2種堆肥方式與稻殼炭結(jié)合對污泥的處理效果研究

方天龍 周鑫

摘 要：采用高溫堆肥和蚯蚓堆肥工藝，研究城市污泥與不同的比例稻殼炭（2%、4%、8%）混合堆肥后污泥理化性質(zhì)（pH值、電導(dǎo)率EC、溫度、總有機(jī)碳TOC）、營養(yǎng)物質(zhì)（氮TN、磷TP）和重金屬（Zn、Cu、Pd、Cd）的質(zhì)量變化。結(jié)果表明，隨著處理時間的增加，污泥的理化性質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)和重金屬均有顯著的變化;添加4%稻殼炭對2種堆肥方式的效果最佳，高溫堆肥pH上升至8.27，蚯蚓堆肥下降至7.3;高溫堆肥和蚯蚓堆肥的電導(dǎo)率均增加，且蚯蚓堆肥的增加明顯高于高溫堆肥;高溫堆肥溫度先升高后下降，蚯蚓堆肥適宜的溫度應(yīng)控制在25℃;總有機(jī)碳分別下降20.77%、28.27%;高溫堆肥TN下降了23.63%，TP上升了46.47%，蚯蚓堆肥TN、TP均顯著上升35.61%、23.74%;蚯蚓堆肥顯著降低了污泥中重金屬的濃度，其降低的次序為Zn>Cu>Cd>Pb。2種堆肥方式結(jié)束后，均無明顯臭味，污泥呈松散的顆粒狀。

關(guān)鍵詞：高溫堆肥;蚯蚓堆肥;稻殼炭;污泥

中圖分類號 X703文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2021）22-0160-05

Effect of Two Composting Methods Combined with Rice Husk Charcoal on Sludge Treatment

FANG Tianlong et al.

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China）

Abstrct： the quality changes of physical and chemical proper ties （pH value， electrical conductivity EC， temperature， total organic carbon TOC）， nutrients （nitrogen TN， phosphorus TP） and heavy metals （Zn， Cu， Pd， Cd） of municipal sludge mixed with rice husk carbon （2%， 4%， 8%） were studied by high temperature composting and earthworm composting.The results showed that with the increase of treatment time， the physicochemical properties， nutrients and heavy metals of the sludge had significant changes.After the experiment， the addition of 4% rice husk carbonhad the best effect on the two composting methods.The pH of high temperature composting increased to 8.27， and the pH of earthworm composting decreased to 7.3.The electr ical conductivity of high temperature composting and earthworm composting increased， and the increase of earhworm composting was significantly higher than thal of high temperature composting.The temperature of high temper ature composting increased first and then decreased， and the temperature of earthworm composting was contolled at 25 C considering the adaptation of earthworm.' Total organic carbon decreased by 20.77% and 28.27%， respectively.The TN and TP of high temper ature composting were decreased by 23.63% and increased by 46.47%.The TN and TP of earthworm composting were significantly increased by 35.61% and 23.74%6.At the same time， earthworm composting significantly reduced the concentration of heavy metals in.the sludge， and the decreasing order was Zn>Cu>Cd>Pb.Ater the two composting methods are finished， there is no obvious odor， showing loose granular shape.

Key words： High temperature compost; Earthworm compost; Rice husk char; Sludge

隨著城市化進(jìn)程的加快，我國城鎮(zhèn)污水廠所需要處理的污水量也在不斷增加，伴隨產(chǎn)生的污泥也呈爆炸式增長，預(yù)計到2020年，污泥產(chǎn)量將突破6000萬t/年[1]。污泥是在污水進(jìn)行處理之后所產(chǎn)生的（半）固態(tài)的物質(zhì)，其中除了含有水、氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素和植物生長所需的微量元素外，還含有大量有機(jī)物污染物、病原微生物、重金屬等有害物質(zhì)[2]，如果處理不當(dāng)，將會對環(huán)境造成二次污染。我國的污泥產(chǎn)量正在不斷地增加，然而目前我國的污泥處理方式仍較為落后，已成為一個急待解決的環(huán)境問題，需要提高和完善[3]。

