脫水污泥和小麥秸稈共堆肥過程中有機質(zhì)轉(zhuǎn)化研究

張 琳， 劉新平， 常會慶， 焦 偉

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學管理學院，新疆烏魯木齊 830052； 2.新疆農(nóng)業(yè)大學土地科學研究所，新疆烏魯木齊 8300523； 3.河南科技大學農(nóng)學院，河南洛陽 471003)

城市污泥是城市生活污水和工業(yè)廢水處理過程中產(chǎn)生的固體沉積物。隨著城市污水和工業(yè)廢水排量逐年增長，城市污泥的處理是當今社會面臨的重大問題之一。由于污泥中含有大量的有機質(zhì)和氮、磷等植物必需的營養(yǎng)元素，響應國家推動關(guān)于生態(tài)文明的建設(shè)，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策，著力推進綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展，城市污泥資源化利用成為污泥處理的有效途徑。將城市污泥與小麥秸稈共堆肥能夠提高污泥與小麥秸稈利用率，同時能提高污泥在堆肥過程中的腐熟程度。污泥中含有較多病原微生物、有機污染物和多種重金屬等有害物質(zhì)極易造成環(huán)境的二次污染，包括有水源污染、土壤重金屬化、大氣污染(散發(fā)惡臭)等一些生物病毒性污染。而污泥經(jīng)過堆肥化處理不僅能有效地消除污泥所散發(fā)出的臭味、殺死病原菌和寄生蟲卵、鈍化重金屬，而且能使部分有機質(zhì)轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)[1]，充分利用污泥有機質(zhì)含量高的特點將城市污泥與小麥秸稈堆肥獲得有機質(zhì)含量較高的有機肥料，使污泥和秸稈都能達到資源化利用的目的。

目前的相關(guān)研究中，晉王強等對甘肅省蘭州城市污泥進行了潛在生態(tài)風險評價，得出污泥中Cu、Zn、Cd、Pb、Ni等5種重金屬的含量均低于污泥農(nóng)用控制標準，污泥潛在生態(tài)風險屬于低度風險[2]。閆金龍等在進行城市污泥堆肥過程中通過水溶性有機質(zhì)(DOM)含量光譜特征分析得出外源加入生物質(zhì)碳(如小麥秸稈)堆肥腐熟程度均大于未添加生物質(zhì)炭的對照組的結(jié)論[3]。馬雪梅的研究表明，可選擇添加作物秸稈或微生物發(fā)酵劑來改善堆肥腐熟程度，選擇添加5%小麥秸稈或5%玉米秸稈可以增加堆肥的保氮效果，添加30%干污泥進行堆肥可用于園林施肥[4]。許夢等提出了利用蚯蚓堆肥法研究有機廢棄物堆肥產(chǎn)品腐熟程度的變化規(guī)律，從而尋求二者之間的最佳配比[5]。

本研究主要采用對比試驗的方法，通過調(diào)節(jié)其質(zhì)量控制城市污泥與小麥秸稈共堆肥過程的碳氮比(C/N)，測定各參照組的有機質(zhì)含量，找到最適宜的碳氮比實現(xiàn)城市污泥與小麥資源化利用，為探究堆肥腐熟程度最大化提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本次試驗污泥取自河南省洛陽市澗西區(qū)污水處理廠，污泥經(jīng)風干脫水后得到試驗所需脫水污泥原料；堆肥調(diào)節(jié)劑為小麥秸稈。試驗脫水污泥的主要理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗設(shè)計

原料準備：通過污水處理廠沉淀，經(jīng)風干脫水后用小型粉碎機打碎，過60目篩。將麥麩與麥秸同樣以粉碎機粉碎成粉末狀。將2種粉碎物混合成堆肥。

根據(jù)不同對比試驗條件，設(shè)置4個試驗處理組來研究有機質(zhì)含量的變化。處理1，將污泥與秸稈按1 ∶1質(zhì)量比混合均勻，C/N在6 ∶1左右；處理2，污泥和秸稈當中加入了葡萄糖劑調(diào)節(jié)C/N在10 ∶1左右；處理1、2都加水至混合物成松軟塊狀即可，對比分析葡萄糖對堆肥過程中有機質(zhì)含量變化影響；處理3，以小麥秸稈作為調(diào)節(jié)劑使C/N調(diào)節(jié)至12 ∶1，即加入風干污泥500 g， 秸稈300 g， 并加水1 200 mL；處理4，以小麥秸稈作為調(diào)節(jié)劑使C/N調(diào)節(jié)至25 ∶1，即加入風干污泥150 g，秸稈300 g，并加水800 mL。處理3、4對比研究不同C/N混合堆肥對于堆肥有機質(zhì)含量變動影響。

