1、毕业论文文献综述环境工程高温好氧堆肥过程腐殖质变化规律及相关性质研究摘要厨余垃圾含水率高，有机质含量高，不利于填埋处理和焚烧处理，当前比较有前景的处理方式为高温好养堆肥处理，该技术投资低、周期短、效果好。堆肥产物主要为腐殖质类物质，其主要成分为胡敏酸（HA）和富里酸FA。其中胡敏酸对于土壤改良、固化土壤中重金属等领域具有十分有效地作用。随着腐殖化的进行，堆肥中胡富比（HI）逐渐提高，大分子有机物分解并生成较为稳定的胡敏酸；堆肥过程中会有碳氮损失，碳会转化为二氧化碳排放，而氮以氨的形式释放；而性质较为活泼的DOC也会随着腐殖过程进行呈现先增加后减少的趋势。腐熟度高的堆肥产品对于土壤改良、碳氮磷等
2、营养元素的活化、重金属钝化以及理化性质的保持均具有显著效果，但腐熟度低的却产生反作用，因此，研究腐熟度对于堆肥效果具有十分重要的意义。关键字厨余垃圾；高温好养堆肥；腐殖质；胡敏酸；腐熟度1前言厨余垃圾是指餐饮业单位，企事业单位、学校、食堂等产生的食物残渣和废料，俗称泔脚、泔水或潲水。厨余垃圾以淀粉类、食物纤维类、动物脂肪类等有机物质为主要成分，具有含水率高、油脂、盐分含量高、易腐发酵发臭等特点。由于其含水率可高达709，不能满足焚烧处理的发热量要求，如果采用填埋处理技术，则会产生大量垃圾渗滤液和恶臭，所以以上两种技术均不能满足对于厨余垃圾的有效处理。目前，高温好养堆肥技术是厨余垃圾处理领域最有
3、前景的技术之一，其相比传统堆肥处理工艺的投资大，生产周期长和产品质量不稳定等特点，高温好氧堆肥处理工艺不仅能提高降低投资、缩短生产周期、提高产品质量，提高堆肥处理工艺利用价值，还有利于增加堆肥处理工艺在城市垃圾处理中的应用比重，进而节省资源、降低环境污染1。2堆肥产物堆肥处理是城市生活垃圾资源化处理的重要方式之一，堆肥后的产品含有大量的胡敏酸类、富里酸类、N、P等矿质元素。堆肥产品培肥土壤后，对土壤的理化性质及生物学特性具有十分重要的影响，并且对作物的生长发育具有积极的作用2。21腐殖质腐殖质是堆肥主要产品之一，是一种黑色或棕色胶体。主要由碳、氢、氧、氮、磷、硫、钙等元素构成，其中碳约50，氮
4、占36，氢占36，氧占3040，灰分占06，构成腐殖质的结构体主要有芳香核多元酚、杂环态氮及糖类残体等三类4。腐殖质包括胡敏酸（HA，即腐殖酸）、富里酸（FA，即富啡酸）、胡敏素等组分。22腐殖酸腐殖酸是堆肥过程中生成的最具代表性的次生产物。它是一种溶于稀碱而不溶于稀酸的棕褐色的天然有机高分子化合物，广泛存在于土壤、河湖海沉积物以及风化煤、褐煤、泥炭中，占土壤和水圈生态体系总有机质的50805。含碳和氮的数量稍高于富啡酸，而氢、氧则相对较低。分子量较大，芳化度高而离解度较小。其稳定性很强，平均停留时间可达803000年。根据腐殖酸溶解性的不同，可将腐殖酸分为溶于水的水溶性腐殖酸、溶解于碱液的游
5、离性腐殖酸以及不溶于碱，而能与钙镁离子发生络合的结合性腐植酸9。23富里酸颜色较浅，多呈黄色。主要由碳、氢、氧和氮等元素构成，碳氢比值较低。分子结构方面芳香核的聚合度较小，官能团中酚羟基和甲氧基的数目比较多。溶解能力强，移动性大，对某些土壤的淋溶和淀积起很大的作用。24胡敏素胡敏素又称“黑腐酸”，为腐殖质中与土壤矿物质结合最紧密的组分。黑色，分子量小，具有在任何PH条件下的溶液中都不溶解及大分子结构的特性，并呈现不均一性，被认为是土壤中的惰性物质8，最难分解。3堆肥31堆肥过程堆肥过程中，有机物在微生物作用下发生着复杂的分解转化，一方面碳素在快速分解，另一方面分解产物在微生物的作用下，又重新合
