應用灰色關聯度評價不同物料堆肥腐熟度的研究

摘要[目的]采用多個指標評價堆肥的腐熟度，必須要有一定的評價標準。[方法] 參考國內外堆肥腐熟度評價方法，制定出一套由5個評價指標（發(fā)芽率、C/N降解率等）和4個腐熟等級（完全腐熟，較好腐熟，基本腐熟和未腐熟）的堆肥腐熟度的評價標準，并通過灰色關聯度分析法綜合性地判別4種不同物料配比堆肥的腐熟度。[結果] A配方堆肥與較好腐熟的關聯度最大r=0.735；B配方堆肥與較好腐熟的關聯度最大r=0.675， C配方堆肥與基本腐熟的關聯度最大r=0.713， D配方堆肥與完全腐熟的關聯度最大r=0.704。[結論] 4種堆肥樣品分別判定為較好腐熟、較好腐熟、基本腐熟和完全腐熟。

關鍵詞堆肥評價；灰色理論；評價指標；腐熟度

中圖分類號S141.4文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）29-10054-03

作者簡介弓鳳蓮（1959-），女，河南鄭州人，高級工程師，從事水處理工程方面的研究。

堆肥是固體廢物生物處理的一種方法， 其終產物可作為料或土壤調節(jié)劑， 從而使廢棄物中的有機物得到循環(huán)再利用。其原理是在微生物的作用下將污泥或生活垃圾中的各種可腐有機物降解，并且在降解過程中通過溫度的升高殺死各種微生物、病原菌，最終使堆肥產品無害化、穩(wěn)定化、腐殖化。隨著我國農村經濟的迅速發(fā)展和大量農業(yè)勞動力的轉移，農牧業(yè)生產過程中產生的大量廢棄物如畜禽糞便和農田秸稈等隨地堆放和就地焚燒現象相當嚴重，不僅造成極大的資源浪費，而且引起嚴重的環(huán)境污染問題。對農牧業(yè)廢棄物進行堆肥處理可以解決農牧業(yè)廢棄物的出路問題，改善農村生態(tài)環(huán)境，也可以促進生態(tài)農業(yè)和循環(huán)經濟的發(fā)展。堆肥后的物料是否達到處理和利用的目的主要是通過腐熟度進行評價。如果將未腐熟的物料直接用于農田，不但會引起微生物的劇烈活動，導致厭氧環(huán)境，而且會產生大量中間代謝產物，嚴重毒害植物的根系，影響作物的正常生長。另外，未腐熟的堆肥散發(fā)出的刺激氣味也會給環(huán)境帶來二次污染[1]。因此，保證堆肥的腐熟度是堆肥工藝和堆肥產品質量控制的重要環(huán)節(jié)。隨著堆肥的產業(yè)化發(fā)展，尋找一種有效的堆肥腐熟度綜合評價方法，對于我國堆肥產業(yè)的發(fā)展是十分必要的。單一指標只能從某一方面反映堆肥腐熟的程度，不能全面反映實際堆肥過程的腐熟特征。因此，采用多指標從不同側面綜合反映堆肥腐熟度，已成為近年來研究的重點。綜合評價的關鍵是建立評價標準，而現在我國尚缺乏統(tǒng)一的堆肥腐熟度評價標準?；疑垲惙?、灰色關聯法、模糊數學法等數學方法在堆肥腐熟度評價應用方面的研究[2-4]曾有報道。蔡華帥等[5-6]采用模綜合評價法對垃圾、豬糞堆肥腐熟度進行了評價，但他們所選采用的評價體系不盡相同，沒有統(tǒng)一的評價指標判別堆，提出適合我國堆肥腐熟度評價的四級標準，并在此基礎上應用灰色關聯分析法綜合性地判別堆肥的腐熟度，將一種新的方法引入腐熟度評價領域。

1材料與方法

1.1試驗材料供試4種有機肥來自襄縣有機肥廠，分別標注為A、B、C和D。堆肥物料組成分別為：A.牛糞150 t，雞糞20 t，煤渣35 t，花生殼10 t；B.牛糞160 t，雞糞30 t，煤渣30 t，花生殼2 t；C.餅肥80 t，煤渣20 t；D.花生殼80 t，雞糞20 t。

1.2 選取評價指標 評價污泥堆肥腐熟度的指標包括物理指標、化學指標、生物學指標。選用表觀指數、C/N降解速率（n）、種子發(fā)芽率、NH3N/NO3N的大小、含水率5個評價指標作為評價依據。

