輔料配比及通風(fēng)速率對污泥氣流膜堆肥過程氮素遷移的影響

秦維，蔣心茹，劉明剛，劉楊，王茄靈，姬高升，許力山，閆志英*

（1.中國科學(xué)院成都生物研究所，成都 610041；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.四川省環(huán)保產(chǎn)業(yè)集團有限公司，成都 610041）

污泥是污水處理廠產(chǎn)生的固體有機廢棄物，其含有豐富的有機物，但同時也含有病原體、雜草種子和重金屬等污染物，因此需通過合理處置來實現(xiàn)污泥的資源化利用。據(jù)《城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》可知，我國污泥的年產(chǎn)量已超過6 000萬t，污泥處置的需求將越來越大。目前，污泥處置方式主要有堆肥、土地填埋、焚燒以及建材利用等。其中，好氧堆肥具有降低污泥惡臭釋放、有效殺死病原體、降解污泥中多種有毒有害物質(zhì)和產(chǎn)生有機肥等優(yōu)勢，且投入成本低、操作簡便，在污泥處置方面具有較好的應(yīng)用前景。

中國作為農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生大量玉米秸稈、小麥秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物，這些廢棄物具有含水率低、含碳量高的特點，將其作為輔料添加到污泥中進行混合堆肥，不僅能改善發(fā)酵產(chǎn)物品質(zhì)，而且還能對農(nóng)業(yè)廢棄物進行資源化利用。另外，隨著我國城市化進程的深入，城市綠化產(chǎn)生的大量園林垃圾也可作為污泥堆肥的輔料，LI等和ZHANG等的研究也表明園林垃圾作為污泥堆肥輔料可促進發(fā)酵過程、改善堆肥產(chǎn)物品質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗污泥為成都市雙流區(qū)某城市污水處理廠的脫水污泥；園林垃圾購于成都市郫都區(qū)金泥科技有限公司，玉米秸稈取自成都市郊區(qū)農(nóng)田，兩者均粉碎至1~3 cm備用。各物料的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 原料基本理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of raw materials

1.2 試驗裝置

堆肥箱體積為150 L，堆體有效體積約為120 L，堆肥箱外部貼有厚度為3 cm的橡塑保溫層，箱體底部鋪設(shè)通氣管道，為防止物料堵塞通氣孔，通氣管道上鋪墊一層厚度為5 cm的多孔火山巖。堆體頂部覆蓋的氣流膜是由聚四氟乙烯微孔膜和其他紡織材料制作而成的復(fù)合半透膜，其購買于寧波登越新材料科技有限公司。堆肥過程中所用曝氣裝置為電磁式空氣泵（額定排氣量為50 L·min），通風(fēng)速率采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計（LZB-6，南京順來達測控設(shè)備有限公司）計量并控制。

1.3 試驗設(shè)計

試驗于2021年4月17日至5月18日進行，設(shè)置3種不同輔料配比及3檔通風(fēng)速率，共9組試驗，相同輔料配比的3組堆體分別設(shè)計不同的通風(fēng)速率，其他參數(shù)保持一致，具體參數(shù)見表2。將污泥與園林垃圾、玉米秸稈按一定比例充分混勻后，裝入自制堆肥箱中，使用氣流膜覆蓋箱體后進行靜置堆肥。整個試驗過程利用定時器控制進行間歇性通風(fēng)，利用玻璃轉(zhuǎn)子流量計控制各個堆體的通風(fēng)速率，頻率為每天10次，每次運行20 min。

表2 試驗設(shè)計及混合物料理化性質(zhì)Table 2 Experimental design and physicochemical properties of the mixture

1.4 樣品采集及測定方法

2 結(jié)果與討論

2.1 堆體配比為5∶3∶1時不同通風(fēng)速率對堆肥過程的影響

2.1.1 對堆體溫度的影響

溫度是評價堆肥進程最重要的指標之一，溫度變化可反映出微生物生長代謝活性的變化。《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理穩(wěn)定標準》（CJ/T 510—2017）規(guī)定：市政污泥好氧發(fā)酵溫度需達到55~65℃并持續(xù)3 d以上才滿足無害化要求。由圖1可以看出，3種不同通風(fēng)速率的堆體升溫速度均較快，堆肥第2天溫度上升至55 ℃以上，A、A、A處理均在第3天達到最高溫度，分別為68.9、68.4、67.8℃，隨后通風(fēng)速率較大的A處理的溫度快速下降，且明顯低于較小和中等通風(fēng)速率的A、A處理的溫度，這可能是因為A處理通風(fēng)速率過大導(dǎo)致易降解物質(zhì)迅速降解且熱量較快散失。A、A處理在55 ℃以上維持了7 d，A處理在55 ℃以上維持了5 d，3個處理均達到了無害化處理的要求。堆肥第22天各處理溫度下降至25℃左右并保持穩(wěn)定，表明堆肥的發(fā)酵過程基本結(jié)束。結(jié)果表明，堆體配比為5∶3∶1時，通風(fēng)速率0.9 m·h偏大，不利于堆肥過程的穩(wěn)定，且堆體高溫維持時間較短，所以合理地控制通風(fēng)速率不僅可以節(jié)約能源，還能促進物料的腐熟。