6、成新的腐殖质物质。腐殖质物质的含量是堆肥腐熟度的重要指标之一10。堆肥过程中，一部分腐殖酸是在堆肥过程中新生成的，另一部分腐殖酸是由堆肥原料中原有腐殖酸逐渐演化而成的11。堆肥腐殖化过程与土壤腐殖化过程相近，是土壤腐殖化的一个快速过程，但2者又不完全相同。土壤中的腐殖酸较为“成熟”，而堆肥中的腐殖酸则相对“稚嫩”。与长期腐化土壤相比，堆肥腐殖化水平较低，堆肥腐殖酸的氧化程度及其功能基团的酸势值较低，但含有较高的脂肪族化合物、含氮化合物等11。311堆温变化对于堆肥系统而言，温度是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素。一般研究认为，堆肥化过程中堆体温度变化主要有3个阶段，分别为升温阶段、高温阶
7、段和冷却后熟阶段。高温阶段是堆肥化处理的关键阶段，大部分有机物在此过程中氧化分解，堆肥物料中几乎所有的病原微生物在此过程中被杀死而达到稳定化12。312C、N循环过程堆肥是利用微生物分解和转化原料中的可降解有机物产生二氧化碳、水及热量的过程，堆肥材料中碳素物质主要用于微生物活动的能源和碳源。在堆肥过程中，微生物首先利用简单、易降解的有机物进行新陈代谢和矿化。这些有机物主要包括可溶糖、有机酸和淀粉。在堆肥初期，全碳含量急速下降，说明微生物活动旺盛，使易降解有机物迅速分解，生成二氧化碳和水，挥发至空气中。之后，随着堆体温度的升高，微生物开始利用纤维素、半纤维素和木质素等较难分解的物质，全碳含量缓慢
8、下降，至二次发酵时期达到稳定13。卢丽兰等研究发现，不同的铜、锌比会对有机碳分解速率产生影响，铜比例越高，有机碳分解越缓慢；锌比例越高，有机碳降解越快。这是由于铜、锌浓度大小会对粪肥中的微生物的活性产生影响，高浓度的铜对生物产生毒性作用，从而抑制它的活性，而适合的高浓度锌对微生物的活性起到促进作用14。堆肥中氮素的转化主要包括氮素的固定与释放。从多数研究报道中可看出，堆肥结束后，氮素均有不同程度的损失，魏自民等通过对生活垃圾堆肥的研究表明，氮素的损失主要出现在堆肥的035D，这是因为微生物的大量繁殖，促使了含氮有机物的快速降解，而产生的大量铵态氮不能及时转化为有机氮或不能及时为微生物利用2。堆
9、肥过程中全碳、全氮量均在不同程度的减小，不过与全碳的下降趋势相比，全氮的下降趋势较小。因此，堆肥的C/N比呈逐渐减小趋势，C/N比的减小表明堆肥向着稳定化、腐熟化、无害化方向演变，但氮含量的减少同时也意味着营养元素的损失，应采取措施加以避免13。313HA、FA变化过程堆体腐殖酸在微生物的作用下，处于合成与分解的过程同时进行剧烈的活动，不如土壤腐殖酸那样稳定，由于原有腐殖质存在着不同程度的矿化，因此其总量在整个过程中是逐渐减少的。张雪英等通过对堆肥腐殖质光学特性的研究，解释了堆肥过程中HA、FA的含量以及结构变化。研究表明，随着堆肥的进行，有机组分里可以提取的HA浓度明显提高，芳化程度加深；同
10、时，经过堆制以后，FA中大分子物质的含量下降，而小分子量物质的含量在堆制前后没有明显的变化。随着堆制时间的延长，HA中不饱和结构的多聚化和联合程度明显增大。经过堆制以后，HA形成更多结构稳定的物质，总量增大；而FA中分子结构变得更简单，芳构化程度下降13。此变化与之前学者研究情况相符，FA因此在活化土壤元素或对有机和无机污染物在环境中迁移的影响要比胡敏酸强得多。胡富比（HI）是腐殖质中胡敏酸量与富里酸量的比值，即腐殖化指数，是判断腐熟度的重要依据之一，所有研究均表明，在堆肥进行过程中，HI是值呈现增加趋势。由于堆肥前期与后期，HI增幅较为平缓，而在堆肥中期高温阶段，HI增幅较大。314水溶性有
