生活污泥營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)配方優(yōu)化研究

王云龍， 蘇瑤， 喻曼

(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理率的不斷提高，城鎮(zhèn)污水處理廠污泥產(chǎn)量也急劇增加，至2020年，全國(guó)污泥產(chǎn)生量已超7 000萬(wàn)t，其中，生活污泥近3 600萬(wàn)t。土地利用一直是污泥資源化利用較理想的方式，主要包括作為農(nóng)作物、牧場(chǎng)草地肥料的農(nóng)用，作為林地、園林綠化肥料的林用以及作為沙荒地、鹽堿地、廢棄礦區(qū)改良基質(zhì)的土壤改良。一方面土地利用投資少、能耗低、運(yùn)行費(fèi)用低，另一方面污泥中的營(yíng)養(yǎng)成分和微量元素可促進(jìn)作物生長(zhǎng)，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。尤其是工業(yè)廢水被嚴(yán)格管控后，生活污泥的重金屬污染問(wèn)題得到很大程度的解決。但是，生活污泥直接土地利用仍存在短板，比如養(yǎng)分不均衡，容重偏大易造成土壤板結(jié)等。近年來(lái)，不少研究者開(kāi)展過(guò)污泥基質(zhì)篩選，主要集中在污泥營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)單一特性的評(píng)價(jià)，大多以營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的物理、化學(xué)或生物性狀顯著性差異分析作為評(píng)價(jià)方法，相對(duì)單一、不夠深入。綜合隸屬度評(píng)估方法可以將多個(gè)性狀綜合考慮，全面客觀地量化分析營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的綜合表現(xiàn)，克服以往單一因素為主、其他性狀憑主觀判斷來(lái)評(píng)判基質(zhì)的局限性。但從原料復(fù)混設(shè)計(jì)到配方模型優(yōu)化的研究較少。本研究通過(guò)頂點(diǎn)極端設(shè)計(jì)，初篩污泥基質(zhì)的主要材料，并結(jié)合綜合隸屬度和曲面優(yōu)化法對(duì)基質(zhì)原料比例進(jìn)行優(yōu)化，以期為生活污泥營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)在浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院桑園科研基地溫室進(jìn)行。城市生活污泥取自義烏水處理公司大成運(yùn)營(yíng)部，選取有機(jī)質(zhì)含量較高的菇渣、麥殼、草炭用于調(diào)節(jié)污泥配方基質(zhì)的有機(jī)質(zhì)含量，選取蛭石+珍珠巖、砂子用于調(diào)節(jié)污泥配方基質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。菇渣、麥殼來(lái)自浙江省農(nóng)科院園藝所食用菌課題組，草炭、蛭石、珍珠巖、沙子均為市售常規(guī)材料。試驗(yàn)材料的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試材料的基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用混料設(shè)計(jì)中的極端頂點(diǎn)設(shè)計(jì)(表2)，共設(shè)計(jì)基質(zhì)配方30個(gè)，配方中的各標(biāo)號(hào)X1、X2、X3-1、X3-2、X4-1和X4-2分別代表污泥、菇渣、麥殼、草炭、蛭石-珍珠巖(體積比1∶1)和沙子的體積分?jǐn)?shù)。

表2 污泥混合基質(zhì)配方設(shè)計(jì)

1.3 測(cè)試參數(shù)和方法

基質(zhì)的容重和孔隙度采用環(huán)刀法(NY/T 2118—2012)，含水率采用質(zhì)量法(CJ/T 221—2005)。pH、有機(jī)物、總氮磷鉀參考《CJ/T 221—2005》標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)方法，電導(dǎo)率(EC)采用電極法(NY/T 2118—2012)。種子發(fā)芽指數(shù)測(cè)定參考《GB/T 23486—2009》標(biāo)準(zhǔn)中的方法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2020 整理，采用SPSS 22.0進(jìn)行方差和統(tǒng)計(jì)分析。相關(guān)性采用皮爾遜相關(guān)性分析，基質(zhì)配方綜合評(píng)價(jià)采用模糊綜合評(píng)判法，應(yīng)用軟件Design Expert中的Box-Behnken法進(jìn)行優(yōu)化分析。其中，若某一指標(biāo)與綜合評(píng)判結(jié)果為正相關(guān)，則采用正隸屬函數(shù)進(jìn)行定量轉(zhuǎn)換，如公式1所示；若某一指標(biāo)與綜合評(píng)判結(jié)果為負(fù)相關(guān)，則采用反隸屬函數(shù)進(jìn)行定量轉(zhuǎn)換，如公式2所示。

U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)；

(1)

U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

(2)

