菌劑和含磷添加劑聯(lián)合添加對污泥堆肥污染氣體排放及堆肥品質(zhì)的影響

李旺旺，劉燕，李國學(xué)，楊佳，楊燕，馬若男，袁京*

（1.湖北孝環(huán)環(huán)境技術(shù)有限公司，湖北孝感432100；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)北京市重點實驗室，北京 100193）

污泥作為城鎮(zhèn)污水處理的副產(chǎn)物，其本質(zhì)是一種半固體廢棄物。據(jù)住建部統(tǒng)計，截至2017 年6 月底，全國城鎮(zhèn)累計建成污水處理廠4 063 座，污水處理能力達(dá)1.78×10m·d，年產(chǎn)生含水率80%的污泥超過5 000 萬t。但是，目前我國仍有大量污泥得不到規(guī)范化處理，隨意拋棄、傾倒現(xiàn)象較為普遍，這不僅占用大量土地，而且直接造成“二次污染”，危害生態(tài)環(huán)境。污泥堆肥處理是利用污泥中的好氧微生物對污泥進(jìn)行發(fā)酵的過程，是實現(xiàn)污泥穩(wěn)定化、無害化和減量化的有效途經(jīng)，可將污泥生物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的土壤改良劑。腐熟的污泥堆肥產(chǎn)品在合適的施用量下，可以大幅提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)。我國作為農(nóng)業(yè)大國，污泥的資源化利用是我們迫切需要的。

然而污泥含水率高、碳氮比（C/N）低的性質(zhì)使其不適合直接堆肥，在實際堆肥過程中，通常需要以輔料與脫水污泥聯(lián)合來啟動堆肥。常見的輔料包括秸稈、稻草、鋸末、園林廢棄物等。玉米秸稈是一種來源廣泛的農(nóng)業(yè)廢棄物，也是堆肥中常用的輔料。相關(guān)研究顯示，玉米秸稈作為輔料與脫水污泥聯(lián)合能成功啟動堆肥，且堆肥產(chǎn)品可達(dá)到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和腐熟標(biāo)準(zhǔn)。以一定比例的菌菇渣和秸稈作為輔料，與污泥混合進(jìn)行好氧堆肥，可滿足國家無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，堆肥結(jié)束時也可達(dá)到完全腐熟的要求。

腐熟度是堆肥過程中需首要關(guān)注的問題，如果將未腐熟的物料施入土壤環(huán)境，則會在一段時間內(nèi)造成潛在的氧缺乏和間接毒性，并可能伴隨大量的臭味產(chǎn)生，從而影響堆肥產(chǎn)品的推廣與可持續(xù)利用。其次是堆肥過程中污染氣體和溫室氣體的排放問題。相關(guān)研究顯示，傳統(tǒng)堆肥過程中，氨氣（NH）揮發(fā)對氮損失的貢獻(xiàn)率為40%~80%，是氮損失的主要形式，NH也是一種污染嚴(yán)重的臭氣。硫化氫（HS）的檢測閾值較低，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的惡臭氣味，同時還是一種具有腐蝕性和劇毒的堆肥副產(chǎn)物，其在堆肥過程中的釋放量占揮發(fā)性硫化合物總釋放量的39.0%~43.0%。甲烷（CH）和一氧化二氮（NO）是重要的溫室氣體，其100 a 溫室效應(yīng)分別是CO的25 倍和298倍。傳統(tǒng)污泥堆肥過程中CH和NO 的CO排放當(dāng)量（以干污泥計）為133.13~170.11 kg?t。這些氣體的排放不僅降低了堆肥產(chǎn)品的營養(yǎng)價值，而且嚴(yán)重污染大氣，加劇了全球溫室效應(yīng)。此外，還需關(guān)注污泥堆肥過程中各類營養(yǎng)元素和養(yǎng)分含量的變化情況。

