基于通風(fēng)頻率控制的好氧堆肥評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化研究

李思敏，黨婭倩，唐鋒兵，孟云姣

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

污泥是污水廠處理后的附屬品，含大量有機(jī)質(zhì)、重金屬及有毒有害的物質(zhì)，是威脅環(huán)境安全的巨大隱患。污泥通過(guò)堆肥處理后可以變廢為寶，成為良好的有機(jī)肥料，在提高土地肥力，改善土地物理性質(zhì)，增加農(nóng)作物產(chǎn)量方面發(fā)揮作用［1-3］。堆肥后的產(chǎn)品能否達(dá)到處理及利用的要求，主要依靠腐熟度評(píng)價(jià)的結(jié)果，目前來(lái)看，我國(guó)堆肥腐熟程度的評(píng)價(jià)體系仍不完善，因此，必須采用多項(xiàng)指標(biāo)多個(gè)方面相結(jié)合反映堆肥腐熟度［4］。

好氧堆肥憑借經(jīng)濟(jì)成本低、效率高的優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)被廣泛應(yīng)用，主要類(lèi)型有條垛式堆肥、槽式堆肥和反應(yīng)器堆肥等。其中，反應(yīng)器堆肥系統(tǒng)憑借堆肥產(chǎn)品質(zhì)量高，受外部條件影響小，臭味易控制，堆肥周期短及占地小等優(yōu)點(diǎn)，成為污泥堆肥研究的熱點(diǎn)［5］，也為解決污泥堆肥過(guò)程通風(fēng)控制的研究提供了新的思路。選擇合理的通風(fēng)策略能實(shí)現(xiàn)堆體內(nèi)部的快速升溫，減少臭氣產(chǎn)生，在降低能耗的同時(shí)還可提高堆肥質(zhì)量，通風(fēng)作為堆肥成功的關(guān)鍵因素之一［6-7］，一直是研究的重點(diǎn)，目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)反應(yīng)器堆肥系統(tǒng)研究大都是有關(guān)通風(fēng)量及通風(fēng)控制方式的優(yōu)化［8-11］，但在自動(dòng)化控制下，進(jìn)一步探究分階段固定通風(fēng)量情況下通風(fēng)頻率對(duì)堆肥的影響研究較少。

鑒于以上所述，本研究利用自主設(shè)計(jì)的SIEMENSPLC自動(dòng)控制筒式反應(yīng)器堆肥系統(tǒng)，探究在單位小時(shí)內(nèi)通風(fēng)量固定的情況下，改變階段通風(fēng)速率與頻率，研究連續(xù)堆肥對(duì)污泥堆肥過(guò)程及腐熟穩(wěn)定程度的影響，以期實(shí)現(xiàn)污泥堆肥處理工藝參數(shù)的精細(xì)化優(yōu)化。對(duì)堆溫＞55℃的天數(shù)、耗氧量、有機(jī)質(zhì)含量、pH 值、電導(dǎo)率（EC值）、含水率、種子發(fā)芽指數(shù)（GI值）、總氮（TN）含量等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，更加準(zhǔn)確、全面地反映污泥堆肥的實(shí)際腐熟狀況；堆肥是一個(gè)集成的反應(yīng)，各指標(biāo)之間息息相關(guān)、共同作用，通過(guò)變量之間關(guān)系的分析，精簡(jiǎn)堆肥腐熟度評(píng)價(jià)指標(biāo)，具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置為自主設(shè)計(jì)制作，見(jiàn)圖1。裝置為直徑40 cm，高60 cm，壁厚1 cm，容積為80 L的有機(jī)玻璃桶，底部設(shè)有多孔板，開(kāi)孔率為20%，裝置頂部設(shè)出氣孔和集氣裝置，底部有滲濾液排放孔和通風(fēng)孔，桶身有3個(gè)取樣口，外部包裹有5 cm厚的保溫棉。反應(yīng)器內(nèi)部裝有溫度傳感器，氧傳感器裝于集氣瓶頂部，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)酵過(guò)程中溫度與氧含量的變化，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于PLC中。物料在密閉環(huán)境中，通過(guò)PLC控制通風(fēng)間歇，調(diào)節(jié)流量計(jì)改變通風(fēng)速率，進(jìn)行為期25 d（600 h）的堆肥，整個(gè)過(guò)程不外加水。

