水稻秸稈添加對污水處理廠污泥好氧堆肥效果的影響

鮑博　唐琦　劉梅　邵力　戎振英　孫靜亞

摘要 探討污水處理廠污泥與水稻秸稈堆肥的最佳混合比，為水稻秸稈資源化提供理論參考。共設(shè)1.0∶0.5、1.0∶1.0、1.0∶1.5和1.0∶2.0這4組污泥和水稻秸稈比例，分別在第1、4、7天時測定各體系內(nèi)含水率，pH、有機碳、總氮和總磷，同時記錄每日堆肥溫度變化。研究結(jié)果表明，污泥秸稈配比為1.0∶1.0和1.0∶1.5的體系含水率較好。溫度均呈先升高再下降的趨勢，其中1.0∶1.0配比下溫度達(dá)到最高，為56.7 ℃。所有條件中pH變化均在適宜范圍6.5～8.2。各體系有機碳含量均為下降，1.0∶1.0體系的降解速度最快，下降率為26.64%?？偟傮w呈下降趨勢，而總磷呈上升趨勢。綜合考慮，污泥與水稻秸稈比例為1.0∶1.0時最為適宜。

關(guān)鍵詞 污泥;好氧堆肥;秸稈

中圖分類號 X 703文獻標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2020）23-0088-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.23.022

Effects of Rice Straw Addition on Aerobic Composting of Sludge from Sewage Treatment Plant

BAO Bo， TANG Qi， LIU Mei et al

（College of Marine Science and Technology， Zhejiang Ocean University， Zhoushan， Zhejiang 316022）

Abstract We discussed the optimal mixing ratio of sludge in sewage treatment plant and rice straw compost， which provided a theoretical reference for rice straw resource utilization. The ratios of sludge and rice straw in four groups of 1.0∶0.5， 1.0∶1.0， 1.0∶1.5 and 1.0∶2.0 were set in the experiment. The water content， pH， organic carbon， total nitrogen and total phosphorus in each group were measured at 1， 4 and 7 days respectively， and the composting temperature changes were recorded daily. The results showed that the water contents in the system with the ratio of 1.0∶1.0 and 1.0∶1.5 were better. Temperature increased initially and then decreased， and the ratio of 1.0∶1.0 reached the highest temperature of 56.7 ℃. The pH change in all conditions was in the range of 6.5-8.2 appropriately. Organic carbon content of each system was decreasing， and the 1.0∶1.0 system was reduction maximally in all systems which was 26.64%. Total nitrogen decreased and total phosphorus increased in all conditions. Considering comprehensively， it is most suitable when the ratio of sludge to rice straw is 1.0∶1.0.

Key words Sludge;Aerobic composting;Straw

隨著我國城鎮(zhèn)化進程加快，城市的污泥產(chǎn)量與日俱增，目前每年污泥產(chǎn)量超過4 000萬t，預(yù)測2020年城市污泥的年產(chǎn)量將會達(dá)6 000萬t[1]。污泥中含有大量有害物質(zhì)，一旦處置不當(dāng)將會造成二次污染[2]。好氧堆肥法是一種有效的處理工藝，通過控制水分含量、C/N比例和通氣方式，使污泥中大量的微生物將有機物轉(zhuǎn)變?yōu)楦迟|(zhì)被植物利用，并且增強土壤肥力[3]。由于污泥含水率較高，透氣性差，不利于進行好氧堆肥，并且達(dá)不到溫度要求。而添加調(diào)理劑則可以改變含水率、孔隙率和碳氮比等[4]。水稻秸稈是非常好的調(diào)理劑，作為廢棄資源重新利用，成本低，有著良好的前景。已有學(xué)者將水稻秸稈應(yīng)用于城市污泥好氧堆肥中[5]，然而對污泥與秸稈的配比則研究較少。

筆者以水稻秸稈和城市污泥高溫好氧堆肥的過程作為研究對象，探究不同比例的污泥和秸稈對堆肥體系的影響，以期為秸稈好氧堆肥的實際應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

污泥為取自舟山污水處理廠二沉池的活性污泥，作為好氧堆肥的基質(zhì)與水稻秸稈混合。水稻秸稈來自舟山市內(nèi)農(nóng)田，是粒徑小于1 mm的細(xì)秸稈。試驗中所用試劑均為分析純。

堆肥裝置采用普通保溫泡沫箱，內(nèi)徑尺寸為162 mm×162 mm×342 mm，壁厚17 mm。

1.2 方法

1.2.1 好氧堆肥設(shè)計。

好氧堆肥試驗處理如表1所示。分別將濕重污泥與水稻秸稈按照質(zhì)量比1.0∶0.5、1.0∶1.0、1.0∶1.5、1.0∶2.0混合，充分?jǐn)嚢? min后倒入保溫泡沫箱，箱蓋上留有通風(fēng)口。通風(fēng)方法為人工翻堆與自然通風(fēng)，每隔3 h打開保溫泡沫箱并翻堆1 min。在溫度升高到40 ℃之前采用自然通風(fēng)，40 ℃之后進行人工翻堆。