表1 供試污泥的基本理化性質(zhì)

堆肥堆至33 d，其間每天固定時間點記錄溫度變化。本試驗分別在09：00、15：00、21：00測量堆體溫度并且用電子測溫計和水銀溫度計同時記錄并取其平均值，以減少誤差，然后再將每個時間點的溫度平均值作為當天的堆體溫度，同時測定當天的氣溫。然后根據(jù)堆體溫度變化的不同階段將堆體堆翻均勻后采樣，將采好的樣本放入冰箱內(nèi)冷藏，待測，直至堆肥結(jié)束后，對不同階段的樣本進行有機質(zhì)等指標含量的測定。

1.3 測定項目和方法

腐殖酸總量的測定：K2CrO7容量法測定用焦磷酸鈉(Na4P2O7)堿性溶液作提取劑，在沸水浴中加熱，冷卻，定容100 mL用0.45 μm的微孔濾膜真空抽濾浸提液加入K2CrO7和濃硫酸使浸提出的腐殖酸，在強酸性溶液中能被K2CrO7氧化，搖勻，沸水浴加熱30 min，冷卻，加入80 mL水，加入3滴鄰菲羅啉指示劑，用FeSO4滴定溶液由黃綠色變?yōu)榇u紅色即為終點，記錄FeSO4的量。腐殖酸總量用以下公式計算：

腐殖酸總量=(V0-V)×C×3×10-3×分取倍數(shù)×100/(m·f)×100%。

(1)

式中：V0和V分別為空白測定和樣品測定所消耗的硫酸亞鐵的體積，mL；C是指硫酸亞鐵的濃度，mol/L；3為(1/4C)原子的摩爾質(zhì)量，g/mol；m為稱取的土樣質(zhì)量(g)；f為腐殖酸的含碳量系數(shù)0.58。

FA含量測定：用Na4P2O7堿性溶液做提取劑，吸取 0.45 μm 的微孔濾膜真空抽濾浸提液5 mL，調(diào)節(jié)pH值至1.0～1.5，用K2CrO7和濃硫酸氧化，F(xiàn)eSO4滴定，記錄FeSO4的量，計算參照腐殖酸總量含量計算方法得出FA含量。

HA含量測定：試驗得出的腐殖酸總量的含量減去FA的含量即為HA的含量。

DOM含量的測定：用K2CrO7容量法測定，稱取0.5 g左右的土樣，加入蒸餾水作提取劑溶于50 mL塑料瓶中，在 25 ℃ 下100 r/min轉(zhuǎn)速振蕩40 min，用0.45 μm的微孔濾膜真空抽濾浸提液加入235.2 mg/L K2CrO7氧化濾液中水溶性有機質(zhì)(碳)，剩余的K2CrO7用FeSO4來滴定，記錄所消耗的FeSO4的量計算公式參照腐殖酸總量含量計算公式得出DOM的量。

1.4 試驗裝置

試驗堆肥設(shè)備采用自制通風堆置罐，研制的污泥快速腐熟反應器分為內(nèi)外2層，必要時夾層可以通過水浴加熱，起到快速堆肥啟動，裝置底部設(shè)置有通風口和循環(huán)水進口，側(cè)面設(shè)置3個取樣口，裝置頂部為設(shè)置溫度、濕度和氧含量的傳感器和氣體的溢流口，溢流口要求連接惡臭氣體凈化柱，裝置的有效直徑20 cm，高度為25 cm(圖1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 C/N不同條件下堆肥溫度的變化