圖1 堆肥發(fā)酵裝置構(gòu)造圖

1.2 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用污泥取自某市污水處理廠的脫水污泥，蘑菇渣源于周邊種植蘑菇農(nóng)戶廢棄物，污泥與蘑菇渣的初始理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)堆肥分2組進(jìn)行處理，具體運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定見(jiàn)表2。試驗(yàn)采用PLC對(duì)通風(fēng)時(shí)間（編程設(shè)定好的風(fēng)機(jī)開(kāi)停時(shí)間）進(jìn)行控制，在保證單位小時(shí)內(nèi)總的通風(fēng)量一定的前提下，通過(guò)改變各個(gè)發(fā)酵階段的通風(fēng)速率（分為初始、快速升溫、高溫、降溫及穩(wěn)定5個(gè)階段）和單位時(shí)間通風(fēng)頻率控制好氧堆肥過(guò)程，表中的通風(fēng)/間歇時(shí)間均為單次通風(fēng)的時(shí)間。

表1 初始理化性質(zhì)

表2 堆肥試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

試驗(yàn)過(guò)程中采用溫度傳感器與氧傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)堆體內(nèi)部溫度與氧含量變化，從堆肥開(kāi)始后每隔4 h保存一次數(shù)據(jù)，同時(shí)每天10∶00和18∶00記錄外部環(huán)境的溫度并采用氣體檢測(cè)儀（Biogas 5000，Geotech，英國(guó)）測(cè)定氨氣含量。升溫期及高溫維持期，每3 d取樣一次，降溫期及溫度穩(wěn)定期，每5 d取樣一次，從反應(yīng)器的上、中、下3個(gè)取樣口共取80 g樣品，含水量用重量法來(lái)測(cè)定，測(cè)定后的烘干樣品分為兩份，一份經(jīng)馬弗爐600℃烘5 h后測(cè)有機(jī)質(zhì)，一份磨成粉末過(guò)0.075 mm篩后用元素分析儀（Elementary Analyses System，Hanau，德國(guó)）測(cè)定總氮和總碳含量；將堆肥鮮樣：純水按1∶10進(jìn)行混合于200 r/min震蕩2 h，8 000 r/min離心10 min后得到的浸提液用于理化性質(zhì)分析，采用便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀（Multi-340i，WTW，德國(guó)）測(cè)定pH值和電導(dǎo)率，取50顆種子用于測(cè)定種子發(fā)芽指數(shù)GI，剩余浸提液經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過(guò)濾后，采用可見(jiàn)光紫外分光光度計(jì)（TU-1901，普析，中國(guó)）測(cè)定腐殖化系數(shù)（E4/E6值）。

每個(gè)指標(biāo)均測(cè)定3組平行樣品，結(jié)果取平均值。采用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 23.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同通風(fēng)策略對(duì)污泥堆肥表觀效果的影響

在兩種不同通風(fēng)策略下（通風(fēng)運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2），兩組堆肥均有滲濾液流出，顏色與醬油相似，無(wú)明顯氣味，pH值為8；堆肥結(jié)束后，兩組堆體的體積均有所減少，處理1高度下降18 cm，處理2高度下降15 cm，堆肥物料松散，結(jié)構(gòu)呈疏松的小團(tuán)粒，且散發(fā)出森林腐殖土氣味，均產(chǎn)生大量白色或灰色菌絲［12］，處理1明顯多于處理2，且處理1堆體上部長(zhǎng)出若干蘑菇。以上直觀表現(xiàn)均為堆肥達(dá)到腐熟的表現(xiàn)，就堆肥減量化程度與最終產(chǎn)品質(zhì)量來(lái)看，處理1優(yōu)于處理2。

2.2 不同通風(fēng)策略對(duì)堆肥過(guò)程理化性質(zhì)的影響

試驗(yàn)中溫度和氧含量分別由傳感器自動(dòng)采集記錄并保存在PLC中（隔4 h保存一次）。溫度是衡量堆肥腐熟的重要指標(biāo)之一，通常堆體溫度變化分為升溫、高溫、降溫和穩(wěn)定4個(gè)階段，堆肥過(guò)程中溫度變化見(jiàn)圖2，兩處理組均在2 d內(nèi)快速升溫至70℃后快速下降至恒溫。原因是早期桶內(nèi)氧含量充足，并且養(yǎng)料充裕，好氧微生物迅速生長(zhǎng)繁殖，分解堆肥原料，放出大量熱，使堆體溫度迅速上升。堆肥試驗(yàn)從第6 d（144 h）到第10 d（240 h）之間處理1的溫度高于處理2，分析原因是處理1因桶蓋生蟲(chóng)（蠅蟲(chóng)由排氣孔進(jìn)入桶內(nèi)，在布滿冷凝水的桶蓋上產(chǎn)卵），密閉殺蟲(chóng)1 d未通風(fēng)導(dǎo)致，處理1和處理2分別在第11 d和第10 d分別對(duì)兩處理進(jìn)行翻堆并分別混進(jìn)1 kg玉米秸稈粉，進(jìn)行二次發(fā)酵，翻堆后改善了堆體結(jié)構(gòu)，增加了通氣性，解決了微生物群落分布不均的問(wèn)題。整個(gè)堆肥過(guò)程，處理1和處理2堆體溫度55℃以上分別持續(xù)了3.7 d（88 h）和3.8 d（92 h），在70℃以上分別持續(xù)了2 h和4 h，兩個(gè)處理均能在溫度 55℃以上維持3 d以上，符合我國(guó)《糞便無(wú)害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB7959-87），也滿足了一些學(xué)者提出的在堆體溫度至70℃以上10～30 min，將殺滅糞便中病原菌［13］。

