不同調(diào)理劑協(xié)同市政污泥好氧堆肥試驗研究

孟云姣， 唐鋒兵， 張娟， 李思敏， 黨婭倩

（河北工程大學a.河北省水污染控制與水生態(tài)修復(fù)技術(shù)創(chuàng)新中心； b.能源與環(huán)境工程學院， 河北 邯鄲 056038）

城市污水處理廠剩余污泥富含N、 P、 K 等營養(yǎng)物質(zhì)及大量有機質(zhì)。 同時， 污泥中含有大量的致病菌、 重金屬有毒有害物質(zhì)［1］。 如果不經(jīng)過妥善處理及處置， 會對土壤和環(huán)境造成嚴重污染。 有研究表明， 好氧堆肥是一種有效的污泥穩(wěn)定化處理工藝， 其最終產(chǎn)物可作為土壤改良劑或土壤調(diào)節(jié)劑豐富土壤中的有機質(zhì)和微生物， 從而提高土壤質(zhì)量［2］。由于剩余污泥含水率較高， 透氣性差， 單獨堆肥難以滿足高溫條件（溫度高于50 ℃）。 此外， 剩余污泥的碳氮比較低， 不利于好氧堆肥反應(yīng)的進行， 會造成大量氨揮發(fā)。 一些研究人員將木屑、 樹皮、 稻草、鋸末、 秸稈或樹葉等作為調(diào)理劑或膨脹劑與污泥混合， 以優(yōu)化初始原料的碳氮比和含水率， 提高堆肥混合物料的孔隙率， 減少體積密度， 滿足微生物的生長需求， 使堆肥反應(yīng)順利進行［3－5］。 Meng 等［6］研究發(fā)現(xiàn)添加適量的蘑菇渣可以提高堆肥的腐熟度，降低氨的排放。 薛紅波等［7］采用菌菇渣、 秸稈作為調(diào)理劑按照不同的比例與污泥混合， 結(jié)果表明， 添加菌菇渣的堆體的處理效果要優(yōu)于只添加秸稈的堆體。 因此， 篩選合適的調(diào)理劑有利于提高堆肥質(zhì)量和堆肥效果。

本試驗以小麥秸稈、 玉米秸稈、 蘑菇渣、 木屑作為調(diào)理劑， 分別與城市污水處理廠脫水污泥按一定比例混合堆肥并進行比較， 以期獲得工程上適用的調(diào)理劑， 并確定相關(guān)工藝參數(shù)。 同時， 考察堆肥效果及堆肥質(zhì)量， 為城市污泥與農(nóng)業(yè)固體廢棄物資源化利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所用堆肥物料包括污泥、 小麥秸稈、 玉米秸稈、 蘑菇渣、 木屑等， 污泥取自邯鄲某污水處理廠脫水污泥， 農(nóng)作物秸稈和磨菇渣取自周邊農(nóng)村， 木屑取自邯鄲市周邊家具加工廠。 所用原料的理化性質(zhì)見表1。

表1 堆體物料的基本性質(zhì)Tab. 1 Basci characteristics of composting materials

1.2 試驗設(shè)計

堆肥反應(yīng)器為圓柱狀， 直徑為0.4 m， 高為0.65 m， 采用厚度為1.0 cm 的PVC 板粘接而成，反應(yīng)器底部放入開孔率為20% 的PVC 篩板， 用高5 cm 的木塊支撐， 其有效容積為75.4 L； 反應(yīng)器外部采用3.0 cm 厚度的橡塑棉做保溫層。 將污泥與各調(diào)理劑按一定比例混合均勻后放入堆肥反應(yīng)器中， 采用間歇通風。 堆肥初期（15 ℃≤t ＜35 ℃）通風量為0.08 m3／h； 快速升溫期（35 ℃≤t ＜60℃）通風量為0.20 m3／h； 降溫期通風量為0.10 m3／h。 該試驗按不同原料配比混合， 見表2。 每個堆體的初始質(zhì)量約為25 kg， 并添加0.2% 的堆肥菌劑， 初始高度約為0.55 m， 堆肥周期為42 d。 在堆肥的第0、 2、 4、 7、 10、 14、 21、 28、 35、 42 d分別采集堆肥樣品， 充分混合后進行分析， 每次采樣約500 g， 一份鮮樣品保存于4 ℃冰箱， 測含水率、 pH 值、 電導(dǎo)率、 銨態(tài)氮等指標， 另一份鮮樣品風干研磨， 測定堆體的有機質(zhì)等指標。

