城市林木枯落物與河道底泥不同配比的堆肥效果

朱兆華，官昭瑛，葉建軍，徐國鋼，陳曉蓉

(1.廣東受損邊坡生態(tài)景觀重建工程中心，深圳市萬信達(dá)生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518049；2.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

城市林木枯落物與河道底泥均屬城市主要有機(jī)廢棄物，其處置問題是城市環(huán)境管理上的難題。城市林木枯落物主要指城市綠化植物凋落的樹枝、莖、葉、芽、鱗片、花、果實、樹皮等有機(jī)殘體，產(chǎn)生量大，四季都有，秋冬時節(jié)尤其多，傳統(tǒng)處理方式以填埋或焚燒為主[1-3]。填埋由于占用土地資源，產(chǎn)生臭氣和滲濾液，污染空氣和地下水；焚燒盡管能最大程度地實現(xiàn)廢棄物減容減量化，但是存在粉塵和廢棄排放的環(huán)境風(fēng)險；兩種方式均容易產(chǎn)生二次污染[4-5]。利用現(xiàn)代堆肥技術(shù)，能最大程度將經(jīng)篩選的城市有機(jī)廢棄物資源進(jìn)行合理利用，實現(xiàn)變廢為寶。堆肥處理相對成本低、不破壞原有環(huán)境，有利于推廣，是城市有機(jī)廢棄物實現(xiàn)穩(wěn)定化、無害化、資源化、減量化的重要方法[6-8]。目前國內(nèi)的有機(jī)肥生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟，然而主要集中在利用農(nóng)、林業(yè)廢棄物上[9-10]，要達(dá)到規(guī)?；贸鞘辛帜究萋湮锱c河道底泥這兩種城市有機(jī)廢物，提高堆肥效率和堆肥質(zhì)量，探索其適宜的原料配比十分必要。

另一方面，河道底泥的處理和消納亦是一個難題。河流生態(tài)系統(tǒng)是生物圈物質(zhì)循環(huán)的重要通道，是聯(lián)系陸地和海洋的紐帶，具有調(diào)節(jié)氣候、改善生態(tài)環(huán)境以及維護(hù)生物多樣性等眾多功能，從而深入到人類生活的各個方面[11]。城市河流是城市主要的生物廊道，在城市泄洪、灌溉及生態(tài)景觀等社會服務(wù)中發(fā)揮了重要作用[12-13]。隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量生活污水和工業(yè)廢水排入城市河道，使城市河道受到了極大的污染[14]。河道底泥中有機(jī)物在厭氧細(xì)菌作用下，產(chǎn)生甲烷、硫化氫等發(fā)臭物質(zhì)，魚蝦不生，植物不長，已嚴(yán)重影響人們生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展[15]。城市河道底泥多是城市居民生活排泄的高養(yǎng)分、高有機(jī)質(zhì)、厭氣分解的惡臭物質(zhì)。通過高溫堆肥手段，它同城市綠化林木枯落物均可成為可循環(huán)利用的資源[16]，并為城市有機(jī)廢物的科學(xué)處理，降低城市水體和陸地生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境壓力，促進(jìn)城市社會、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

長期以來，河道底泥堆肥化利用的一個障礙是所含Zn、Cu、Cd、Pb、Cr、Ni等重金屬的處理問題，直接將這些重金屬分離并去除難度大。目前，研究及應(yīng)用較多的方式是先將這些重金屬進(jìn)行鈍化處理，將離子態(tài)重金屬轉(zhuǎn)變成溶度積系數(shù)小，相對穩(wěn)定的化合物(大多數(shù)可歸到在巖石中存在的狀態(tài))，然后再進(jìn)行堆肥處理。研究顯示[16-17]，通過添加粉煤灰對底泥、污泥進(jìn)行鈍化處理后，堆肥過程及堆肥產(chǎn)品中水溶性及交換態(tài)重金屬含量都可得到很好的控制。同時，利用河道底泥制作堆肥時，還需要加入相當(dāng)?shù)膱@林廢物、作物秸稈、木糠等其它有機(jī)物料進(jìn)行調(diào)配，也起到了很好的稀釋作用，無害化程度及安全性亦進(jìn)一步提高。

本研究以城市林木枯落物與經(jīng)加粉煤灰鈍化處理且達(dá)標(biāo)的河道底泥的不同用量比例開展堆肥試驗，調(diào)查堆肥過程中溫度、有機(jī)質(zhì)、pH值、C/N及種子發(fā)芽指數(shù)(germination index，GI)等動態(tài)變化，旨在為大規(guī)模無害化處理及資源化利用城市有機(jī)廢棄物生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究以深圳茅洲河流域沙井河中游段(E113°49′4″，N22°46′24″)河道底泥為堆肥原料，采用掘式采泥器采集，加粉煤灰鈍化處理，其重金屬含量如表1。該流域收集的城市林木枯落物，曬干、粉碎為粒徑約0.5～1.0 cm。2種原料按5種不同比例(枯落物∶底泥=1∶1、1∶2、1∶3、2∶1和3∶1)混合為試驗材料，加木糠、尿素調(diào)整堆肥物料的C/N，物料基本理化性質(zhì)見表2。

