不同调理剂对城市污泥好氧堆肥的影响

金 芬，孙先锋，高自文，周秋丹，邵瑞华，周晓毅

（1.西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安710048；2.陕西迪隆生态环保科技有限公司，陕西 西安710016）

0 引 言

随着社会经济的发展，城市人口的增加，工业废水和城市生活污水的排放量日益增加，城市污水处理率逐年升高，同时，污泥的排放量也随之增多，城市污泥的可再生处理已经势在必行［1］.

污泥堆肥法处理成本低廉，能够除臭和有效地杀灭病原菌，且腐熟的堆肥产品可以提高作物的产量，改善农产品的品质，因此已成当前污泥无害化和资源化的重要途径之一［2］.而在堆肥过程中，调理剂是加入堆肥化物料中的有机物，因其能增加物料中可降解的有机物数量，改善物料结构，增加与空气接触的面积.故可调节整个堆肥过程的碳氮比及水分含量，也可以起到除臭、保氮和提高堆肥效率的作用，所以成为调节及影响好氧发酵的主要因素之一［3-4］.目前国内外已有不少学者进行了研究，Miguel等［5］以锯末为调理剂对人粪渣进行堆肥试验发现，对于Biotoilet系统，混合物料的含水率被调节至65%时，有机物降解速率最大.Eklind等［6］分别添加秸秆、树叶、硬木片等调理剂与有机生活垃圾混合堆肥，结果表明，加入调理剂后，物料的w（C）／w（N）从13调节至22～34，有机质降解速率常数从0.025提高到0.039～0.126.张建华等［7］进行了不同调理剂对猪粪好氧堆肥效果的影响研究，结果表明药渣和砻糠灰为调理剂时，堆肥效果较理想.顾文杰［8］等也研究了不同调理剂对造纸污泥好氧堆肥的影响，以水稻秸秆作为调理剂无法达到高温，添加米糠作为调理剂升温最快，温度最高；添加蘑菇渣作为调理剂，温度偏低.

本文以城市污泥为原料，以药渣、木屑、水稻、玉米及小麦秸秆为调理剂，与污泥混合进行好氧堆肥，研究5种不同调理剂对城市污泥好氧堆肥的影响，为西安城市污泥堆肥化处理提供技术支撑.

1 实 验

1.1 材料

研究所用的城市污泥为西安市第二污水处理厂的脱水鲜污泥（SS）；作为调理剂的药渣取自西安利君药业股份有限公司的药渣储存车间；水稻秸秆取自广东省农科院；玉米秸秆与小麦秸秆取自陕西迪隆生态环保科技有限公司试验田；木屑取自西安市城东木材加工厂，主要成分为松木；萝卜种子取自金种子商场，品种为秋白65.将水稻、玉米、小麦秸秆粉碎处理，药渣、木屑进行晾干处理.各堆肥实验材料测定成分的参数如表1所示.

表1 污泥堆肥实验材料基本参数Table 1 Experimental material properties of sludge composting

1.2 方法

实验设5个处理组，编号分别为处理Ⅰ、处理Ⅱ、处理Ⅲ、处理Ⅳ和处理Ⅴ.各处理组物料组合见表2.各处理组调理剂与堆肥物料充分混匀，堆制成长宽高为2m×1m×0.5m的堆体.在堆体表面覆盖一层约5cm厚的油菜秸秆覆盖层，以减少堆肥过程中水分的散失，并吸收部分挥发的臭气.

采取鼓风机从堆体下方5cm处进行强制通风，与人工翻堆方式相结合.鼓风机功率为100W，风压0.04MPa，风量为0.05m3·min-1.在升温期温度低于45℃时，不通风；高于45℃时，每天记录堆体温度后每2h通风1min，每天上下午各通风2次；高温期温度超过50℃时，每1h通风1min，每天上下午各通风3次；降温期温度在45～50℃时，每2h通风1min，每天上下午各通风2次；低于40℃时停止通风.并于每次采样后用铁锹来回翻堆20次.

堆肥过程中，用长杆水银温度计于每天9∶00，15∶00和21∶00分别测定堆体上、中、下部温度，取测定温度的算数平均值来描述堆肥过程的温度变化，同时测定环境温度值.

表2 不同处理组堆肥实验设计Table 2 Different treatment group of composting experiment design

1.3 采样和分析

在堆肥的第0，4，8，12，16，21，28，35，45d，于当天21∶30进行采样，共计9次.采样点为堆体中心及附近四角范围，每次采集约500g样品，采用四分法将样品混匀，装入密封塑料袋中.将采集的鲜样用于含水率、pH值、发芽率的测定，鲜样经烘干后用于有机质的测定.剩余部分放在室内风干后过40目筛贮存备用.含水率的测定采用105℃烘箱法；pH值采用1∶10（W／V）的水提取液玻璃电极法测定［9］；有机质采用550℃马弗炉灼烧减重法测定［10］.

