文章编号:025322468(2004)0520930206 中图分类号:X 705 文献标识码:A利用耗氧速率判断好氧堆肥腐熟度的探讨郑玉琪1,陈同斌13,孔建松3,高 定1,黄启飞2,罗 维1 (11中国科学院地理科学与资源研究所环境修复室,北京 100101;21北京中科博联环保高新技术有限公司,北京 100088;31吉林大学环境科学系,长春 130023)摘要:在试验的基础上分析了利用耗氧速率判断堆肥腐熟度的可行性.试验中堆肥高温阶段持续6d 以上,达到国家《粪便无害化卫生标准(G B7959287)》的要求.堆肥过程中铵态氮含量下降、硝态氮含量上升,11d 后,堆肥DOC 含量为015%左右,种子相对发芽率达到80%以上,表明堆肥达到腐熟.升温阶段前期,耗氧速率呈迅速增加的趋势;升温阶段后期和高温阶段前期,耗氧速率维持相对稳定,高温阶段中期、末期耗氧速率开始下降.相对发芽率验证表明,在堆肥高温阶段末期,耗氧速率下降到100μL ・L -1・s -1以下,此指标可以作为堆肥腐熟的标志.以耗氧速率代替传统的测量堆肥的理化、生物指标来判断堆肥腐熟度不需要采样、分析等复杂手续,将以往的需要几天才能获得腐熟状况变为实时、在线监测,对堆肥技术的实际推广具有重要意义.关键词:堆肥;腐熟度;发芽率;DOC ;耗氧速率Maturity assessment by oxygen consumption rate in aerobic composting ZHE NG Y uqi 1,CHE N T ongbin 1,K ONGJiansong 3,G AO Ding 1,H UANG Qifei 2,LUO W ei 1 (boratory of Environmental Remediation ,Institute of G eographic Sciences and Natural Resources Research ,C AS ,Beijing 100101;2.Zhongke Bolian Environmental H igh T echnology C o.,Beijing 100088;3.Department of Environmental Science ,Jilin University ,Changchun 130023)Abstract :M aturity assessment by oxygen consum ption in aerobic com posting was analyzed based on the experimental data.The duration ofhigh 2tem perature com posting was m ore than 6days and met the national standard.The concentration of NH +42N decreased and that of NO -32N increased in the process of com posting.The seed germ ination was up 80%and the DOC was about 0.5%after 11days of com posting ,which indicated that the com posting had reached maturity.The oxygen consum ption increased at the beginning of tem perature 2increasing stage ;was kept stable at the end of the tem perature 2increasing stage and at the beginning of high tem perature stage ;decreased at the m iddle of hightem perature stage.The index of seed germ ination showed that the oxygen consum ption under 100μL ・L -1・s -1at the end of the high 2tem pera 2ture stage could be the marker of maturity of com posting.T o assess the maturity of com posting by oxygen consum ption do not need sam pling ,analysis ,it is easy to handle and im portant to the application of com posting technology.K eyw ords :com posting ;maturity ;seed germ ination ;DOC;oxygen consum ption收稿日期:2003209221;修订日期:2004205210基金项目:“九五”国家重大科技攻关项目(962909201205);科技部农业科技成果转化基金支持项目;北京中科博联环保高新技术有限公司提供部分资助作者简介:郑玉琪(1973—),男,博士研究生;3通讯联系人,chentb @ 固体废物堆肥是利用堆肥微生物降解有机废物,使其稳定、腐殖化的过程[1].