圖2 堆肥過(guò)程中溫度變化曲線

氧氣是好氧堆肥發(fā)酵的重要條件。堆肥二次發(fā)酵的耗氧量變化情況見(jiàn)圖3，可以看出，翻堆加入物料后兩試驗(yàn)組耗氧量均快速上升，持續(xù)到第15 d（360 h）后開(kāi)始迅速下降，在堆肥第17 d（408 h）后呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，與劉斌［7］的研究結(jié)果一致，分析原因是堆肥初期，隨著微生物活性增強(qiáng)，耗氧速率增大，到堆肥后期，微生物活性減弱，耗氧量快速下降趨于穩(wěn)定狀態(tài)，呈現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)可能是間歇通風(fēng)導(dǎo)致。處理2較處理1提前1 d下降，是因?yàn)樘幚?翻堆加料比處理1早1 d。在耗氧量大于10%的情況下，處理1與處理2分別持續(xù)了76 h（3.17 d）和52 h（2.17 d），可以看出，處理1微生物反應(yīng)過(guò)程更持久，物料降解更徹底，耗氧量穩(wěn)定后，處理2的耗氧量明顯高于處理1，是因?yàn)楦淖兺L(fēng)策略，處理2堆肥內(nèi)部環(huán)境的氧含量小于處理1，導(dǎo)致處理2相對(duì)耗氧量高于處理1。

圖3 堆肥過(guò)程中耗氧速率曲線

含水量變化是有機(jī)質(zhì)氧化分解產(chǎn)生水分與通風(fēng)帶走水分共同作用形成的結(jié)果［6］。含水量變化情況見(jiàn)圖4，處理1與處理2的初始含水量分別為61.63%和59.20%，第18 d時(shí)分別為51.64%和53.34%，之后趨于平穩(wěn)，到堆肥結(jié)束處理1與處理2含水量降幅分別是16.76%和11.22%，處理1下降比例明顯高于處理2，減量減重效果更好。

圖4 堆肥過(guò)程中含水量變化曲線

堆料中含有大量不穩(wěn)定物質(zhì)，隨著通風(fēng)供氧，微生物將其迅速分解為H2O、CO2和礦物質(zhì)，堆肥的實(shí)質(zhì)是有機(jī)質(zhì)被不斷分解減少的過(guò)程。有機(jī)質(zhì)變化情況見(jiàn)圖5，堆肥早期有機(jī)質(zhì)迅速下降，到堆肥后期，下降速率減緩。處理1與處理2分別從初始的55.7%與53.26%下降至堆肥結(jié)束的36.89%和35.52%，滿足美國(guó)健康標(biāo)準(zhǔn)局規(guī)定的堆肥產(chǎn)品揮發(fā)性固體含量應(yīng)低于65%的要求。

圖5 堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)變化曲線

pH值用于揭示堆肥過(guò)程有機(jī)物分解，比較直觀，腐熟后的堆肥一般呈弱堿性，pH值在8～9之間。pH值變化情況見(jiàn)圖6，兩處理組曲線變化趨勢(shì)基本重合，pH值均呈先升（0～6 d）后降（6～12 d）再小幅回升（12～15 d）后趨于穩(wěn)定，變化范圍在7～8.5之間。在第6 d翻堆后加入物料混勻，pH值開(kāi)始下降，隨著二次發(fā)酵的進(jìn)行pH值開(kāi)始回升，至堆肥結(jié)束，兩組堆體的pH值分別為8.41和8.46，分析原因是堆肥開(kāi)始時(shí)酸性物質(zhì)逐漸揮發(fā)、分解，加上有機(jī)氮在微生物的作用下發(fā)生礦化分解反應(yīng)產(chǎn)生大量銨態(tài)氮，使pH值上升。從pH值變化來(lái)看，兩處理組均符合無(wú)害化要求。

