城市污泥好氧堆肥研究進(jìn)展

臺德志， 余紀(jì)鑫， 黃朝妍， 張 華

(1.桂林理工大學(xué) 廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心， 廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林 541006)

隨著中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速穩(wěn)定發(fā)展，城市及農(nóng)村污水處理規(guī)模日益提升，污泥產(chǎn)量也隨之相應(yīng)增加[1]。根據(jù)中國住建部統(tǒng)計(jì)年鑒，2020年城市污泥生產(chǎn)量約為5 800萬t，而2015年污泥生產(chǎn)量約為3 700萬t，年均增長超過26%，污泥處理壓力急速增加。由于中國重水輕泥的思想及處理技術(shù)的欠缺，如何處理污泥已經(jīng)成為一個急需解決的問題[2-3]。

城市污泥中含有大量的有害物質(zhì)，如病原微生物(病毒、細(xì)菌等)、有機(jī)微污染物(多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、二苯并二噁英等)、有毒重金屬(Hg、Cd、Ni、Pb、Cr、Cu、Zn)等[4]；也含有大量營養(yǎng)物質(zhì)，如較高的有機(jī)物(碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪)、氮、磷、鉀和微量元素(Ca、Mg、Cu、Zn、Fe)，可以被認(rèn)為是低成本且易于獲得的資源[5-6]。考慮到城市污泥的異質(zhì)性、不穩(wěn)定性和潛在毒性，如果處理不當(dāng)，便會造成土壤、水和空氣污染，威脅人類的健康甚至造成生態(tài)的失衡[7-8]。

城市污泥的處理方法包括直接焚燒、衛(wèi)生填埋、生物處理(堆肥和厭氧消化)等[6,9-10]。直接焚燒可以最大限度減少污泥的體積，但污泥的高含水率會很大程度上影響焚燒過程，還有可能造成劇毒物質(zhì)的生成和有毒氣體的排放[6,9]。衛(wèi)生填埋并不是一個環(huán)境友好的處理方法，填埋場的存在不僅會造成土壤與地下水的污染，還會產(chǎn)生極難處理的垃圾滲濾液[1]。固體廢物管理的指導(dǎo)性戰(zhàn)略是將仍具有利用價值的廢物轉(zhuǎn)化為可用能源，堆肥因其環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)可行和可持續(xù)性的優(yōu)點(diǎn)而廣受關(guān)注[11-12]。魏陽等[13]利用菌劑添加劑對脫水污泥和甘蔗渣共同堆肥效果進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)碳、氮比(C/N)為20時效果最好。陳桂華等[14]在脫水污泥堆肥中添加過磷酸鈣探究溫室氣體排放的影響，結(jié)果顯示過磷酸鈣添加量為3%時，溫室氣體排放量最低且顯著提升堆肥效果。

堆肥的實(shí)質(zhì)是不同類型的微生物將城市污泥中的有機(jī)物質(zhì)分解礦化和腐殖化的過程，堆肥中的有機(jī)物先經(jīng)歷活躍階段：有機(jī)物在微生物的作用下被降解，降低堆體體積，穩(wěn)定堆體中有機(jī)物，再經(jīng)歷成熟階段：上一階段降解的有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為腐殖化物質(zhì)[15-17]。堆肥不僅可以促進(jìn)有機(jī)固體廢物中的N、P、K元素的循環(huán)，減少其造成的環(huán)境污染，并將成熟的堆肥產(chǎn)品用作土壤改良劑和養(yǎng)分來源[18-19]。如果在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中施用未成熟和不穩(wěn)定的堆肥產(chǎn)品，會造成一系列負(fù)面影響，如植物氮饑餓、危險病原體、植物毒性效應(yīng)和干擾種子萌發(fā)等[20-21]。影響堆肥腐熟度和穩(wěn)定性的因素有很多，如：含水率、C/N比、溫度、通氣量和pH等[22-23]。本文綜述了目前城市污泥的主流處理方法、好氧堆肥常用調(diào)理劑和影響因子，并對好氧堆肥的腐熟度評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行介紹和總結(jié)，以期為城市污泥好氧堆肥分析與應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 城市污泥處理方式

