素和能改善土壤結(jié)構(gòu)的有機(jī)質(zhì)，并且有利于污泥的大規(guī)模處理。因此，結(jié)合我國(guó)的國(guó)情，對(duì)污水污泥進(jìn)行堆肥的方法為解決污泥的處置問(wèn)題提供了良好的前景。

1　堆肥腐熟度的評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1　未腐熟堆肥產(chǎn)品的危害

堆肥腐熟度的評(píng)價(jià)是關(guān)系到堆肥的方法能否順利進(jìn)行的最為關(guān)鍵的問(wèn)題之一。未腐熟的產(chǎn)品施用于土壤后，微生物還會(huì)利用土壤間隙中的氧氣繼續(xù)活動(dòng)降解有機(jī)物，從而造成厭氧的環(huán)境，使植物根系缺氧，并產(chǎn)生H2S和NO等氣體。未腐熟的產(chǎn)品中有很高的碳氮比(25∶1或更高) ，造成微生物的氮饑餓而去攝取土壤中的氮，使土壤產(chǎn)生缺氮現(xiàn)象。并且在微生物的持續(xù)降解活動(dòng)中還會(huì)產(chǎn)生作為副產(chǎn)品的各種有機(jī)酸，對(duì)植物產(chǎn)生毒性，尤其是乙酸和酚類化合物會(huì)抑制植物種子發(fā)芽、根系的生長(zhǎng)，減少作物的產(chǎn)量［３］��。

1.2　現(xiàn)有評(píng)價(jià)指標(biāo)

雖然國(guó)內(nèi)外在堆肥腐熟度的評(píng)價(jià)方面已經(jīng)作了廣泛而且很深入的研究，提出了眾多的評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法，但仍沒有形成一種公認(rèn)的堆肥腐熟度指標(biāo)。

李承強(qiáng)等［４］把堆肥腐熟度指標(biāo)劃分為三類：物理學(xué)指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)(包括腐殖質(zhì)) 和生物學(xué)指標(biāo)。李艷霞等［5］把堆肥腐熟度的評(píng)價(jià)方法分為表觀分析法、化學(xué)分析法、波譜分析法及植物生長(zhǎng)分析法4類，與前者的分類方法也比較相似。簡(jiǎn)介如下：

(1)物理學(xué)指標(biāo)或表觀分析指標(biāo)是指堆肥過(guò)程中的一些變化比較直觀的性質(zhì)，如溫度、氣味和顏色等。具體有：①堆肥開始后堆體溫度是逐漸升高再降低的變化過(guò)程，而堆體腐熟后堆體溫度與環(huán)境溫度一致，一般不明顯變化，因此溫度是堆肥過(guò)程中最重要的常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)之一；②堆肥原料具有令人不快的氣味，并在堆肥過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生H2S，NO等難聞的氣體，而良好的堆肥過(guò)程后這些氣味逐漸減弱并在堆肥結(jié)束后消失，所以氣味也可以作為堆肥腐熟的指標(biāo)；③堆肥過(guò)程中堆料逐漸發(fā)黑，腐熟后的堆肥產(chǎn)品呈黑褐和黑色，顏色也可以作為一判斷標(biāo)準(zhǔn)；④對(duì)不同時(shí)間的堆肥的水萃取物在波長(zhǎng)280 nm，465 nm和665 nm的光學(xué)性質(zhì)研究表明，由于個(gè)別有機(jī)成分的少量存在，抑制了對(duì)短波的吸收，而對(duì)665 nm波長(zhǎng)的可見光影響較少，由此通過(guò)檢測(cè)堆肥萃取物在波長(zhǎng)665 nm下的吸光度變化可反映堆肥腐熟度。