圖6 堆肥過(guò)程中pH值變化曲線

EC值越低對(duì)植物產(chǎn)生的毒害越小，一般而言，堆肥產(chǎn)品的EC應(yīng)小于4.0 mS/cm，以便土地的安全應(yīng)用［14-15］。EC值的變化情況見(jiàn)圖7，兩處理組EC值變化趨勢(shì)大體一致，處理1與處理2分別于第12 d（2.12 mS/cm）和第9 d（1.96 mS/cm）上升至最高，然后下降至最低，分別到第15和12 d之后小幅回升，再趨于穩(wěn)定，分別達(dá)2.02和2.15 mS/cm，分析是由于堆溫升高使微生物代謝加快，有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生大量礦質(zhì)鹽使得EC值升高，隨著堆肥前期氨氣的快速揮發(fā)導(dǎo)致兩處理組的EC值有一定的下降，降溫期，堆體產(chǎn)生大量硝態(tài)氮，并且體積的減少使EC濃縮。從電導(dǎo)率來(lái)看，兩堆體EC值均小于4.0 mS /cm，符合無(wú)害化要求。

圖7 堆肥過(guò)程中EC值變化曲線

E4/E6反映腐植酸分子的穩(wěn)定程度，可作為堆肥腐殖化程度的重要指標(biāo)［16-17］。堆肥E4/E6變化情況見(jiàn)圖8，兩處理組E4/E6變化曲線基本趨勢(shì)一致，從堆肥開(kāi)始兩處理組E4/E6快速下降（0～3 d），然后趨于平穩(wěn)，這與吳淑杭等［18］的研究結(jié)果一致。

圖8 堆肥過(guò)程中E4/E6變化曲線

Bertran等［19］指出種子發(fā)芽指數(shù)GI＞50%時(shí)，可認(rèn)為基本腐熟，滿足植物可以承受的范圍，GI＞85%，則認(rèn)為堆肥已完全腐熟。種子發(fā)芽情況見(jiàn)圖9，曲線整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，處理1先快速增長(zhǎng)（0～12 d），后緩慢增長(zhǎng)，處理2快速增長(zhǎng)（0～12 d）后趨于平穩(wěn)，至堆肥結(jié)束，處理1與處理2的GI分別是98%和75%，判定處理1為完全腐熟，處理2為基本腐熟。

圖9 堆肥過(guò)程中GI變化曲線

兩處理組的全氮含量均呈先下降后平穩(wěn)的趨勢(shì)，如圖10所示，處理1開(kāi)始（1～6 d）下降較快，從初始的1.72%下降至1.25%后小幅上升再趨于穩(wěn)定；處理2開(kāi)始（1～3 d）下降較快，由初始的1.74%下降到1.37%后小幅上升再趨于穩(wěn)定。初期，TN下降是由于堆肥初期通風(fēng)供氧使微生物活動(dòng)劇烈散發(fā)熱量，導(dǎo)致堆體溫度升高，有機(jī)態(tài)氮快速分解轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，同時(shí)，消耗大量的氫離子，使pH值上升，導(dǎo)致大量氮元素以NH3的形式揮發(fā)，之后，隨著有機(jī)質(zhì)繼續(xù)分解，氮主要轉(zhuǎn)化為難揮發(fā)的硝態(tài)氮，使pH值下降，TN含量有小幅上升，后趨于平穩(wěn)［20-22］，到堆肥結(jié)束，處理1與處理2全氮降幅分別為14.53%和21.26%，說(shuō)明處理1“延長(zhǎng)單次通風(fēng)時(shí)間，減少通風(fēng)頻率”的通風(fēng)策略有助于減少總氮的損失，有助于堆肥產(chǎn)品保肥。