式中，U(Xi) 為隸屬函數(shù)值；Xi為某指標(biāo)的測(cè)定值；Xmax和Xmin分別指某一指標(biāo)內(nèi)的最大值與最小值。

2 結(jié)果與討論

2.1 物理性質(zhì)分析

2.1.1 容重

不同配方之間容重的差異顯著(P<0.01)(表3)，其中，配方2容重最小，為0.37 g·m-3，對(duì)應(yīng)配方為：污泥50%，麥殼50%；配方5容重最大為1.19 g·m-3，對(duì)應(yīng)配方為：污泥50%，沙子50%。容重能反映基質(zhì)的疏松、緊實(shí)程度，在0.1～0.8 g·m-33較佳，直接影響著基質(zhì)的蓄水和通氣性，并間接影響基質(zhì)的肥力和后續(xù)植物的生長(zhǎng)狀況。配方2在較佳的容重范圍內(nèi)，配方5容重大于0.8 g·m-3，說(shuō)明該配方下可能會(huì)因基質(zhì)過(guò)于緊實(shí)，通氣透水性差，不利于根系伸展和植物后期生長(zhǎng)，不宜選擇。

2.1.2 孔隙度

總孔隙度為通氣孔隙度與持水孔隙度之和。由表3可知，配方2的總孔隙度最大為70%左右，而配方5的總孔隙度最小僅為43%。一般而言，土壤容重較低，其總孔隙度則往往較大，這與容重的測(cè)定結(jié)果吻合。持水孔隙度超過(guò)50%的處理都是污泥含量較高而沙子含量較低的配方，其中持水孔隙度最大的為配方3，超過(guò)57%，持水孔隙度最小的為配方5，只有35%左右。在不同配方的基質(zhì)通氣孔隙度存在明顯的差異。其中，配方2的通氣孔隙度最大，為23.98%，而配方24的通氣孔隙度最低，僅為5.98%，對(duì)應(yīng)配方為污泥80%，菇渣6.7%，麥殼6.7%，沙子6.7%?？偪紫抖确从沉嘶|(zhì)的孔隙狀況，總孔隙度越大，基質(zhì)容納的空氣和水越多，有利于根系生長(zhǎng)，但是根錨定植物的效果越差。持水孔隙度指飽和土壤排除重力水后保持在土壤中的水分所占的空隙，其保持的水分也稱田間持水量，是土壤保水能力或供水能力的度量。通氣孔隙度指飽和土壤重力排水停止后的土壤空隙，是土壤排水的通道，也為植物根系延伸提供有利條件。污泥通氣孔隙度較低，因此，在基質(zhì)中的比例需嚴(yán)格控制。

表3 不同配方基質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)

2.2 化學(xué)性質(zhì)分析

2.2.1 pH和電導(dǎo)率(EC)

基質(zhì)中pH主要受基質(zhì)材料組成及后期水肥管理的影響?；|(zhì)電導(dǎo)率EC值反映基質(zhì)中可溶性鹽含量的高低，它直接影響營(yíng)養(yǎng)液的平衡。為避免污泥土地利用時(shí)對(duì)植物造成損害，參考《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 園林綠化用泥質(zhì)》(GB/T 23486—2009)中的要求：酸性土壤，污泥pH需在6.5～8.5；中性和堿性土壤，其pH則需在5.5～7.8。針對(duì)鹽分敏感地植物根系，其周?chē)寥赖腅C值宜小于1 mS·cm-1。如表3所示，不同處理的基質(zhì)pH，變化范圍在6.87～7.44，均符合標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 23486—2009》中的要求。但不同處理之間電導(dǎo)率(EC)變化較大，除配方2外，其他配方基質(zhì)的電導(dǎo)率在2.13～5.17 mS·cm-1范圍，相較于污泥本身(5.18 mS·cm-1)，其EC值均得到了一定程度的降低，表明適當(dāng)?shù)妮o料添加可有效降低污泥直接施用于土壤對(duì)植物生長(zhǎng)造成的不良影響。

2.2.2 有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)成分

不同處理的配方基質(zhì)，其有機(jī)質(zhì)含量存在明顯差異，這主要是由于基質(zhì)配方原料的有機(jī)質(zhì)含量有較大差異引起。由表3可知，有機(jī)質(zhì)含量較高的配方1(菇渣含量50%)和配方2(麥殼含量50%)，其菇渣或/和麥殼的含量均較高。有機(jī)質(zhì)含量較低的配方組，則其沙子的含量較高，如配方5和配方10，有機(jī)質(zhì)含量分別為6.46%和13.68%，其配方分別為污泥50%、沙子50%；污泥80%、沙子20%。表明在基質(zhì)選配時(shí)，菇渣、麥殼、蛭石-珍珠巖和沙子的比重改變，將很大程度上影響基質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量的改變，進(jìn)而會(huì)影響基質(zhì)的容重和孔隙度等物理性質(zhì)。

氮、磷、鉀是植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)組分。不同配方的基質(zhì)中，總氮含量較高的組出現(xiàn)在配方組1、2、7、11、15和19，其總氮含量在1.34～1.68%，這些配方組的特點(diǎn)主要是均具有一定比例的污泥、菇渣或/和麥殼。相較而言，配方5的總氮含量最低，僅為0.34%，其配方為污泥50%，沙子50%?？偭缀枯^高的配方為1、6、7、11和23，含量均大于5.0%，這些配方均含有一定量的污泥、菇渣或/和麥殼，不含有沙子；與總氮結(jié)果相似，其最低含量也出現(xiàn)在配方5(污泥和沙子各50%)，僅為1.36%?？傗浐枯^高的配方是1、4、13、19和21，均在1.30%以上，這些配方中均不含有沙子。總氮、磷、鉀含量最低的配方均出現(xiàn)在配方5(污泥和沙子各50%)。