圖1 A組堆體溫度的變化Figure 1 The temperature change of group A

2.1.2 對堆體氮素變化的影響

圖2 A組堆體中NH3濃度及銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮含量的變化Figure 2 Changes of ammonia，ammonium nitrogen，nitrate nitrogen，and total nitrogen in the group A

綜上所述，雖然氣流膜覆蓋可以減少部分氮素的揮發(fā)，但通氣速率對氣流膜堆肥仍然具有較大的影響，越高的通氣速率會引起越多的臭氣外逸和更多的氮素損失，且不利于堆體保溫，這與DOUBLET等的研究結(jié)果一致。本研究不僅通過調(diào)節(jié)通風(fēng)速率的方式來減少氮素損失，還通過調(diào)節(jié)輔料添加量使堆體內(nèi)的氮素向有利的方向轉(zhuǎn)移。

2.2 堆體配比為7∶3∶1時不同通風(fēng)速率對堆肥過程的影響

2.2.1 對堆體溫度的影響

如圖3所示，堆肥初期不同處理的堆體均快速升溫，第2天溫度上升至60 ℃左右，B、B、B處理的最高溫分別為67.9、63.9、65.1℃，分別在55℃以上維持了6、5、5 d，3個堆體在8~13 d的溫度均維持在50℃左右，之后持續(xù)下降，第21天后無明顯變化且接近環(huán)境溫度，發(fā)酵過程基本結(jié)束。從圖3可以看出，在堆肥的降溫階段，堆體溫度受通風(fēng)速率的影響比前期更大，通風(fēng)速率越大，堆體溫度越低。因此在堆肥的降溫階段可適當減小通氣速率，這樣在滿足好氧發(fā)酵的基礎(chǔ)上，能夠使物料更好地腐熟，從而提高發(fā)酵效率。

圖3 B組堆體溫度的變化Figure 3 The temperature change of group B

2.2.2 對堆體氮素變化的影響

由圖4a可知，在整個堆肥過程中，3種不同通風(fēng)速率處理的堆體膜內(nèi)NH濃度沒有明顯差異，高溫階段NH濃度為B

圖4 B組堆體中NH3濃度及銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮含量的變化Figure 4 Changes of ammonia，ammonium nitrogen，nitrate nitrogen，and total nitrogen in the group B

B組各堆體的TN含量變化如圖4d所示，整體呈堆肥初期略有下降、后期上升的趨勢，這與GUO等和HAN等的研究結(jié)果一致。堆肥結(jié)束時，3種不同通風(fēng)速率處理的TN含量為B>B>B，其中B處理的TN含量相對下降1.00%，而B、B處理堆體相對上升5.16%、9.65%。合適的通風(fēng)速率能夠為堆體內(nèi)微生物活動提供充足的氧氣，不會引起過多的氮素損失且有利于氮素的轉(zhuǎn)化及固定；若通風(fēng)速率太小，則會導(dǎo)致物料中的含氮有機物降解不完全，有機氮的固定及無機氮的轉(zhuǎn)化也會減弱，最終的堆肥產(chǎn)品中有效態(tài)氮含量也會減少。綜合上述指標，通風(fēng)速率為0.9 m·h時更適合配比為7∶3∶1的堆體，該條件有利于氮素的積累且沒有引起更多的氮素損失。

2.3 堆體配比為10∶3∶1時不同通風(fēng)速率對堆肥過程的影響

2.3.1 對堆體溫度變化的影響

C、C、C的溫度變化如圖 5 所 示，C、C、C處理之間的溫度在升溫及降溫階段均無明顯差異，且在第3天達到最高溫，分別為63.0、64.6、62.4 ℃，其中C處理的溫度在堆肥第2天上升到55℃以上，C、C處理的堆體溫度在55℃以上僅維持了3 d，C處理在55℃以上維持了4 d，達到最高溫后各堆體溫度開始下降，第9天各堆體的溫度下降至40℃左右。堆肥后期各堆體均有明顯的二次升溫現(xiàn)象，這說明堆體內(nèi)不易降解的有機質(zhì)較多，高溫期未能降解完全，二次升溫可延長中溫階段時長，這有利于物料徹底腐熟，但3種處理的高溫維持時間均較短，可能是因為輔料添加量較少，堆體孔隙度低，較低的通風(fēng)速率不能為堆體內(nèi)微生物活動提供足夠的氧氣，微生物代謝活動減弱導(dǎo)致高溫維持時間短。