基于有機(jī)肥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，為達(dá)到減少堆肥污染氣體排放、提高堆肥產(chǎn)品品質(zhì)的效果，使用來源廣泛的經(jīng)濟(jì)型添加材料仍是有機(jī)肥生產(chǎn)企業(yè)的首選。其中，接種外源微生物已經(jīng)成為加速堆肥腐熟的重要研究方向之一。VT菌劑是一種用于有機(jī)廢棄物堆肥的復(fù)合微生物菌劑，其富含纖維素分解菌、固氮微生物等菌株。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，向雞糞或豬糞堆肥物料中添加VT菌劑可在一定程度上加快堆肥初期有機(jī)質(zhì)降解速率和物料升溫進(jìn)程，同時有利于減少NH揮發(fā)，提高堆肥肥力。國內(nèi)外一些學(xué)者對低成本含磷添加材料進(jìn)行了研究。LUO等和YANG等研究認(rèn)為，豬糞堆肥過程中添加10%（基于干質(zhì)量）的磷石膏（PPG）可減少CH和NH的排放?？赡苁荘PG 中的硫酸鹽還原菌與產(chǎn)甲烷菌爭奪相同的有機(jī)碳和其他能源，從而降低了CH的產(chǎn)生。PPG對NH的減排作用則與CaSO?HO、游離磷酸對NH和 NH的吸收作用以及鳥糞石結(jié)晶的形成有關(guān)。在堆肥中加入過磷酸鈣（SSP）可同時減少CH、NO和NH的釋放。

為進(jìn)一步驗證微生物菌劑在堆肥過程中的促進(jìn)作用，探究微生物菌劑與低成本含磷添加材料混合對堆肥氮素?fù)p失和溫室氣體排放的影響，本試驗選用SSP、PPG和生產(chǎn)上常用的VT菌劑作為污染氣體控制劑，研究添加劑對污泥堆肥過程碳、氮、硫素?fù)p失的影響，并確定最佳的添加劑使用方式。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設(shè)計

試驗所用脫水污泥取自北京市海淀區(qū)肖家河污水處理廠污泥脫水車間，該污泥為未經(jīng)過厭氧消化的生污泥；玉米秸稈取自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗站，經(jīng)粉碎機(jī)切割為3 cm 左右的秸稈段。原材料的理化性質(zhì)見表1。

表1 初始物料物理化學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and chemical characteristics of the raw materials

試驗使用的含磷添加材料SSP 和PPG 均購于肥料市場。SSP 產(chǎn)地為河北涿鹿，PO質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥18%；PPG 產(chǎn)地為湖北宜昌，PO質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.8%，CaSO·2HO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥75%。VT 菌劑由北京沃土天地生物科技股份有限公司提供，VT菌劑為復(fù)合菌劑，內(nèi)含酵母菌、側(cè)孢芽孢桿菌、黑曲霉、細(xì)黃鏈霉菌、乳酸菌等。

污泥堆肥原料為85%的污泥和15%的玉米秸稈（占初始物料總質(zhì)量的百分比，濕基）。試驗共設(shè)計4個處理，其中，CK 作為對照組不添加任何添加劑，具體試驗設(shè)計見表2。

表2 試驗設(shè)計Table 2 Design of experiment

各處理的通風(fēng)率均設(shè)定為0.2 L·kg·min（基于干質(zhì)量），通風(fēng)方式為連續(xù)通風(fēng)。將污泥與玉米秸稈充分混合后，各處理分別添加對應(yīng)的添加劑，再次進(jìn)行混拌，直至物料與添加劑混合均勻。將混合物料堆置于容積為60 L 的圓柱型密閉式發(fā)酵罐中進(jìn)行好氧發(fā)酵，為防止堆肥熱量損失，發(fā)酵罐由兩層不銹鋼材料制成，內(nèi)外壁之間設(shè)置5 cm 的絕熱層。堆肥試驗共持續(xù)35 d，每周翻堆1 次。發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)見圖1。發(fā)酵罐底部設(shè)置通風(fēng)口和滲濾液出口，頂部連接溫度探頭以在線連續(xù)記錄堆體溫度，發(fā)酵罐頂蓋預(yù)留氣孔，用于收集和測定堆肥過程中產(chǎn)生的氣體。