分別在堆體混合完畢，堆體完成升溫以及堆肥結(jié)束時進行取樣，每次在堆體的上、中、下3處分別取樣混合以保障取樣均勻，每個體系每次取2個樣品，取樣10 g左右于培養(yǎng)皿中。最后將樣品風(fēng)干研磨并通過100目篩網(wǎng)，保存于干燥陰涼處等待檢測。

樣品預(yù)處理：除了要按照上述方法取樣，在堆肥前還要對污泥和秸稈取樣測定本底值。分別把取得的樣品編號，每個樣品分為2份，X組樣和Y組樣。

X組樣品要放置于恒溫干燥箱中，設(shè)定溫度為60 ℃，持續(xù)不斷烘干，時間為7 d。進行研磨，通過100目篩網(wǎng)，在低溫干燥的環(huán)境下保存，為之后的測定做好準(zhǔn)備。

Y組樣品用于測定含水率。

1.2.2 指標(biāo)測定。

含水率測定采用減重法：使用天平測出培養(yǎng)皿和樣品的質(zhì)量m1，之后置于恒溫干燥箱中105 ℃干燥24 h，烘干至恒重取出，稱其質(zhì)量m2，每個培養(yǎng)皿洗凈擦干，稱量培養(yǎng)皿的質(zhì)量m3，通過公式計算含水率：

w=（m1-m2）/（m1-m3）×100%。

使用100 ℃的水銀溫度計每天上下午各測量2次，每次測完溫度就要進行1 min的人工翻堆。

用天平稱取X組樣品0.5 g，按照樣品∶去離子水為1∶10（質(zhì)量比）混合振蕩2 h后，離心30 min，測定上清液pH。

有機碳測定采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法[6]。

總氮測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[7]。

總磷測定采用鉬酸銨分光光度法[8]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS 25.0進行統(tǒng)計和分析，單因素方程分析（ANOVA）檢驗顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同配比對含水率的影響

已有研究表明，污泥好氧堆肥的含水率最適宜值為60%～70%[9]。好氧堆肥過程中各堆肥體系的含水率變化如圖1所示，配比不同對含水率變化量的影響并不大，不同配比污泥與秸稈只是決定了初始的含水率。在堆肥過程中，含水率基本呈現(xiàn)穩(wěn)定下降的趨勢。相比之下c體系的含水率下降最快，其他3個體系速率無明顯差異。

2.2 不同配比對溫度的影響

由圖2可知，不同配比的好氧堆肥體系均經(jīng)歷了升溫、高溫、降溫、腐熟4個時期，這與前人研究類似[10]，其中體系a的溫度變化最小，升溫期只持續(xù)了0.5 d的時間，而且最高溫度只有40 ℃，沒能進入高溫分解階段（>50 ℃），之后溫度一直在30～40 ℃。從第6天開始降溫，到第7天溫度降至室溫水平。這可能是由于污泥含量過高，微生物數(shù)量過多，導(dǎo)致微生物無法在有利條件下分解營養(yǎng)物質(zhì)釋放熱量。而體系d的溫度同樣是在第一天就達(dá)42.2 ℃，溫度在40 ℃上下維持了1.5 d，之后溫度開始慢慢下降到30.2 ℃，后溫度又有小幅上升，雖然溫度最高就上升到37.1 ℃，但這可認(rèn)定為二次發(fā)酵過程。體系d的溫度升不到50 ℃，無法達(dá)到高溫好氧堆肥的條件，之后在第6天開始溫度慢慢下降到常溫。這可能是由于秸稈含量過多，導(dǎo)致初始含水率過低，只有40.8%，無法滿足微生物的適宜生存條件，導(dǎo)致微生物無法大量分解有機營養(yǎng)物質(zhì)。之后在第6天開始溫度慢慢下降到常溫。

體系b和體系c的溫度則達(dá)到高溫分解階段要求，在第1天溫度均升高到40 ℃以上，并且還在持續(xù)升溫，最高溫度分別達(dá)56.7、55.4 ℃，此時微生物開始大量分解有機物質(zhì)，釋放熱能，體系b和c的高溫階段均持續(xù)了2 d的時間，之后溫度開始以較快的速度下降，下降到30 ℃左右，下降速率變緩慢，并在該溫度保持到第6天，在第7天溫度回到常溫。

2.3 不同配比對pH的影響

由圖3可知，堆肥過程pH變化并不明顯，但升溫到高溫階段，由于微生物分解有機物會產(chǎn)生一定的有機酸，因此在高溫階段結(jié)束后pH略有下降，但是體系a在第7天pH反而上升，最大的可能是體系a微生物活性并不高，在之后由于水分散失，體系質(zhì)量下降更快，反而導(dǎo)致整體的pH呈上升趨勢。總體而言，不同配比對pH的影響并不大。體系a略有下降后又略微上升，體系b略有下降，體系c基本保持不變，體系d略微上升后又稍微下降。整體變化較小。