稳定程度即腐熟度的确定,对于堆肥理论、技术及设备的设计和评价、堆肥产品的质量控制与分级等具有重要意义.但是,由于堆肥物料的复杂性、堆肥方式的多样性和堆肥过程的多变性,目前尚无统一通用的评价方法.堆肥过程中,好氧微生物降解有机物,同时消耗氧气产生C O 2.氧的消耗速率标志着有机物的降解程度和堆肥反应的进行程度.William 等和Iannotti 等认为耗氧速率代表堆肥过程中的第24卷第5期2004年9月环 境 科 学 学 报ACT A SCIE NTI AE CIRCUMST ANTI AE V ol.24,N o.5Sep.,2004生物特性,反映了好氧微生物的活性.因而,以耗氧速率作为腐熟标准符合生物学原理,能很好地判断堆肥的腐熟度[2,3].陈世和总结了前人研究成果,认为耗氧速率数据的测定不受堆肥物料组分的影响,只要适宜的环境,堆肥微生物就会消耗氧气,产生一定的耗氧速率[4].直接测量耗氧速率较为困难,以往多通过间接的方法加以测定[2,3].以往的测量方法具有明显的缺点.首先,测量限于实验室条件下,不能进行野外实时测量,测量过程烦琐、复杂、费时.其次,气体是流动的介质,受扰动后不能反映其原始的环境,因而,样气的采集会影响测定的准确性.第三,堆体内氧气消耗速度很快,传统的测量方法在一个通风周期内的采气频度低,很难反映堆体内氧气的变化状况.本文利用自主研制开发的堆肥氧气实时、在线监测系统监测堆肥耗氧速率的变化,并探讨了利用耗氧速率判断堆肥农用腐熟度的可行性与可靠性.对快速判断堆肥腐熟度,加速堆肥产业化有重要意义.1 试验材料与方法111 试验材料供试材料为北京市楼梓庄猪场猪粪,水的质量分数为6916%,挥发性有机物的质量分数为72%.填充材料为CT B 调理剂[5],调理剂水的质量分数和饱和吸水质量分数为2168%,65169%.112 试验方法堆肥池的几何尺寸为:150cm ×120cm ×180cm ,堆体有效高度为150cm ,CT B 调理剂与猪粪质量比为1∶1.试验采用温度反馈自动控制系统进行自动控制(CT B 堆肥自动控制系统).该系统可根据堆体温度变化情况,通过堆肥专用软件C om ps oft 对通风方式和通风量进行控制.堆肥时间为2003201214至2003201224.堆肥方式为强制通风静态垛高温好氧堆肥,通风量0137m 3・min -1.于堆体的代表性部位(堆体中、上部)放置两个温度控制探头,用于温度反馈控制系统测温.氧气测量采用自主研制开发的堆肥氧气实时、在线监测系统进行动态监测[6～8].氧气的监测点位于堆体的中、上部.同时,于每个氧气传感器周围放置一个温度传感器,同步监测温度变化.113 分析方法表1 分析指标和方法T able 1 The analytical indicators and their methods分析指标方法测试条件水的质量分数烘干法[9]105℃,24h 挥发性固体(VS )灼烧法[9]550℃,4h pH电极法[9]浸提液为5m L 水中含1mg 固体EC (mS ・cm -1)电极法[9]浸提液为5m L 水中含1mg 固体DOC (mg ・kg -1)T OC 测定仪浸提液为5m L 水中含1mg 固体NH +42N (mg ・kg -1)K Cl 浸提,M gO 蒸馏法[10]浸提液为5m L 水中含1mg 固体NO -32N (mg ・kg -1)K Cl 浸提,还原2M gO 蒸馏法[10]浸提液为5m L 水中含1mg 固体1395期郑玉琪等:利用耗氧速率判断好氧堆肥腐熟度的探讨 种子发芽率试验采用的种子为黑麦草,浸提液为10m L 水中含1mg 固体.试验设2个重复.2 结果和讨论211 堆肥过程中部分指标的动态变化温度的动态变化如图1所示,图中温度曲线中间较粗的部分是本次试验通过温度自动反馈控制系统控制温度在60℃附近上下波动的结果.从图中可以看出,堆肥持续高温阶段维持146h (图1),达6d 以上,达到国家《粪便无害化卫生标准(G B7959287)》的5～7d 的规定,因此,从卫生标准方面考察已经符合要求.图1 整个堆肥过程中堆体的温度变化Fig.1 Variations in tem perature during com posting 在猪粪∶CT B 调理剂=1∶1(体积比)的条件下,堆肥过程中的铵态氮、含水率、VS 、电导率(EC )呈减小的趋势(图2、图3、图4),硝态氮、pH 、发芽率总体呈增加的趋势(图2、图4、图6),DOC 、耗氧量、升温速率、耗氧速率在堆肥过程中先增加后减小(图2、图5、图6).堆肥最终要施用到土壤中去,因此,在排除干扰因素的前提下,种子发芽率是验证堆肥是否腐熟的最有效标准[11].前人的研究中验证其它指标的可靠性也多是与种子发芽率相比较[12,13].