1.1 衛(wèi)生填埋

污泥填埋是世界上常用的污泥處理方法之一，將污泥壓縮脫水后傾倒入填埋場中，由不同的微生物對污泥進(jìn)行降解[24]。污泥填埋具有技術(shù)簡單、管理操作方便、成本較低、適應(yīng)性強(qiáng)和處理量大的優(yōu)點(diǎn)。然而，污泥填埋土地占用大、滲濾液中含有重金屬、氨、難降解有機(jī)物、溫室氣體排放和衛(wèi)生條件惡劣的缺點(diǎn)使得越來越多的國家開始禁止該方法[25-26]。

1.2 焚燒

污泥焚燒是一種能徹底處理污泥的技術(shù)，也是世界上用于處理污泥的最常用技術(shù)之一。在800～1 000 ℃下將濃縮脫水后的污泥加燃料進(jìn)行燃燒，可以去除全部有機(jī)物，殺滅病原體，達(dá)到對污泥90%以上的減容效果[10]。但是污泥焚燒存在處理設(shè)施投資大、處理成本高、燃燒時產(chǎn)生溫室氣體和有害氣體(二噁英和二氧化硫)等缺點(diǎn)，使得污泥焚燒的未來可能會受到很大挑戰(zhàn)[27-28]。

1.3 厭氧消化

厭氧消化是在無氧條件下利用兼性菌和厭氧菌分解污泥中可生物降解有機(jī)物的一種處理方法[29]。厭氧消化技術(shù)具有減少碳排放、回收有機(jī)質(zhì)、殺滅病原體和穩(wěn)定污泥的優(yōu)點(diǎn)，在世界上的應(yīng)用十分廣泛。然而，由于厭氧消化的投資運(yùn)行成本高、工藝復(fù)雜，消化物含有重金屬、微塑料等缺點(diǎn)，在中國應(yīng)用較少[30]。

1.4 好氧堆肥

好氧堆肥是近10年中國發(fā)展最迅速的一種在有氧條件下進(jìn)行的污泥處理的生物技術(shù)[31]。通過好氧嗜熱菌的作用，對污泥中有機(jī)物進(jìn)行分解，將污泥轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)資源(有機(jī)肥或土壤改良劑)，并實(shí)現(xiàn)殺滅病原體和污泥減容的目標(biāo)。與其他技術(shù)相比，好氧堆肥具有無害化、處理成本低、操作簡單和可持續(xù)性的優(yōu)點(diǎn)。目前來說，好氧堆肥已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的重點(diǎn)。近年來，超高溫好氧堆肥被部分研究人員提出，通過對堆體接種極端嗜熱微生物菌劑可以達(dá)到縮短堆肥周期、加速有機(jī)質(zhì)降解和促進(jìn)堆肥快速腐殖化的效果，但這會導(dǎo)致能源消耗增加和成本增加[3,32]。城市污泥堆肥過程如圖1所示。

圖1 城市污泥堆肥過程

2 好氧堆肥調(diào)理劑

城市污泥具有：①水分含量高(80%)；②物理結(jié)構(gòu)差、孔隙率低；③C/N比較低；④堆肥過程中有機(jī)酸的快速水解和積累等缺點(diǎn)，因此不能單獨(dú)進(jìn)行堆肥，必須添加調(diào)理劑進(jìn)行調(diào)節(jié)[33-34]。