圖1 強(qiáng)制通風(fēng)發(fā)酵裝置Figure 1 Diagram of forced aeration composting reactor

1.2 測定指標(biāo)和分析方法

溫度通過連接反應(yīng)器和電腦的溫度傳感器直接讀取，每0.5 h自動記錄一次。

氧氣（O）利用便攜式氣體檢測儀（BM2KEOOO，Geotech，英國）測定。

溫室氣體（CH和NO）和臭氣（NH和HS）需每日監(jiān)測1次，每次重復(fù)測定3次取平均值。CH和NO采用靜態(tài)箱法采集氣體樣本，并使用安裝有火焰電離檢測器（Flame ionization detector，F(xiàn)ID）、電子捕獲檢測器（Electron capture detector，ECD）的氣相色譜儀（3420A，北京北分瑞利）測定；NH用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的硼酸將其捕獲在洗滌瓶中，并用0.01 mol·LHSO溶液進(jìn)行滴定，指示劑為甲基紅溴甲酚綠；HS 用帶三相閥門的注射器（德國）于每日的固定時間進(jìn)行氣體樣品采集，隨后連接氣相色譜儀（GC-A90，Echrom，中國）進(jìn)行測定。堆肥過程中氣體的排放速率和累積排放量均基于物料的干質(zhì)量進(jìn)行計算。

利用Microsoft Excel 2019 計算數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，使用Origin Lab 2019 做圖，相關(guān)性分析采用SPSS 26完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度和O2含量

溫度是反映堆肥過程中微生物活性及有機(jī)物降解情況的重要指標(biāo)。如圖2a 所示，所有處理均經(jīng)歷了升溫期、高溫期、降溫期和腐熟期4 個階段。堆肥初期，適宜的含水率、C/N 和通風(fēng)量為微生物降解有機(jī)質(zhì)提供了適宜的條件，降解過程釋放大量熱量，因此溫度不斷升高至高溫階段（>50 ℃）。隨后，伴隨著可生物降解有機(jī)質(zhì)的減少，堆肥進(jìn)入降溫階段直至腐熟。堆肥結(jié)束時，各處理溫度均降至環(huán)境水平，環(huán)境溫度始終介于7.4~16.4 ℃之間。CK 組在堆肥第6 d進(jìn)入高溫期，高溫持續(xù)4 d，最高溫度為72.2 ℃，達(dá)到了完全腐熟的要求（GB 7959—2012）。而VT 組的最高溫度僅為52.9 ℃，并且高溫期的持續(xù)時間縮短為2 d，未達(dá)到完全腐熟的要求，與CK 組差異顯著（<0.05）。已有研究表明，豬糞或雞糞堆肥過程中添加VT 菌劑不會對堆肥溫度產(chǎn)生負(fù)面影響。本研究中的差異可能是污泥特殊的物理性狀所致，脫水污泥因大量絮凝劑的使用而呈現(xiàn)膠體狀，這使得VT 菌劑添加到污泥中后不能直接發(fā)揮作用，另外也可能與VT 菌劑較低的添加量有關(guān)。與VT 組相比，SSP+VT組和PPG+VT 組均提高了升溫速率。SSP+VT 組還縮短了進(jìn)入高溫期的時間（5 d），提高了峰值溫度（67.8 ℃）。但PPG+VT 組由于高溫持續(xù)時間較短（2 d）而未達(dá)到堆肥衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求。

