城市污水處理廠的污泥是指處理污水所產生的固態(tài)、半固態(tài)及液態(tài)的廢棄物，含有大量的有機物、豐富的氮磷等營養(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對環(huán)境造成嚴重的污染［１］。隨著城市化的進一步發(fā)展，新的污水處理廠將不斷建立，必將產生更大量的污泥。尤其以上海市為例，新建或將要建設的石洞口、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荷運行，上海市城市污水處理廠的污泥總量(以含水率80%折算)的預測值見表1［２］。由此可見，解決如此大量的污泥的出路問題已成為上海市污水處理的當務之急。
表1 上海市城市污水處理廠污泥產量估算
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污泥堆肥化的方法是將污泥減量化、無害化、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發(fā)育所需的氮、磷、鉀及維持植物正常生長發(fā)育的多種微量元素和能改善土壤結構的有機質，并且有利于污泥的大規(guī)模處理。因此，結合我國的國情，對污水污泥進行堆肥的方法為解決污泥的處置問題提供了良好的前景。
1 堆肥腐熟度的評價指標
1.1 未腐熟堆肥產品的危害
堆肥腐熟度的評價是關系到堆肥的方法能否順利進行的最為關鍵的問題之一。未腐熟的產品施用于土壤后，微生物還會利用土壤間隙中的氧氣繼續(xù)活動降解有機物，從而造成厭氧的環(huán)境，使植物根系缺氧，并產生H2S和NO等氣體。未腐熟的產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，使土壤產生缺氮現(xiàn)象。并且在微生物的持續(xù)降解活動中還會產生作為副產品的各種有機酸，對植物產生毒性，尤其是乙酸和酚類化合物會抑制植物種子發(fā)芽、根系的生長，減少作物的產量［３］。
1.2 現(xiàn)有評價指標
雖然國內外在堆肥腐熟度的評價方面已經作了廣泛而且很深入的研究，提出了眾多的評價指標及方法，但仍沒有形成一種公認的堆肥腐熟度指標。
李承強等［４］把堆肥腐熟度指標劃分為三類：物理學指標、化學指標(包括腐殖質) 和生物學指標。李艷霞等［5］把堆肥腐熟度的評價方法分為表觀分析法、化學分析法、波譜分析法及植物生長分析法4類，與前者的分類方法也比較相似。簡介如下：
(1)物理學指標或表觀分析指標是指堆肥過程中的一些變化比較直觀的性質，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，因此溫度是堆肥過程中最重要的常規(guī)檢測指標之一；②堆肥原料具有令人不快的氣味，并在堆肥過程中會產生H2S，NO等難聞的氣體，而良好的堆肥過程后這些氣味逐漸減弱并在堆肥結束后消失，所以氣味也可以作為堆肥腐熟的指標；③堆肥過程中堆料逐漸發(fā)黑，腐熟后的堆肥產品呈黑褐和黑色，顏色也可以作為一判斷標準；④對不同時間的堆肥的水萃取物在波長280 nm，465 nm和665 nm的光學性質研究表明，由于個別有機成分的少量存在，抑制了對短波的吸收，而對665 nm波長的可見光影響較少，由此通過檢測堆肥萃取物在波長665 nm下的吸光度變化可反映堆肥腐熟度。