表2 堆肥原料配比及含水率Tab. 2 Ratios and moisture content of composting materials

1.3 分析方法

溫度： 堆肥期間， 每天9:00、 15:00、 21:00測定堆體的上中下3 個部位的溫度， 取平均值， 同時記錄室溫。

含水率： 取20 g 左右的新鮮樣品在105 ℃下烘干4 h， 用重量法測定樣品的含水率［8］。

pH 值和電導(dǎo)率： 新鮮樣品質(zhì)量與去離子水體積按1 ∶10 的比例混合， 振蕩4 h， 混合液在4 000 r／min 下離心30 min 后， 取上清液測定pH 值和電導(dǎo)率［9］。

有機質(zhì)： 堆體有機質(zhì)通過馬弗爐于（550±50）℃下灼燒1 h 測定［10］。

銨態(tài)氮： 采用KCl 浸提－靛酚藍比色法測定樣品中的銨態(tài)氮［10］。

硝態(tài)氮： 采用酚二黃酸比色法測定樣品中的硝態(tài)氮［10］。

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）： 稱取新鮮堆肥樣品5 g，加入50 mL 蒸餾水， 室溫振蕩1 h 后過濾， 吸取5 mL 濾液于鋪有濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)， 并于培養(yǎng)皿內(nèi)均勻排布20 粒飽滿的白菜種子， 于28 ℃下在恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h， 以蒸餾水作對照［11］。

式中： A1為污泥濾液培養(yǎng)種子的發(fā)芽率， %；A2為污泥濾液培養(yǎng)種子的根長， mm； B1為蒸餾水培養(yǎng)種子的發(fā)芽率， %； B2為蒸餾水培養(yǎng)種子的根長， mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥堆肥過程中溫度的變化

溫度是反映污泥堆肥過程中微生物活性變化的重要指標， 堆肥過程中溫度的變化對微生物群落及微生物多樣性、 生物降解速率和堆肥衛(wèi)生起著重要作用［12］。 堆肥過程中溫度的變化如圖1 所示。

圖1 堆肥過程中溫度的動態(tài)變化Fig. 1 Dynamic changes of temperature during composting

由圖1 可以看出， 4 個堆體均經(jīng)歷了升溫、 高溫、 降溫、 腐熟4 個典型的堆肥階段。 由于所添加的調(diào)理劑不同， 4 個堆體的溫度變化也有所不同。堆體C 升溫最快， 其次是堆體B、 A、 D， 堆體A、B、 C、 D 的 升 溫 速 率 分 別 為11.1、 16.5、 17.95、9.37 ℃／d。 堆體A、 B、 C、 D 分別在第3、 2、 2、3 d 達到最高溫度62.7、 64.6、 68.9、 58.1 ℃， 高溫階段（≥50 ℃）持續(xù)時間分別為11、 13、 14、 9 d，均滿足GB 7959—87《糞便無害化衛(wèi)生標準》中要求的高溫持續(xù)時間［13］。 堆體C 的升溫速率高于其他堆體是因為蘑菇渣中的有機質(zhì)更容易被微生物所降解。 在高溫期， 微生物代謝旺盛， 消耗堆體中的有機質(zhì)， 持續(xù)釋放熱量， 因而高溫階段會維持一段時間。 有研究表明， 草本基質(zhì)的降解速度要快于木質(zhì)基質(zhì)［14］。 因此與其他堆體相比， 堆體D 的高溫階段相對較短。

2.2 污泥堆肥過程中含水率的變化

污泥堆肥過程中， 含水率的變化總體呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢， 如圖2 所示。 4 個堆體經(jīng)過42 d 的發(fā)酵后含水率明顯降低。 不同堆體含水率的下降速率為堆體C ＞堆體A ＞堆體D ＞堆體B。 這是由于添加蘑菇渣的堆體孔隙較大， 堆體與外界空氣交換性能好， 使得堆體內(nèi)的水分更容易揮發(fā)， 減量化效果比較好， 這與薛紅波等［7］的研究一致。

圖2 堆肥過程中含水率的動態(tài)變化Fig. 2 Dynamic changes of moisture content during composting

2.3 污泥堆肥過程中pH 值的變化

在污泥堆肥過程中， 堆體的pH 值隨著時間和溫度的變化而變化， pH 值太高或者太低都不利于微生物的繁殖和有機物的降解， 污泥堆肥適宜的pH 值范圍一般在7.5 ～8.5 之間［12］。 污泥堆肥過程中pH 值的變化如圖3 所示。