2.3 種子發(fā)芽指數(shù)

不同基質(zhì)配方的種子發(fā)芽指數(shù)測(cè)定結(jié)果如圖1所示。結(jié)果顯示，除配方組2、4、7、8、9、15和25的種子發(fā)芽指數(shù)低于70外，其他配方組均符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 23486—2009》。其中，配方30、29和11種子發(fā)芽指數(shù)最高，為102.1～119.6，對(duì)應(yīng)的基質(zhì)分別為污泥65%，菇渣11.7%，草炭11.7%，沙子11.7%；污泥65%，菇渣11.7%，草炭11.7%，蛭石-珍珠巖11.7%；污泥65%，菇渣17.5%，麥殼17.5%。種子發(fā)芽指數(shù)是表征肥料或有機(jī)廢物及有機(jī)廢物本身或經(jīng)一定處理后的生物學(xué)毒性的重要指標(biāo)，也是一個(gè)極為重要的用于衡量堆肥腐熟度的參數(shù)，因此，配方組2、4、7、8、9、15和25可直接判定為不宜采用。

圖1 不同配方基質(zhì)的種子發(fā)芽指數(shù)

2.4 綜合評(píng)價(jià)

2.4.1 綜合隸屬度分析

根據(jù)綜合隸屬度結(jié)果(表4)，處理1(污泥和菇渣各50%)的綜合隸屬度最高，達(dá)0.812，而處理5(污泥和沙子各50%)的綜合隸屬度最低，僅為0.19。綜合隸屬度在0.70以上的處理包括：處理11、12、19和21，其基質(zhì)比例分別是：污泥65%、菇渣17.5%、麥殼17.5%；污泥65%、菇渣17.5%、草碳17.5%；污泥50%、菇渣16.7%、麥殼16.7%、蛭石-珍珠巖16.7%；污泥50%、菇渣16.7%、草碳16.7%、蛭石-珍珠巖16.7%。表明這些處理均具有一定的可用性。

綜合以上分析和評(píng)價(jià)結(jié)果，菇渣的加入可有效改善污泥通氣孔隙度，顯著提高其有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)組分速效鉀的含量，同時(shí)對(duì)電導(dǎo)率和pH等不存在明顯影響，可作為主要的基質(zhì)配方原料。砂子的加入則會(huì)顯著降低基質(zhì)的綜合性能，不宜作為配方原料。

2.4.2 基質(zhì)配方優(yōu)化分析

選擇污泥、菇渣、草炭和蛭石-珍珠巖為基質(zhì)原料的不同處理，進(jìn)行深入分析。將各配方的含量作為x(污泥、菇渣、草炭和蛭石-珍珠巖分別對(duì)應(yīng)x1、x2、x3和x4)，以綜合隸屬度作為y，模擬得到的回歸方程為：y=0.61x1+0.81x2+0.68x3+0.62x4-0.11x1x2-0.063x1x3+0.037x1x4+0.18x2x3-0.23x2x4+0.020x3x4，模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.882，P<0.01。

模型優(yōu)化過(guò)程中，以0.01為步長(zhǎng)，在0.50≤x1≤1.0，0 ≤x2≤0.50，0 ≤x3≤0.50，0 ≤x4≤0.50配方區(qū)間中進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖2所示，可見(jiàn)綜合性狀與污泥和蛭石-珍珠巖的比例呈負(fù)相關(guān)，而與菇渣呈正相關(guān)關(guān)系，草炭比例影響相對(duì)較為微弱。此外，菇渣比例在40%以上時(shí)，基質(zhì)綜合性狀均較佳。配方比例為污泥50%，菇渣41.6%～44.5%，草炭5.5%～7.4%，蛭石-珍珠巖0.0%～1.0%時(shí)對(duì)應(yīng)的綜合隸屬度均在0.80以上。

A，B，C和D分別表示污泥、菇渣、草炭和蛭石-珍珠巖的比例。(a)、(b)、(c)和(d)分別為污泥比例50%、菇渣比例43.3%、草炭比例6.7%和珍珠巖比例0.0%時(shí)，基質(zhì)綜合隸屬度隨其他3個(gè)組分比例變化的分布圖。

3 小結(jié)

菇渣對(duì)改善污泥通氣孔隙度，提高養(yǎng)分含量均有較好效果，可作為生活污泥營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的主要調(diào)理劑。砂子的加入會(huì)顯著降低基質(zhì)的綜合性能，不宜作為配方原料。以污泥、菇渣、草炭和蛭石-珍珠巖為基質(zhì)原料，優(yōu)化配方比例為污泥50%，菇渣41.6%～44.5%，草炭5.5%～7.4%，蛭石-珍珠巖0.0%～1.0%，綜合隸屬度大于0.80。在生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際情況將配方比例控制在以上范圍內(nèi)。