堆肥效果的重要評價指標是溫度，能夠在一定程度上能反映堆肥的進程。堆肥過程中會呈現(xiàn)出升溫期、高溫期、降溫期這3個不同的階段。

從圖2、圖3可以看出，堆肥1 d后，4個處理的堆體溫度均呈現(xiàn)迅速上升趨勢，是由于堆體中本身含有大量的微生物，堆肥初期，堆體內(nèi)微生物代謝活性增強。在含有大量易分解的有機物質(zhì)環(huán)境條件下嗜熱菌等微生物大量繁殖并分解有機質(zhì)，釋放熱量。使堆體溫度逐漸升高。處理1處理后4 d 21：00 時堆體溫度達到了最高溫度53.9 ℃，在此之前堆體溫度呈上升趨勢，在此之后一段時間溫度持續(xù)保持在50 ℃以上。在此溫度條件下，嗜熱菌活性受到限制，甚至造成死亡，但是未影響其繁殖，嗜熱菌的繁殖量大大提高，隨之使溫度達到溫度最高點，并在此階段穩(wěn)定了一段時間。使堆體中寄生蟲和病原菌被殺死，達到無害化標準，形成腐殖質(zhì)，達到初步的腐熟程度。

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隨后是明顯降溫階段，堆體溫度降至30 ℃后趨于穩(wěn)定。此階段的有機物在初期和中期的堆肥中都已降解，堆肥中不再有能量的堆積再加上堆肥自發(fā)的散熱使溫度逐漸下降。同樣處理2也在處理后4 d 21：00時達到最高溫度50.9 ℃，在此之前溫度整體也是呈現(xiàn)上升趨勢，達到最高溫度后開始逐步下降，達到堆體降溫階段后持續(xù)保持在30 ℃左右。而處理4和處理3較為相似，升溫較迅速。但處理4高溫期持續(xù)的時間短，隨后逐步開始處于降溫階段。

2.2 堆肥過程中有機質(zhì)含量的變化

在堆肥進程中，有機質(zhì)含量的變化反映有機質(zhì)的降解程度，可用來判斷堆肥的腐熟度。從圖4、圖5可以看出，處理1的有機質(zhì)含量整體呈現(xiàn)下降趨勢，由堆肥初期的447 g/kg下降到堆肥33 d時的435 g/kg，下降了12 g/kg；處理2由堆肥初期的494 g/kg下降至堆肥33 d后的406 g/kg，降幅為 88 g/kg；處理3由堆肥初期的574 g/kg下降至堆肥33 d后的 490 g/kg，下降了84 g/kg；處理4呈現(xiàn)少量的增加，可能是試驗偶然誤差，也可能是堆肥形態(tài)變化影響了堆肥孔隙度。有機質(zhì)含量降幅順序為處理2>處理3>處理1>處理4。表明有機質(zhì)降解程度與其C/N有關(guān)。適宜的C/N即在堆肥中加入一定量的秸稈有助于增加堆肥的通氣性，促進堆肥空氣流通使微生物能徹底地分解有機質(zhì)。加入過多的小麥秸稈即孔隙率過大，而污泥較少，堆肥原料之間的附著性較小、微生物含量少不利于堆體保溫使微生物活性較低，不利于有機質(zhì)的分解。處理2里加入有葡萄糖能夠提高微生物活性增大并為微生物繁殖提供養(yǎng)分，加速有機質(zhì)的分解。

2.3 堆肥過程中腐殖酸總量的變化

在堆肥化進程中，有兩部分腐殖酸產(chǎn)生：新生成的和演化形成的。從圖6、圖7可以看出，處理1在腐殖酸逐漸減少，新形成的腐殖酸量和被礦化腐殖酸量相當，腐殖酸總量由25%降至17%，降幅為8百分點；處理2在第一階段較多的腐殖酸被微生物礦化腐殖酸總量減少至16%，第二階段新形成腐殖酸使腐殖酸總量持續(xù)升高至26%，第三階段微生物活性增強使腐殖酸總量逐漸下降至10%；處理3在第一階段新形成的腐殖酸使總量上升至26%，第二階段微生物活性增加腐殖酸總量逐漸減少至16%；處理4在第一階段保持下降趨勢，堆肥初期的25%降至23%，降幅為2百分點。

