輔料配比對市政污泥堆肥效果的影響

李思敏 趙陽悅 唐鋒兵

摘 ? ? ?要：以冀南地區(qū)某污水處理廠脫水污泥為原料，選用菌菇渣和玉米秸稈為輔料，按照不同比例混合后進行好氧堆肥。通過對溫度、氧氣百分含量、含水率、pH值、有機質(zhì)、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等多項指標(biāo)進行測定，考察不同輔料配比對堆肥效果的影響。結(jié)果表明，堆肥48 d之后4個堆體的溫度在55 ℃以上的天數(shù)分別為6、9、8、5 d，均達到了國家無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，且均對植物的生長完全沒有毒性（GI>80%），其中以堆體C效果最優(yōu)。通過對輔料含量和多項指標(biāo)進行相關(guān)性分析可知，輔料含量和含水率呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），和有機質(zhì)呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。輔料含量的增加導(dǎo)致含水率和有機質(zhì)呈明顯下降趨勢，硝態(tài)氮因銨態(tài)氮快速被硝化呈上升趨勢，適當(dāng)增加輔料有助于堆體的腐熟。

關(guān) ?鍵 ?詞：市政污泥;好氧堆肥;輔料配比

中圖分類號： X705 ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）04-0564-04

Abstract： Taking the dewatered sludge of a sewage treatment plant in Southern Hebei as raw material， the mushroom residue and straw as additives， they were mixed in different proportions for aerobic composting. Through the determination of temperature， oxygen percentage， water content， pH value， organic matter， ammonium nitrogen， nitrate nitrogen and other indicators， the influence of different additives ratio on composting effect was investigated. The results showed that the time when the temperature of the four piles was above 55℃ after composting for 48 d was 6，9，8 and 5 d， respectively， which met the national sanitization standard. All the four piles were completely non-toxic to plant growth （GI>80%）， and the effect of the pile C was optimal. Correlation analysis of additive content and multiple indicators showed that there was a significant negative correlation between additive content and water content （P<0.05）， and a significant negative correlation between additive content and organic matter （P<0.01）. The increase of additive content led to a significant downward trend in water content and organic matter. Nitrate nitrogen rapidly increased because ammonium nitrogen was rapidly nitrated， and the appropriate addition of additives contributed to the maturity of the pile.

Key words： Municipal sludge; Aerobic composting; Additive ratio

近年來，隨著經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化進程的迅速發(fā)展，城市污水處理量和處理深度的日益增加必然產(chǎn)生大量污泥，如何妥善處置這些剩余污泥，制約著污水處理行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。污水處理的主要副產(chǎn)物污泥中含有大量有機物、營養(yǎng)元素及植物必須微量元素等[1]，若進行適當(dāng)?shù)募庸ず途C合利用會產(chǎn)生很大的資源化潛力。但同時具有的細菌、病毒、重金屬和寄生蟲卵等有害物質(zhì)容易腐化發(fā)臭污染環(huán)境[2]。污泥堆肥技術(shù)已成為污泥資源化的重要綠色途徑和研究方向。

目前，秸稈、木屑、鋸末和堆肥返料等常用作堆肥調(diào)理劑，不同物理化學(xué)特性的輔料在污泥堆肥中所起的作用不同。中國作為農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生的秸稈和菌菇渣占農(nóng)業(yè)廢棄物的相當(dāng)大一部分，秸稈的大量焚燒和菌菇渣的任意堆積都會造成資源的浪費。如果將其按一定比例與污泥進行混合，可以調(diào)節(jié)堆肥物料的水分、增加C/N和透氣性，對堆肥產(chǎn)品腐熟度和質(zhì)量有很大的提升。因此，本研究選取玉米秸稈和菌菇渣作為調(diào)理劑與污泥混合，探討輔料配比對堆肥效果的影響，以期為三者的資源化利用提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試驗材料

