活性污泥堆肥农用效果的研究

杨　阳，李　明，王　帅，单德臣,2,*

(1.黑龙江东方学院，哈尔滨 150066;2.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院城市水资源国家重点实验室,哈尔滨 150090)



活性污泥堆肥农用效果的研究

杨阳1，李明1，王帅1，单德臣1,2,*

(1.黑龙江东方学院，哈尔滨 150066;2.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院城市水资源国家重点实验室,哈尔滨 150090)

通过大量田间试验，以哈尔滨市城市污水处理厂的脱水污泥为原料，采用卧式旋转式污泥好氧发酵装置对脱水活性污泥进行有氧发酵。同时将发酵后的活性污泥作为有机肥料进行了田间试验效果研究。结果表明：(1)施用污泥的土壤pH有所下降；(2)污泥施肥的土壤速效磷含量要比化肥与空白对照高;(3)试验设计中的化肥处理对土壤全氮影响很小，污泥处理较空白对照仅提高0.07%，各处理间差异不显著；(4)各个处理对土壤有机质、有效态氮含量影响不大；(5)全磷含量变化动态：污泥+化肥>污泥>化肥>空白，施用污泥有利于提高土壤的全磷含量；(6)施用污泥的土壤，速效钾含量高于空白与化学施肥的土壤，施用化肥的土壤又高于空白对照；(7)城市污泥的含盐量较高，会明显提高土壤电导率；(8)通过试验可见，施用城市污泥堆肥能够提高大豆的产量。污泥作为一种生物质资源，是很好的有机肥料，有很好的农用前景。

活性污泥；好氧发酵；污泥农用

随着我国经济的飞速发展，城市居民的生活质量也有了很大的提高，随之而来的城市生活垃圾和污水大量排放，处理生活污水便成为了一件大事。目前的处理方法都会产生大量的活性污泥，污泥的无害化、资源化的处置问题成为了新的研究热点[1-4]。

脱水污泥中含有大量的可被植物直接吸收利用的养分，是非常宝贵的再生资源。当前污泥资源化利用中，土壤施用是最安全且最具生态意义的[5-6]。从有机质和氮、磷、钾在4组分中的分配状况看，除无机氮外，它们的分布与污泥干物质分配情况相一致：即生物絮凝体组分所含这些元素占总量的比例最大(61%～80%)，其次为颗粒态组分(12%～30%)，胶体+水溶性组分所占的比重(5%～18%)相对较小[7-12]。

污泥无害化处理己成为一个备受瞩目的问题，污泥堆肥成为一种切实可行的处理方法。堆肥化技术是从20世纪60年代迅速发展起来的一项新兴生物处理技术。20世纪70年代以后，由于污泥产生的环境问题和填埋技术的缺点日益突出，污泥堆肥技术引起了各国的广泛重视，并成为环保领域的一个研究热点。可被生物降解的有机物在好氧微生物的作用下向稳定的腐殖质转化的生物过程称为污泥好氧发酵，主要过程为升温、高温、降温、腐熟4个阶段，污泥稳定化、无害化程度提高，是高效、环保、节约的污泥处理方法，在我国拥有广阔的应用前景[13-20]。

污泥堆肥的发展趋势是：从厌氧堆肥发酵转向好氧堆肥发酵；从露天敞开式转向封闭式发酵；从半快速发酵转向快速发酵；从人工控制的机械化转向全自动化；最终解决二次污染问题。本文旨在研究污水处理厂的剩余活性污泥通过好氧堆肥施用农田后，土壤中各理化指标的变化以及对施用作物的产量影响，以期寻找到污泥无害化处理的最佳处理模式。

1　材料与方法

1.1材料与仪器设备

污泥来源于哈市生活污水处理厂。试验材料的基本性质见表1。

仪器设备：电炉、电子天平、微量移液器、粉碎机、烘箱、恒温恒湿培养箱、流动分析仪。AR852红外测温仪、pH计、磁力搅拌器、红外消煮炉、冰箱、电导率仪、火焰光度计。