(2)由于物理學指標難于定量化表征堆肥過程中堆料成分的變化，所以通過分析堆肥過程中堆料的化學成分或化學性質的變化以評價堆肥腐熟度的方法更常用一些。這些化學指標有：有機質變化指標、氨氮指標、腐殖化指標、碳氮比和有機酸等。具體內容包括：①在堆肥過程中，堆料中的不穩(wěn)定有機質分解轉化為二氧化碳、水、礦物質和穩(wěn)定化有機質，堆料的有機質含量變化顯著，因此可以通過一些反映有機質變化的參數(shù)(如COD，BOD及VS等)的測量及某些有機質在堆肥過程中的變化規(guī)律來表征腐熟度；②在堆肥的生化降解過程中含氮的成分發(fā)生降解產生氨氣，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，并且由于這兩個指標的測定較為快速而簡單，具有較好的實用價值；③堆肥過程中伴隨著腐殖化的過程，研究各腐殖化參數(shù)的變化是評價腐熟度的重要方法，由此提出CEC(陽離子交換容量)、腐殖質HS、腐酸HA、富里酸FA 、富里部分FF及非腐殖質成分NHF等參數(shù)用以評價堆肥腐熟度；④碳源是微生物利用的能源，氮源是微生物的營養(yǎng)物質，碳和氮的變化是堆肥的基本特征之一，C/N(固相)是最常用于評價腐熟度的參數(shù)。而也有研究指出微生物在對堆肥原料的降解中代謝發(fā)生在水溶相，因此水溶性有機碳/有機氮的指標可以作為堆肥腐熟度的參數(shù)；⑤有機酸廣泛存在于未腐熟的堆肥中，可通過研究有機酸的變化評價堆肥腐熟度。
(3)堆料中微生物的活性變化及堆肥對植物生長的影響常用于評價堆肥腐熟度。這些指標主要有呼吸作用、生物活性及種子發(fā)芽率等。具體有： ①堆肥是富含腐殖質的穩(wěn)定產品，微生物處于休眠狀態(tài)，此時腐殖質的生化降解速率及二氧化碳產生和氧氣消耗都較慢，因此可以用二氧化碳的產生和微生物的耗氧速率作為反映腐熟度的指標；②同時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、種類來表征堆肥的穩(wěn)定和腐熟；③未腐熟的堆肥產品對植物的生長有抑制作用，因此可用堆肥和土壤的混合物中植物的生長狀況來評價堆肥的腐熟度，考慮到堆肥腐熟度的實用意義，這是最終和最具說服力的評價方法。
(4)波譜分析法可以從物質結構的角度認識堆肥過程和腐熟度問題，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，核磁共振法可提供有機分子的骨架信息。
1.3 堆肥腐熟度指標的應用
在這些評價腐熟度指標的方法中，比較常用的有碳氮比指標，耗氧速率的測定，NO3- -N 和NH4+-N的測定比較快速而簡單，而用氫氧化鈉溶液吸收堆料產生的CO2氣體以確定其產生量的方法經常作為標準的實驗室對比試驗方法。但是應用這些評價方法經常會得到不同的結果，這是因為堆肥的腐熟度受很多因素的綜合影響，單個指標的評價只能片面地反映某個阻礙因素的作用，不能最直接反映植物的生長特性。因此，不能用單一的指標評價堆肥的腐熟度。而堆肥產品最終要作為有機肥應用于作物的生產，種子發(fā)芽指數(shù)是一個很好的生物指標，綜合反映了堆肥產品的植物毒性，所以目前較為認同的堆肥腐熟度的評價方法是將化學指標與生物指標結合起來，采用多種分析方法測定多個指標，然后根據(jù)這些指標綜合分析堆肥的腐熟狀況。
美國加利福尼亞堆肥質量委員會(CCQC)建議必須用兩項以上的化學/生物指標來評價堆肥的腐熟度［６］。他們發(fā)展了自己的CCQC腐熟度評價指標，這個指標由三部分組成：① 碳氮比；②A組測試指標中的至少一項；③B組測試指標中的至少一項。在進行A組和B組的測試之前，C/N的測試必須要達到小于或等于25。A組測試指標主要是表征堆肥中有機物質的降解程度，內容有CO2的釋放量、氧氣的消耗速率和自熱(selfheating)產生量。B組測試指標主要是表征堆肥產品可能會對植物產生的毒性的一些化學性質，內容有NH4+-N和NO 3--N的比例、氨濃度、揮發(fā)性有機酸的濃度及種子發(fā)芽或植物生長試驗。
2 幾種快速實用的污泥堆肥腐熟度評價方法
雖然可以反映堆肥腐熟度的評價指標眾多，關于腐熟度的研究方法也越來越先進復雜，但是針對每天都要大量產生的污水污泥的堆肥來說，很多方法需要耗費太多的時間，過程也太復雜，不能適用于污泥堆肥腐熟度的評價，因此需要找到更加快速、簡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定的定義是：在一個工作日之內給出有效的結果，方法經濟，只需要有經過簡單培訓的操作人員和容易操作的設備，得到的結果要容易理解。能夠適用并比較有發(fā)展前途的快速、實用的方法有以下幾種。