試驗所用的污泥取自某污水處理廠脫水機房產(chǎn)生的生污泥，所用的調(diào)理劑有兩種，一是蘑菇種植產(chǎn)生的菌菇渣，一是農(nóng)田玉米秸稈，菌菇渣和玉米秸稈都進行粉碎預(yù)處理，秸稈的粒徑約1 cm。各原料的主要成分如表1。

1.2 試驗方法

本研究設(shè)置了4個試驗組，A（污泥∶菌菇渣∶秸稈=1∶0.5∶0.03）、B（污泥∶菌菇渣∶秸稈=1∶0.6∶0.04）、C（污泥∶菌菇渣∶秸稈=1∶0.75∶0.065）、D（污泥∶菌菇渣∶秸稈=1∶1∶0.1），污泥量均為30 kg，分別添加0.2%的菌劑。堆肥期間采用強制通風(fēng)+人工翻堆的方式進行處理，前兩周的翻堆頻率為2次/周，隨后為1次/周。通氣方式采用間歇式供氧，每天在上、中、晚三個時間段進行通氣，通風(fēng)量為0.30 m3/h，通氣時間為30 min，當(dāng)達到70 ℃的高溫時需要加大通風(fēng)量來防止微生物的死亡，堆肥周期為48 d。

1.3 采樣與測定

在堆肥過程的第1、3、5、7、10、13、16、19、24、29、34、41、48 d進行采樣，每次采集的樣品為多點混合樣，采集量不少于100 g。測定樣品的含水率、pH值、有機質(zhì)、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、種子發(fā)芽指數(shù)（GI）。含水率、有機質(zhì)通過總量法測定;pH值按固液比1∶10（w/v）加入去離子水，密封震蕩4h，離心過濾之后用pH計進行測定;銨態(tài)氮、硝態(tài)氮參照《土壤農(nóng)化分析》測定;種子發(fā)芽指數(shù)（GI）通過吸取5 mL的浸提液于鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿中放20粒白菜種子，進行25 ℃的恒溫培養(yǎng)，48 h后測定種子發(fā)芽率和根長，并做空白對照。堆肥過程中，在堆體的不同深度放置溫度計，于每天上、中、晚三個時間段記錄堆體溫度及環(huán)境溫度并取其平均值，同時通過便攜式氣體檢測儀對氧氣百分含量進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥過程中溫度和氧氣百分含量的變化

溫度是堆肥過程中的一項基本指標(biāo)，一般堆肥都會經(jīng)歷快速升溫、持續(xù)高溫、緩慢降溫3個時期[3]。A堆體相比于其他三個堆體升溫較快，在第2 d已經(jīng)達到了59.28 ℃的高溫，并在55 ℃以上持續(xù)了6 d，這是因為污泥作為包含大量微生物的絮凝體，占比越大升溫越快[4]。堆體B、C分別在第3 d、4 d達到55 ℃以上，第7 d、8 d達到最高溫度68.85 ℃、67.55 ℃，并分別在55 ℃以上持續(xù)了9 d、8 d。堆體D在第7 d達到55 ℃以上的高溫并持續(xù)了5 d。根據(jù)《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB7959-87）》4個堆體均滿足衛(wèi)生要求。之后由于有機物含量降低，微生物新陳代謝減慢而產(chǎn)熱量減少，經(jīng)過48 d的堆肥周期，堆體溫度接近室溫不再明顯變化。

通風(fēng)是堆肥過程的重要調(diào)控手段，一般根據(jù)溫度和水分含量調(diào)節(jié)通氣量，從而使堆體含氧量保持在5%～15%的范圍內(nèi)。通過對溫度和氧氣百分含量進行偏相關(guān)分析，兩者呈極顯著負(fù)相關(guān)（R=-0.806，P<0.01）。4個堆體的氧氣百分含量在高溫期急劇下降，降溫期逐漸上升，在溫度達到室溫時與外界空氣含量基本保持一致。

