低溫環(huán)境下消化污泥和玉米秸稈強(qiáng)制通風(fēng)堆肥過(guò)程中物理化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)的研究＊

高孟春，王子超，胡 波，王 敏，趙從從，楊慧心，田 穎，王步英

（1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266100；2.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266100）

低溫環(huán)境下消化污泥和玉米秸稈強(qiáng)制通風(fēng)堆肥過(guò)程中物理化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)的研究＊

高孟春1，2，王子超2，胡 波2，王 敏2，趙從從2，楊慧心2，田 穎2，王步英2

（1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266100；2.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266100）

在低溫環(huán)境下采用強(qiáng)制通風(fēng)堆肥技術(shù)對(duì)消化污泥和玉米秸稈進(jìn)行了堆肥化處理。在環(huán)境溫度為9～15℃和初始C／N比為19.61情況下，第4天堆體溫度達(dá)到最高溫度60℃，堆體溫度保持55℃以上時(shí)間為9 d。污泥堆肥過(guò)程中總有機(jī)碳和C／N比下降明顯，而NO－3－N和重金屬含量升高。p H值、電導(dǎo)率、NH＋4－N、纖維素酶和脲酶的活性呈先增加后降低的趨勢(shì)。種子發(fā)芽指數(shù)在第35天達(dá)到84.14%。研究結(jié)果表明，消化污泥和玉米秸稈強(qiáng)制通風(fēng)堆肥在35 d達(dá)到了腐熟要求。

消化污泥；玉米秸稈；酶活性；種子發(fā)芽指數(shù)

隨著城市污水處理量和處理率的提高，我國(guó)的城市污泥產(chǎn)生量不斷增加。污泥中含有豐富的有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等植物需要的營(yíng)養(yǎng)元素，能夠改良土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤肥力。然而，如果未經(jīng)處理的城市污泥直接用于農(nóng)田，有機(jī)物分解將消耗土壤中的氧，形成厭氧環(huán)境并產(chǎn)生氨和某些低分子量有機(jī)酸，抑制作物種子發(fā)芽和幼苗根系生長(zhǎng)［1］。大量研究表明［2－4］，污泥強(qiáng)制通風(fēng)堆肥能夠有效地殺滅病原菌、改善污泥不良的物理性狀，是實(shí)現(xiàn)污泥穩(wěn)定化、資源化、無(wú)害化和減量化的重要方法。目前，污泥強(qiáng)制通風(fēng)堆肥的研究集中在C／N比、通風(fēng)率、調(diào)理劑等對(duì)堆肥產(chǎn)品的物理、化學(xué)特征的影響，但是對(duì)冬季低溫環(huán)境下污泥強(qiáng)制通風(fēng)堆肥的研究較少。本研究采用自制的強(qiáng)制通風(fēng)堆肥反應(yīng)器，以青島市麥島污水處理廠消化污泥為原料和玉米秸稈為調(diào)理劑在冬季低溫環(huán)境下進(jìn)行堆肥，研究堆肥過(guò)程中堆體溫度、p H值、總有機(jī)碳、電導(dǎo)率、C／N比、、重金屬等物理化學(xué)指標(biāo)的變化，并進(jìn)行了種子發(fā)芽指數(shù)和酶活性的評(píng)價(jià)，為低溫環(huán)境下消化污泥好氧堆肥處理提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)裝置與分析方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由反應(yīng)倉(cāng)、時(shí)間－溫度聯(lián)合控制系統(tǒng)、鼓風(fēng)機(jī)和布?xì)獍宓冉M成［5］。反應(yīng)倉(cāng)的長(zhǎng)、寬和高分別為80、72和132 cm，有效堆肥容積0.6 m3。沿距反應(yīng)倉(cāng)的頂部33、55和底部30 cm的高度分別設(shè)置1＃，2＃，3＃取樣口。通過(guò)時(shí)間－溫度聯(lián)合控制系統(tǒng)控制鼓風(fēng)機(jī)向反應(yīng)倉(cāng)通風(fēng)供氧，設(shè)定最高控制溫度為60℃，當(dāng)溫度低于60℃時(shí)，由時(shí)間控制器控制鼓風(fēng)機(jī)的通斷，當(dāng)溫度高于60℃時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)為溫度控制器控制鼓風(fēng)機(jī)的通斷，從而避免出現(xiàn)過(guò)高溫度影響堆肥過(guò)程。