1.2.1 表觀指數。屬于物理指標，可以通過堆肥的顏色、手感、氣味、衛(wèi)生程度進行打分。打分標準見表1。

1.2.2C/N降解速率（n）。C/N指堆肥固相中全碳和全氮之比值。由于受堆料組成及堆肥工藝的影響，C/N從堆肥初始到堆肥結束都有不同的變化。碳氮比對微生物的生長代謝起著重要的作用。若碳氮比低，則微生物分解速度快，溫度上升迅速，堆肥周期短；若碳氮比過高，則微生物分解速度緩慢，溫度上升慢，堆肥周期長。低碳氮比堆肥鹽分過高，會抑制種子發(fā)芽率，而高碳氮比會導致堆肥肥料養(yǎng)分含量不達標。相比之下，碳氮比初始值為25～30較有利于減小氮素的損失，促進堆肥的腐熟。在禽畜糞便的堆肥過程中，碳源被消耗，轉化為CO2和腐殖質物質，氮則主要以NH3的形態(tài)散失，或轉化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，或為微生物生長代謝所吸收。因此，碳和氮的變化是反映堆肥發(fā)酵過程變化的重要特征?？偺己亢涂偟烤氏陆第厔荩铱偺己康南陆邓俣却笥诳偟?。而碳氮比則是用來判斷堆肥反應是否達到腐熟的重要指標。C/N在總體上呈現出緩慢下降趨勢。趙由才等[7]認為，腐熟堆肥理論上講應趨于微生物菌體的碳氮比，即16左右。一般認為，C/N從最初的25～30或更高降低到15～20，表示堆肥已腐熟，達到穩(wěn)定程度。因此，綜合考慮各個方面的因素，堆肥的碳氮比控制在25～30為宜。采用C/N降解速率來表示有機固體廢物堆肥的腐熟程度較合適[8]，定義為：

n=（C/N初-C/N終）*100%/ C/N終

1.2.3 種子發(fā)芽率。這是一個很重要的生物學指標。種子發(fā)芽率是一種常用的評價堆肥腐熟度的指標，也是最具有說服力的一個指標。主要由于堆肥未腐熟而產生乙酸、有機酸及大量的NH3、多酚等物質會阻礙植物對N的吸收，植物根區(qū)產生厭氧條件，增加某些重金屬的溶解性。許多植物種子在堆肥原料和未腐熟的堆肥中生長受到抑制。隨著堆肥的腐熟程度，抑制作用不斷降低，種子發(fā)芽率不受堆肥物料的影響，只受腐熟程度的影響。種子發(fā)芽率可間接表征堆肥中的生物毒性作用。通過測定種子發(fā)芽率，可以了解堆肥產品是否對植物有毒害作用。因此，用作物種子的發(fā)芽率作為評價堆肥腐熟度的一個指標是較有說服力的。取新鮮肥樣100 g，加蒸餾水500 ml，振蕩30 min，分別吸取上清液5 ml（對照組吸取蒸餾水5 ml），置于鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中，大白菜種40粒，放在25 ℃恒溫黑暗培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)72 h，最后取3個重復的平均數作為不同配方肥料的發(fā)芽率。

種子發(fā)芽率（%）=發(fā)芽數*100/放置種子數

1.2.4NH3N/NO3N。該指標反映氨態(tài)氮的轉化率。NH3N/NO3N越大，則堆肥產品臭味越濃，難以使用。NH3N/NO3N過大，則會對植物造成毒害作用。氮化合物氨態(tài)氮、硝態(tài)氮及亞硝態(tài)氮含量的變化也是堆肥腐熟評價常用的參數。含氮成分發(fā)生降解，產生氨氣。釋放的氨氣或被微生物同化吸收，或由固氮微生物氧化為亞硝酸鹽或硝酸鹽，或釋放到空氣中。在堆肥后期，部分氨氮通過硝化作用轉化成硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮。因此，有研究者認為，對于活性污泥、稻草的堆肥，當氨化作用已完成，亞硝化作用開始時，可以認為堆肥已腐熟。但是，由于氮濃度變化受溫度、pH、微生物代謝、通氣條件和氮源條件的影響，這一類指標只能作為堆肥腐熟度的參考，不能作為堆肥腐熟度評價的絕對指標。