城市污泥的蚯蚓分解技術(shù)是一種新興的污泥處理技術(shù)，有研究表明蚯蚓對重金屬由一定的富集作用[4]，但是蚯蚓對外界環(huán)境十分依賴，當(dāng)重金屬濃度過高時會導(dǎo)致蚯蚓死亡[5]，需要添加一定鈍化劑結(jié)合堆肥提高堆肥效果[6]。為此，本研究以城市污泥為對象，在污泥加入稻殼作為調(diào)理劑，添加不同比例的稻殼炭（2%、4%、8%）后采用好氧堆肥和蚯蚓堆肥對污泥進(jìn)行處理，測定堆肥后污泥的理化性質(zhì)、營養(yǎng)元素、重金屬濃度，探究在生物炭作用下2種堆肥方式的處理效果，以期為污泥堆肥的安全利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 堆肥材料 城市污泥取自馬鞍山馬鋼六汾河水處理站脫水車間污泥;稻殼采自淮南市周邊農(nóng)田;稻殼炭實驗室600℃熱解30min制得;蚯蚓來源于江蘇省句容市蚯蚓養(yǎng)殖基地太平二號蚯蚓。物料的基本性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗設(shè)計 脫水污泥在陰涼處風(fēng)干，加入2%的稻殼作為調(diào)理劑。取200g混合污泥作為處理的對象，本試驗設(shè)置7個處理組：CK：污泥+稻殼;T1：污泥+稻殼+2%稻殼炭;T2：污泥+稻殼+4%稻殼炭;T3：污泥+稻殼+8%稻殼炭;T4：污泥+稻殼+2%稻殼炭+蚯蚓;T5：污泥+稻殼+4%稻殼炭+蚯蚓;T6：污泥+稻殼+8%稻殼炭+蚯蚓。

1.3 試驗方法 取長15cm高10cm的圓柱形盒子將CK、T1、T2、T3污泥與稻殼炭混合后加入盒子中，盒子面上覆蓋1層紗網(wǎng)防止蠅蛆滋生，控制初始含水率為60%～70%，每個處理組設(shè)置3個平行樣，將處理好的CK、T1、T2、T3放入帶孔泡沫箱中防止堆體過小溫度散失過快。將T4、T5、T6按照同樣的方法處理，每個樣品中接種15條蚯蚓，放入恒溫培養(yǎng)箱，溫度設(shè)置在25℃，整個堆肥持續(xù)30d，2d翻堆1次，每7d采樣1次風(fēng)干過篩待測。

1.4 分析方法 pH及電導(dǎo)率的測定：取5g樣品以5倍的蒸餾水溶解，玻璃棒攪拌1～2min靜置30min，過濾液直接測定pH和電導(dǎo)率。TOC的測定采用重鉻酸鉀容量法。全氮全測定磷采用過硫酸鹽消化法[7]。重金屬用酸消解后，采用原子吸收分光光度計（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司TAS-986系列）測定重金屬濃度。

1.5 數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)分析采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計分析及圖表制作。采用SPSS Statistica 24.0統(tǒng)計軟件，對實驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）和最小顯著性差異（LSD）多重比較（P=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對污泥理化性質(zhì)的影響

2.1.1 pH 如圖1（a）所示，添加不同比例的生物炭T1、T2、T3和CK在堆肥周期pH變化一致，均先上升后下降，這可能是由于堆肥前期和高溫期，污泥中的微生物將有機(jī)氮氨化生成了NH3，導(dǎo)致污泥pH上升呈現(xiàn)堿性，隨后NH3揮發(fā)pH下降。T1、T2、T3在7～9d出現(xiàn)峰值，CK在第15天出現(xiàn)峰值可能是由于堆肥效果不好，周期長堆肥緩慢進(jìn)行的原因。pH在峰值的大小T2>T1>T3;接種蚯蚓的污泥中T4、T5、T6的pH變化均呈現(xiàn)下降的趨勢，最終接近中性。堆肥前期添加不同比例的生物炭導(dǎo)致污泥開始pH有所不同，在前15d生物炭和污泥不斷混合使得蚯蚓的調(diào)節(jié)作用不是十分明顯隨后下降幅度變大。這可能是由于蚯蚓和微生物的活動中產(chǎn)生的C02和有機(jī)酸造成的[8]，國內(nèi)學(xué)者研究在酸堿度不同的土壤中接種蚯蚓，測定蚯蚓活動土壤的pH值發(fā)現(xiàn)在北方堿性或者偏堿性的土壤pH值有所下降，而在偏酸性的土壤pH值略微上升，由此可見蚯蚓有調(diào)節(jié)pH的能力[9]。