(2)由于物理學(xué)指標(biāo)難于定量化表征堆肥過(guò)程中堆料成分的變化，所以通過(guò)分析堆肥過(guò)程中堆料的化學(xué)成分或化學(xué)性質(zhì)的變化以評(píng)價(jià)堆肥腐熟度的方法更常用一些。這些化學(xué)指標(biāo)有：有機(jī)質(zhì)變化指標(biāo)、氨氮指標(biāo)、腐殖化指標(biāo)、碳氮比和有機(jī)酸等。具體內(nèi)容包括：①在堆肥過(guò)程中，堆料中的不穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水、礦物質(zhì)和穩(wěn)定化有機(jī)質(zhì)，堆料的有機(jī)質(zhì)含量變化顯著，因此可以通過(guò)一些反映有機(jī)質(zhì)變化的參數(shù)(如COD，BOD及VS等)的測(cè)量及某些有機(jī)質(zhì)在堆肥過(guò)程中的變化規(guī)律來(lái)表征腐熟度；②在堆肥的生化降解過(guò)程中含氮的成分發(fā)生降解產(chǎn)生氨氣，在堆肥后期部分氨氣被氧化成亞硝酸鹽和硝酸鹽，所以可以用亞硝酸鹽或硝酸鹽的存在判斷腐熟度，并且由于這兩個(gè)指標(biāo)的測(cè)定較為快速而簡(jiǎn)單，具有較好的實(shí)用價(jià)值；③堆肥過(guò)程中伴隨著腐殖化的過(guò)程，研究各腐殖化參數(shù)的變化是評(píng)價(jià)腐熟度的重要方法，由此提出CEC(陽(yáng)離子交換容量)、腐殖質(zhì)HS、腐酸HA、富里酸FA 、富里部分FF及非腐殖質(zhì)成分NHF等參數(shù)用以評(píng)價(jià)堆肥腐熟度；④碳源是微生物利用的能源，氮源是微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，碳和氮的變化是堆肥的基本特征之一，C/N(固相)是最常用于評(píng)價(jià)腐熟度的參數(shù)。而也有研究指出微生物在對(duì)堆肥原料的降解中代謝發(fā)生在水溶相，因此水溶性有機(jī)碳/有機(jī)氮的指標(biāo)可以作為堆肥腐熟度的參數(shù)；⑤有機(jī)酸廣泛存在于未腐熟的堆肥中，可通過(guò)研究有機(jī)酸的變化評(píng)價(jià)堆肥腐熟度。

(3)堆料中微生物的活性變化及堆肥對(duì)植物生長(zhǎng)的影響常用于評(píng)價(jià)堆肥腐熟度。這些指標(biāo)主要有呼吸作用、生物活性及種子發(fā)芽率等。具體有： ①堆肥是富含腐殖質(zhì)的穩(wěn)定產(chǎn)品，微生物處于休眠狀態(tài)，此時(shí)腐殖質(zhì)的生化降解速率及二氧化碳產(chǎn)生和氧氣消耗都較慢，因此可以用二氧化碳的產(chǎn)生和微生物的耗氧速率作為反映腐熟度的指標(biāo)；②同時(shí)也可以用反映微生物活性變化的參數(shù)如酶活性、ATP和微生物的數(shù)量、種類來(lái)表征堆肥的穩(wěn)定和腐熟；③未腐熟的堆肥產(chǎn)品對(duì)植物的生長(zhǎng)有抑制作用，因此可用堆肥和土壤的混合物中植物的生長(zhǎng)狀況來(lái)評(píng)價(jià)堆肥的腐熟度，考慮到堆肥腐熟度的實(shí)用意義，這是最終和最具說(shuō)服力的評(píng)價(jià)方法。

(4)波譜分析法可以從物質(zhì)結(jié)構(gòu)的角度認(rèn)識(shí)堆肥過(guò)程和腐熟度問(wèn)題，迄今為止較多使用的是 13C-核磁共振法和紅外光譜法，紅外光譜法可以辨別化合物的特征官能團(tuán)，核磁共振法可提供有機(jī)分子的骨架信息。

1.3　堆肥腐熟度指標(biāo)的應(yīng)用

在這些評(píng)價(jià)腐熟度指標(biāo)的方法中，比較常用的有碳氮比指標(biāo)，耗氧速率的測(cè)定，NO3- -N 和NH4+-N的測(cè)定比較快速而簡(jiǎn)單，而用氫氧化鈉溶液吸收堆料產(chǎn)生的CO2氣體以確定其產(chǎn)生量的方法經(jīng)常作為標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室對(duì)比試驗(yàn)方法。但是應(yīng)用這些評(píng)價(jià)方法經(jīng)常會(huì)得到不同的結(jié)果，這是因?yàn)槎逊实母�熟度受很多因素的綜合影響，單個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)只能片面地反映某個(gè)阻礙因素的作用，不能最直接反映植物的生長(zhǎng)特性。因此，不能用單一的指標(biāo)評(píng)價(jià)堆肥的腐熟度。而堆肥產(chǎn)品最終要作為有機(jī)肥應(yīng)用于作物的生產(chǎn)，種子發(fā)芽指數(shù)是一個(gè)很好的生物指標(biāo)，綜合反映了堆肥產(chǎn)品的植物毒性，所以目前較為認(rèn)同的堆肥腐熟度的評(píng)價(jià)方法是將化學(xué)指標(biāo)與生物指標(biāo)結(jié)合起來(lái)，采用多種分析方法測(cè)定多個(gè)指標(biāo)，然后根據(jù)這些指標(biāo)綜合分析堆肥的腐熟狀況。