我们的[11]研究发现,堆肥EC 小于910mS ・cm -1时,对黑麦草的发芽没有抑制作 图2 堆肥过程中DOC 、铵态氮、硝态氮的动态变化Fig.2 Variations in the concentrations of DOC ,NH +42N and NO -32N during com posting 用.本试验的EC 值小于510mS ・cm -1,因此,可以排除盐害的影响.从本文的堆肥发芽率来看,原始猪粪和前4d 堆肥的发芽率为0(图6),种子发芽受到严重抑制,堆肥第7d (高温阶段第4d ),种子相对发芽率高于84%,表明堆肥的植物有害物质已经大量分解,堆肥第9d (高温阶段末期)和第11d (降温阶段末期)相对发芽率高于90%,表明堆肥基本腐熟.许多研究者认为,铵态氮和硝态氮是堆肥进程的重要标志,堆肥初期铵态氮含量高,随着堆肥的进行,铵态氮含量减少,硝态氮含量增加,可以利用氮素的变化判断堆肥腐熟度.Finstein 和Miller 认为,当堆肥的铵态氮含量减少,硝态氮出现时,堆肥腐熟[14].Zucconi 等认为,铵态氮含量小于0104%堆肥腐熟[15].Raffaldi 等发现堆肥中铵态氮含量从开始的319%下降到016%,硝态氮从013%上升到016%,他们也认为,氮素可以用于评价堆肥的腐熟度[16].但是,Hirai 认为,虽然堆肥过程中铵态氮和硝态氮的变化规律明显,但是变化范围大,不适合作为堆肥腐熟度的判断标准[17].本试验开始时的铵态氮和硝态氮的含量分别为0179%和01016%,堆肥降温阶段后期第11d 铵态氮含量下降为0118%,硝态氮上升为01078%,符合铵态氮下降、硝态氮上升的规律.因此,作者认为,堆肥过程中的铵态氮、硝态氮的这种变化规律是正确的.但是,不同的堆肥物料其起始和最终的铵态氮、硝态氮含量可能差异很大,若进一步研究,确定针对不同堆肥物料的铵态氮、硝态氮变239环 境 科 学 学 报24卷图3 堆肥过程中V S 、含水率的动态变化Fig.3 Variations in VS and m oisture concent during com posting化范围,则利用氮素的变化判定堆肥腐熟度应该是可行的.具体变化范围有待于进一步系统研究.堆肥过程是微生物分解有机质的过程,因此,DOC和VS 也被认为是判断堆肥腐熟度的指标.黄国锋等分别进行了堆肥周期为49d 和63d 的猪粪堆肥试验[18],两个试验的DOC 分别由开始的13221mg ・kg -1和10723mg ・kg -1下降到堆肥结束时的3942mg ・kg -1和5352mg ・kg -1,分别减少了70%和50%,表明堆肥过程中DOC 被大量分解.G arcia 等认为,堆肥腐熟后DOC 的含量应少于015%[19].本次堆肥过程中,DOC 含量从开始的2132517mg ・kg -1下降到结束时的523812mg ・kg -1(图2),即0152%,接近G arcia 所提出的标准.因此,从DOC 含量的变化看,本试验中堆肥达到腐熟时DOC 的结果与黄国锋等以及G arcia等的结果相图4 堆肥过程中pH 、EC 的动态变化Fig.4 Variations in pH and EC during com posting 近.此外,从DOC 降解来看,应用CT B 堆肥自动控制系统,11d 的堆肥时间可达到与黄国锋等49,63d 相同的堆肥效果,表明该系统可以有效地调节堆肥条件,使堆肥易降解的有机质快速降解,提高堆肥效率.本次堆肥的VS 由堆肥开始的72%逐步下降到堆肥结束时的48%(图3).堆肥升温阶段末期和高温阶段前期升温速率、耗氧量和耗氧速率值最高,这是由于这些阶段水分含量适宜(55%～60%)、有机质含量充足(图3),堆肥微生物活动条件适宜,活动旺盛的结果.而堆肥升温阶段耗氧速率、耗氧量和升温速率值较低是因为温度较低,微生物活动较弱.高温阶段后期和降温阶段,堆体的水分含量减少,易分解的有机质被大量分解(图3),微生物活动减弱,因此,耗氧量和耗氧速率减小,升温速率亦因此减小.图5 堆肥过程中耗氧量、升温速率的动态变化Fig.5 Variations in oxygn consum ption and tem perature 2in 2creasing rate during com posting从堆肥相对发芽率来看(图6),本次堆肥基本腐熟,而此时的铵态氮、硝态氮、DOC 、VS 等指标的变化规律亦表征堆肥腐熟.212 耗氧速率作为堆肥腐熟度指标的可行性探讨耗氧速率直接反映堆肥微生物的活动状况.堆肥微生物活动旺盛,表明堆肥有机物正被大量分解;而堆肥微生物活动微弱,则表明堆肥有机物分解缓慢.如果堆肥微生物生命活动所需的其它条件,如温度、水分、氧气、微生物种群等适合,则微生物活动的减弱反映了堆肥有机物不足以维持微生物活动,堆肥有机质分解趋于稳定,堆肥接近终点[2].