2.1.2 電導(dǎo)率 電導(dǎo)率與污泥的礦化有關(guān)，是衡量堆肥過程中可溶性鹽的指標(biāo)，從圖1（b）可以看出，2種堆肥方式的電導(dǎo)率隨著處理時間的增加而明顯增加，其中增加最多的T4由開始的0.48ms/cm到結(jié)束時的2.6ms/cm，蚯蚓堆肥的處理組電導(dǎo)率增加量明顯高于高溫堆肥T1、T2、T3、CK。

2.1.3 溫度 比較2種堆肥方式的溫度，對于蚯蚓堆肥T4、T5、T6，陳學(xué)民等研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度為25℃蚯蚓和微生物能發(fā)揮高效作用[10]，所以本次研究將溫度恒定在25℃左右。對于高溫堆肥其溫度變化如圖1（c）所示，T1、T2從第2天開始溫度迅速上升，最高溫度可以到53℃左右，整個40℃以上持續(xù)5d。T3、CK升溫相對較緩慢第3天開始溫度才迅速升高，最高溫度47℃，40℃以上持續(xù)7d左右。綜上所述，T1、T2的效果最好有利于提高堆體升溫的速率和溫度，可能是生物炭具有良好的理化性質(zhì)，如孔隙率大、比表面積大、陽離子交換能力高，能與主要養(yǎng)分循環(huán)相互作用，有利于堆肥堆中微生物的生長，造成堆體溫度上升[11]，T3與CK差別不大可能由于過量的生物炭導(dǎo)致pH上升等因素從而對微生物的生長促進(jìn)作用不大。

2.1.4 總有機(jī)碳 從圖1（d）可以看出，添加不同比例的稻殼炭后，污泥的TOC有所上升。高溫堆肥T1、T2、T3的TOC開始時迅速下降一段時間后下降速度緩慢，這是由于堆肥前期和高溫期，污泥中微生物活動強(qiáng)數(shù)量增多對有機(jī)質(zhì)分解快。其中T2>T1>T3>CK。接種蚯蚓后，污泥中的TOC按照一定速率下降其中T4>T5>T6。

2.2 不同處理對污泥養(yǎng)分的影響 如表2所示，T1、T2、T3添加不同比例的稻殼炭后與原始污泥相比，TN的含量均有所下降，且表現(xiàn)出顯著差異（P<0.05）;CK、T1、T2、T3中TN的總量分別下降6.25%、17.97%、23.63%、9.3%，添加稻殼炭的堆肥中，總氮的損失是由于有機(jī)氮的礦化，堆肥環(huán)境中生成NH3持續(xù)釋放以及硝態(tài)氮的反硝化導(dǎo)致TN的下降[12]，有研究表明污泥堆肥過程中氮素的損失可以達(dá)到68%[13]。本研究中CK氮素下降最少，造成的原因是由于CK堆肥過程中高溫期溫度低，持續(xù)時間段，T2中氮素下降最多也證明了這點。TP的含量除了T2顯著增加外（P<0.05），T1、T3沒有顯著的增加（P>0.05），總磷增加的原因可能是由于堆肥的濃縮效應(yīng)造成的[14]，其中T2的總磷含量最高與其高溫期溫度高持續(xù)時間長有關(guān)。

表2中，T4、T5、T6中接種蚯蚓后，TN的含量顯著增加，且表現(xiàn)出顯著性差異（P<0.05），與原污泥相比分別增加25.2%、35.61%、8.77%，TN增加的原因可能是由蚯蚓的活動，微生物對氮的礦化作用得到了加強(qiáng)，使得有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮保存在土壤基質(zhì)中，其次蚯蚓分泌的粘液也可能引起總氮的增加[15]。T5中總氮增加的最多，可能是添加4%稻殼炭的污泥環(huán)境中蚯蚓活性最好導(dǎo)致的。TP的含量顯著增加，且表現(xiàn)出顯著性差異（P<0.05），與原污泥相比分別增加32.31%、23.74%、11.62%。其增加的原因，一方面是由與濃縮作用造成的;另一方面，蚯蚓處理后P的增加是由于有機(jī)質(zhì)的礦化、細(xì)菌的轉(zhuǎn)化和蚓糞中磷酸酶造成的[16]。