堆肥過程中的O含量可以反映微生物活動和有機(jī)物生物降解率。如圖2b 所示，由于好氧微生物的降解作用消耗了大量O，導(dǎo)致所有處理的O含量均在堆肥初期迅速下降。CK 組的O含量下降最快，堆肥第2 d 從19.4%下降到4.3%，第6 d 再次下降到9.1%，表明此階段微生物活動劇烈。與CK 相比，VT組的O下降速率較緩，O消耗量較少，堆肥第5 d 下降到最低值（12.2%），VT菌劑的添加可能抑制了土著微生物的活動。SSP+VT 組也在堆肥第5 d 達(dá)到最低值（5.6%），但其O消耗量比VT 組大得多，表明VT 菌劑和SSP 聯(lián)合添加可以促進(jìn)微生物的降解活動。PPG+VT 組的O含量略低于VT 組，但始終保持在10%以上，為好氧微生物代謝繁殖提供了充足的O。堆肥兩周后，各處理的O含量開始回升，但PPG+VT 組仍有明顯的下降，這與溫度結(jié)果一致，表明該時期微生物仍然有較劇烈的活動，這可能是堆肥前期降解速率低導(dǎo)致了降解時間的延長。

圖2 污泥堆肥溫度和O2含量變化Figure 2 Changes of temperature and O2 content in different treatments of sludge composting

2.2 腐熟度指標(biāo)

污泥堆肥過程中各處理的EC 值變化趨勢相似，見圖3b。升溫和高溫階段，堆體產(chǎn)生濃縮效應(yīng)，同時有機(jī)質(zhì)快速降解積累了大量水溶性礦物離子，如磷酸鹽、硫酸鹽、銨、鈉和鉀等，因此EC 值呈上升趨勢。隨后，水溶性礦物離子逐漸被吸收利用，EC 值略有下降，最終穩(wěn)定在0.97~2.26 mS·cm，滿足堆肥產(chǎn)品對EC 值的要求（<4 mS·cm）。VT 和 CK 組的 EC 值沒有顯著差異（>0.05），而SSP+VT 和PPG+VT 組的EC值明顯高于 VT 和 CK 組，這與 YANG 等的研究結(jié)果相一致，是與額外離子的引入有關(guān)。SSP 主要成分是Ca（HPO）·HO，其還含有一些游離酸和鐵、鋁等金屬元素，PPG 則主要由CaSO·2HO 和少量游離磷酸組成，因此SSP 和PPG 的添加是影響堆肥EC 值變化的重要因素。相較而言，添加PPG 的EC 值高于添加SSP 的處理，但是兩處理均在安全施用的規(guī)定范圍內(nèi)，不影響堆肥產(chǎn)品的農(nóng)用。

E/E是快速評價堆肥腐熟度的腐殖化參數(shù)，其反映了腐植酸品質(zhì)和芳構(gòu)化程度，通常隨腐植酸分子量的增加或縮合度的增大而減小，而與腐植酸分子數(shù)量無關(guān)。堆肥腐植酸通常隨著堆肥時間的延長和堆肥腐熟度的提高而發(fā)生變化，主要向著腐植酸分子越來越大或縮合度越來越高的方向轉(zhuǎn)化。因此，隨著堆肥進(jìn)程的延長，E/E整體呈現(xiàn)降低的趨勢。本研究各處理的E/E如圖3c 所示，初始物料的E/E值介于2.00~2.33之間，差別較小。堆肥完成后，VT組的E/E值最低（1.68），下降幅度最大（27.7%），說明添加菌劑提高了堆體的腐殖化程度。由上述可知，添加VT 菌劑雖然降低了堆體的高溫期持續(xù)時間，但并沒有影響堆肥的腐殖化進(jìn)程。

圖3 污泥堆肥腐熟度指標(biāo)變化情況Figure 3 Changes in maturity index in different treatments during composting of sludge