表1 供試河道底泥經(jīng)粉煤灰鈍化處理前后的水溶性及交換態(tài)重金屬含量 (mg·kg-1，干重)

注：(1)粉煤灰添加量為底泥的20%(干重計)；(2)采用MgCl2浸提及原子吸收法檢測。

表2 堆肥試驗材料基本理化性質(zhì)

注：表中處理1～5的有機(jī)碳、總氮含量是通過添加木糠、尿素等調(diào)C/N后測定的數(shù)值。

1.2 試驗方法

堆肥試驗在室內(nèi)進(jìn)行，5組處理的堆體均為錐形體，規(guī)格為直徑1.5 m、高1 m，每個處理間隔為3 m。各處理的初始含水率調(diào)節(jié)為55%～60%，并添加3‰的發(fā)酵菌劑，試驗設(shè)3個重復(fù)。堆肥從2015年10月15日開始，堆肥過程中每5 d翻堆一次，共堆制30 d。每天取樣一次，每次從堆肥外層、中層、里層各取約200 g樣品、混勻，用于理化性質(zhì)測定。

1.3 分析方法

堆肥溫度測定：將水銀溫度計從堆體四周上(距離地面80 cm)、中(距離地面50 cm)、下層(距離地面20 cm)分別插入，深度為30 cm，記錄堆溫。pH值和電導(dǎo)率采用肥水比1∶5(W/W)，YSI6600多參數(shù)分析儀測定。有機(jī)質(zhì)、全氮、總碳、總磷和含水率的測定采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法。(GB 18877—2009)有機(jī)物損失率(%)=(X2-X1)/X1×100，其中X1、X2為堆肥開始和結(jié)束時灰分含量。

種子發(fā)芽指數(shù)(GI，%)測定：分別稱取每種處理不同發(fā)酵階段的堆肥產(chǎn)物風(fēng)干后樣品20 g，放入廣口具蓋玻璃瓶中，按肥水比1∶5(W/W)加入100 mL 去離子水，震蕩混勻后靜置24 h，再用濾紙過濾浸提，在方型專用種子發(fā)芽試驗培養(yǎng)皿PL18(19 cm×13 cm×9cm)中放入配套培養(yǎng)紙2 張，加入上述濾液10 mL，待培養(yǎng)紙全部濕潤后在上面整齊擺放20 粒番茄種子，光照培養(yǎng)箱30℃條件下培養(yǎng)48 h，測定種子的發(fā)芽率和根長，每個處理組設(shè)3次重復(fù)，同時用去離子水做空白對照。其計算公式為：

GI(%)=(堆肥處理的種子發(fā)芽率×種子根長)×100/(對照的種子發(fā)芽率×種子根長)。通過GI值判斷堆肥的腐熟程度和堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性分析，用Excel 2007軟件制作圖、表。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中溫度和pH值的變化

堆肥過程中溫度的變化反應(yīng)了堆體內(nèi)微生物活性的變化，是使堆肥無害化、穩(wěn)定化的重要條件，因此是堆肥工藝過程中的關(guān)鍵因素[18]。堆肥過程的溫度變化包括3個階段：中溫階段(微生物增殖)，高溫階段(具有較高的生物降解率，嗜熱菌生長和抑制非耐熱生物發(fā)生)，最終階段(包括冷卻、穩(wěn)定和成熟，嗜溫菌生長和堆肥的腐熟)[19]。溫度變化過程中，溫度過低不足以殺死有害病原菌，同時嗜熱菌無法大量繁殖，堆肥中有機(jī)質(zhì)降解緩慢，進(jìn)而延緩有機(jī)肥生產(chǎn)周期；堆溫過高易殺死有益微生物，同樣延緩堆肥進(jìn)程，增加氮素?fù)p失，一般認(rèn)為有機(jī)固體廢棄物最佳堆肥溫度是60℃[20-22]。本研究堆肥初期(圖1a)，原料中易分解有機(jī)質(zhì)在微生物作用下迅速分解，產(chǎn)生大量熱量，各處理在堆制2～3 d 達(dá)到50℃以上，5 d后達(dá)60℃以上，高溫持續(xù)時間隨城市林木枯落物比例的提高而延長，其中處理1～5保持60℃左右的高溫時間分別為8、4、3、10 和12 d，其中處理5的高溫持續(xù)時間長可能是受城市林木枯落物中難分解的高纖維素量所致[23]。

