城市污泥堆肥处理养分及重金属变化研究

陈建军，陈海燕，湛方栋，秦 丽

（云南农业大学资源与环境学院，云南昆明650201）

污泥是城市污水处理厂对污水处理过程中产生的沉积物，一方面含有丰富的氮、磷、钾和有机质，是可利用的良好有机肥源，污泥农用后可提高作物产量、培肥土壤及改善土壤理化性质［1］；另一方面因其含水率高、易腐烂、有恶臭、重金属含量高、含有大量寄生虫卵与病原微生物，处理不当容易对周围环境产生二次污染。若直接施入农田，可能使重金属污染土壤，并通过农作物进入食物链，并且由于污泥未经稳定后农用，其中有机质的分解将消耗氧，造成土壤中氧含量不足，危害作物［2］。因此在污泥农用时通常应进行稳定化处理，污泥稳定化的方式主要有消化、堆肥等。常规的堆肥处理对重金属的控制作用有限，如果掺入一定比例的碱性物质作为调理剂，提高堆肥物料pH值，可降低重金属溶解性，达到钝化重金属的目的。同时，粉煤灰是火力发电厂燃煤后产生的废弃物，pH值高，富含有机质和酸性土壤缺乏的Si、Ca、S、Mo等元素［3］。利用污泥和粉煤灰，并及加入适量的木屑、稻草、树叶、垃圾等调理剂调节C／N比和水分含量，进行混合堆肥，是对污泥和粉煤灰等废弃物的有效利用方式之一。

本试验以稻草作为调理剂，粉煤灰为重金属钝化剂，对城市污泥进行堆肥处理，研究堆肥过程中氮、磷、钾等养分的变化情况，以及重金属总量和有效态含量的变化，为污泥资源化利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

污泥直接取自昆明市第三污水处理厂污泥脱水车间，含水率为81.5%；干稻草取自昆明市龙头街镇附近农田，取回后自然晾干铡成长约3 cm的段备用；粉煤灰取自昆明市西山火力发电厂，取回后过2 mm筛备用。污泥、干稻草、粉煤灰的养分含量和重金属含量见表1和表2。

1.2 试验设计

堆肥试验共设4个处理。 A处理：污泥：稻草=4∶1； B 处理： 污泥∶稻草∶粉煤灰=4∶1∶0.5； C 处理： 污泥∶稻草∶粉煤灰=4∶1∶1； D 处理：污泥∶稻草∶粉煤灰=4∶1∶1.5。

1.3 堆肥的堆制方法

堆肥试验在云南农业大学环境科学实验室内进行，按湿质量比混合均匀后上堆，堆底垫一层厚约15 cm的铡碎稻草作为垛底，将各种物料按比例混合均匀堆成宽约0.5 m，高约0.5 m，长度1.0 m的垛堆，用塑料布覆盖保温保湿，堆肥时间为60 d。堆肥开始后的30 d内每5 d翻堆1次，堆肥30 d后停止翻堆。堆肥开始时，调节含水率为65%。

1.4 堆肥样品的采集处理与测定

分别在堆肥开始 0 d、30 d、60 d多点随机采样，所采样品自然晾干后在60℃条件下烘干粉碎备用。测定方法：有机质采用重铬酸钾氧化－容量法；全氮采用开氏法；全磷、全钾分别采用氢氧化钠熔融－钼锑抗比色法和火焰光度法；碱解氮采用碱解扩散法；有效磷用碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法；pH值用电位法；总砷用硫酸－硝酸－高氯酸消解，氢化物发生－火焰原子吸收分光光度法测定；总汞用硫酸－硝酸－高锰酸钾消解，冷原子吸收分光光度法测定；总铬、铜、锌、铅、镉用硝酸－高氯酸消解，火焰原子吸收分光光度法测定；有效铜、锌、镉、汞用0.1 mol/L乙酸溶液浸提后火焰原子吸收分光光度法测定［4］。

表1 供试堆肥原料的主要养分含量

表2 供试堆肥原料中主要重金属含量

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中全N、全P、全K含量的变化

由表3可以看出，全氮含量在堆肥过程中呈降低的趋势。A处理下降不明显，C、D处理的全氮含量在堆肥0～30 d内下降明显，这可能是由于堆肥过程中氮以气态NH3的形式挥发损失引起的，A处理虽然也有NH3挥发引起的氮损失，但由于堆肥过程中物料发生分解后总量有所减少，对全氮量具有浓缩效应。C、D处理全氮含量下降明显可能与堆肥中加入的粉煤灰比例较高，pH值呈弱碱性，更加有利于NH3挥发，从而导致挥发量大于浓缩。对于全磷和全钾含量的变化，浓缩效应就显得尤为明显，堆肥过程中堆体体积和堆料重量不断减少，养分不损失而被浓缩，其含量不断上升，且0～30 d内有机质分解快，则养分含量上升越快，本试验由于磷和钾在堆肥过程中未损失而被浓缩，全磷和全钾的含量呈线性上升，这与前人的结果相一致［5］，30～60 d有机质分解变慢， 全磷和全钾的含量变化不太明显。