GI 值是評價堆肥植物毒性和腐熟度最直觀的參數(shù)。如圖3d 所示，各處理的初始GI 值為38.5%~50.3%，具有生物毒性，不宜直接還田利用。隨著堆肥的進(jìn)行，GI 值不斷上升，這是堆體中小分子有機(jī)酸等植物毒性物質(zhì)被分解利用，胡敏酸等大分子營養(yǎng)物質(zhì)不斷累積的結(jié)果。按照有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)的要求，GI值在70%以上即達(dá)到腐熟。據(jù)此，SSP+VT 和PPG+VT 組完全腐熟需要兩周左右的時間，而CK 和VT 組則需要3 周的時間，因此SSP 和PPG 的添加提高了堆肥效率。最終堆肥產(chǎn)品的GI值為SSP+VT組（158%）>VT 組（142%）>PPG+VT 組（126%）>CK 組（103%），VT和PPG+VT 組雖然未達(dá)到高溫期的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，但是其腐殖化進(jìn)程和腐熟度并未受到影響，3 個添加VT 菌劑組的GI 值均明顯高于CK 組，其中以SSP+VT 組的GI值最高。

2.3 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮

2.4 污染氣體排放

2.4.1 氨氣和硫化氫

污泥堆肥過程中HS 排放速率和累積排放量如圖5c 和圖5d 所示。HS 的產(chǎn)生主要發(fā)生在升溫和高溫階段，這與ZANG 等的研究結(jié)果一致。此階段有機(jī)質(zhì)快速降解消耗了大量的O，因此易形成局部厭氧環(huán)境，脫硫菌可在厭氧環(huán)境下將硫酸鹽轉(zhuǎn)化為HS，微生物在厭氧條件下分解蛋白質(zhì)或其他含硫化合物也可產(chǎn)生HS 氣體。相關(guān)性分析顯示，HS 排放速率與O含量呈顯著負(fù)相關(guān)（為-0.744~-0.516，<0.01）。從累積排放量來看，CK 處理的HS 排放量最高，為 0.38 mg·kg。與 CK 相比，VT 組減少了 35.9%的HS累積排放量，這與其高溫階段較高的O含量有關(guān)。SSP+VT 和PPG+VT 組則分別減少了42.8%和54.4%的HS排放量。與VT相比，含磷添加劑的使用進(jìn)一步減少了 HS 的產(chǎn)生，SSP 或 PPG 中含有 Ca，可能是其在堆體中促進(jìn)了CaS 沉淀的形成。NH和HS均為堆肥過程中重要的致臭氣體，含磷添加劑的使用均可顯著降低NH和HS的排放，其中以PPG+VT組更為適宜。

圖5 污泥堆肥過程中NH3和H2S的排放速率和累積排放量Figure 5 The emission rate and cumulative emission of NH3 and H2S during sludge composting

2.4.2 甲烷和氧化亞氮

圖6 污泥堆肥過程中CH4和N2O排放速率和累積排放量Figure 6 The emission rate and cumulative emission of CH4 and N2O during sludge composting

2.5 堆肥過程及產(chǎn)品元素分析

堆肥過程中碳氮平衡及溫室氣體效應(yīng)分析如表3 所示。各處理總碳（TC）損失占初始TC 的46.0%~56.0%。其中CO-C 損失最多，占初始TC 的29.3%~39.5%，這與陳是吏等的研究結(jié)果（30.39%~39.47%）一致，表明CO是碳損失的主要氣體形式。各處理CH-C 損失占初始TC 的0.6%~1.1%，這與陳是吏等和袁京等對污泥堆肥的研究結(jié)果相近，而略高于LUO 等對豬糞堆肥和 YANG 等對廚余垃圾堆肥的研究結(jié)果。主要是因為污泥致密、含水率高且呈現(xiàn)膠體絮凝狀的特性影響了O的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致較高的CH排放?？偟═N）損失占初始TN 的22.0%~37.1%，其中NH-N占初始TN的14.3%~31.5%，NO-N占初始TN 的0.5%~0.9%，這一結(jié)果與以往的研究結(jié)果相近，表明NH-N 是N 損失的主要途徑。與CK 相比，使用添加劑均可減少TN 的損失，VT、SSP+VT 和 PPG+VT 處理可分別減少 TN 損失 2.1、11.0 個和15.1 個百分點。各組的總GHG（CO當(dāng)量）排放量為45.9~73.4 g·kg，與 CK 相比，VT、SSP+VT 和 PPG+VT處理分別減少了37.6%、10.9%和20.0%，其中單獨添加VT 菌劑的溫室氣體減排效果最好。各組CH和NO 對溫室氣體排放的貢獻(xiàn)率分別為3.8%~15.6%和84.4%~96.2%，二者占比相差較大，以NO為主。