2.4 堆肥過程中FA含量的變化

從圖8、圖9可以看出，堆肥過程中FA含量整體呈下降趨勢，說明FA在堆肥過程中易被分解，并參與微生物代謝活動。圖8中，處理1中FA含量先減少后增加最后降至最低點，是因為堆肥期間溫度對微生物活性的影響導致微生物對FA分解的速度有所改變，使堆肥中的FA含量隨之改變，最后達到最低值3%。處理2與處理1前期的FA含量趨勢基本一致，處理2比處理1提前達到16%的含量后開始降低至2%，后期的急劇上升可能與溫度導致的微生物活性的變化有關(guān)。處理3下降至10%后逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)，處理4整體下降趨勢較為平穩(wěn)，由21%逐漸下降到堆肥后期的8%。

2.5 堆肥過程中HA含量的變化

從圖10、圖11可以看出，處理1中HA含量由初始4%，增加到堆肥后的13.4%，增加了9.4百分點；處理2中HA含量由初始的4%增加到堆肥33 d后的8%，增幅為4百分點；處理3的HA含量由初始的4%增加到6%，增幅為2百分點；處理4的HA含量由初始的4%增加到14%，增幅為10百分點。堆肥氧化程度較低，總C、N含量在堆肥進程中呈減少趨勢，而HA的相對含量是增加的；由于堆肥初期腐殖酸化學性質(zhì)不穩(wěn)定，易被降解使之含量減少，隨后由微生物轉(zhuǎn)化生成性質(zhì)穩(wěn)定的腐殖酸使其含量有所增加。

2.6 堆肥過程中HA/FA的變化

從圖12、圖13可以看出，在污泥好氧堆肥過程中，隨著時間的延長，4個處理的HA和FA含量的比值(H/F)總體呈上升趨勢。與污泥原樣相比，處理1、2、3、4的增幅分別為4.1、3.8、0.07、1.28。H/F比值的增加說明腐熟堆肥腐殖化程度的提高。

2.7 污泥堆肥過程中DOM含量的變化

從圖14可以看出，處理1可溶性有機質(zhì)含量先下降，后小幅度上升，降幅為1.2百分點；處理2較處理1中DOM的含量升降較為明顯，在第2次增加時達到1個峰值4.7%，最后減少至2%，降幅度為2.7百分點。從圖15可以看出，處理3初期DOM含量略微增至3.3%，后下降至2.5%，再繼續(xù)上升至3.29%；處理4堆肥初期的DOM含量較高為3.3%，經(jīng)過1次波動下降至1.2%，降幅為2.1百分點。

3 結(jié)論

本研究利用城市污水處理廠沉淀池中污泥與小麥秸稈進行混勻堆肥試驗，結(jié)果見表2。隨著堆肥的進行，根據(jù)不同 C/N 的處理，有機質(zhì)含量堆肥前后變化不同；本試驗的4個處理HA含量從總體上看均呈逐步上升趨勢；FA含量整體均呈現(xiàn)下降趨勢；H/F呈上升趨勢，4個處理的H/F值分別增加了-4.1、3.8、0.07、1.28，這與康軍等的研究結(jié)果[6]一致；DOM含量在處理1、2、4下均減少，降幅在2百分點左右，與占新華等的研究結(jié)果[7-8]一致，但處理3含量僅增加了0.01%，很可能是由于試驗過程中所存在的誤差而導致的。

本試驗的好氧堆肥過程中，有機質(zhì)含量在各堆肥系統(tǒng)中總體呈降低趨勢，腐殖酸總量含量均減少。FA的質(zhì)量分數(shù)和相對質(zhì)量分數(shù)逐漸下降，兩者的變化規(guī)律較為一致，試驗印證了馬懷良等“不同C/N對堆肥FA含量沒有影響”的結(jié)論[9]。堆肥過程中HA含量總體呈增加趨勢，這是因為堆肥初期腐殖酸化學性質(zhì)不穩(wěn)定，易被降解使之含量減少，隨后由微生物轉(zhuǎn)化生成性質(zhì)穩(wěn)定的腐殖酸使其含量有所增加。堆肥過程中DOM含量均呈現(xiàn)降低趨勢，在C/N為10 ∶1時分解速率較快，DOM含量減少了2.7百分點。DOM含量均下降是因為微生物將小麥秸稈的水溶性有機物合成為其他物質(zhì)，一是直接進入到腐殖質(zhì)中，二是以芳香分子的形式存在。本研究表明C/N在10 ∶1條件下，堆肥腐熟程度較好，污泥品質(zhì)較高。

表2 堆肥各理化性質(zhì)含量變化

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