圖1 堆肥過程中溫度和pH值的變化

堆肥過程中溫度和pH值的變化是堆體中微生物種群、數(shù)量變化及其生命活動綜合作用的結(jié)果，在一定程度上，也體現(xiàn)了微生物總活性的變化。顧文杰等[29]研究了外源接種菌劑對好氧堆肥中微生物數(shù)量的影響，結(jié)果顯示，在28 d的堆肥過程中，細(xì)菌數(shù)量初值、峰值、終值分別為1.7×109、1.3×1014和9.7×108cfu·g-1，放線菌數(shù)量初值、峰值、終值分別為4.3×106、3.1×109和8.2×107cfu·g-1，真菌數(shù)量初值、峰值、終值分別為4.7×105、2.8×108和4.3×103cfu·g-1，變化趨勢都是升高—降低—持平(略微升高或降低),堆肥結(jié)束時，細(xì)菌和真菌數(shù)量均少于初值，而放線菌數(shù)量要高于初值。外源接種菌劑只影響微生物數(shù)量，并不影響微生物數(shù)量的變化趨勢。這些微生物種群數(shù)量的變化趨勢也與圖1所示的溫度(a)與pH值(b)的變化基本一致。

2.2 堆肥過程中有機(jī)質(zhì)和C/N的變化

不同處理中，有機(jī)質(zhì)降解幅度受原料成分影響，城市林木枯落物比例越高，堆體中難分解的木質(zhì)素、纖維素等有機(jī)碳量越多，越到發(fā)酵腐熟的最后階段，有機(jī)質(zhì)損失量越小(圖2a)。處理1～5在堆肥物料發(fā)酵腐熟完成時的有機(jī)質(zhì)分別下降了36%、38%、42%、33%和29%。C/N 是常常用于評價堆肥腐熟度的參數(shù)，一般認(rèn)為腐熟的堆肥C/N<20[25,30-31]。從圖2b可以看出，堆肥物料發(fā)酵腐熟過程中由于微生物的活動使有機(jī)質(zhì)逐步降解，C/N隨堆肥時間逐步降低，至堆肥中后期，微生物活動減弱，殘留下難降解的有機(jī)質(zhì)降解減緩，堆肥C/N變化趨向緩和，堆肥完成時1～5處理C/N分別為15.7、15.3、12.3、17.0 及18.7，均低于20，達(dá)到堆肥物料腐熟的指標(biāo)要求。

圖2 堆肥過程中有機(jī)質(zhì)和C/N的變化

2.3 堆肥過程中發(fā)芽指數(shù)的變化

研究顯示[32-33]，可用生物學(xué)方法，比如用植物萌發(fā)、生長試驗來測定堆肥產(chǎn)物的毒性，以此來檢驗堆肥物料是否完全腐熟。如植物萌發(fā)、生長受到抑制，說明堆肥產(chǎn)物毒性較高，尚未完全腐熟。這方面用得最多的指標(biāo)是發(fā)芽指數(shù)(GI)。GI就是通過檢驗堆肥樣品對植物發(fā)芽是否產(chǎn)生抑制作用來評價堆肥的無害化、穩(wěn)定化程度。GI既能檢測堆肥樣品的植物毒性水平，還能預(yù)測堆肥產(chǎn)物植物毒性的變化[34-35]。通常以堆肥鮮樣提取液進(jìn)行種子發(fā)芽試驗，GI≥50%時即可認(rèn)為堆肥產(chǎn)物對種子基本無毒害，GI≥80%時可認(rèn)為堆肥產(chǎn)物已沒有植物毒性或者說已經(jīng)腐熟[32,34-36]。本研究不同處理的堆肥產(chǎn)物對GI 值的影響存在差異，從堆肥過程來看，GI 值在堆肥前期較低，18～19 d后，處理4和5的堆肥產(chǎn)物的GI 值陸續(xù)達(dá)到>80%；處理1堆肥產(chǎn)物的GI值在26 d達(dá)到80%左右；而處理2和3堆肥產(chǎn)物的GI值在16 d達(dá)到50%以上，但直至堆肥結(jié)束GI值仍小于80%，說明該處理的堆肥產(chǎn)物已基本無毒性，但尚未腐熟，需要進(jìn)行二次發(fā)酵，達(dá)到徹底腐熟后才能用作有機(jī)肥(圖3)。另外，與處理4相比，含有較多城市林木枯落物的處理5可能由于C/N 較高，其有效氮源偏低，從而導(dǎo)致其GI 值較晚達(dá)到80%。