表3 碳氮平衡及溫室效應(yīng)分析Table 3 Balance of carbon and nitrogen and total greenhouse gas emissions

堆肥產(chǎn)品的元素含量如表4 所示。經(jīng)過35 d 堆肥，CK 組養(yǎng)分（TN+PO+KO）含量達(dá)到59.5 g·kg。與 CK 相比，VT、SSP+VT 和 PPG+VT 組分別提高了5.0%、18.3%和22.9%，均達(dá)到了對有機(jī)肥料的要求（養(yǎng)分含量≥4%）。添加劑處理可通過促進(jìn)有機(jī)質(zhì)降解以及減少NH和NO 等含N 氣體排放來提升堆肥產(chǎn)品的養(yǎng)分含量。對于SSP+VT 和PPG+VT 組而言，含磷添加劑的使用可顯著提高PO的含量，這是養(yǎng)分提升的主要原因。與CK 相比，添加劑處理均提高了堆肥產(chǎn)品中礦物元素Ca 和S 的含量，且以SSP+VT 和PPG+VT 組更為顯著。如上所述，含磷添加劑中額外礦物元素的引入是提高Ca 和S 含量的主要原因。同時，添加劑處理減少了35.9%~54.4%的HS 累積排放量，使堆肥產(chǎn)品保留了更多的S，這是提高S含量的又一重要原因。此外，添加劑處理降低了堆肥產(chǎn)品的重金屬含量，主要因為添加劑的使用減少了堆肥過程中的物質(zhì)損失，從而起到了稀釋作用，這與YUAN等的研究結(jié)果一致。因此可以消除含磷添加劑在堆肥應(yīng)用中潛在的重金屬污染風(fēng)險。但下一步還需關(guān)注添加劑對重金屬形態(tài)分布的影響，可通過提高pH值或促進(jìn)重金屬與胡敏酸的絡(luò)合達(dá)到鈍化重金屬的效果。

表4 堆肥產(chǎn)品元素分析Table 4 Element analysis of compost products

3 結(jié)論

（1）VT 菌劑會影響堆體升溫，但是堆肥產(chǎn)品仍能獲得較好的腐熟度。含磷添加劑與VT 菌劑聯(lián)合添加，不僅可促進(jìn)堆體升溫，還可促進(jìn)堆肥腐殖化進(jìn)程。各組堆肥產(chǎn)品的GI 值均達(dá)到100%以上，其中磷石膏+VT菌劑的GI值高達(dá)158%。

（2）菌劑和兩種含磷添加劑聯(lián)合添加，可有效降低污染氣體的排放。菌劑和過磷酸鈣聯(lián)合添加降低了63.3%的NH和42.8%的HS 排放；而菌劑和磷石膏聯(lián)合添加減少了97.6%的NH和54.4%的HS 排放，效果優(yōu)于前者。所有添加劑處理均降低了CH的排放；單獨添加菌劑或與磷石膏聯(lián)合添加可分別減少30.7%和10.5%的NO 排放量以及37.6%和20.0%的總溫室效應(yīng)?？傮w而言，菌劑與磷石膏聯(lián)合添加對減排臭氣以及降低溫室效應(yīng)的效果最好。

（3）菌劑和兩種含磷添加劑聯(lián)合添加處理均可提高總養(yǎng)分含量（TN+PO+KO），同時可提高Ca和S等礦物元素的含量。綜合考慮堆肥衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、腐熟度以及污染氣體減排效果，磷石膏和菌劑聯(lián)合添加的效果最佳。