2.2 堆肥過程中含水率的變化

污泥含水率是影響堆肥周期長短、堆肥質(zhì)量的關(guān)鍵性因素[5]。堆體A、B、C、D含水率總體表現(xiàn)為下降趨勢，但不同配比的堆體含水率下降幅度有所差異。4個堆體相比初始分別減少了29.47%、31.74%、38.55%、43.10%。輔料配比高的堆體C、D由于菌菇渣量多而孔隙度高，與外界空氣接觸面積大而導(dǎo)致水分散失快，所以含水率下降更為明顯，減量化效果好。

2.3 堆肥過程中pH值的變化

pH值是評估微生物生存環(huán)境的重要參數(shù)，合適的pH值不僅可以保證微生物良好的生存環(huán)境，而且可以減少氨氣的揮發(fā)，從而降低銨態(tài)氮損失[6]。在堆肥前期由于含水率較高，供氧不足，堆體積累乙酸、丁酸等大量有機酸，導(dǎo)致了pH值出現(xiàn)短期的下降。隨著有機氮礦化形成的氨氣在堆體中不斷積累致使pH值逐漸升高，堆體A、B、C在第10 d達到的最大pH值分別為8.71、8.68、8.48，堆體D在第19 d達到最大pH值8.57，都在適于操作的pH值（5.2～8.8）范圍內(nèi)[7]。堆肥后期由于氨氣揮發(fā)，硝化作用增強，同時有機物分解產(chǎn)生有機酸，致使pH值又逐漸下降。隨著輔料配比的增加，堆體中難降解有機物的增多使微生物分解速度相對緩慢，致使達到pH最大值的時間有所延長。

2.4 堆肥過程中有機質(zhì)的變化

有機質(zhì)的含量對堆體溫度和通風(fēng)供氧都有一定的影響，最適范圍為20%～80%[8]。有機質(zhì)含量的改變原因主要為降解和腐殖化，致使有機質(zhì)含量逐漸降低[9]。堆體A、B、C、D的有機質(zhì)均呈下降趨勢，與Fialho等[10]的研究保持一致。4個堆體在堆肥前10 d有機質(zhì)迅速下降，10 d之后開始趨于平緩。相比于堆體A、B，堆體C、D中輔料含量較多并且秸稈比例大，堆肥后期由于存在大量纖維素、木質(zhì)素等難降解的有機物使降解時間延長。由于配比的不同，起始所含有的有機質(zhì)含量也不盡相同，4個堆體相比于堆肥前分別下降了13.27%、14.59%、15.43%、16.23%，輔料的摻量越多堆體質(zhì)地越疏松，變化更為明顯。

2.5 堆肥過程中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化

堆肥過程中銨態(tài)氮含量變化的影響因素有溫度、pH值和氨化微生物活性[11]，各堆體銨態(tài)氨含量的變化都為先上升，然后逐漸下降的趨勢。堆體A的銨態(tài)氮含量在第5 d達到最大值，堆體B、C、D在第7 d達到最大值，由于堆體A升溫迅速降解有機物的速率快，銨態(tài)氮含量最高。銨態(tài)氮含量的下降，標(biāo)志著堆肥開始腐熟，隨著堆肥進入到降溫期，積累的銨態(tài)氮一部分轉(zhuǎn)化為氨氣排入到環(huán)境中，一部分被硝化轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，兩者同時作用使得銨態(tài)氮含量減少。4個堆體在48 d的堆肥周期之后分別穩(wěn)定在1 745.16 mg/kg、1 568.59 mg/kg、1 212.28 mg/kg、1 289.73 mg/kg。