圖5 C組堆體溫度的變化Figure 5 The temperature change of group C

2.3.2 對堆體氮素變化的影響

如圖6a所示，C組各堆體膜內(nèi)NH濃度的變化與A組及B組相似，NH排放的峰值出現(xiàn)在高溫階段，且高溫階段的NH濃度有明顯差異（C

如圖6d所示，C組各堆體的TN含量呈前期下降后期上升的變化趨勢，堆肥結(jié)束時，各堆體TN含量分別上升7.1%、6.9%、8.3%。在C組的輔料配比條件下，3種不同通風(fēng)速率處理的堆體TN含量沒有顯著差異（>0.05），說明當輔料添加量減少時，通風(fēng)速率對堆體TN含量的影響會減弱。

圖6 C組堆體中NH3濃度及銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮含量的變化Figure 6 Changes of ammonia，ammonium nitrogen，nitrate nitrogen，and total nitrogen in the group C

2.4 不同堆體腐熟程度評價

9組堆體在堆肥結(jié)束時的理化性質(zhì)如表3所示，硝化指數(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于評價堆肥腐熟程度和堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量。硝化指數(shù)<0.5，表示腐熟完全，0.5~3.0表示基本腐熟，>3.0表示未腐熟。但僅用硝化指數(shù)評價堆肥腐熟度具有一定的局限性，所以本研究通過有機質(zhì)降解率、高溫維持天數(shù)以及硝化指數(shù)3個指標綜合評價了各堆體的發(fā)酵效果。

如表3所示，A組處理的高溫維持時間相對較長，A、A處理的有機質(zhì)降解率較高，但A組3個堆體的硝化指數(shù)均大于3，表明A組在30 d內(nèi)并未腐熟。B組處理的高溫期時長均達到了無害化要求，其中B處理的有機質(zhì)降解率較其他兩組大，3個處理硝化指數(shù)均小于3，說明B組基本腐熟，其中B的硝化指數(shù)最小，腐熟程度最大。C組各堆體的有機質(zhì)降解率偏低，高溫期時長均較短，且C、C未達到無害化要求，其硝化指數(shù)均小于3，其中C的硝化指數(shù)最小，表明C的腐熟程度相對較好，但其高溫期僅維持了3 d，這可能是因為C組的輔料添加量小、堆體含水率高、孔隙度低，所以需要更大的通氣速率才能為微生物活動提供充足的氧氣，使堆體溫度維持高溫。

表3 堆肥結(jié)束時各堆體的理化性質(zhì)Table 3 Physicochemical properties of each pile at the end of composting

綜合比較得出，堆體B（輔料配比為7∶3∶1，通氣速率為0.9 m·h）的發(fā)酵效果最佳。

2.5 不同堆體中DOM的熒光特性

三維熒光光譜因具有靈敏度高、操作簡便以及無損測試DOM組分和結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于堆肥DOM的腐殖化演變機制等研究。文獻報道，一般可根據(jù)不同的激發(fā)/發(fā)射波長將DOM的熒光區(qū)域分成5個部分（圖7），分別為區(qū)域Ⅰ：Ex=200~250 nm/Em=280~330 nm，區(qū)域Ⅱ：Ex=200~250 nm/Em=330~380 nm，代表簡單的芳香類蛋白物質(zhì)；區(qū)域Ⅲ：Ex=200~250 nm/Em=380~550 nm，代表類富里酸物質(zhì)；區(qū)域Ⅳ：Ex=250~450 nm/Em=280~380 nm，代表可溶性微生物副產(chǎn)物；區(qū)域Ⅴ：Ex=250~450 nm/Em=380~550 nm，代表類腐植酸物質(zhì)。從圖7中的A組熒光光譜圖可看出，A-0 d的熒光區(qū)域出現(xiàn)4個明顯的熒光峰，而堆肥結(jié)束后各組在第31天的圖中僅在區(qū)域Ⅲ和區(qū)域Ⅴ出現(xiàn)了熒光峰且峰值增強。A-0 d、B-0 d與C-0 d均出現(xiàn)了明顯的可溶性微生物副產(chǎn)物峰，B組及C組的光譜圖中各區(qū)域熒光峰的變化與A組具有相似的變化規(guī)律，在3組不同輔料配比處理的堆體中，分別是A、B、C的類腐植酸物質(zhì)熒光強度較大，說明通風(fēng)速率為0.3 m·h更適合A組堆體，而0.9 m·h更適合B組和C組堆體。結(jié)果表明，隨著堆肥的進行，DOM中大量類蛋白物質(zhì)逐漸減少，被分解轉(zhuǎn)化為類富里酸及類腐植酸物質(zhì)等，使得這兩類物質(zhì)的熒光信號逐漸增加，這與YU等的研究結(jié)果一致。通過三維熒光光譜圖可清晰看到各個熒光峰的位置變化，但對于各熒光峰的熒光強度還需進一步量化才能進行比較和分析。