美國(guó)加利福尼亞堆肥質(zhì)量委員會(huì)(CCQC)建議必須用兩項(xiàng)以上的化學(xué)/生物指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)堆肥的腐熟度［６］。他們發(fā)展了自己的CCQC腐熟度評(píng)價(jià)指標(biāo)，這個(gè)指標(biāo)由三部分組成：① 碳氮比；②A組測(cè)試指標(biāo)中的至少一項(xiàng)；③B組測(cè)試指標(biāo)中的至少一項(xiàng)。在進(jìn)行A組和B組的測(cè)試之前，C/N的測(cè)試必須要達(dá)到小于或等于25。A組測(cè)試指標(biāo)主要是表征堆肥中有機(jī)物質(zhì)的降解程度，內(nèi)容有CO2的釋放量、氧氣的消耗速率和自熱(selfheating)產(chǎn)生量。B組測(cè)試指標(biāo)主要是表征堆肥產(chǎn)品可能會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生的毒性的一些化學(xué)性質(zhì)，內(nèi)容有NH4+-N和NO�� 3--N的比例、氨濃度、揮發(fā)性有機(jī)酸的濃度及種子發(fā)芽或植物生長(zhǎng)試驗(yàn)。
2　幾種快速實(shí)用的污泥堆肥腐熟度評(píng)價(jià)方法

雖然可以反映堆肥腐熟度的評(píng)價(jià)指標(biāo)眾多，關(guān)于腐熟度的研究方法也越來(lái)越先進(jìn)復(fù)雜，但是針對(duì)每天都要大量產(chǎn)生的污水污泥的堆肥來(lái)說(shuō)，很多方法需要耗費(fèi)太多的時(shí)間，過(guò)程也太復(fù)雜，不能適用于污泥堆肥腐熟度的評(píng)價(jià)，因此需要找到更加快速、簡(jiǎn)單并且比較可靠的方法。

Brewer等［7］給出的堆肥腐熟度的快速測(cè)定的定義是：在一個(gè)工作日之內(nèi)給出有效的結(jié)果，方法經(jīng)濟(jì)，只需要有經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)的操作人員和容易操作的設(shè)備，得到的結(jié)果要容易理解。能夠適用并比較有發(fā)展前途的快速、實(shí)用的方法有以下幾種。

2.1　明膠測(cè)試法

測(cè)試的方法為將一定的堆料樣品(250 mL,約一杯)放入特制的杯中，在將其密封前把一個(gè)塑料的測(cè)試器塞入其中。該測(cè)試器中有一條化學(xué)明膠可以和杯中堆料釋放的CO2反應(yīng)并改變顏色，最后將明膠的顏色和對(duì)應(yīng)的顏色表對(duì)照即可得出結(jié)論。顏色對(duì)照表分為從1(生堆料)到8(腐熟堆肥)等8個(gè)級(jí)別。

只要使用合理，這個(gè)方法可以基本滿足所有的標(biāo)準(zhǔn)，且可以在4個(gè)小時(shí)內(nèi)得出結(jié)果，相對(duì)于它的花費(fèi)來(lái)說(shuō)這個(gè)方法能給出很好的數(shù)據(jù)。

2.2　自熱測(cè)試法

方法是將1 L的堆肥樣品放入一個(gè)絕熱的真空瓶中，通過(guò)溫度計(jì)將每天的溫度記錄下來(lái)，直到溫度有連續(xù)的兩天達(dá)到最大值。用堆肥達(dá)到的最大溫度值減去室溫值，得到物料的凈溫度增長(zhǎng)值，通過(guò)觀察每天的凈溫度增長(zhǎng)值來(lái)判斷堆肥是否達(dá)到了穩(wěn)定和腐熟。堆肥腐熟后的溫度增長(zhǎng)值是很小的。

