利用枯枝落叶对污水处理厂污泥进行堆肥处理的研究

官昭瑛+张安+陈晓蓉+迟国梁+徐国钢+朱兆华

摘 要：城市污水处理厂污泥的处置是一个日趋紧迫的问题。本研究利用枯枝落叶对污水处理厂污泥进行堆肥处理。结果表明，枯枝落叶和污泥混合物作为堆肥原料品质良好，能很好地腐熟，堆肥结束时有机质损失率约42%。堆肥产物的理化性质：pH值为7.5、电导率（EC，3.7 mS·cm-1）和重金属镉、砷、铅、铜的含量均符合农业土壤肥料的应用标准。堆肥后物料中交换态重金属含量降低了13%～70%，枯枝落叶对污泥中重金属起到良好的钝化作用。

关键词：污泥；堆肥；枯枝落叶；有机肥

中图分类号：S141.6 文献标识码：A 文章编号：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.09.004

Abstract： The disposal of sludge from wastewater treatment plants is an issue of growing importance. Here we tested the composting of sewage sludge with leaf-litter as bulking materials. Results shown good performance of both materials， and organic matter lost rate was estimated for about 42%. Physicochemical properties： pH （7.5）， electrical conductivity （EC， 3.7 ms·cm-1） and heavy metal contents （Cd， As， Pb and Cu） of the produced composts favored its utilization in agricultural soil as fertilizer. After composting， contents of exchangeable heavy metals decreased 13 to 70 percents， indicating that leaf-litter had a good passivation effect on the heavy metals from the sludge.

Key words： sewage sludge； composting； leaf-litter； fertilizer

在过去的20年中，城市人口的快速增长导致了有机废物，特别是城市污水处理厂污泥的急剧增加。据报道，我国年均干污泥产量约1 120万t，对居民健康和环境构成了严重的威胁[1-3]。污水处理厂污泥所造成的环境污染已成为制约城市发展的一个重要问题[2， 4]。因此，迫切需要找到回收和再利用这些废物的有利途径，以减少其对生态系统和环境的负面影响[5-6]。

堆肥是一种有效、经济、简单、环境友好的有机废物稳定化方法[7]。堆肥技术已被广泛采纳和应用，它把城市有机废弃物转变为农业可利用资源[7-10]。本研究利用枯枝落叶对污水处理厂污泥进行堆肥处理，通过堆肥过程，可使部分容易被植物吸收利用的交换态重金属转化为更稳定的形式。通过研究底泥—落叶堆肥过程中温度、含水率、pH值、电导率、有机质和C/N的动态变化，以及堆肥前后交换态重金属含量变化，为大规模无害化处理及资源化利用城市污水处理厂污泥和绿地废弃物（枯枝落叶）生产优质有机肥料提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

从深圳滨河污水处理厂收集的污泥，以及市区内绿地收集的枯枝落叶，晒干、粉碎为粒径0.2～0.5 cm，并按一定比例混合为试验材料，其基本理化性质见表1。

1.2 试验方法

堆肥试验在室内进行，采用自制的发酵装置进行，如图1所示，为半自动化控制（搅拌转速20 r·min-1），含曝气系统（曝气量在25 L·h-1·kg-1）。堆肥物料10 kg（污泥：枯枝落叶=1：3）添加3‰的发酵菌剂，试验设3 个重复，共发酵30 d，除了堆温每天测定外，各理化指标测定分别在第1，5，10，15，20，25，30 d。

1.3 分析方法

堆肥温度是通过距离发酵罐体底部中心20 cm处的温度传感器每天记录堆温。含水率在105 ℃下烘24 h 至恒质量测定。pH值和电导率采用肥水比1∶10（W/V），用YSI6600多参数分析仪测定[11]。有机质、全氮、灰分的测定采用国家标准方法[12]。总有机碳和C/N比分别根据公式：总有机碳 =有机质/1.8，C/N =有机质/全氮计算[13]。有机物损失率=（X2-X1）/X1×100%，其中X1、X2为堆肥开始和结束时灰分含量。堆肥前后交换态重金属（镉Cd、砷As、铅Pb和铜Cu）采用化学试剂分步提取分离法分离[14]，然后用ICP-MS测定含量[15]。

1.4 数据处理

图表制作用Sigmaplot 10.0软件，数据分析采用SPSS 16.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度和含水率变化

