應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)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(biāo)評價堆肥的腐熟度，必須要有一定的評價標(biāo)準(zhǔn)。[方法] 參考國內(nèi)外堆肥腐熟度評價方法，制定出一套由5個評價指標(biāo)（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(biāo)準(zhǔn)，并通過灰色關(guān)聯(lián)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(jié)果] A配方堆肥與較好腐熟的關(guān)聯(lián)度最大r=0.735；B配方堆肥與較好腐熟的關(guān)聯(lián)度最大r=0.675， C配方堆肥與基本腐熟的關(guān)聯(lián)度最大r=0.713， D配方堆肥與完全腐熟的關(guān)聯(lián)度最大r=0.704。[結(jié)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(guān)鍵詞堆肥評價；灰色理論；評價指標(biāo)；腐熟度

中圖分類號S141.4文獻(xiàn)標(biāo)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(chǎn)物可作為料或土壤調(diào)節(jié)劑， 從而使廢棄物中的有機(jī)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(jī)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(chǎn)品無害化、穩(wěn)定化、腐殖化。隨著我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和大量農(nóng)業(yè)勞動力的轉(zhuǎn)移，農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量廢棄物如畜禽糞便和農(nóng)田秸稈等隨地堆放和就地焚燒現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，不僅造成極大的資源浪費(fèi)，而且引起嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。對農(nóng)牧業(yè)廢棄物進(jìn)行堆肥處理可以解決農(nóng)牧業(yè)廢棄物的出路問題，改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，也可以促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。堆肥后的物料是否達(dá)到處理和利用的目的主要是通過腐熟度進(jìn)行評價。如果將未腐熟的物料直接用于農(nóng)田，不但會引起微生物的劇烈活動，導(dǎo)致厭氧環(huán)境，而且會產(chǎn)生大量中間代謝產(chǎn)物，嚴(yán)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(chǎn)品質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。隨著堆肥的產(chǎn)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展是十分必要的。單一指標(biāo)只能從某一方面反映堆肥腐熟的程度，不能全面反映實(shí)際堆肥過程的腐熟特征。因此，采用多指標(biāo)從不同側(cè)面綜合反映堆肥腐熟度，已成為近年來研究的重點(diǎn)。綜合評價的關(guān)鍵是建立評價標(biāo)準(zhǔn)，而現(xiàn)在我國尚缺乏統(tǒng)一的堆肥腐熟度評價標(biāo)準(zhǔn)?；疑垲惙?、灰色關(guān)聯(lián)法、模糊數(shù)學(xué)法等數(shù)學(xué)方法在堆肥腐熟度評價應(yīng)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(jìn)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(biāo)判別堆，提出適合我國堆肥腐熟度評價的四級標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)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(lǐng)域。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料供試4種有機(jī)肥來自襄縣有機(jī)肥廠，分別標(biāo)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(biāo) 評價污泥堆肥腐熟度的指標(biāo)包括物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)、生物學(xué)指標(biāo)。選用表觀指數(shù)、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(biāo)作為評價依據(jù)。

1.2.1 表觀指數(shù)。屬于物理指標(biāo)，可以通過堆肥的顏色、手感、氣味、衛(wèi)生程度進(jìn)行打分。打分標(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(dǎo)致堆肥肥料養(yǎng)分含量不達(dá)標(biāo)。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(jìn)堆肥的腐熟。在禽畜糞便的堆肥過程中，碳源被消耗，轉(zhuǎn)化為CO2和腐殖質(zhì)物質(zhì)，氮則主要以NH3的形態(tài)散失，或轉(zhuǎn)化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，或?yàn)槲⑸锷L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(yīng)是否達(dá)到腐熟的重要指標(biāo)。C/N在總體上呈現(xiàn)出緩慢下降趨勢。趙由才等[7]認(rèn)為，腐熟堆肥理論上講應(yīng)趨于微生物菌體的碳氮比，即16左右。一般認(rèn)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(dá)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(jī)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(xué)指標(biāo)。種子發(fā)芽率是一種常用的評價堆肥腐熟度的指標(biāo)，也是最具有說服力的一個指標(biāo)。主要由于堆肥未腐熟而產(chǎn)生乙酸、有機(jī)酸及大量的NH3、多酚等物質(zhì)會阻礙植物對N的吸收，植物根區(qū)產(chǎn)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(chǎn)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(biāo)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(fù)的平均數(shù)作為不同配方肥料的發(fā)芽率。