2.1 活性調(diào)理劑

活性調(diào)理劑是指富含氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)、較高的C/N并能調(diào)節(jié)堆肥孔隙度的調(diào)理劑，常用的活性調(diào)理劑主要有秸稈、木屑、米糠、菌渣等農(nóng)林廢棄物[35-36]。將活性調(diào)理劑與城市污泥進(jìn)行混合，通過調(diào)理劑提供堆體內(nèi)的結(jié)構(gòu)支撐，產(chǎn)生顆粒間空隙，防止堆肥基質(zhì)過度壓實(shí)，滿足氣體交換、提高混合堆肥C/N和降低含水率的目的[37-38]。Zhang等[39]采用秸稈、污泥和餐廚垃圾共同堆肥，探究不同曝氣量下堆肥有機(jī)質(zhì)的生物降解。Ma[35]通過木屑與污泥共同堆肥，結(jié)果表明，添加木屑可以提高堆肥溫度和高溫期持續(xù)時間，降低堆肥pH和含水率，提高有機(jī)物的礦化率。Kebibeche等[40]對污泥、鋸末和秸稈共同堆肥進(jìn)行分析，結(jié)果表明，添加鋸末增加了堆體氮含量，降低了植物毒性。采用活性調(diào)理劑與城市污泥共同堆肥，不僅能提升堆肥效果，也可以達(dá)到將農(nóng)林廢棄物妥善處置的目的。

2.2 惰性調(diào)理劑

惰性調(diào)理劑是指本身不參與堆肥，其作用是提高堆體孔隙率和氧氣傳輸效率，并減少臭氣排放的調(diào)理劑，常用的惰性調(diào)理劑包括生物炭、沸石、麥飯石等。

沸石是一種水合鋁硅酸鹽礦物，具有分子尺寸孔徑的結(jié)晶物質(zhì)[41,49]。采用沸石作為添加劑的優(yōu)點(diǎn)在于：①沸石的特殊結(jié)構(gòu)可以減少堆肥中NH3、H2S、CO2和CH4的排放，提高最終產(chǎn)品中氮的含量，有機(jī)物降解問題得到改善[50]；②沸石具有高陽離子交換能力，可以有效去除堆體中的重金屬，如Ni、Cr、Pb、Cu、Zn和Hg[51-52]；③沸石的添加可以改善堆肥的陽離子交換率、持水能力并可以緩沖堆肥基質(zhì)pH[30,53]。

麥飯石是一種天然的硅酸鹽礦物，具有吸附性、溶解性、調(diào)節(jié)性、生物活性和礦化性等特性[54-55]。采用麥飯石作為添加劑的優(yōu)點(diǎn)在于：①促進(jìn)蛋白質(zhì)材料、醇、醚、木質(zhì)素和多糖的降解，增加堆肥以及類腐殖質(zhì)化合物的芳香性和分子量，提高堆肥效率及腐殖化率，縮短堆肥成熟期[56-57]；②減少NH3、N20和CH4的排放，降低Cu和Zn的生物利用度，增加堆體中NO3-的含量[50,58]。

污泥與不同調(diào)理劑如圖2所示。

圖2 污泥與不同調(diào)理劑

3 好氧堆肥影響因子

3.1 C/N

C和N是堆肥過程中為微生物生長提供能量的重要來源。因此，C/N比也是影響好氧堆肥的關(guān)鍵因素之一[59-60]。根據(jù)研究，堆體初始C/N在25～30∶1時為最佳范圍，如果C/N高于30，堆體內(nèi)微生物則會由于缺乏N元素生長繁殖進(jìn)程減慢，導(dǎo)致堆體內(nèi)溫度上升較慢，有機(jī)質(zhì)分解速度降低[18-19]。較低的C/N會導(dǎo)致N過量，以氨氣的形式流失，還會釋放大量可溶性堿式鹽，不利于植物生長[61-62]。