表3 堆肥过程中全N、全P、全K含量的变化

2.2 堆肥过程中碱解N、有效P、速效K含量的变化

从表4可知， 各处理碱解N、有效P、速效K含量堆肥后较堆肥前均有不同程度的提高，表明污泥经堆肥化处理后，养分有被活化的效果。但是各有效养分在堆肥过程的变化趋势存在差异。其中碱解N、有效P含量在堆肥过程中都是先升高，到第30 d达到最大，然后又下降。碱解N含量在堆肥前期上升，可能是由于物料中有机氮化合物分解产生的，后期碱解N含量下降，其中NH3－N是以NH3形式挥发损失［6］；有效P含量先升高可能是由于物料矿化分解产生的，而堆肥腐熟后期一部分速效P又转化为缓效P［1］。速效K含量则在堆肥过程中一直呈上升趋势，因钾的水溶性很强，矿化分解后不容易被固定，因此上升趋势明显。

2.3 堆肥过程中重金属总量变化

从表5可以看出，重金属总量在堆肥处理前后均比原污泥明显下降，且下降幅度呈现出D＞C＞B＞A的趋势，是因为堆肥处理添加调理剂后具有稀释作用，加入调理剂的量逐渐加大引起的。而堆肥后比堆肥前重金属总量除A处理的Hg元素外，均有不同程度的增加，这是由于堆肥过程中物料分解损失，堆体体积和重量变小等而引起重金属总量在堆料中浓缩所致。但由于加入粉煤灰堆肥处理后物料的pH升高，由偏酸性转为中性，除Cd因原污泥严重超标导致堆肥仍然超标以外，以中国农用污泥中污染物控制标准(GB4284－84)来衡量，对pH＞6.5的土壤，原来超标的Cr、Hg、Cu、Zn均控制在标准限值范围内。因此由于污泥中Cd严重超标，堆肥处理后欲作为农用仍存在问题，需进一步处理。

表4 堆肥过程中碱解N、有效P和速效K含量的变化

2.4 堆肥过程中重金属有效态含量变化

堆肥前后重金属有效态含量变化见表6。主要分析了污泥中超标严重的Cd、Cu、Zn、Hg。

从表6可以看出，污泥经过堆肥处理后，其重金属有效态含量均有不同程度的下降，其中A处理的Cd、Cu效果不明显，其他处理均随粉煤灰加入比例的加大，重金属有效态含量降低越明显，以C处理效果最好，说明添加粉煤灰对重金属有效态有较好的钝化作用。但并不是粉煤灰的比例越大效果越好，D处理的钝化效果反而不如C处理，可能与粉煤灰的比例太高，影响了堆肥过程中有机质对重金属的作用有关。

表5 堆肥过程中重金属总量变化

表6 堆肥过程中重金属有效态含量的变化

3 结论

（1）在堆肥过程中全氮含量呈降低趋势。主要是由于堆肥过程中氮以气态NH3的形式挥发损失引起的，虽然堆肥过程中物料发生分解后总量有所减少，对全氮量具有浓缩效应，但C、D处理堆肥中加入的粉煤灰比例较高，pH值呈弱碱性，更加有利于NH3挥发，从而导致挥发量大于浓缩量，全氮含量下降明显；而全磷和全钾含量呈线性上升。

（2）各处理碱解N、有效P、速效K含量堆肥后较堆肥前均有不同程度的提高，表明污泥经堆肥化处理后，养分有被活化的效果。

（3）添加粉煤灰进行堆肥处理，可以在一定程度上提高污泥的稳定性，即可农用性，主要是提高了堆肥的pH，但重金属总量没有明显降低。对于昆明第三污水处理厂污泥，由于Cd、Cu严重超标，堆肥处理后仍达不到农用标准。

（4）粉煤灰对污泥中重金属 Cu、Zn、Cd、Hg有效态有明显的钝化作用， 以污泥∶稻草∶粉煤灰=4∶1∶1的比例钝化效果最好。

[1]张桥，吴启堂，黄焕忠，等.未消化城市污泥与稻草堆肥过程中的养分变化研究[J].农业环境保护，2002，21(6)：489～492.

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