1.2 試驗(yàn)材料

堆肥污泥取自青島市麥島污水處理廠的消化污泥，玉米秸稈取自膠州市某農(nóng)場(chǎng)。玉米秸稈粒徑約為0.5～1.5 cm。污泥與玉米秸稈按照濕重比6.5∶1混合，其初始C／N比為19.61，通風(fēng)量為100 L／min。堆肥原料的性質(zhì)如表1所示。

表1 堆肥原料的物化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of composting material

1.3 采樣與分析方法

在反應(yīng)倉(cāng)1＃、2＃和3＃取樣口分別取相同質(zhì)量的樣品混合均勻，并取部分新鮮樣品風(fēng)干。酶的活性通過(guò)采用新鮮堆肥樣品測(cè)定，p H值、電導(dǎo)率（EC）、植物毒性等采用新鮮堆肥樣品的浸提液進(jìn)行分析，風(fēng)干樣品用于測(cè)定其總有機(jī)碳、總氮、重金屬的測(cè)定。

浸提液的制備方法如下：取一定質(zhì)量的新鮮堆肥樣品按照其所含干樣質(zhì)量與蒸餾水（按照1∶10的質(zhì)量比）混合，在25℃條件下在恒溫振蕩器中以170 r／min振蕩頻率振蕩2 h，然后在轉(zhuǎn)速10 000 r／min下離心30 min，取上清液過(guò)0.45μm濾膜，濾液即為浸提液。p H值采用便攜式p H儀（Model 6010，德國(guó)WTW公司）測(cè)定，N測(cè)定采用水楊酸分光光度法［6］，N采用離子色譜法測(cè)定［6］，植物毒性測(cè)試采用種子發(fā)芽指數(shù)法［7］。纖維素酶用堆肥樣品和粉末狀微晶纖維素40℃培養(yǎng)16 h，用測(cè)定不穩(wěn)定的還原糖的量表示纖維素酶的活性［8］。脲酶使堆肥樣品和尿素在37℃濕度下培養(yǎng)2 h，其后，用比色法測(cè)定釋放的氨的量表示脲酶的活性［9］。

總有機(jī)碳（TOC）測(cè)定采用水合熱重鉻酸鉀氧化－比色法［10］，總氮采用開(kāi)氏消煮法［10］，重金屬采用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定［11］。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 堆肥過(guò)程中溫度變化

堆體溫度變化與微生物的活性密切有關(guān)的，是評(píng)價(jià)堆肥質(zhì)量的重要指標(biāo)［12］。由圖1可知，當(dāng)環(huán)境溫度在9～15℃范圍內(nèi)變化時(shí)，堆體中心溫度經(jīng)歷了升溫、高溫、降溫3個(gè)階段。在堆肥1～4 d內(nèi)屬于升溫階段，堆體中心溫度達(dá)到了最大值60℃，在5～11 d內(nèi)屬于持續(xù)高溫階段，12 d以后屬于降溫階段。堆體中心溫度在55℃以上維持9 d，滿足我國(guó)《糞便無(wú)害化衛(wèi)生指標(biāo)》（GB7959－87）中規(guī)定的堆體溫度在50～55℃以上維持5～7 d的要求。

圖1 溫度在堆肥過(guò)程中的變化Fig.1 Change of temperature during the composting

2.2 堆肥過(guò)程中總有機(jī)碳和C／N比變化

由圖2可知，在堆肥過(guò)程中微生物降解有機(jī)物，導(dǎo)致總有機(jī)碳（TOC）和C／N比均隨著堆肥時(shí)間增加而逐漸降低。TOC從最初的331.35 g／kg降至結(jié)束時(shí)的252.81g／kg，下降了23.70%；C／N比從最初值19.61降至12.81。其中，在升溫期和高溫期，微生物活性強(qiáng)，TOC生物降解作用效果明顯，導(dǎo)致C／N降低幅度較大。隨著可生物降解有機(jī)物的減少，降溫期微生物活性降低，TOC含量和C／N比趨于穩(wěn)定。

圖2 總有機(jī)碳和C／N在堆肥過(guò)程中的變化Fig.2 Change of TOC and C／N during the composting

2.3 堆肥過(guò)程中p H值和電導(dǎo)率變化

由圖3可知，由于在升溫期和高溫期有機(jī)氮的氨化作用，使p H逐漸上升。在0～5 d的堆肥時(shí)間內(nèi)，p H值由最初的7.63上升到最大值8.13。隨著堆體溫度的下降，硝化作用逐漸起到主導(dǎo)作用，氨態(tài)氮被硝化細(xì)菌氧化成硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮，堆體p H下降。試驗(yàn)的p H值在6～9之間變化，在堆肥微生物適應(yīng)范圍。