温度是监测堆肥过程的主要参数之一，亦是在堆肥过程中，影响氨释放的重要因子[16]。随着微生物的活跃，温度迅速升高[17-20]。本研究中堆肥温度变化在30～63.5 ℃，堆肥初期，原料中易分解有机质在微生物作用下迅速分解，产生大量热量，在发酵第3天达到50 ℃以上，第5天达60 ℃以上，进入堆肥的高温阶段，在第7天达到最大堆温63.5 ℃，高温阶段持续了8 d（图2）。高温持续时间长可能是受枯枝落叶中难分解的高纤维素的量所致[20-21]。迅速升温和较长的高温持续时间，有利于嗜热菌的繁殖，能促进生物降解，使堆肥更高效地腐熟[18-19]。含水率也是影响堆肥微生物活性的重要因子。堆肥过程中含水率变化如图2所示，初始含水率为55%，随着堆肥的进行，含水率很快下降，至试验结束时，堆肥的含水率下降至28%左右。

2.2 堆肥过程中pH值和电导率的变化

堆肥过程中适宜的pH值可使微生物有效发挥作用，保留堆肥中的有效N，减少NH4+的损失，而pH值太高或太低都会影响堆肥效率和质量[16， 22-23]。一般认为微生物（特别是细菌和放射菌）生长最合适的pH值为6.5～7.5，这也是发酵过程的适宜pH值[24-25]。本研究堆肥前5 d，pH值快速升高，稳定后在第15天 后开始下降并趋于稳定（图3）。前期pH值快速上升是有机氮在微生物作用下发生强烈的矿化分解，并产生大量的NH3所致；后期温度下降后NH3 挥发速率下降，受高温抑制的硝化菌活性增强，硝化作用产生大量的H+，使pH值回落[22， 26-28]。本试验pH值在6.6～7.8之间变化，至堆肥结束时呈弱碱性（pH值为7.5）。电导率是堆肥过程中衡量可溶性盐浓度变化和有机、无机氮的相互转化程度的关键因子[29-30]。高电导率表明堆肥中含有高浓度盐离子和较多的水溶性物质。研究中堆肥的电导率呈先升高后下降的趋势（图3），堆肥前20 d电导率从3.5升高至4.3，随后逐渐下降至堆肥结束为3.7 mS·cm-1。电导率升高是堆肥中复杂有机物转化为简单化合物如矿物离子（磷酸盐、铵、钾等）的直接结果，堆肥后期电导率下降，可能是一部分离子沉淀和污泥堆肥逐步稳定化的结果[30-31]。

2.3 堆肥过程中有机质和C/N的变化

堆肥有机质含量随时间逐渐降低，至发酵结束有机质损失率为42%（图4）。堆肥前期有机质变化迅速，20 d后有机质下降逐渐平缓。这与堆肥前期的升温和高温期嗜热菌的作用有关，有机质的高速生物降解速率一般始于40 ℃[32-33]。C/N 是常用于评价堆肥腐熟度的参数，一般认为腐熟的堆肥C/N<20[34]。从图4可以看出，C/N随堆肥时间逐步降低，堆肥结束时C/N为15.8，达到腐熟的要求。C/N下降是由于微生物大量消耗碳源，一方面微生物生长消耗并以CO2的形式释放，另一方面碳作为合成细胞的重要原料而减少；而氮虽然也是好氧堆肥微生物的主要营养元素，除却一部分随着氨气的挥发而损失，另一部分用于微生物细胞的合成而留在堆肥产品中；因此C/N总体呈逐渐减小的趋势[35]。堆肥中后期，微生物活动减弱，残留下难降解的有机质，降解减缓，堆肥C/N变化趋向缓和。

2.4 堆肥前后重金属含量的变化

堆肥原料中的重金属主要来源于污泥，堆肥前混合物料的交换态重金属含量较高（表1）。堆肥前后交换态重金属含量变化较大，堆肥30 d的产物各类交换态重金属含量降低了13%～70%。堆肥产物重金属Cd、As、Pb和Cu含量分别为：2.7，2.5，13.1，12.8 mg·kg-1。说明耗氧堆肥有利于重金属的稳定化，枯枝落叶也对污泥中可利用态重金属起到良好的钝化作用。

3 结 论

利用枯枝落叶对污水处理厂污泥进行堆肥效果理想。堆肥过程中有机质得到很好地降解，堆肥产物的理化性质稳定，其pH值和重金属含量均满足国家农用肥标准 [36]，C/N<20反映出较好的腐熟度，电导率符合土地利用的适宜范围（< 4 mS·cm-1 [29]）。各项理化指标均表明污泥和枯枝落叶混合堆肥产物在作为农业有机肥上的良好前景，还可作为土壤改良剂应用于园林绿化、矿山修复、道路边坡覆绿等。

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