1.2.5 水分含量。在堆肥化過程中，堆料中的不穩(wěn)定有機質被微生物分解，高溫過程將水分降低到一定的程度，水分的變化可以反映堆肥的腐熟程度。水分是影響堆肥效果的重要參數。堆肥過程中含水率下降。含水量是控制堆肥過程的一個重要參數。水分在堆肥過程中的作用有：①水分為微生物生長繁殖的必需物質；②水分使堆肥原料軟化，并使其易被分解：③水分在堆肥中移動時，可使菌體和養(yǎng)分向各處移動，有利于腐熟均勻；④水分有調節(jié)堆內通氣和堆溫的作用。大多數學者認為，含水量應控制在45%～65%。初始含水率50%～60%是較適合的。整個堆肥過程中水分含量也不應超出這個范圍。

1.3評價標準的確定 采用完全腐熟、較好腐熟、基本腐熟和未腐熟四級指數標度法確定各化學指標所對應的分級值。對于表觀指數指標，采用主觀賦值法。最后，得到堆肥腐熟度評價標（表2）。

1.4 灰色關聯分析法 灰色系統(tǒng)理論提出灰色關聯分析方法。根據系統(tǒng)各因素間數據列的發(fā)展態(tài)勢和相異程度的比較，判斷因素的關聯和行為的接近程度。對某個系統(tǒng)做關聯分析之前，必須知道系統(tǒng)中各指標或因素的實際映射量，一般通過打分和實驗就可以知道各指標或因素的映射量[9-12]。

將堆肥腐熟度分級標準、待評價堆肥樣品視為一個灰色系統(tǒng)。

3，4，5。

通過關聯度，可以看出待評價堆肥樣品與各腐熟度標準之間的相似程度，計算出的γ0i越大，則說明待評價堆肥樣品越接近第i級標準。ψ為每個評價指標對應的權重值。最后，可以通過關聯度排序，找出其中最大關聯度max（γ0i），從而判定該產品腐熟所屬級別。

2結果與分析

2.1堆肥腐熟度 通過試驗測定評判指標，獲得4種堆肥樣品各評價指標的結果（表3）。權重代表各指標對有機肥腐熟的影響關聯度，權重之和為1。

由表4可知，A配方堆肥關聯度最大的為0.735，由此可以判斷該堆肥樣品的腐熟度為較好腐熟；B配方堆肥關聯度最大的為0.675，表明該堆肥樣品的腐熟度為較好腐熟；C配方堆肥灰色關聯度最大的為0.713，表明該堆肥樣為基本腐熟；D配方的堆肥樣品關聯度最大的為0.704，表明腐熟度為完全腐熟。

2.24種有機肥基礎養(yǎng)分由表5可知，C代表的有機肥中N和腐植酸含量最高，其配料主要是餅肥總氮含量較高，幾種不同配比有機肥總磷和總鉀的含量差異不顯著（P>0.05），有機質含量以有機肥D含量最高顯著高于其余3種有機肥樣品（P<0.05），與其原料成分為花生殼有很大關系。

3結論與討論

研究表明，若使堆肥更容易腐熟，則應該注意以下兩點：①合理的物料配比，堆肥初期要有合理的C/N，一般堆肥初期C/N為（25～30）∶1比較合適；②合適的含水量，堆肥初期要保證水分充足。這是因為水是微生物生長必須的，也可以軟化物料。合適的含水量能加快堆肥腐熟。一般，堆肥的初始含水量應為50%～60%。同時，溫度、pH、通風情況也是堆肥腐熟中影響腐熟程度的因素。

正確評價堆肥的腐熟度是一個復雜的問題，有些參數的確定還有爭議。采用多種分析法測定堆肥的多個指標，然后根據這些指標進行綜合分析，能更加實際地反映堆肥的腐熟狀況。運用灰色關聯度能較好地解決單個指標評價所帶來的偏差和片面性，能綜合地量化堆肥的腐熟狀況，其關鍵在于準確地建立評價因子的分級指標體系。目前，美國、歐洲等許多發(fā)達國家已制定了比較完備的堆肥產品質量標準，其中對堆肥腐熟度也作了相關的規(guī)定。而我國尚沒有國家的堆肥質量標準，對堆肥腐熟度的評價也缺乏統(tǒng)一的標準和方法。隨著堆肥的產業(yè)化，制定相關標準已勢在必行，因此國家相關機構應盡快制定適合我國國情的評價標準、評價方法，同時確定簡單易行的測試方法。

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