2.4 不同配比對堆肥體系有機碳含量影響

在好氧堆肥過程中，當(dāng)污泥中的微生物不斷地把堆肥體系中的有機質(zhì)分解為可被利用的營養(yǎng)元素時，堆肥體系中的有機碳就會不斷減少。根據(jù)污泥處置相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，污泥處理過后有機質(zhì)含量為25%以上[11]。通過數(shù)據(jù)可知，4個比例體系中總有機碳含量都在減少，其中污泥含量越多的體系總有機碳初始值就越高。

與體系c、d相比，體系a在圖4中傾斜得更多一點，說明體系a有機碳降解更快一些。4個體系比較，很明顯體系b曲線傾斜程度更高，說明體系b的有機碳降低最快。體系a有機碳含量減少了109.4 mg/g，體系b減少了139.9 mg/g，體系c減少了62.9 mg/g，體系d減少了63.3 mg/g，可知體系b有機碳降低量最多，速率最快，因此降解效果最好。

2.5 不同配比對堆肥體系總氮含量影響

由圖5可知，4個體系氮含量的初始值都很接近，而體系a中總氮含量在前4 d有著極大的增加，可能是和體系a中含水率為67.4%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他3個體系有關(guān)。體系a含水率很高，隨著微生物的生長繁殖，有機氮很快地被分解成銨態(tài)氮，在體系中累計下來，所以造成體系a的氮含量有極大上升。雖然在堆肥過程中氮會不斷揮發(fā)到環(huán)境中，但是體系a的氮含量總體上升了一些。對于其他3個體系，總氮含量沒有明顯變化，但總體上呈現(xiàn)下降趨勢，這是因為氮揮發(fā)在起效果，雖然體系的含水率在不斷降低，體系出現(xiàn)了濃縮效應(yīng)，但是效應(yīng)不明顯，最后導(dǎo)致總氮含量變化不大。

2.6 不同配比對堆肥體系總磷含量影響

由圖6可知，各個體系總磷含量變化在前期均有所下降，后期含量逐漸上

升，但總體含量呈現(xiàn)上升的趨勢，主要是濃縮效應(yīng)的關(guān)系，

磷元素的總量是基本不變的。

3 結(jié)論

對于不同配比的堆肥體系，含水率均呈現(xiàn)下降趨勢，含水率下降主要集中于堆肥升溫期與高溫期，污泥秸稈配比為1.0∶1.0和1.0∶1.5的體系效果最佳。4個配比體系溫度都有升高保持再下降的趨勢，其中1.0∶1.0和1.0∶1.5配比最高，56.7、55.4 ℃為最佳堆肥溫度，并且1.0∶1.0的高溫期優(yōu)于1.0∶1.5。不同體系pH變化不明顯，總體都在最佳pH之間。1.0∶1.0體系中有機碳降解效果最好?？偟繘]有明顯變化，但在各個體系中總體仍呈現(xiàn)下降趨勢，而總磷含量變化在前期有所下降，但總體呈上升趨勢。根據(jù)污泥處置相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，4個系列都滿足pH要求，體系a、d堆肥過程不理想，體系b和c的有機碳含量為385.3、347.3 mg/g，百分比為38.53%和34.73%，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)，其中體系b配比含量更高。綜上所述，污泥與秸稈比例為1.0∶1.0時最佳。

參考文獻

[1] 劉文來.城市污泥處理工藝研究進展[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2019（3）：147-148.

[2] 謝計平，李瑞娜，丁海霞.城市污泥生物處理技術(shù)研究進展[J].廣東化工，2020，47（4）：147-148.

[3] GUO X X，LIU H T，WU S B.Humic substances developed during organic waste composting：Formation mechanisms，structural properties，and agronomic functions[J].Science of the total environment，2019，662：501-510.

[4] GUO X X，LIU H T，ZHANG J.The role of biochar in organic waste composting and soil improvement：A review[J].Waste management，2020，102：884-899.

[5] 孟云姣，唐鋒兵，張娟，等.不同調(diào)理劑協(xié)同市政污泥好氧堆肥試驗研究[J].工業(yè)用水與廢水，2020，51（1）：82-87.

[6] 環(huán)境保護部.土壤 有機碳的測定 重鉻酸鉀氧化-分光光度法：HJ 615—2011[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

[7] 中華人民共和國環(huán)境保護部.水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法：HJ 636—2012[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2012.

[8] 國家環(huán)境保護總局.水質(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法：GB/T 11893—89[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989.

[9] 單德鑫，李淑芹，許景鋼.固體有機廢物堆肥過程中氮的轉(zhuǎn)化[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，38（2）：265-269.

[10] 李必瓊.作物秸稈與城市污泥高溫好氧堆肥過程中碳氮磷及重金屬轉(zhuǎn)化研究[D].重慶：西南大學(xué)，2010.

[11] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 園林綠化用泥質(zhì)：GB/T 23486—2009[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

基金項目 浙江省公益性研究計劃項目（LGF20D060001）;舟山市科技計劃項目（2018C21012、2014C11006）。

作者簡介 鮑博（1994—），男，內(nèi)蒙古滿洲里人，碩士研究生，研究方向：水環(huán)境污染控制。*通信作者，教授，從事水污染與固廢處理技術(shù)研究。

收稿日期 2020-04-07