11、机碳的变化在堆肥初始阶段，温度迅速升高，污泥中的DOC逐渐被微生物分解和利用，因此DOC含量迅速降低；但进入高温期后，堆体温度较高，污泥中易分解的脂肪和碳水化合物等有机物被微生物降解，而且降解速度较快，因此DOC含量迅速升高；此后，随着有机物分降速度的减慢，且部分DOC又被微生物利用，使DOC含量又逐渐降低16。315游离性腐殖酸和水溶性腐殖酸的变化游离腐殖酸占总腐殖酸的比率以及游离腐殖酸占总有机碳比率的下降，说明在堆肥过程中，游离腐殖酸不稳定，易被微生物降解。水溶性腐殖酸虽然只占腐殖酸的一小部分，但它是腐殖酸中最活跃、最有效的组分。堆肥过程中，水溶性腐殖质含量下降，但其占游离腐殖酸、总腐殖酸
12、、总有机碳的比率却呈先略有下降而后迅速增加趋势。这是由于在堆肥过程中，大分子的腐殖酸不断被分解成水溶性的小分子的腐殖酸，源源不断地补充着被分解的水溶性腐殖酸。其水溶性腐殖酸与游离腐殖酸、总腐殖酸、总有机碳比率上升，说明堆肥过程中水溶性腐殖酸含量相对稳定，腐殖酸活性提高，有效成分增加10。32腐熟度32,1判断腐熟度重要性城市垃圾中含有大量营养元素和有机质，是一种潜在的有机肥源，经过堆肥后可以作为土壤改良剂。堆肥过程中有机质在微生物的作用下分解、腐熟转变为肥料。作为有机肥不仅可以提高作物产品和品质，而且可以增加土壤有机质含量，改善土壤理化性质。但未腐熟的城市污泥施入土壤后，由于其有机物的强烈分解
13、，会大量消耗根际土壤中的氧气，并产生有机酸等有毒物质，抑制作物生长16。因此，判断堆肥腐熟度对于堆肥的使用效果至关重要。322腐熟度判断依据传统用作腐熟度判断依据的主要有C/N比、HI和HM（总腐殖质）量。但由于堆肥原料中原有碳氮比不同，因而采用C/N比作为判断依据受到许多学者的质疑。堆肥过程中HI呈现不断增大趋势，因此，学术界广泛认可采用HI比作为堆肥处理过程中堆肥腐殖化判断依据。此外，在堆肥过程中，微生物不能直接利用有机物料中的固相成分，需要通过分泌胞外酶将物料中的可降解成分水解成水溶性成分才能被利用。因此，一些学者主张通过物料浸提液中的DOC含量来判断堆肥的腐熟度16。4腐殖质用途腐殖质
14、是植物必需营养元素的主要来源，可促进植物和微生物的生理活性，增加土壤蓄水、保水和保肥能力，促进土壤良好结构的形成，改善土壤的缓冲性和酸碱性，同时还能络合土壤中的重金属离子，消除土壤中农药的残毒3。41腐殖酸改良土壤首先腐殖酸对增强土壤肥力和改良土壤结构有良好的作用。可以减少土壤对可溶性磷的固定，提高磷肥利用率，促使土壤微量元素的活化；与一些难溶盐形态存在的微量元素形成络合物，溶于水被作物吸收；促进土壤团粒的形成，有利于土壤中水、肥、气、热状况的调节；促进土壤微生物的活性6。腐殖酸还可以抑制有害真菌的生长，而对有害真菌的抗性菌则没有影响11。42钝化重金属堆肥腐殖酸可以通过与FE、CU形成复合体
15、来增加土壤对金属离子的吸附作用。腐殖酸对重金属具有强烈吸附作用，向沉积物中投加堆肥腐殖酸可以增加重金属向水中释放11。高卫国等学者研究证明，添加腐殖酸可以土壤中铅锌的生物有效性，而且对铅的固定效果要好一些17。充分利用堆肥过程形成的稳定腐殖质，控制城市污泥及畜禽粪便土地利用时重金属的污染风险将是未来研究的一个热点18。43其他用途此外，腐殖酸的广泛的用途，已应用于工业、农业、医学、环境保护等各个方面。由于腐殖酸具有较强的离子交换能力、吸附能力和脱除杂质能力，而且原料来源广泛，制造简单，生产成本低。使用安全方便，还可以再生回用。因此，在处理工业废水、废气等方面的应用日益受到各国广泛关注。近十年来
16、，它作为废水废气净化剂。作为脱臭剂等在国内外都进行了大量的研制工作。作为一种新型天然水处理剂，腐植酸的开发利用前景将是非常广阔的7。5前景与展望综上所述，腐殖质是自然界中广泛存在的，性质相对稳定的有机质，作为介质，对于土壤养分活化、理化性质保持以及重金属钝化具有重要作用。而垃圾堆肥过程正是腐殖质快速生成的过程，该过程不仅仅解决了含水多、有机物丰富的厨余垃圾处理问题，同时产生了大量有机腐殖质，实现了资源再利用。目前市场推广中存在的主要问题是堆肥产物的稳定性以及腐熟度欠佳，作为土壤调节料，不稳定的堆肥产物以及为腐熟的产物会产生截然相反的作用效果，不仅消耗土壤中的氧气，而且产生有害的有机酸等污染土壤