1.2方案设计

1.2.1污泥好氧发酵

1.2.1.1污泥发酵试验装置及判断

采用自行设计的卧式旋转反应器进行污泥好氧发酵，体积2.65 m3，反应器内壁有螺旋线，其上有小孔供氧，正转、反转交替进行翻堆，750 W风机强制通风。

表1　试验材料的基本性质

1.2.1.2腐熟度判断

添加调理剂后物料的通气性得到了改善，随着发酵的进行，污泥温度升高，污泥中水分挥发出来，污泥也随之松散，好氧发酵结束后，污泥本身的味道消失，颜色由原来的黑色变为深褐色，无明显水分，发酵后期物料温度自然降低，逐渐接近环境温度；发酵产物pH接近中性，有机质含量低于65%，达到了污泥农用的一般标准。

1.2.2活性污泥农用效果

1.2.2.1试验材料

活性污泥堆肥，稻壳(调理剂)，化学肥料。

1.2.2.2试验设计

田间试验选在为香坊农场。土壤肥力均匀，地势平坦。供试肥料分为4个方案，随机区组排列，5次重复：①空白；②城市污泥堆肥15 t/hm2；③N40P100(下标为肥料折纯量，kg/hm2)；④城市污泥堆肥15 t/hm2+ N40P100。其中，以尿素为氮肥，以过磷酸钙为磷肥。

污泥中添加稻壳调节污泥物理、化学性状，可以快速降解纤维素。

小区面积：2.8×6.5=18 m2，间设保护行。

在作物生长不同时期取耕层0～20 cm土样，测得的数值进行方差分析。

1.2.2.3分析指标

分析土壤中化学指标包括：土壤有机质，土壤全氮，土壤全磷，土壤碱解氮，土壤速效磷，土壤速效钾、土壤全盐量、土壤pH。

1.2.2.4分析方法

1)全磷：取待测液10 mL于50 mL容量瓶中，加两滴二硝基酚指示剂，用6 mol/L NaOH中和至呈微黄色，加入10 mL钼酸铵溶液，定容。同时做空白，15 min后450 nm比色；标准曲线：吸取0、1、2.5、5、7.5、10、15、30 mL磷标准液定容至50 mL，比色，测定吸收值绘制标准曲线。

2)碱解氮：称取过1 mm筛孔的样品2 g于扩散皿外室，再加0.2 g FeSO4，2 mL硼酸指示剂于内室，封口，40 ℃处理24 h，0.01N的HCl滴定。

3)速效磷：称取过1 mm筛孔的样品5 g，加无磷活性碳2 g，蒸馏水50 mL，120 r/min摇床振荡30 min，取滤液20 mL，以下步骤同全磷。

4)速效钾：称取过1 mm筛孔的样品5 g，加1 mol/L乙酸铵50 mL，120 r/min摇床振荡30 min，过滤液用火焰光度计测定。速效钾标准曲线：KCl 0.190 7 g定容至 1 L，此为100×10-6储备液，稀释制备0、2×10-6、5×10-6、10×10-6、15×10-6、20×10-6、30×10-6浓度的标准曲线。

5)全盐量：称取过1 mm筛孔的样品5 g，溶于50 mL水，震荡30 min，静止，澄清，用电导率仪直接测定。

6)有机质采用K2Cr2O4容量法

7)土壤全氮测定采用凯氏定氮法；

8)pH采用pH计直接测定[6]。

1.3试验数据处理

SPSS V13.0，Blast程序，MEGA4软件及Microsoft®Excel 2003分析处理实验数据。

2　结果与分析

2.1不同处理下土壤中pH 的变化

由图1可见，在大豆生长的各个时期，处理1、3的土壤pH高于处理2、4的土壤pH，在大豆结荚期和苗期各处理的pH值在0.05水平下差异不显著；花期、鼓粒期、成熟期各处理的pH差异显著。由此可见，施用污泥堆肥的土壤pH有所下降，但相对于空白与化肥处理，pH值的波动范围不大。污泥中的有机物成分在土壤微生物的作用下分解为有机酸，致使施用污泥的土壤pH下降。