种子发芽率（GI）的测定方法［11-12］：取6g鲜样加入50mL蒸馏水，震荡1h，吸取6mL滤液于垫有2张滤纸的9cm直径培养皿中，以等量蒸馏水对照，每个培养皿内置20粒饱满的萝卜种子，在30℃，湿度为80%的黑暗条件下培养48h，计算种子发芽率（GI）值，计算公式为：

GI=（样品发芽率×种子根长）／（对照种子发芽率×种子根长）.

2 结果与讨论

2.1 温度的变化

温度是影响堆肥过程中微生物活性和堆肥效率的重要因素与指标，微生物通过生长代谢产生大量的热直接影响堆体温度.

如图1所示，各处理组堆体温度均经历了3个时期，即升温期、高温期和降温期，并且都符合国家标准（GB795987）关于最高堆温应在50℃以上持续5～7d的卫生标准.堆肥开始后，各处理组温度均上升，是由于堆料中的有机质在微生物的作用下迅速分解成水、CO2、有机酸和氨气，此过程产生大量的热量促使堆体温度上升，5个处理组温度上升速率分别为2.05，1.42，2.43，2.06，2.24℃／d，分别在第16，21，16，17，17d达到最高温度，最高温度分别为60.4，61.3，68.4，64.4，67.5℃，即升温速率为处理组Ⅲ＞处理组Ⅴ＞处理组Ⅳ＞处理组Ⅰ＞处理组Ⅱ.随着时间的延长，5个处理组堆肥温度逐渐下降，其下降速率为0.91，0.88，1.12，0.99，1.09℃／d，降温速率为处理Ⅲ＞处理Ⅴ＞处理Ⅳ＞处理Ⅰ＞处理Ⅱ.42d后，堆肥开始进入冷却和后熟阶段，各处理温度基本趋于一致.上述结果表明，堆肥温度与调理剂类型密切相关，木质素含量较低的调理剂，堆体升温和降温速率均较大，达到最高温所需时间也较短，温度较高并且高温持续时间较长，这与参考文献［13］研究的结果一致.5种调理剂中，水稻秸杆的木质素含量最低，作为调理剂时升温最快，温度最高.相反，木屑和药渣的木质素含量较高，木屑和药渣作为调理剂的升温速率和降温速率均最慢.

2.2 含水率的变化

水分是堆肥中有机物分解和微生物生长繁殖所必需的，堆肥中含水率的变化是有机物氧化分解产生水及通风时水蒸汽挥发散失等过程叠加的结果.堆肥含水率与堆体温度堆制材料孔隙度以及翻堆次数有关.大量研究表明，堆肥最佳含水率为50%～60%［14］.

如图2所示，各处理含水率基本呈现逐渐下降的趋势，在堆肥升温期，含水率迅速下降，可能是有机质降解产生水的速率小于水分蒸发的速率，随着温度升高和堆肥含水率的降低，更加适合一些嗜热菌的繁殖代谢，大量降解有机物产生水，即产生水的速率略小于水分散失的速率，致使含水率下降缓慢.堆肥结束时，各处理组含水率分别下降到30.13%，31.46%，28.78%，27.47%，24.78%，下降率分别为43.10%，41.08%，46.56%，42.85%，43.34%.处理组Ⅱ含水率下降最少，这与张建华等［7］研究结果一致.分析认为木屑为调理剂时，由于木屑中易分解的有机碳较少，难分解的有机物较多，分解反应速率较慢，即温度上升速率也相应较慢；其次木屑密度较大，透气性差，吸水性强，以上两者致使处理组Ⅱ水分蒸发的速率明显下降.处理组Ⅲ含水率下降最多，这与其升温速度最快，高温时间持续最长，水分蒸发较快有关.说明以水稻秸秆为调理剂时，有助于堆体中水分的散失，有效减少了后期成品烘干的能耗.

图1 堆肥过程温度变化Fig.1 Temperature changes in composting process

图2 堆肥过程含水率变化Fig.2 Moisture content changes in the composting process

2.3 pH值的变化

pH值可以作为评价好氧发酵腐熟度的一个指标.适宜的pH值可使微生物有效地发挥降解作用.而过高或过低的pH值都会对微生物好氧发酵速率产生影响，一般认为，堆肥pH值在7～9时，最适宜微生物生长和繁殖，可获得最大堆肥速率［15］.

如图3所示，在整个堆肥过程中，各处理组堆肥的pH值总体上呈现先下降再上升再下降的趋势.这与贾程等［16］研究结果不一致，贾程的研究认为堆肥过程中pH值呈现先上升再下降的趋势，而本文中由于微生物代谢产生的次级代谢物影响堆肥pH值，可能是污泥原料存在差异，导致微生物种类与数量不同，因而试验结果与贾程研究结果不一致.在堆肥初期4d里，微生物分解有机质产生有机酸的速率大于堆肥中铵态氮转化成氨气的速率，致使pH值下降.然而随着堆肥时间的进行，产生的有机酸被大量分解，同时堆肥中的铵态氮转化成氨气的速率提高，导致pH值回升.在堆肥后期，由于氮的氨化作用减弱，硝化作用增强，同时剩余的有机物被分解产生有机酸，造成pH值下降.在整个过程中，处理组Ⅰ和Ⅱ均在堆肥第30d时，pH值达到最大，分别为8.43，8.01.处理组Ⅲ和Ⅳ在第25d时，pH值达到最大，分别为8.49，8.33.处理组Ⅴ在第20d时，pH值达到最大值8.31.其中以水稻秸秆为填料剂的堆肥pH值最大，其次为药渣、玉米、小麦，以木屑为调理剂时，处理组的pH值最小.