17、。因此未来的研究方向要解决的问题是堆肥产物的效益最大化以及堆肥腐殖质的市场推广。同时需要继续开发腐殖酸等在环保、医疗、工农业等领域的应用，做到市场最大化、效益最大化。保证了堆肥产物市场稳定有利于堆肥处理技术的推广与大规模应用，提高堆肥处理技术在固废处理领域中所占比重。参考文献1石文军,杨朝晖,孙珮石,等全程高温好养堆肥快速降解城市生活垃圾J环境科学学报，2009,2910212621332魏自民,王世平,席北斗,等生活垃圾堆肥过程中腐殖质及有机态氮组分的变化J环境科学学报,2007,2722352403李文芳,卜晓英,黄美娥,等土壤腐殖质的降解及其结构J安徽农业科学,2005，33349449
18、54刘湛,成应向,向仁军腐殖质类物质的形态结构及功能研究进展J科技资讯，200622275牛育华,李仲谨,郝明德,等腐殖酸的研究进展J安徽农业科学,2008,361146384639,46516马怀良,许修宏不同CN对堆肥腐殖酸的影响J中国土壤与肥料2009664737袁忠伟,孙力平,路远,等草炭腐殖酸的提取研究J市政术,2008,2621541568王玉军,窦森,张晋京农业废弃物堆肥过程中腐殖质组成变化J东北林业大学学报，2009,37879819路远,孙力平,王建伟等腐殖酸纯度测定及影响因素分析J市政技术,20083,26（2）16016210单德臣,张多英,王帅,等牛粪堆肥腐殖质的动态变
19、化研究J污染防治技术，20106,233111411唐景春,孙青,王如刚,等堆肥过程中腐殖酸的生成演化及应用研究进展J环境污染与防治,20105,325737812尹永强,何明雄,韦峥宇堆肥腐熟机理研究进展J安徽农业科学,2008,36231005310055,100513李吉进,郝晋珉,邹国元,等高温堆肥碳氮循环及腐殖质变化特征研究J生态环境,2004,13333233414卢丽兰,王旭东,孟杰鸡粪腐解过程中不同溶性腐殖质的动态变化J中国土壤与肥料,20096576315张雪英,黄焕忠,周立祥堆肥处理对污泥腐殖物质组成和光谱学特征的影响J环境化学,2004,2319610116郑国砥,陈同斌
20、,高定,等城市污泥堆肥过程中不同类型有机物的动态变化J中国给水排水,2009,251111712017高卫国,黄益宗堆肥和腐殖酸对土壤锌铅赋存形态的影响J环境工程学报，2009,3354955418熊雄,李艳霞,韩杰,等堆肥腐殖质的形成和变化及其对重金属有效性的影响J农业环境科学学报,2008,2662137214219BRUNOODIAS,CARLOSASILVA,FABIOSHIGASHIKAWA,ETALUSEOFBIOCHARASBULKINGAGENTFORTHECOMPOSTINGOFPOULTRYMANUREEFFECTONORGANICMATTERDEGRADATIONANDHUMIFICATIONJBIORESOURCETECHNOLOGY,2010,10141239124620MASANCHEZMONEDERO,AROIG,JCEGARRA,ETALRELATIONSHIPSBETWEENWATERSOLUBLECARBOHYDRATEANDPHENOLFRACTIONSANDTHEHUMIFICATIONINDICESOFDIFFERENTORGANICWASTESDURINGCOMPOSTINGJBIORESOURCETECHNOLOGY,199912,702193201