3.2 含水率

水分含量被認(rèn)為是影響好氧堆肥過程的一個很重要的影響因素[15]。適宜的含水率對于維持好氧堆肥中的微生物動力學(xué)和保持空氣擴(kuò)散至關(guān)重要[21,63]。當(dāng)含水率過高時，堆體內(nèi)孔隙空間被關(guān)閉，物料呈現(xiàn)緊密狀態(tài)，影響空氣擴(kuò)散，導(dǎo)致堆肥向厭氧方向發(fā)展，產(chǎn)生惡臭氣味[63]；而含水率過低時，堆體中水分無法滿足微生物的生長需求，微生物的生長繁殖與運(yùn)動代謝被限制，物料溫度無法達(dá)到適宜的高溫，有機(jī)物難以分解[53]。多數(shù)研究指出，當(dāng)堆體含水率在50%～60%時，堆體內(nèi)的氧氣吸收率、自由空氣空間、微生物活性與溫度可以達(dá)到最佳[37,64]。

3.3 曝氣

曝氣是影響堆肥成功與否的關(guān)鍵因素，堆肥實(shí)際上是一個需氧過程，氧氣的充足與否直接影響到堆肥質(zhì)量和堆體中的微生物種群活性[65]。適宜的曝氣強(qiáng)度可以保持堆肥溫度，促進(jìn)堆體內(nèi)有機(jī)物的分解，還可以去除堆體中多余的水分，并為微生物的活動提供氧氣[39]。過高的曝氣量可能導(dǎo)致堆體內(nèi)水分蒸發(fā)，不利于微生物的生化活動，限制微生物對有機(jī)物質(zhì)的降解，從而限制產(chǎn)熱[39]，過低的曝氣量則可能會形成局部厭氧環(huán)境，不利于好氧微生物的活動，致使堆肥效果不佳。研究指出，曝氣量在0.2～0.4 L/min(每千克干物質(zhì))時，好氧堆肥的效果更佳[53,66]。

4 腐熟度評價指標(biāo)

4.1 溫度

溫度變化是最直接反映堆肥過程中微生物活性和堆肥效率的指標(biāo)，也是評價堆肥腐熟度的重要參數(shù)[15,36]。研究認(rèn)為，堆肥中溫度變化分為4個階段：中溫期、高溫期、降溫期、成熟期[62]，其中中溫期、高溫期和降溫期屬于堆肥的礦化階段，而成熟期屬于腐殖化階段[38]。堆體前期溫度的升高是由于微生物活動對有效有機(jī)物和含氮化合物的快速分解，而隨著有機(jī)質(zhì)變得更加穩(wěn)定，微生物活性和有機(jī)質(zhì)分解速率逐漸減慢，溫度逐漸降低[18-19]。根據(jù)Wang等[67]的說法，如果高溫期堆體溫度>55 ℃持續(xù)超過3天或>50 ℃持續(xù)一周，可以消除堆體內(nèi)寄生蟲、病原體和雜草種子，達(dá)到最佳衛(wèi)生條件，則認(rèn)為堆肥基本腐熟[9,15]。但值得一提的是，常規(guī)好氧堆肥溫度過高(即高于70 ℃)，因?yàn)檫^熱會使堆體內(nèi)嗜熱微生物種群遭到破壞，導(dǎo)致堆肥過程停止[29,53]。

4.2 C/N

C/N不僅是好氧堆肥的影響因素，也可以用來評價堆肥腐熟度[1,68]。一些研究報告稱，C/N在15～20表明可生物降解基質(zhì)的有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性和成熟度較高，而C/N<15適合于堆肥在農(nóng)藝上的應(yīng)用[9,25]。也有研究指出，計(jì)算最終C/N與初始C/N的比值，當(dāng)這一比率低于0.7時，堆肥可以被認(rèn)為是成熟的[20]。

4.3 電導(dǎo)率

電導(dǎo)率(EC)是測定土壤水溶性鹽的指標(biāo)，反映了有機(jī)質(zhì)的降解和礦化，是判定土壤中鹽類離子是否限制作物生長的因素[62,69]。堆體內(nèi)的EC值升高可能是由于無機(jī)化合物的產(chǎn)生和有機(jī)物轉(zhuǎn)化形成銨離子和磷酸鹽等礦物鹽導(dǎo)致，而EC值的下降則可能是由于氨的揮發(fā)和礦物鹽的沉淀[18-19]。較高的EC會抑制植物種子的萌發(fā)，阻隔種子吸收水分和養(yǎng)分，進(jìn)而抑制酶活性[22,70]。大多數(shù)研究中，EC<4 ms/cm已被廣泛接受為農(nóng)業(yè)中施用堆肥的鹽分閾值，但有些研究則認(rèn)為EC<2 ms/cm為堆肥的理想值[62-63]。