電導(dǎo)率可以反映堆肥產(chǎn)品中含鹽量的多少，含鹽量的多少可以指示出堆肥產(chǎn)品對(duì)植物生長(zhǎng)是否有毒害或抑制作用。在0～5 d內(nèi)電導(dǎo)率呈上升趨勢(shì)，從初始值3 470μS／cm迅速增加至最大值5 160μS／cm。隨后電導(dǎo)率下降，在堆肥結(jié)束時(shí)降至2 793μS／cm，未超過(guò)3 000μS／cm的限值要求，不會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生不良影響［13］。

圖3 堆肥過(guò)程中p H和EC的變化Fig.3 Change of p H and EC during the composting

2.4 堆肥過(guò)程中和的變化

圖4 堆肥過(guò)程中和的變化Fig.4 Change of and during the composting

2.5 堆肥過(guò)程中種子發(fā)芽指數(shù)變化

種子發(fā)芽指數(shù)是檢驗(yàn)堆肥產(chǎn)品對(duì)植物是否產(chǎn)生生長(zhǎng)抑制的評(píng)價(jià)指標(biāo)，一般情況下發(fā)芽指數(shù)達(dá)到了80%～85%時(shí)，可以認(rèn)為堆肥產(chǎn)品植物毒性較小或者說(shuō)堆肥已經(jīng)腐熟。由圖5可知，種子發(fā)芽指數(shù)呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢(shì)。在堆肥升溫和高溫期，由于含氮有機(jī)物的氨化作用，產(chǎn)生大量游離氨，對(duì)植物種子具有毒害作用抑制種子發(fā)芽，在第5天種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到最低14.43%。除了部分游離氨揮發(fā)外，在降溫期隨著溫度的降低，亞硝化菌和硝化菌對(duì)氮的轉(zhuǎn)化起主要作用，部分NH＋4－N通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為NO－3－N，種子發(fā)芽指數(shù)逐漸升高，第35天種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到84.14%，表明堆肥產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了腐熟的要求［15］。

圖5 堆肥過(guò)程中發(fā)芽指數(shù)的變化Fig.5 Change of germination index during the composting

2.6 堆肥過(guò)程中纖維素酶和脲酶活性變化

堆肥過(guò)程中的生物化學(xué)變化是在各種酶的參與下進(jìn)行的，多種氧化還原酶和水解酶都與碳、氮、磷等物質(zhì)代謝密切相關(guān)。纖維素酶是主要參與纖維素的降解，纖維素酶活性的變化可以反應(yīng)堆肥過(guò)程中碳素物質(zhì)的降解情況。由圖6a可知，在升溫階段纖維素酶活性隨著堆肥時(shí)間的增加而增大，在第8天其活性達(dá)到最大值461μg／（g·16h）。在降溫階段，纖維素酶活性隨著堆體溫度下降而降低，在第35天纖維素酶活性為71μg／（g·16h）。堆肥過(guò)程中氮的代謝與脲酶活性是密切相關(guān)的，脲酶可促進(jìn)含氮物質(zhì)降解作為植物生長(zhǎng)所需的氮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；同時(shí)，脲酶活性的變化也是反映堆肥腐熟程度的1個(gè)重要指標(biāo)。由圖6b可知，脲酶活性在堆肥初期呈明顯上升的趨勢(shì)，在第5天達(dá)到最大值804μg／（g·2h）。隨著水溶性含氮物質(zhì)的減少，脲酶活性也逐漸降低，在第35天達(dá)到70.73μg／（g·2h）。

圖6 堆肥過(guò)程中纖維素酶和脲酶的變化Fig.6 Change of cellulose and urease during the composting

2.7 堆肥過(guò)程中含水率變化

含水率是影響堆肥效果的重要因素，直接影響堆料的結(jié)構(gòu)特性、熱特性和生物降解速率。對(duì)于不同的原料，堆料的含水率通常在45%～75%之間，但適宜的含水率應(yīng)在50%～65%之間。當(dāng)堆料的含水率低于30%～40%時(shí)，將抑制微生物的活性。由圖7可知，堆肥產(chǎn)品的含水率總體呈先上升后下降的趨勢(shì)，在第0～2天內(nèi)含水率呈上升趨勢(shì)，從初始值60.08%上升到63.07%，這主要是由于部分有機(jī)物由于微生物分解作用產(chǎn)生二氧化碳和水造成。隨后，堆體溫度升高導(dǎo)致部分水分蒸發(fā)，含水率開(kāi)始降低，堆肥結(jié)束是堆肥產(chǎn)品中含水率為51.93%。在整個(gè)堆肥過(guò)程中，堆肥產(chǎn)品中含水率均在適宜范圍內(nèi)，不需要調(diào)節(jié)含水率。