圖7 堆肥初始及結(jié)束時DOM的三維熒光光譜Figure 7 Three-dimensional fluorescence spectra of DOM at the beginning and end of composting

對各個熒光區(qū)域進行區(qū)域積分，能更清楚地解釋堆肥DOM的組分衍變規(guī)律。文獻報道稱，未腐熟的堆肥物料中通常存在大量結(jié)構(gòu)簡單且易降解的類蛋白物質(zhì)，隨著堆肥不斷腐熟，易降解類蛋白物質(zhì)含量變低，而類腐植酸物質(zhì)會不斷增加。本研究的9組堆體初始及結(jié)束時樣品中DOM的區(qū)域積分如圖8所示，A、B、C 3組初始樣品中DOM組分的占比情況相似，B、C組在Ⅳ區(qū)域的熒光強度高于A組，可能是因為B、C組堆體中污泥比例更高，可溶性微生物副產(chǎn)物含量更高。3組熒光強度的變化具有相同的趨勢，堆肥結(jié)束時區(qū)域Ⅰ、Ⅱ和區(qū)域Ⅳ熒光強度的百分含量較初始含量明顯降低，區(qū)域Ⅲ的變化不明顯，而區(qū)域Ⅴ的百分含量顯著上升，9組區(qū)域Ⅴ的熒光強度相對含量分別上升了29.52%、29.03%、30.82%、70.34%、64.84%、76.62%、64.55%、63.07%、65.20%，其中B堆體中的類腐植酸物質(zhì)含量增加最多，該結(jié)果也與各組硝化指數(shù)規(guī)律一致。污泥含量高的堆體腐熟程度較高，但堆體腐熟程度同樣受到通風(fēng)速率的影響，合適的通風(fēng)速率有利于堆體內(nèi)的微生物將含氮有機物降解轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定且可利用的營養(yǎng)物質(zhì)。結(jié)果表明，隨著堆肥的進行，類蛋白物質(zhì)被不斷降解，類腐植酸物質(zhì)不斷生成，這與HE等的研究結(jié)果相似，說明堆體內(nèi)的氮素逐漸轉(zhuǎn)移到了結(jié)構(gòu)復(fù)雜且穩(wěn)定的富里酸、腐植酸等物質(zhì)中。其次，A組堆肥結(jié)束后，在區(qū)域Ⅲ和區(qū)域Ⅴ有明顯的兩個熒光峰，而B組與C組在這兩個區(qū)域的熒光強度弱于A組，可能是因為A組輔料添加比例更高，碳含量更高，而類腐植酸物質(zhì)（區(qū)域Ⅴ）分子量、碳含量和腐殖化程度均高于富里酸類物質(zhì)（區(qū)域Ⅲ），因此輔料更多的A組中的碳元素更多地轉(zhuǎn)移進入分子量大的腐植酸，通風(fēng)速率更低的A組，因為大分子物質(zhì)降解得不夠徹底，而更容易縮合為腐植酸、富里酸類物質(zhì)，因此熒光信號強于A、A組，對于蛋白質(zhì)類含量更高的B、C堆體，通氣速率越高，區(qū)域Ⅲ的熒光峰值越高，越有利于類富里酸物質(zhì)的形成。

圖8 堆肥初始及結(jié)束時4種熒光組分相對百分含量Figure 8 Changes in the relative percentages of the four fluorescent components

2.6 輔料配比及通風(fēng)速率對污泥氣流膜堆肥過程的影響分析

3 結(jié)論

（2）通風(fēng)速率對堆肥能否成功具有決定性作用，且影響堆肥穩(wěn)定性，速率過大會造成堆體內(nèi)大量氮素以NH的形式散失，不利于氮素保留及穩(wěn)定化遷移；輔料配比決定堆體的初始碳氮比，輔料添加量過低會抑制有機質(zhì)降解，導(dǎo)致大量含氮有機物無法向腐殖質(zhì)等大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)移，降低物料腐熟程度。本研究通過分析堆體的氮素變化得出，在輔料配比為7∶3∶1（污泥∶園林垃圾∶玉米秸稈），通風(fēng)速率為0.9 m·h的條件下，大量氮素被固定到腐殖質(zhì)等穩(wěn)定的大分子有機物中，堆肥效果最佳。