4.4 pH

4.5 發(fā)芽指數(shù)

發(fā)芽指數(shù)是評價堆肥產(chǎn)品植物毒性和腐熟度的常用且有效的生物指標(biāo)[22,59]。發(fā)芽指數(shù)可能會由于堆肥過程缺氧、有毒化合物的積累以及氨、重金屬和礦物鹽的過量存在而受到影響[17,71]。通常來說，堆肥過程中的發(fā)芽指數(shù)應(yīng)該迅速增加，這可以歸因于在堆肥過程中礦化和腐殖化之后，植物毒性物質(zhì)(即揮發(fā)性脂肪酸和銨)的生物降解和轉(zhuǎn)化以及腐殖質(zhì)的積累[70]。堆肥前期的發(fā)芽指數(shù)受到抑制，這可能是由于NH3的釋放和低分子揮發(fā)性脂肪酸的存在[22]。研究指出，當(dāng)最終堆肥產(chǎn)品的發(fā)芽指數(shù)在0.5以上時，可以認(rèn)為堆肥基本腐熟，對植物毒害作用很小，發(fā)芽指數(shù)在0.8以上時，可以認(rèn)為堆肥完全腐熟，對植物完全沒有毒害作用[43,59]。

4.6 紫外光譜參數(shù)

堆肥產(chǎn)生的水溶性有機(jī)物成分復(fù)雜，在堆肥過程中其組成與結(jié)構(gòu)會發(fā)生分子聚合度、芳構(gòu)化和腐殖化變化，能靈敏地反映堆肥過程中物質(zhì)轉(zhuǎn)化特性以及堆肥腐熟度。通過紫外可見光譜技術(shù)對堆肥提取出的水溶性有機(jī)物進(jìn)行分析，探究其中有機(jī)組分的轉(zhuǎn)化規(guī)律對堆肥腐熟度進(jìn)行評價，但光譜分析對堆肥腐熟程度的判定并沒有固定標(biāo)準(zhǔn)值，一般需要通過參數(shù)變化趨勢結(jié)合物理化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行判斷[43,72]。不同紫外光譜參數(shù)見表1。

4.7 其他參數(shù)

5 結(jié)論與展望

越來越多的城市污泥已成為環(huán)境污染的重要來源，無害安全且資源化的處理城市污泥已經(jīng)成為重中之重，對生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。通過好氧堆肥處理回收城市污泥是一個行之有效的方法。但由于影響因子、調(diào)理劑種類比例的不同，難以有一套完善評價堆肥腐熟度的體系。所以，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對好氧堆肥的研究力度，依據(jù)已有研究文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，綜合分析好氧堆肥中的影響因素，尋找好氧堆肥過程中關(guān)鍵的控制指標(biāo)和腐熟度指標(biāo)，以達(dá)到城市污泥無害資源化利用的目標(biāo)。

表1 不同紫外光譜參數(shù)

1)通過物理、化學(xué)、生物等手段對好氧堆肥的過程和機(jī)理進(jìn)行研究，建立一套完善的城市污泥好氧堆肥腐熟度評價標(biāo)準(zhǔn)。

2)探究不同種類、不同添加量的添加劑和調(diào)理劑與堆肥過程的相關(guān)性，尋找出對堆肥過程中腐殖化影響的共同點(diǎn)。

3)對于好氧堆肥的影響因子進(jìn)行深入研究，從不同方面探究其中的結(jié)合點(diǎn)，總結(jié)一套適宜的堆肥參數(shù)。