如圖2所示，蚯蚓堆肥T4、T5、T6的C/N和C/P都顯著下降（P<0.05），其中T4、T5無顯著差異（P>0.05）。高溫堆肥T1、T2、T3的C/N基本維持在一定范圍內(nèi)，除了T2外，C/P也基本維持在一定情況的范圍。造成這一情況的原因，可能是由于原始污泥的TP含量過低引起的誤差。有研究表明，土壤中的有機(jī)物質(zhì)和氮的比值不管多少，在微生物的作用下最后都會維持在一定范圍，并且生物炭具有巨大的比表面積和豐富的官能團(tuán)，能使無機(jī)磷向有效磷轉(zhuǎn)變。污泥如果不經(jīng)過處理直接農(nóng)用，會引起土壤和植物的毒性反應(yīng)，比較2種方式看出，蚯蚓和生物炭聯(lián)合作用下C/N和C/P下降的污泥更適合農(nóng)用。

2.3 不同處理的污泥重金屬的影響 如表3所示，高溫堆肥T1、T2、T3中除了Zn的含量，Cu、Pb、Cd的含量均比原始污泥顯著增加（P<0.05），相比而言，處理組T2重金屬含量增加的最多依次增加16.67%、20.38%、19.06%、28.16%。與原始污泥比較，T4、T5、T6添加蚯蚓處理后，污泥中的Zn、Cu、Pb、Cd的含量均顯著降低（P<0.05）。在污泥中添加2%和4%稻殼炭的處理組中，除了Cd的含量顯著降低（P<0.05），兩者之間Zn、Cu、Pb的含量未到達(dá)顯著水平，無較大的差別。添加4%稻殼炭處理組中，Zn、Cu、Cd的含量都是降低最多的，重金屬含量降低的次序為Zn>Cu>Cd>Pb。上述結(jié)果表明，2種堆肥方式在重金屬總量方面存在顯著差異，在污泥中添加不同比例的生物炭堆肥過后的重金屬總量比原始污泥有所增加，這是由于堆肥過程水分、CO2以及其他揮發(fā)性物質(zhì)的損失造成的濃縮效應(yīng)[17]，T2中重金屬含量最高，濃縮效應(yīng)最高其堆肥效果最好，其次是T1和T3。T4、T5、T6中重金屬含量降低是由于蚯蚓對重金屬的富集作用，有研究表明，蚯蚓對Zn、Cu有較強(qiáng)的富集能力，并且發(fā)現(xiàn)蚯蚓對重金屬的富集主要是通過皮膚和腸道吸收，由于Cu、Zn等元素能夠?qū)︱球镜纳磉M(jìn)行調(diào)節(jié)，因此造成了蚯蚓對Zn、Cu有較大的富集[18]，這與本研究中Zn、Cu減少量最多一致。添加不同比例的稻殼炭之間大部分無顯著性差異，相對的T5中添加4%的稻殼炭對重金屬富集略多，這是由于在一定范圍內(nèi)添加高比例碳源輔料有利于蚯蚓對重金屬的吸收[19].

3 結(jié)論

（1）高溫堆肥pH變化略微增加，電導(dǎo)率上升，TOC減少;蚯蚓堆肥pH趨于中性，電導(dǎo)率上升的幅度高與高溫堆肥，TOC的減少量也高于高溫堆肥。

（2）對于營養(yǎng)元素，高溫堆肥TN損失較多，TP有所增加;蚯蚓堆肥TN、TP均有增加。

（3）污泥添加不同比例的稻殼炭進(jìn)行高溫堆肥和蚯蚓堆肥，由于微生物的降解作用高溫堆肥最終結(jié)果使得污泥中重金屬含量濃縮，其中T2添加4%稻殼炭重金屬含量最高，說明其高溫堆肥效果明顯微生物活性強(qiáng)有機(jī)質(zhì)分解較多;而蚯蚓堆肥因為蚯蚓的活動污泥中重金屬顯著降低，說明蚯蚓對重金屬由富集作用，同時發(fā)現(xiàn)不同重金屬減少的量不同，其排序依次為Zn>Cu>Cd>Pb。不同比例的稻殼炭之間富集的差異性不太明顯，T5中添加4%的稻殼炭對重金屬富集略多一些。

（4）整個堆肥過程中，添加4%左右的稻殼炭對高溫堆肥和蚯蚓堆肥的促進(jìn)效果最為明顯。

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（責(zé)編：張宏民）