硝態(tài)氮的含量變化是硝化和反硝化綜合作用的結(jié)果。堆肥初期溫度快速升高造成供氧不足，反硝化作用占據(jù)優(yōu)勢，造成氮素的損失。到達高溫期時，硝化細菌的活性在大于40℃的條件下被抑制，同時大量的銨態(tài)氮在高溫條件下轉(zhuǎn)變成氨氣揮發(fā)，使得硝態(tài)氮含量進一步降低，在第7d達到最低。隨著堆肥過程的進行，溫度下降并且堆體透氣性有所提高，充足的氧氣環(huán)境使得硝化作用逐漸增強，大量的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮使得硝態(tài)氮含量逐漸回升。堆體A、B、C、D 相比于堆肥前分別增加了854.78 mg/kg、918.80 mg/kg、936.73 mg/kg、946.27 mg/kg，輔料配比的增加會加快銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。

2.6 堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)的變化

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）是一種通過檢測堆肥浸出液，從而對植物種子發(fā)芽抑制作用強弱進行評價的指標(biāo)。堆體A、B、C、D初始的GI值在20%～35%之間，在堆肥初期出現(xiàn)了短期的下降，最后又繼續(xù)上升。這是因為初期的堆體中產(chǎn)生了大量的有機酸、多酚、醛類等有害物質(zhì)對植物的生長產(chǎn)生了阻礙。隨著堆肥進程的進行，有機酸等物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化，氨氣的揮發(fā)及重金屬的固定使得對植物生長的抑制作用減弱，促進作用增強。當(dāng)堆肥結(jié)束時，4個堆體的GI值分別為83.12%、86.56%、90.81%、92.51%，已經(jīng)全部大于80%對植物無毒害作用[12]。

2.7 輔料配比和測定指標(biāo)的相關(guān)性分析

基于SPSS對輔料含量和多個指標(biāo)進行相關(guān)性分析，根據(jù)相關(guān)系數(shù)來確定彼此之間的相關(guān)性。由表2可知，輔料含量和含水率的相關(guān)性關(guān)系為顯著負(fù)相關(guān)（R=-0.977，P<0.05）。輔料含量越高，菌菇渣疏松多孔的結(jié)構(gòu)增大了與空氣的接觸面積，堆體內(nèi)部的自由空域（FAS）加大，水分通過高溫水汽的蒸發(fā)而減少，實現(xiàn)了污泥減量化的目的。輔料含量和有機質(zhì)呈極顯著負(fù)相關(guān)（R=-0.994，P<0.01）。輔料含量高的含水率下降快，微生物在合適的水分、氧氣條件下新陳代謝旺盛，對有機物進行降解的速率增加，導(dǎo)致有機質(zhì)含量下降。輔料含量和銨態(tài)氮呈負(fù)相關(guān)，但輔料含量的變化與銨態(tài)氮堆肥前后的減少量相關(guān)性不強（R=-0.400，P>0.05）。輔料含量和硝態(tài)氮呈正相關(guān)，但輔料含量的變化與硝態(tài)氮堆肥前后的增加量無顯著關(guān)系（R=0.916，P>0.05）。

3 結(jié)論

（1）采用菌菇渣和秸稈作為調(diào)理劑，以一定比例與污泥混合進行好氧堆肥，4個堆體的溫度全部滿足了國家無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，堆肥結(jié)束時GI值均大于80%達到完全腐熟的要求。綜合多項指標(biāo)分析，堆體C（污泥∶菌菇渣∶秸稈=1∶0.75∶0.065）的堆肥效果最好。

（2）對輔料含量和測定指標(biāo)進行相關(guān)性分析可知，輔料含量和銨態(tài)氮呈負(fù)相關(guān)，和硝態(tài)氮呈正相關(guān)（P>0.05）;輔料含量和含水率呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）;輔料含量和有機質(zhì)呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。

（3）輔料含量越高，含水率、有機質(zhì)下降越明顯，適宜的水分及氧氣環(huán)境加快了銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，使得硝態(tài)氮含量增加。所以適當(dāng)增加輔料含量以維持在45%左右更有利于堆肥的腐熟。

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