城市污泥高溫好氧堆肥過程中碳氮含量的變化特征

林誠 劉用波 林福光

摘 要：采用高溫好氧堆肥工藝，以菌渣、木屑等為輔料，研究城市污泥與輔料不同配比對堆肥過程中碳、氮含量的影響。結(jié)果表明：城市污泥與輔料不同配比在進(jìn)行好氧堆肥情況下，均能在15d左右完成腐熟周期。各處理含水率隨著堆肥時間的延長呈下降的趨勢，pH值表現(xiàn)為先下降后上升，在堆肥進(jìn)行到第19天時，達(dá)到7.67～8.36;有機(jī)質(zhì)、全氮含量呈下降趨勢，在第19天時，有機(jī)質(zhì)、全氮含量分別下降6.72%～12.79%、0.54%～0.98%;不同處理堆體微生物量的碳、氮含量呈先上升后下降的趨勢，在不同配比中，污泥比例越大，堆肥過程碳、氮含量損失越多，且微生物生物量碳、氮活性越低。

關(guān)鍵詞：城市污泥;好氧堆肥;有機(jī)質(zhì);全氮;微生物量碳;微生物量氮

中圖分類號 X703文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2019）21-0110-03

Abstract：In this paper，high temperature aerobic composting process was used to study the effects of different ratios of sewage sludge and auxiliary materials on carbon and nitrogen content in the composting process，using bacterial residue and sawdust as auxiliary materials. The results showed that the decomposition cycle of sewage sludge with different proportions of auxiliary materials could be completed in about 15 days when aerobic composting was carried out. The water content of each treatment decreased with the composting time prolonging，and the pH value decreased first and then increased. The pH value was 7.67-8.36 on the 19th day of composting. The contents of organic matter and total nitrogen decreased by 6.72%-12.79% and 0.54-0.98% on the 19th day of composting，respectively. The content of Microbial biomass carbon and Microbial biomass nitrogen increased first and then decreased. The larger the proportion of sludge，the more the loss of carbon and nitrogen in composting process，and the lower the activity of microbial biomass carbon and nitrogen.

Key words：Sewage sludge;Aerobic composting;Organic matter;Total nitrogen;Microbial biomass carbon;Microbial biomass nitrogen

近年來，隨著中國城市的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)污水導(dǎo)致污泥產(chǎn)量急劇增加，污泥處置的問題已成為了城市可持續(xù)發(fā)展亟待解決的重要問題之一[1-2]。污泥中含有豐富的有機(jī)質(zhì)及各類營養(yǎng)元素，可以作為有機(jī)肥料和土壤改良劑，增加土壤養(yǎng)分，從而促進(jìn)植物的生長發(fā)育，提高作物產(chǎn)量[3-4]，但同時其也含有一定量的重金屬、有毒有機(jī)物等有害成分，具惡臭味，不便于儲存、運(yùn)輸和使用，因而在土地利用前對污泥進(jìn)行穩(wěn)定化處理是非常必要的[5]。堆肥化處理可以有效地減少污泥中有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分元素的流失，是污泥減量化、無害化、資源化的一種比較理想的處理方法，也是實(shí)現(xiàn)污泥可持續(xù)利用的主要途徑[6]。但污泥含水率高、C/N比低的性質(zhì)使其單獨(dú)堆肥周期長、效果差，易導(dǎo)致大量氮損失，不適宜直接堆肥，需要添加輔料調(diào)節(jié)含水率和C/N比[7]。研究表明[8]，在污泥中添加一定比例的高碳低氮物質(zhì)來補(bǔ)充碳源，有利于提高微生物對有機(jī)碳的分解速率，促進(jìn)微生物將更多的銨態(tài)氮固定為有機(jī)氮，以減少氮素?fù)p失。污泥經(jīng)堆肥化處理后，可以考慮在園林綠化、高速公路綠化帶、高爾夫球場等場所使用，這樣既可以節(jié)約運(yùn)輸成本，也可合理利用污泥資源，同時為污泥的處置找到了出路[9]。本研究以福州市污水處理廠污泥為對象，研究城市污泥與農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行堆肥化處理后的碳氮含量變化，為污泥的大規(guī)模堆肥化處理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 采用福州洋里污水廠干濕分離的污泥為試驗(yàn)材料，其余輔料有市售木屑、谷殼、谷糠、食用菌渣。各種原料主要成分見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計 試驗(yàn)設(shè)4個處理，分別為T1：45%污泥+42%食用菌渣+8%木屑+5%谷殼;T2：50%污泥+37%食用菌渣+8%木屑+5%谷殼;T3：55%污泥+32%食用菌渣+8%木屑+5%谷殼;T4：60%污泥+27%食用菌渣+8%木屑+5%谷殼。堆肥原輔料充分混勻后堆置成圓錐形堆體，堆肥高度0.8m，底部直徑1m。

1.3 采樣與測試 于每天早上10：00用溫度計插入堆體表層下100cm處，采用多點(diǎn)測量取平均值的方法測定堆體溫度，并于堆肥第7天和14天進(jìn)行翻堆。堆肥化過程中，從4月3日開始，每隔2d取樣1次，采樣深度在物料的中心位置，每次取樣200g左右，分以下2個部分保存：一部分為新鮮樣品，用于測定含水量、微生物碳、氮，另一部分自然風(fēng)干，粉粹后用于測定pH值、總有機(jī)碳和總氮。測定分析方法參照魯如坤土壤農(nóng)化分析方法，采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同物料配比對堆肥過程溫度變化的影響 由圖1可知，在堆肥過程中，不同物料配比處理堆體溫度的變化規(guī)律相一致，均經(jīng)歷了升溫期、高溫期以及降溫期。在第1次翻堆前，不同配比的堆體溫度均可達(dá)到60℃以上。其中，污泥比例越少，堆體的溫度越高，T1處理堆體的高溫可達(dá)到70℃，而T3、T4處理高溫維持在60℃左右。第1次翻堆后，各處理堆體溫度降至50℃左右，隨后又上升，表明發(fā)酵還未完成;在第2次翻堆后，各處理的堆體溫度開始下降，并趨于穩(wěn)定，表明好氧發(fā)酵已基本完成，堆肥達(dá)到腐熟階段。