圖3 堆肥過程中pH 值的動態(tài)變化Fig. 3 Dynamic changes of pH value during composting

堆體A、 B、 C、 D 的pH 值呈先升高后降低的趨勢， 這是由于堆體在升溫期間， 有機質(zhì)在微生物作用下快速分解， 銨態(tài)氮含量增加導(dǎo)致pH 值上升； 在此過程中， 蛋白質(zhì)、 氨基酸的礦化通常也會導(dǎo)致氨的釋放， 使pH 值增加。 之后由于氨的揮發(fā)、 硝化作用以及有機物分解產(chǎn)生的低分子有機酸使pH 值下降［14］。 到第42 天堆肥結(jié)束時， 4 個堆體的pH 值分別下降到7.31、 7.25、 7.81、 7.24， 符合CJ／T 309—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 農(nóng)用泥質(zhì)》標準要求［15］。

2.4 污泥堆肥過程中電導(dǎo)率的變化

電導(dǎo)率與堆肥基質(zhì)的礦化程度和礦物組分的濃度有關(guān)。 4 個堆體在堆肥過程中電導(dǎo)率的變化如圖4 所示。

圖4 堆肥過程中電導(dǎo)率的動態(tài)變化Fig. 4 Dynamic changes of electrical conductivity during composting

由圖4 可以看出， 4 個堆體的電導(dǎo)率呈升高、降低再升高的波動變化趨勢。 堆肥開始時， 4 個堆體的電導(dǎo)率分別為1.13、 1.02、 1.17、 0.74 mS／cm。隨著反應(yīng)的進行， 有機質(zhì)被微生物分解， 礦物鹽濃度增加， 電導(dǎo)率逐漸升高。 之后因為小分子有機酸和陽離子交換量的變化， 以及礦物鹽的沉淀造成了電導(dǎo)率也隨之波動變化［16］。 堆肥結(jié)束時， 堆體A、B、 C、 D 的電導(dǎo)率分別為1.85、 1.53、 1.37、 0.84 mS／cm。 在本次試驗中， 整個堆肥過程中的電導(dǎo)率均小于4.3 mS／cm， 表明堆肥產(chǎn)品中的可溶性鹽對植物沒有毒害作用［1］。

2.5 污泥堆肥過程中有機質(zhì)的變化

4 個堆體有機質(zhì)含量的變化見圖5。

圖5 堆肥過程中有機質(zhì)的動態(tài)變化Fig. 5 Dynamic changes of organic matters during composting

由圖5 可知， 4 個堆體有機質(zhì)含量逐漸下降并在堆肥后期趨于穩(wěn)定。 有機質(zhì)降解速率的排序為堆體C ＞堆體A ＞堆體B ＞堆體D。 隨著溫度的升高， 微生物代謝旺盛， 堆體中的有機質(zhì)被大量分解， 因而有機質(zhì)含量下降明顯。 在降溫及腐熟階段， 堆體中易降解的有機質(zhì)幾乎被消耗完全， 殘留的主要為難降解的有機質(zhì)， 分解比較緩慢。 蘑菇渣增大了堆肥混合物的孔隙率， 有助于增加堆體的通氣性， 加快了微生物的降解速率。 此外相比于木屑， 蘑菇渣中的纖維素和半纖維素更容易被微生物利用［14］。

2.6 污泥堆肥過程中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化

堆肥過程中可同時發(fā)生氨化、 硝化、 反硝化等多種氮素轉(zhuǎn)化反應(yīng)， 而堆肥過程中銨態(tài)氮含量主要取決于堆體溫度、 pH 值和氨化微生物的活性［17］。 4個堆體的銨態(tài)氮的動態(tài)變化如圖6 所示， 硝態(tài)氮的動態(tài)變化如圖7 所示。

圖6 堆肥過程中銨態(tài)氮的動態(tài)變化Fig. 6 Dynamic changes of ammonium nitrogen during composting

圖7 堆肥過程中硝態(tài)氮的動態(tài)變化Fig. 7 Dynamic changes of nitrate nitrogen during composting

由圖6 可知， 在堆肥初期， 由于溫度和pH 值升高使有機含氮化合物礦化， 導(dǎo)致銨態(tài)氮的含量增加。 而后隨著氨氣的揮發(fā)和硝化反應(yīng)等多種過程，其含量不斷下降。 當堆體內(nèi)ω（銨態(tài)氮） ≤0.43 g／kg 時， 被認為已經(jīng)腐熟［18］。 反應(yīng)結(jié)束時， 堆體A、B、 C、 D 的銨態(tài)氮含量分別為0.35、 0.42、 0.15、0.29 g／kg， 均小于0.43 g／kg， 可認為堆肥產(chǎn)品已經(jīng)腐熟。