圖3 堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)的變化

堆肥試驗結(jié)束后，對處理1～5的堆肥樣品進(jìn)行了后續(xù)重金屬含量的跟蹤檢測，結(jié)果顯示全部達(dá)到了農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《有機(jī)肥料》(NY525-2012)中對重金屬的控制要求。

3 結(jié)論與討論

城市黑臭水體是當(dāng)今社會公眾反映極為強(qiáng)烈的水環(huán)境問題，底泥處理則是黑臭水體治理攻堅克難的焦點和難點之一。無論是從大氣沉降，還是直接排放的污水，以及水土流失過程中產(chǎn)生的污染物質(zhì)，最終都匯聚到水體中進(jìn)行積累與富集，并進(jìn)一步沉積濃縮到底泥里。因此，底泥污染物成分復(fù)雜，濃度高，難以在原位進(jìn)行修復(fù)或凈化，只能通過疏浚、清淤方式暫時轉(zhuǎn)移到底泥處理場(廠)，進(jìn)行洗沙、壓濾、脫水等。底泥經(jīng)處理場(廠)中段處理后，還需要找終端處置出路。對其進(jìn)行堆肥處理并應(yīng)用于林地種植、市政綠化等是理想途徑。

河道底泥富含有機(jī)物，氨氮、磷等營養(yǎng)元素含量高，經(jīng)洗沙、脫水后，是理想的生物堆肥原材料。但以河道底泥為原料進(jìn)行堆肥及資源化利用有一個技術(shù)障礙，就是所含Zn、Cu、Cd、Pb、Cr、Hg等重金屬元素的處理問題。直接將這些重金屬分離并去除難度非常大。目前，研究較多的是先將這些重金屬進(jìn)行鈍化處理，再進(jìn)行堆肥處理[16-17,37]。本研究采用粉煤灰對河道底泥進(jìn)行鈍化前處理,以降低底泥中水溶性及交換態(tài)重金屬含量。粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物，成分主要為SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO等氧化物。這些氧化物與底泥混合后，先與水反應(yīng)形成易溶或微溶的氫氧化物，再進(jìn)一步與水溶性及交換態(tài)重金屬離子形成溶度積系數(shù)極小、穩(wěn)定性高的化合物(大多數(shù)可歸到在巖石中存在的狀態(tài))[37]。從而降低底泥重金屬離子的含量及危害。重金屬易在酸性條件下活化及釋放，在中性或堿性條件下鈍化及固定。本研究顯示，在堆肥過程中，pH值在7.47～8.87間變化，先是在高溫階段逐步升高，進(jìn)入低溫階段后，又逐步降低，與溫度的變化趨勢一致。物料最終pH值比初始階段還略高，呈現(xiàn)出弱堿性。物料的這種酸堿度變化，不但有利于微生物對有機(jī)物料的降解，也有利于底泥中重金屬化合物活性的控制。同時，本研究利用城市林木枯落物與河道底泥為主要原料制作堆肥，城市林木枯落物也起到了很好的稀釋作用，無害化程度及安全性亦進(jìn)一步提高。

溫度被認(rèn)為是堆肥穩(wěn)定度的指標(biāo)，通常趨于室溫即達(dá)到腐熟。本研究所用城市林木枯落物含量越高，堆溫趨于穩(wěn)定的時間越晚，但維持高溫的時間也越長，有利于嗜熱菌的繁殖和發(fā)揮作用。由于原料中城市林木枯落物pH值比底泥低，處理中城市林木枯落物比例高的堆肥產(chǎn)物pH 值也較低，但總的來說，混合物料的pH值差異不大，不影響微生物發(fā)揮作用。C/N的變化反映了堆肥過程中有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定化和腐熟化程度，各處理堆肥結(jié)束時C/N均低于20，符合腐熟的標(biāo)準(zhǔn)。種子發(fā)芽試驗被認(rèn)為是評價堆肥腐熟度最具說服力的方法，其與C/N的結(jié)果均表明城市林木枯落物和河道底泥作為原料按照適宜比例混合的堆肥，在借助添加外源微生物的基礎(chǔ)上，能夠快速達(dá)到腐熟(20 d內(nèi))。綜上所述，為提高堆肥效率、確保產(chǎn)品質(zhì)量，利用城市林木枯落物和經(jīng)加粉煤灰鈍化處理的河道底泥規(guī)?；a(chǎn)有機(jī)肥適宜比例為1∶3左右。通過后續(xù)的規(guī)?；a(chǎn)工藝參數(shù)的研究，城市林木枯落物和經(jīng)加粉煤灰鈍化處理的河道底泥可以實現(xiàn)高效地循環(huán)利用，變廢為寶，從而為大規(guī)模消納這兩種有機(jī)廢棄物找到科學(xué)合理的途徑。

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