2.2不同处理下土壤中速效磷含量变化

由图2可见，不同处理方式下土壤的速效磷含量各不相同，施用污泥堆肥的土壤(处理2与4)速效磷含量明显高于另外两个处理，苗期1处理比空白对照含量高18%、比3处理高8%；4处理比空白对照含量高17%、比3处理高8%。花期2处理比空白对照含量高31%，比3处理高25%；4处理速效磷含量比空白对照高34.2%、比3处理高28.5%。鼓粒期1、2处理的速效磷含量比3、4处理的含量高。在大豆成熟期和结荚期，土壤中速效磷含量在0.05水平下没有显著差异。由此可得出结论：土壤中的速效磷含量在不同处理下不同，城市污泥在堆肥过程中提高了速效磷的含量，导致施用城市污泥堆肥及与化肥配施的处理土壤速效磷含量比化肥与对照高。随着大豆的生长，对速效磷的利用程度不同，其数值会出现波动。

图1　不同处理下土壤pH变化Fig.1　Change of pH under different treatment in the soil

图2　不同处理下土壤速效磷含量变化Fig.2　Change of available phosphorus under different treatment in the soil

2.3不同处理下土壤中有机质、全氮、全磷含量变化

图3　不同处理下土壤全氮、全磷、有机质含量比较Fig.3　Comparison of total nitrogen and phosphorus、organic matter content under different treatment in the soil

土壤肥力的重要指标之一是土壤有机质含量，它在提供作物生长所需的完全养分、改善土壤结构、增加土壤保水保肥以及缓冲性能等方面发挥着重要作用。由图3可见，本试验土壤中有机质含量各处理方差分析0.05水平下没有显著差异。

各处理的全氮含量差异不显著，说明土壤基础肥力比较好，短时间内土壤全氮含量不会因为施肥而显著改变。污泥堆肥处理较空白对照仅提高0.07%。

各处理的全磷含量变化动态：处理4>处理2>处理3>处理1，说明施用污泥堆肥有利于提高土壤的全磷含量。

2.4不同处理下土壤中碱解氮含量变化

碱解氮的含量与土壤有机质、全氮含量、土壤水热环境条件有关。通常情况下，这部分N能够判断出土壤近期内氮素变化，又能看出N的释放速率。因此它与作物生长和产量有一定的相关性。

土壤的碱解氮含量是反映土壤氮素供应强度的主要指标，其水平的高低在很大程度上决定着作物对氮素的吸收情况，以至作物的产量和品质。

由图4可见，各处理土壤的碱解氮含量在花期达到了最大值，在大豆鼓粒期和结荚期各处理间差异显著，该时期各处理对土壤碱解氮含量的影响：处理4>处理2>处理3>处理1，土壤培肥效果以城市污泥与化肥配施好于相应的单施化肥或城市污泥。苗期、花期、成熟期在0.05水平下差异不显著。

2.5不同处理下土壤中速效钾含量变化

由图5可见，在鼓粒期，处理4对土壤速效钾含量高于其它各处理，在成熟期处理2和处理4之间对土壤中速效钾含量差异不显著。分析原因，施肥增加了土壤中速效钾的含量，提高了土壤有效态钾的释放。

图4　不同处理下土壤碱解氮含量变化Fig.4　Change of available nitrogen under different treatment in the soil

图5　不同处理下土壤速效钾含量变化Fig.5　Change of available K under different treatment in the soil

2.6不同处理下土壤中全盐量变化

由表2可见，施用污泥堆肥的土壤全盐量明显高于化肥与空白对照。苗期、成熟期差异不显著，花期和结荚期以及鼓粒期的差异显著。结果表明，脱水活性污泥的含盐量较高，会明显提高土壤电导率，与前人研究结果相符。

表2　不同处理下土壤全盐量变化(μs/cm)

注：表中a,b分别表示同行平均数之间的差异显著性。

2.7不同处理下对大豆产量的影响

不同处理对大豆产量的影响见表3。对照的植株荚数、荚粒数显著低于其它3个处理。施用污泥堆肥的大豆显著高于空白处理。各处理对大豆产量变化的影响依次为：污泥堆肥+化肥>污泥堆肥>化肥>空白，污泥堆肥施用量下可以提高大豆的产量。各处理对大豆百粒重的影响在0.05水平下差异不显著。

3　讨　论

由城市污泥农用效果试验可见，施用城市污泥堆肥及堆肥与化学肥料配施的处理对土壤的化学指标具有较好的影响。土壤的pH在各个处理中都低于对照处理，但差异不显著，说明施用有机肥料的处理在土壤微生物的活动下还进一步进行有机物质的降解。