種子發(fā)芽率（%）=發(fā)芽數(shù)*100/放置種子數(shù)

1.2.4NH3N/NO3N。該指標(biāo)反映氨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化率。NH3N/NO3N越大，則堆肥產(chǎn)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(shù)。含氮成分發(fā)生降解，產(chǎn)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(zhuǎn)化成硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮。因此，有研究者認(rèn)為，對于活性污泥、稻草的堆肥，當(dāng)氨化作用已完成，亞硝化作用開始時，可以認(rèn)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(biāo)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(biāo)。

1.2.5 水分含量。在堆肥化過程中，堆料中的不穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)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(shù)。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(shù)。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(zhì)；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(diào)節(jié)堆內(nèi)通氣和堆溫的作用。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，含水量應(yīng)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(yīng)超出這個范圍。

1.3評價標(biāo)準(zhǔn)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(shù)標(biāo)度法確定各化學(xué)指標(biāo)所對應(yīng)的分級值。對于表觀指數(shù)指標(biāo)，采用主觀賦值法。最后，得到堆肥腐熟度評價標(biāo)（表2）。

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

將堆肥腐熟度分級標(biāo)準(zhǔn)、待評價堆肥樣品視為一個灰色系統(tǒng)。

3，4，5。

通過關(guān)聯(lián)度，可以看出待評價堆肥樣品與各腐熟度標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。ψ為每個評價指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重值。最后，可以通過關(guān)聯(lián)度排序，找出其中最大關(guān)聯(lián)度max（γ0i），從而判定該產(chǎn)品腐熟所屬級別。

2結(jié)果與分析

2.1堆肥腐熟度 通過試驗(yàn)測定評判指標(biāo)，獲得4種堆肥樣品各評價指標(biāo)的結(jié)果（表3）。權(quán)重代表各指標(biāo)對有機(jī)肥腐熟的影響關(guān)聯(lián)度，權(quán)重之和為1。

由表4可知，A配方堆肥關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)度最大的為0.704，表明腐熟度為完全腐熟。

2.24種有機(jī)肥基礎(chǔ)養(yǎng)分由表5可知，C代表的有機(jī)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(jī)肥總磷和總鉀的含量差異不顯著（P>0.05），有機(jī)質(zhì)含量以有機(jī)肥D含量最高顯著高于其余3種有機(jī)肥樣品（P<0.05），與其原料成分為花生殼有很大關(guān)系。

3結(jié)論與討論

研究表明，若使堆肥更容易腐熟，則應(yīng)該注意以下兩點(diǎn)：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?yàn)樗俏⑸锷L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(yīng)為50%～60%。同時，溫度、pH、通風(fēng)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(fù)雜的問題，有些參數(shù)的確定還有爭議。采用多種分析法測定堆肥的多個指標(biāo)，然后根據(jù)這些指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，能更加實(shí)際地反映堆肥的腐熟狀況。運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度能較好地解決單個指標(biāo)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(guān)鍵在于準(zhǔn)確地建立評價因子的分級指標(biāo)體系。目前，美國、歐洲等許多發(fā)達(dá)國家已制定了比較完備的堆肥產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其中對堆肥腐熟度也作了相關(guān)的規(guī)定。而我國尚沒有國家的堆肥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對堆肥腐熟度的評價也缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法。隨著堆肥的產(chǎn)業(yè)化，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已勢在必行，因此國家相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)盡快制定適合我國國情的評價標(biāo)準(zhǔn)、評價方法，同時確定簡單易行的測試方法。

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