2.2 不同物料配比對堆肥過程含水率、pH值的影響 由圖2可知：試驗(yàn)前堆肥含水率在55.27%～62.22%，隨著堆肥時間的延長，堆體的水分以水蒸氣的形式散失到環(huán)境中，以及堆體內(nèi)微生物活躍期間消耗水分，導(dǎo)致各處理含水量下降。在堆肥進(jìn)行到第19天，試驗(yàn)堆肥的含水率在43.08%～48.20%，其中以T4處理含水率最高。不同物料配比堆體pH變化如圖3所示。由圖3可知，在堆肥過程中，各處理pH值呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。隨著堆肥的進(jìn)行，在升溫時期，堆體有機(jī)物量大分解產(chǎn)生小分子有機(jī)酸和各種離子，較大的酸性物質(zhì)產(chǎn)生導(dǎo)致pH值下降;之后隨著有機(jī)酸的分解，含氮物質(zhì)在微生物作用下分解產(chǎn)生大量的氨氣，在堆體內(nèi)積累使pH值上升;在堆肥進(jìn)行到第19天時，pH值在7.67～8.36，pH值越高，則意味著氮損失的可能性越大。

2.3 不同物料配比對堆體有機(jī)質(zhì)、全氮含量的影響 由圖4可知：隨著堆肥時間的延長，各處理的有機(jī)質(zhì)含量總體呈現(xiàn)下降的趨勢。有機(jī)質(zhì)含量降低主要是因?yàn)槎逊是拔⑸锘钚暂^高，代謝活動較強(qiáng)，堆體中容易降解有機(jī)物被大量分解，使堆體有機(jī)質(zhì)含量下降，隨著污泥用量的增加，有機(jī)碳下降幅度增大。在堆肥進(jìn)行到第19天時，各處理有機(jī)質(zhì)含量分別下降6.72%～12.79%，其中以T4處理下降最多。隨著堆肥時間的延長，全氮含量總體呈現(xiàn)下降的趨勢（圖5），這與有機(jī)質(zhì)的趨勢相一致。堆肥過程中，在微生物代謝作用下，有機(jī)氮強(qiáng)烈分解，大量的氨產(chǎn)生并揮發(fā)，造成堆體全氮含量下降。在堆肥進(jìn)行到第19天時，各處理全氮含量分別下降0.54～0.98%，其中T4處理全氮下降幅度最大，而菌渣能保持堆體的通透性，增大堆體填料對氮的吸附，因此菌渣比例越高，總氮含量損失越小。

2.4 不同物料配比對堆體微生物量碳、氮含量的影響 由圖6、圖7可知，在堆肥過程中，堆體微生物生物量碳、氮含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，各處理在堆肥進(jìn)行到第7天時，微生物生物量碳、氮均達(dá)到最大值，表明此時堆體微生物活性較強(qiáng);翻堆后，隨著堆體溫度下降，各處理堆體的微生物生物量碳、氮含量開始降低，說明堆體內(nèi)微生物活性開始減弱。在不同處理中，均以T1處理的微生物生物量碳、氮含量最高，這表明T1處理的配比更有利于微生物生長，從而更有利于有機(jī)物料的腐殖化。

3 結(jié)論

通過城市污泥與輔料不同配比在進(jìn)行連續(xù)翻堆好氧發(fā)酵情況下，均能夠在15d左右完成腐熟周期，但是在后期pH持續(xù)升高，易造成氨揮發(fā)，存在氮損失揮發(fā)到環(huán)境的風(fēng)險。在不同配比中，污泥比例越大，堆肥過程碳、氮含量的損失就越多，且微生物生物量碳、氮活性越低。因此，在本研究中，以45%污泥+42%食用菌渣+8%木屑+5%谷殼配比的整體效果最佳。

參考文獻(xiàn)

[1]孟國欣，查同剛，張曉霞，等.北京污水處理廠污泥重金屬污染特征和生態(tài)風(fēng)險評價[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2017，26（9）：1570-1576.

[2]張增強(qiáng)，孟昭福，孫西寧，等.我國城市污泥處理對策分析[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[3]SUN Q H，ZHANG J K，ZHANG H F. Research on Sewage Sludge Composting Experimental[J].Advanced Materials Research，2014，1030-1032：313-316.

[4]VIAENE J，VAN L J，VANDECASTEELE B，et al. Opportunities and barriers to on-farm composting and compost application：A case study from northwestern Europe[J].Waste Management，2016，48：181-192.

[5]張增強(qiáng)，殷憲強(qiáng).污泥土地利用對環(huán)境的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2004，23（6）：1182-1187.

[6]LISTER S K，LINE M A. Potential utilisation of sewage sludge and paper mill waste for biosorption of metals from polluted waterways [J].Bioresource Technology，2001，79（1）：35-39.

[7]袁京，何勝洲，李國學(xué)，等.添加不同輔料對污泥堆肥腐熟度及氣體排放的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32（S2）：241-246

[8]洪磊，肖學(xué)貴.污泥堆肥過程中氮素?fù)p失及控制方法[J].河南農(nóng)業(yè)，2016（11）：19-20.

[9]張增強(qiáng)，薛澄澤.城市污水污泥的堆肥化與資源化[J].環(huán)境保護(hù)，1997（7）：12-15.

（責(zé)編：張宏民）