雖然這個(gè)方法最多需要的時(shí)間是6天(據(jù)報(bào)道平均是4～5天)，但是測(cè)試所需的設(shè)備包括真空瓶都容易得到，而且測(cè)試結(jié)果顯示的是很直觀的溫度，具有很強(qiáng)的操作性。測(cè)試所用的真空瓶雖然相對(duì)有些貴，但在首次投入使用后，以后再進(jìn)行測(cè)試所需的費(fèi)用是非常少的。

2.3　二氧化碳探測(cè)管法

將500 g的堆肥樣品放入廣口瓶中，瓶塞是由橡膠制成，以便可以通過(guò)注射針抽取瓶中上部空間由堆體所釋放的CO2氣體。抽取出的氣體用專門的CO2探測(cè)管測(cè)定濃度。這種管中置有遇見CO2就會(huì)變色的化學(xué)試劑，最后只要是經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)了的管子就可以很快的以百分?jǐn)?shù)的形式讀出CO2的濃度。

這是一個(gè)很有優(yōu)勢(shì)的測(cè)試方法，操作簡(jiǎn)便，比較有代表性。在推肥的腐熟后期開始采樣測(cè)試，一天的一個(gè)測(cè)試過(guò)程只要4個(gè)小時(shí)。所測(cè)的CO2濃度只要達(dá)到足夠低的程度就表明堆肥腐熟了。所用的測(cè)試管可以購(gòu)得。這種方法也還在不斷的發(fā)展研究中。

2.4　水溶性有機(jī)碳(DOC)的測(cè)定����［8～9］��

方法為，稱取一定重量堆肥鮮樣，按堆肥干物質(zhì)重與雙蒸水體積為1∶10(�玏��(g)∶�玍 ��(mL))加入雙蒸水，在室溫條件下，水平振蕩2 h，然后在10000 r/min下離心10 min，上清液過(guò)0.45 μm的濾膜，濾液中的有機(jī)物就是水溶性有機(jī)物(DOM)，其濃度的確定采用TOC儀測(cè)定水溶性有機(jī)碳(DOC)。

研究發(fā)現(xiàn)［10］，污泥堆肥過(guò)程中水溶性有機(jī)物的變化較之固相組分更能靈敏反映堆肥腐熟狀況，因此這個(gè)方法對(duì)于污泥的堆肥有一定的針對(duì)性。堆肥腐熟時(shí)其DOC應(yīng)降低到比較低的程度。Bernal等［11］把DOC＜17 g/kg作為堆肥腐熟的指標(biāo)，而Hue & Liu［12］建立的指標(biāo)為＜10 g/kg，這要根據(jù)具體堆料的差異而制定不同的標(biāo)準(zhǔn)。

3　結(jié)語(yǔ)

城市污水污泥的妥善處置是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，污泥堆肥的土地利用方法是一個(gè)很好的解決問(wèn)題的出路，并在近年來(lái)得到了廣泛的研究和推廣。污泥堆肥的腐熟度問(wèn)題是一個(gè)在實(shí)際操作中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題，關(guān)系到堆肥產(chǎn)品的銷售出路，并且堆肥的腐熟度是堆肥廠的設(shè)計(jì)、運(yùn)行及堆肥過(guò)程控制的重要依據(jù)，關(guān)系到堆肥廠的建造成本及運(yùn)行效率。

對(duì)堆肥腐熟度的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)雖然眾多，但是國(guó)內(nèi)外仍然還沒有形成一個(gè)合理統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)于大規(guī)模城市污水污泥堆肥來(lái)說(shuō)，很多指標(biāo)的測(cè)試顯得時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也過(guò)于復(fù)雜，因此在污泥堆肥腐熟度的評(píng)價(jià)中發(fā)展快速、簡(jiǎn)單并且比較可靠的方法很有必要。

由于腐熟度的評(píng)價(jià)與堆肥系統(tǒng)密切相關(guān)，受堆肥原料、堆肥方式和所用填充料的影響，每一種具體的堆肥都要根據(jù)實(shí)際情況確定合適的腐熟度評(píng)價(jià)方法�！�

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