2.1 明膠測試法
測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塑料的測試器塞入其中。該測試器中有一條化學明膠可以和杯中堆料釋放的CO2反應并改變顏色，最后將明膠的顏色和對應的顏色表對照即可得出結論。顏色對照表分為從1(生堆料)到8(腐熟堆肥)等8個級別。
只要使用合理，這個方法可以基本滿足所有的標準，且可以在4個小時內得出結果，相對于它的花費來說這個方法能給出很好的數(shù)據(jù)。
2.2 自熱測試法
方法是將1 L的堆肥樣品放入一個絕熱的真空瓶中，通過溫度計將每天的溫度記錄下來，直到溫度有連續(xù)的兩天達到最大值。用堆肥達到的最大溫度值減去室溫值，得到物料的凈溫度增長值，通過觀察每天的凈溫度增長值來判斷堆肥是否達到了穩(wěn)定和腐熟。堆肥腐熟后的溫度增長值是很小的。
雖然這個方法最多需要的時間是6天(據(jù)報道平均是4～5天)，但是測試所需的設備包括真空瓶都容易得到，而且測試結果顯示的是很直觀的溫度，具有很強的操作性。測試所用的真空瓶雖然相對有些貴，但在首次投入使用后，以后再進行測試所需的費用是非常少的。
2.3 二氧化碳探測管法
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探測管測定濃度。這種管中置有遇見CO2就會變色的化學試劑，最后只要是經過校準了的管子就可以很快的以百分數(shù)的形式讀出CO2的濃度。
這是一個很有優(yōu)勢的測試方法，操作簡便，比較有代表性。在推肥的腐熟后期開始采樣測試，一天的一個測試過程只要4個小時。所測的CO2濃度只要達到足夠低的程度就表明堆肥腐熟了。所用的測試管可以購得。這種方法也還在不斷的發(fā)展研究中。
2.4 水溶性有機碳(DOC)的測定［8～9］
方法為，稱取一定重量堆肥鮮樣，按堆肥干物質重與雙蒸水體積為1∶10(W(g)∶V (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0.45 μm的濾膜，濾液中的有機物就是水溶性有機物(DOM)，其濃度的確定采用TOC儀測定水溶性有機碳(DOC)。
研究發(fā)現(xiàn)［10］，污泥堆肥過程中水溶性有機物的變化較之固相組分更能靈敏反映堆肥腐熟狀況，因此這個方法對于污泥的堆肥有一定的針對性。堆肥腐熟時其DOC應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，而Hue & Liu［12］建立的指標為＜10 g/kg，這要根據(jù)具體堆料的差異而制定不同的標準。
3 結語
城市污水污泥的妥善處置是一個亟待解決的問題，污泥堆肥的土地利用方法是一個很好的解決問題的出路，并在近年來得到了廣泛的研究和推廣。污泥堆肥的腐熟度問題是一個在實際操作中需要重點解決的問題，關系到堆肥產品的銷售出路，并且堆肥的腐熟度是堆肥廠的設計、運行及堆肥過程控制的重要依據(jù)，關系到堆肥廠的建造成本及運行效率。
對堆肥腐熟度的評價方法和指標雖然眾多，但是國內外仍然還沒有形成一個合理統(tǒng)一的標準。而對于大規(guī)模城市污水污泥堆肥來說，很多指標的測試顯得時間過長也過于復雜，因此在污泥堆肥腐熟度的評價中發(fā)展快速、簡單并且比較可靠的方法很有必要。
由于腐熟度的評價與堆肥系統(tǒng)密切相關，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)實際情況確定合適的腐熟度評價方法�！�
參考文獻
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