由圖7 可知， 4 個堆體的硝態(tài)氮含量在0 ～21 d內(nèi)變化緩慢， 等到21 d 后增幅較大。 這是因為在高溫階段氨化細菌為優(yōu)勢菌群， 當溫度下降到40 ℃以下， 硝化細菌活性增強。 在硝化細菌作用下， 銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮， 所以在堆肥后期， 堆體的硝態(tài)氮含量迅速上升［1］。 試驗結(jié)束時， 堆體A、 B、 C、 D的硝態(tài)氮含量分別為2 550、 2 740、 2 630、 2 300 mg／kg， 與堆肥前相比， 分別增加了65.5%、 68.6%、69.5%、 66.5%。 Zhang 等［19］研究發(fā)現(xiàn)， 蘑菇渣可以為硝化細菌提供更加適宜的生長環(huán)境， 有利于硝化細菌完成更多的硝化作用。 因此， 堆體C 中硝態(tài)氮增加的含量略高于其他堆體。

根據(jù)相關(guān)研究［20］， 通常用硝化系數(shù)（m（NH4+-N）／m（NO3--N））來評價堆肥的腐熟度。 硝化系數(shù)小于0.5 可認為堆肥產(chǎn)品完全腐熟； 硝化系數(shù)在0.5 ～3.0 之間可認為堆肥產(chǎn)品腐熟； 硝化系數(shù)大于或等于3.0 認為堆肥產(chǎn)品沒有腐熟。 本試驗堆肥結(jié)束時， 堆體A、 B、 C、 D 的硝化系數(shù)分別為1.25、1.56、 0.96、 1.32， 表明4 個堆體的最終堆肥產(chǎn)品已經(jīng)腐熟。

2.7 污泥堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)（GI）的變化

污泥堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)（GI）的變化如圖8 所示。 在堆肥第0 ～4 天時， GI 值呈現(xiàn)下降的趨勢， 第4 天以后， 4 個堆體的GI 值呈現(xiàn)上升趨勢；堆肥結(jié)束時， 4 個堆體的GI 值分別達到了108.0%、105.8%、 110.2%、 102.6%。 這是因為反應(yīng)前期堆肥物料中會釋放一些有害物質(zhì)抑制種子的生長。 在降溫期和腐熟期， 有害物質(zhì)和低相對分子質(zhì)量有機酸被分解或轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)使種子發(fā)芽率升高。

圖8 堆肥過程中GI 的動態(tài)變化Fig. 8 Dynamic changes of GI during composting

3 結(jié)論

（1） 采用小麥秸稈、 玉米秸稈、 蘑菇渣、 木屑作為調(diào)理劑與市政污泥進行好氧堆肥， 4 個堆體都經(jīng)歷了升溫、 高溫、 降溫、 腐熟4 個階段， 且高溫階段（≥50 ℃）持續(xù)時間分別為11、 13、 14、 9 d，滿足堆肥衛(wèi)生標準和腐熟度標準； 含水率由原來的62%～65%下降到40% ～45%； 4 個堆體的pH 值分別為7.31、 7.25、 7.81、 7.24， 介于5.5 ～9.0 之間， 符合CJ／T 309—2009 中的營養(yǎng)學標準； 4 個堆體的GI 值分別為108.0%、 105.8%、 110.2%、102.6%， 均達到CJ／T 309—2009 的要求。 堆肥結(jié)束時， 4 個堆體的理化性質(zhì)指標和GI 值達到GB／T 23486—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 園林綠化用泥質(zhì)》標準。 在后續(xù)研究中， 將對堆肥過程中其他毒性物質(zhì)及重金屬含量的變化進行分析研究， 為堆肥產(chǎn)品的進一步應(yīng)用提供參考。

（2） 堆肥結(jié)束時， 4 個堆體的有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)分別為47.6%、 50.5%、 48.9%、 54.3%， 且添加蘑菇渣的C 堆體的有機質(zhì)降解效果較好； 銨態(tài)氮呈先增加后降低的趨勢， 而硝態(tài)氮呈逐漸增加的趨勢。 4 個堆體的硝化指數(shù)均小于3， 表明4 個堆體經(jīng)過高溫好氧處理達到腐熟要求。

綜上所述， 添加的4 種調(diào)理劑均能使堆肥反應(yīng)順利進行， 其中以蘑菇渣為調(diào)理劑的堆體C 的升溫速度、 種子發(fā)芽指數(shù)（GI）、 有機質(zhì)等指標都高于以小麥秸稈、 玉米秸稈、 木屑為調(diào)理劑的堆體。結(jié)合當?shù)貙嶋H情況， 在市政污泥堆肥中， 選用蘑菇渣作為調(diào)理劑可以達到較好的堆肥效果。 若蘑菇渣供應(yīng)不足， 可選用玉米秸稈替代， 可達到相似的效果。