表3　不同处理对大豆产量的影响

注：表中a,b分别表示同行平均数之间的差异显著性。

对于土壤速效磷和全磷含量，城市污泥堆肥+化肥的处理最好。在作物生长后期土壤速效磷含量也保持较高水平，这是由于城市污泥在堆肥过程中提高了速效磷的含量，同时城市污泥堆肥对磷素进行缓慢释放，导致在后期施用城市污泥堆肥及与化肥配施的处理土壤速效磷含量比单独施用化肥的高。

土壤中有机质含量和全氮含量的变化不大，差异不显著。对于土壤的碱解氮，在结荚期和鼓粒期各处理间碱解氮含量差异显著，污泥堆肥配施化肥的处理最好，主要是有机肥在后期起到对N素的缓释效果。土壤中速效钾的含量变化与此相同。由于城市污泥的含盐量较高，导致土壤电导率增加。

4　结　论

施用污泥堆肥的土壤pH有所下降，相对于处理1与处理3，pH值变化差异不显著;城市污泥堆肥配施化肥的处理导致土壤速效磷含量水平较高，好于化肥处理和对照，在大豆生长的各个时期对土壤中速效磷的吸收程度不同，其数值有所变化;各处理对土壤中全氮含量影响差异不显著，说明各处理对当年土壤全氮含量影响不大;各处理对土壤全磷和碱解氮的含量变化趋势：处理4>处理2>处理3>处理1，说明施用污泥有利于提高土壤的全磷和碱解氮含量;城市污泥堆肥配施化肥的处理提高土壤速效钾含量、全盐量，高于化肥处理;产量变化趋势为：污泥堆肥+化肥>污泥堆肥>化肥>空白，说明城市污泥堆肥农用可以提高大豆的产量。

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Study on the land application effect of activated sludge compost

YANG Yang1, LI Ming1, WANG Shuai1, SHAN De-Chen1,2,*

(1.EastUniversityofHeilongjiang,Harbin150066,China;2.StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourcesandEnvironment,SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology，Harbin150066,China)

Through a large number of field experiments, raw material (dewatered sludge) was obtained from Harbin Sewage Rreatment Plant to process aerobic fermentation with horizontal rotary type sludge aerobic fermentation device, after fermentation, the activated sludge was used as organic fertilizer in the field experiment. The results showed that: (1) the pH of soil with application of sludge fertilizer decreased; (2) available phosphorus content in the soil with sludge fertilizer was higher than that using fertilizer and blank control. (3) the group with chemical fertilizer treatment had slightly effects on total nitrogen content in the soil, total nitrogen content in sludge treatment group increased by only 0.07% compared to the control group, the difference of total nitrogen content among each group was not significant; (4) the content of nitrogen did not show obvious effect in each group treatment; (5) the change trend of total phosphorus content in each group: sludge + fertilizer > sludge > chemical fertilizer > blank, adding sludge could improve total phosphorus content in the soil; (6) available potassium content in the soil with applying sludge was higher than applying chemical fertilization, available potassium content in the soil with applying fertilizer was higher than that in the control group; (7) the high salinity in city sludge would significantly improve the soil conductivity; sewage sludge compost could be as a type of biomass source, is a good organic fertilizer, has promising land application prospects； (8)from this experiment, the usage of municipal sewage sludge could increase soybean production.As a kind of biomass resource,sludge is a good organic fertilizer and has a good prospect in agriculture.

activated sludge;aerobic fermentation sewage;sludge land application

10.13524/j.2095-008x.2016.02.027

2016-04-30

国家环保公益项目(201009024);黑龙江省普通高等学校青年学术骨干支持计划项目(1252G048)

杨阳(1986-)，女，黑龙江哈尔滨人，讲师，硕士，研究方向:环境生态学，E-mail：okyangyang@yeah.net；*通讯作者：单德臣(1979-)，男，黑龙江哈尔滨人，讲师，在读博士，研究方向：环境科学与工程，E-mail：shandechen7@163.com。

X171;S158.3

A

2095-008X(2016)02-0058-06