图3 堆肥过程中pH值的变化Fig.3 pH variation in the composting process

图4 堆肥过程中有机质含量的变化Fig.4 Organic content in the composting process

2.4 有机质变化

堆肥中的有机质是微生物赖以生存和繁殖的重要因素，在堆肥过程中，微生物通过自身活动，把一部分有机质转化分解成简单的无机物，为自身生长代谢提供能量.

如图4所示，在整个堆肥过程中，有机质含量随着堆肥过程的进行呈现逐渐下降趋势，堆肥结束时，各处理组有机质分别下降了22.53%，17.89%，28.32%，24.98%，25.45%.其中处理组Ⅲ有机质下降最多，其次为处理组Ⅴ，Ⅳ，Ⅰ，处理组Ⅱ有机质下降最少.即5种调理剂中，以水稻秸秆为调理剂时，有机质减少量最大，以木屑为调理剂时，有机质减少量最小.这与康军［17］等的研究结果一致.分析认为，由于水稻秸秆中半纤维素及纤维素含量较高，因此分解有机质速率较快.在堆肥过程中，各处理组有机质分解主要发生在升温期和高温期，在降温期和腐熟期有机质降解较缓慢，可能由于在升温、高温阶段有机质含量高，微生物生长代谢旺盛，加快了有机质的降解.

2.5 种子发芽指数（GI）的变化

种子发芽指数是通过检测堆肥样品中的生物毒性来评价污泥堆肥的腐熟程度和预测其毒性发展，是最可靠有效的指标，且最能反映堆肥产品植物毒性，进而判断堆肥无害化和腐熟度的重要参数.一般认为当GI＞50%时，堆肥产品基本无毒性，堆肥腐熟；GI＞80%时堆肥已完全腐熟［18］.

如图5所示，在整个堆肥过程中，各处理组堆肥GI值总体上呈现先下降后上升的趋势.在堆肥初期的前4d时为抑制发芽阶段，微生物强烈作用于堆肥，产生大量NH3等有毒的物质，严重抑制种子发芽；在堆肥的4～12d时，随着堆肥时间的延长，污泥中的有机质被微生物大量分解利用，污泥对种子发芽抑制作用降低，种子发芽指数迅速上升；在堆肥的12～35d后，微生物降解有机质的速率减慢，种子发芽指数缓慢上升.在堆肥的35～45d，种子发芽指数趋势基本趋于稳定，这与顾文杰［8］研究结果不太一致，顾文杰的研究中GI值结果较高，原因主要有3方面，首先处理的污泥对象不同，他的研究对象为造纸污泥，本文研究对象为污水处理厂脱水污泥；其次，堆肥条件如堆体体积、通风量、搅拌时间等因素均不同；最后萝卜品种可能也存在差异.因此，3方面因素共同导致了堆肥结果存在差异.堆肥结束时，各处理组GI值分别为64.9%，62.8%，75.2%，70.3%，72.9%.处理组Ⅲ的发芽率最大，处理组Ⅱ最小，各处理组GI均大于50%，说明各处理组在堆肥结束后，均已达到腐熟，堆肥产品对农作物的生长基本无毒性.

图5 堆肥过程种子发芽指数变化Fig.5 Variation of germination index in the composting process

3 结 论

（1）各处理组堆体温度均经历了3个时期，即升温期、高温期和降温期.分别在第20，21，16，17，17d达到最高温度，42d后，堆肥开始进入冷却和后熟阶段，各处理组温度基本趋于一致.以水稻秸秆为调理剂时，堆体升温和降温速率均较快，达到最高温所需时间较短，温度最高且高温持续时间较长，木屑作为调理剂时则相反.

（2）各处理组含水率均呈现逐渐下降的趋势，其中以木屑为调理剂时，含水率下降最少；以水稻秸秆为调理剂时，含水率下降最多，这有助于堆体中水分的散失，减少后期成品烘干能耗.

（3）各处理组堆肥的pH值总体上呈现先下降再上升后又下降的趋势.其中以水稻秸秆为调理剂时堆肥pH值最大，其次为药渣、玉米、小麦，木屑的pH值最小.

（4）有机质含量随着堆肥过程的进行呈现逐渐下降的趋势，各处理组堆肥的GI值总体上呈现先下降后上升的趋势；各处理组在堆肥结束后，均已基本达到腐熟，堆肥产品对农作物的生长基本无毒性；在堆肥结束后，5种调理剂中，以水稻秸秆为调理剂时，有机质减少量最大，发芽率最大；以木屑为调理剂时，有机质减少量最小并且发芽率最小.

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