因此,耗氧速率是评判堆肥腐熟度的有效手段.T iquia 等在条垛式堆肥的条件下,利用G ils on Differential Respirometer 测量氧气消耗速率,3395期郑玉琪等:利用耗氧速率判断好氧堆肥腐熟度的探讨图6 堆肥过程中耗氧速率、发芽率的动态变化Fig.6 Variations in oxygen consum ption rate and seed gener2 mination rate during com posting发现在堆肥开始时耗氧速率为0153～0175μL・min-1・g-1,开始堆肥的两周迅速增加,堆肥第14d达到峰值为1178μL・min-1・g-1,接下来的3周迅速下降,第35～63d下降速度开始缓慢,第63～91d基本不变,维持在0150～0175μL・min-1・g-1[20].虽然T iquia的堆肥周期比我们的试验长,耗氧速率单位与我们不同,但是其耗氧速率的变化规律与我们的多次试验一样(图7),即:堆肥升温阶段耗氧速率迅速增加,持续高温阶段前期维持高值,堆肥持续高温阶段中后期下降,持续高温阶段末期、降温阶段低值稳定.图7 两次堆肥过程中耗氧速率的动态变化Fig.7 Dynamics of oxygen consum ption rate in tw oprocesses of com posting.从图6可以看出,高温阶段末期和持续高温阶段初期(堆肥第2～6d,即33～150h),堆肥耗氧速率最高,大于400μL・L-1・s-1,之后逐渐减少;堆肥相对发芽率前4d极度受抑制(图6),之后迅速增大,堆肥第7d相对发芽率上升到80%以上.从相对发芽率来看,堆肥7～11d,相对发芽率都大于80%,表明堆肥的生物毒性明显减小,堆肥基本腐熟.此时,堆肥处于高温阶段末期,温度仍然在55℃左右(图1),湿度55%左右(图3),而VS和DOC明显减少(图3,图2),耗氧速率下降到100μL・L-1・s-1以下.这说明,温度和水分不明显限制堆肥微生物的活动,而是因为堆肥有机质分解基本趋于稳定,分解速度十分缓慢而导致的堆肥耗氧速率减小的结果.因此,可以大致认为堆肥耗氧速率下降到100μL・L-1・s-1以下就标志着堆肥基本腐熟.两次试验结果均发现耗氧速率存在这种变化趋势.如图7是2002年8月和2003年1月两次堆肥的耗氧速率变化曲线.堆肥1于2002年8月进行实验,猪粪∶CT B调理剂=3∶1;120 cm;堆肥2于2003年1月进行实验,猪粪∶CT B调理剂=1∶1,150cm.从该图中可以看出,除升温阶段初期两次堆肥耗氧速率起点不同外,升温阶段后期、持续高温阶段、降温阶段两次堆肥的耗氧速率变化趋势非常一致.而升温阶段初期两次堆肥的初值不同是温度影响的结果: 2002年8月的堆肥中,气温和堆肥物料的温度较高(30～35℃),而冬季堆肥的气温和堆肥物料温度都低(-10～3℃),因此堆肥开始时两者的微生物活性不同,于是耗氧速率不同,这也表明堆肥微生物的活动受温度的影响.3 结论堆肥过程中铵态氮含量下降、硝态氮含量上升,11d后,种子相对发芽率达到80%以上,堆肥DOC含量为015%左右,表明堆肥腐熟.相对发芽率验证表明,在堆肥高温阶段末期,耗氧速率下降到100μL・L-1・s-1以下,可以作为堆肥基本腐熟的标志.439环 境 科 学 学 报24卷以耗氧速率代替传统的测量堆肥的理化、生物指标来判断堆肥腐熟度不需要采样、分析等复杂手续,将以往的需要几天才能获得腐熟度状况变为现在的实时、在线监测,对堆肥技术的实际推广具有重要意义.参考文献:[1] 聂永丰1三废处理工程技术手册[M].北京:化学工业出版社,2000[2] W illiam T P and James C Y.S tability measurement of Bios olids com post by aerobic respirometry[J ].C om post Science and Utiliza 2tion.1995,3(2):16—24[3] Iannotti D A ,G rebus M E ,T oth B L ,et al .Oxygen respirometry to assess stability and matrrity of com posted municipal s olid waste[J ].Journal of Environmental Quality ,1994,23:1177—1183[4] 陈世和,张所明.城市垃圾堆肥原理与工艺[M].上海:复旦大学出版社,1990[5] 高 定,黄启飞,陈同斌.新型堆肥调理剂的吸水特性及应用[J ].环境工程,2002,20(3):48—50[6] 陈同斌,郑玉琪.一种测量疏松固体介质中氧气含量的装置[P].2001,发明专利申请号:CN01142018.9[7] 陈同斌,郑玉琪.一种连续自动测量疏松固体介质中氧气含量的装置[P].2001,发明专利申请号:CN02130473.4[8] 郑玉琪,陈同斌,高 定,等.堆肥氧气实时、在线自动监测系统的开发[J ].环境工程,2003,(4):55—57[9] 中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海:上海科学技术出版社,1978:86—88[10] 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