圖10 堆肥過(guò)程中全氮含量變化曲線

氨氣的排放濃度變化和排放累積量情況見(jiàn)圖11。因兩次趨勢(shì)一致僅對(duì)堆肥的二次發(fā)酵數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理分析，如圖11所示，氨氣排放濃度整體趨勢(shì)為先升，處理1和處理2分別在第14和13 d到達(dá)了高峰，分別為450和345 mL/m3，然后經(jīng)下降后趨于平穩(wěn)，并表現(xiàn)出明顯的上下起伏現(xiàn)象，分析原因是堆肥初期，堆體溫度的升高使部分有機(jī)酸揮發(fā)，含氮物質(zhì)被微生物礦化分解產(chǎn)生氨氣，到堆肥后期，隨著溫度降低，產(chǎn)生的氨氣逐漸減少。兩處理組氨氣產(chǎn)生的峰值均在堆肥高溫期，與Pagans等［23］、Jiang等［24］、Luo等［25］研究的結(jié)論相似，因?yàn)樘幚?翻堆加料比處理1提前1 d，導(dǎo)致處理2提前升溫，排放高峰也提前1 d。通過(guò)對(duì)排放濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到排放的累積量，如圖12所示，兩處理組曲線均呈上升趨勢(shì)，處理2曲線斜率明顯高于處理1，至堆肥結(jié)束，處理1、處理2的排放累積總量分別為21.67和34.94 L。

圖11 堆肥過(guò)程中氨氣排放濃度變化曲線

圖12 堆肥過(guò)程中氨氣累計(jì)量變化曲線

2.3 腐熟度評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)化

綜上所述，用多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行腐熟度評(píng)價(jià)時(shí)，部分指標(biāo)存在差異性，部分指標(biāo)無(wú)應(yīng)用性，因此進(jìn)行指標(biāo)間的相關(guān)性分析，以便為日后產(chǎn)業(yè)化堆肥腐熟度評(píng)價(jià)進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù)。用SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中記錄指標(biāo)進(jìn)行Perason相關(guān)系數(shù)分析，對(duì)兩組數(shù)據(jù)的分析結(jié)果進(jìn)行整合處理，得到以下結(jié)果，指標(biāo)間的相關(guān)性顯著程度情況見(jiàn)表3，其中，堆肥天數(shù)與含水量、有機(jī)質(zhì)的含量呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），pH值與E4/E6、TN含量呈極顯著相關(guān)，含水量與GI極顯著相關(guān)，堆肥天數(shù)與TC（總碳）含量呈顯著相關(guān)（0.05＜P＞0.01），EC與E4/E6、有機(jī)質(zhì)的含量、TC呈顯著相關(guān)，E4/E6與TC呈顯著相關(guān)，含水量與有機(jī)質(zhì)含量、氨氣濃度呈顯著相關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量與GI呈顯著相關(guān)，堆體內(nèi)部氧含量與溫度呈顯著相關(guān)?；谏鲜鱿嚓P(guān)性分析的結(jié)果，將以上指標(biāo)分為兩個(gè)層級(jí)，第一層級(jí)指標(biāo)包括溫度、含水量、EC值、pH值，其余指標(biāo)為第二層級(jí)，兩層級(jí)指標(biāo)之間相關(guān)性顯著（P＜0.05），由第一層級(jí)指標(biāo)可以推出第二層級(jí)指標(biāo)，第一層級(jí)指標(biāo)方便直接測(cè)定，便于后續(xù)產(chǎn)業(yè)化堆肥的腐熟度判斷。

表3 指標(biāo)間的相關(guān)性顯著程度

3 結(jié)論

蘑菇渣與污泥聯(lián)合堆肥能成功啟動(dòng)，堆肥通過(guò)二次發(fā)酵，最終堆肥產(chǎn)品可達(dá)到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和腐熟標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了無(wú)害化要求。

堆肥過(guò)程中評(píng)價(jià)指標(biāo)在不斷變化中相互影響、相互關(guān)聯(lián)，本研究通過(guò)對(duì)指標(biāo)兩兩之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，優(yōu)選出第一層級(jí)指標(biāo)（溫度、含水量、EC值、pH值）作為腐熟度評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)，通過(guò)對(duì)堆肥過(guò)程理化指標(biāo)的分析，兩處理組堆肥產(chǎn)物均滿足腐熟度標(biāo)準(zhǔn)，用于土壤，不會(huì)對(duì)農(nóng)田產(chǎn)生毒害作用。從含水量降幅、EC、GI、TN損失率及氨氣排放累積量來(lái)看，處理1（16.76%、2.02 mS/cm、98%、14.53%、21.67 L）和處理2（11.22%、2.15 mS/cm、75%、21.26%、34.94 L）相比，處理1（階段速率0.1、0.4、0.6、0.3、0.6 m3/h，通風(fēng)單次15 min/h）有利于污泥減量減重、種子發(fā)芽、堆肥全程氮素?fù)p失少且排放氨氣總量少。

這些指標(biāo)在堆肥過(guò)程中方便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，適用于產(chǎn)業(yè)化堆肥，但是在堆肥初始條件或堆肥環(huán)境改變較大的情況下還需做進(jìn)一步的研究。