圖7 堆肥過(guò)程中含水率變化Fig.7 Change of MC during the composting

2.8 堆肥過(guò)程中重金屬含量變化

堆肥過(guò)程是1個(gè)腐殖化的過(guò)程，堆肥原料中有機(jī)質(zhì)在微生物的作用下進(jìn)行礦化分解，使堆肥原料中有機(jī)質(zhì)降低，引起了重金屬在堆肥產(chǎn)品中積累，使重金屬含量升高，表現(xiàn)為“相對(duì)濃縮效應(yīng)”。由圖8可知，盡管堆肥產(chǎn)品中Cu、Zn、Ni、Cd、Cr和Pb的含量從堆肥開(kāi)始到堆肥結(jié)束分別增加了39.72%、31.53%、8.29%、101.94%、18.98%和37.06%，但其含量低于《農(nóng)用污泥中污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB4284－84）中規(guī)定Cu、Zn、Ni、Cd、Cr和Pb最高允許含量500、1 000、200、20、1 000和1 000 mg／kg的要求。

圖8 堆肥過(guò)程中重金屬總量變化Fig.8 Change of total concentrations of heavy metals during the composting

3 結(jié)語(yǔ)

在環(huán)境溫度為9～15℃和初始C／N比為19.61情況下，采用強(qiáng)制通風(fēng)堆肥技術(shù)對(duì)消化污泥和玉米秸稈進(jìn)行了堆肥化處理結(jié)果表明，第4天堆體中心溫度已達(dá)到了控制溫度60℃，堆體保持了55℃以上溫度9 d，滿足我國(guó)《糞便無(wú)害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB7959－87）的規(guī)定。污泥堆肥過(guò)程中總有機(jī)碳和C／N比下降明顯，而和重金屬含量升高，但重金屬含量未超過(guò)污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)的要求。p H值、電導(dǎo)率、、纖維素酶活性和脲酶活性呈先增加后降低的趨勢(shì)。種子發(fā)芽指數(shù)在第35天達(dá)到84.14%，已經(jīng)消除了植物毒性。綜合堆肥過(guò)程中物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)變化特點(diǎn)，表明消化污泥和玉米秸稈強(qiáng)制通風(fēng)堆肥在35 d達(dá)到了腐熟要求。

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Study on Index of Physicochemical and Biological Properties During Forced Aeration Composting of Digested Sludge and Maize Straw Under Low Ambient Temperature

GAO Meng－Chun1，2，WANG Zi－Chao2，HU Bo2，WANG Min2，ZHAO Cong－Cong2，YANG Hui－Xin2，TIAN Ying2，WANG Bu－Ying2
（1.The Key Laboratory of Marine Environmental Science and Ecology，Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

The forced aeration composting technique was used for composting of digested sludge and maize straw under low ambient temperature.When the initial C／N ratio of composting material was 19.61 accompanying with the ambient temperature between 9 and 15℃，the maximal temperature of composting mixture in the centre arrived at 60℃on 4th day.Above 55℃in the composting mixture kept for 9 d during the whole composting.Total organic（TOC）and C／N ratio obviously declined with the increase of composting time，but the content of NO－3－N and heavy metals increased.p H，electrical conductivity（EC），NH＋4－N，cellulose and urease activities originally increased and then declined.The seed germination index was 84.14%on day 35，which indicated that the phytotoxicity has been removed.The research results shows that forced aeration composting of digested sludge and maize straw can meet the demand of mature on day 35.

digested sludge；maize straw；enzymic activity；germination index

X131.2

A

1672－5174（2011）11－013－05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（20507016）；中國(guó)海洋大學(xué)本科生研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（1012011001）；中國(guó)宋慶齡基金會(huì)星巴克大學(xué)生環(huán)保踐行者項(xiàng)目資助

2011－03－21；

2011－04－30

高孟春（1973－），男，博士，教授。E－mail：mengchun＠ouc.edu.cn

責(zé)任編輯 龐 旻