添加不同量EM菌液对城市污水处理厂活性污泥好氧堆肥产品用于矿山修复的影响

刘 超

宿州市环境卫生管理处，宿州，234000



添加不同量EM菌液对城市污水处理厂活性污泥好氧堆肥产品用于矿山修复的影响

刘 超

宿州市环境卫生管理处，宿州，234000

将小麦秸秆和城市污泥按照比例1∶5进行好氧堆肥，提高堆肥的效率和质量，观察加入不同量EM菌液对堆肥产品质量的影响。本实验共设置4个堆体，EM菌液加入量分别为0 mL(1#)、15 mL(2#)、30 mL(3#)和45 mL(4#)。堆肥共进行40天，分别测定了4个堆体在不同阶段的温度、含水率、pH、营养元素、有机质、重金属含量和发芽率等指标，并分析它们的变化规律及相关性。结果表明：4个堆体均完全腐熟，其中4#的堆肥产品完全符合园林绿化用泥质标准(GB/T 23486-2009)，可以用于矿山废弃地修复。

污泥；堆肥；矿山修复

截至2014年3月，我国城镇污水处理厂有3 622座，污水日均处理能力达到2 758万m3，数量和规模仍在不断提升[1]。城市污水处理中，一般会产生占污水体积0.02%的污泥[2]。污泥除了含水率高、成分复杂，还含有大量的植物营养物质、病原微生物和重金属，若任意排放，不仅会对环境造成严重的二次污染，而且会造成资源的浪费[3]。因此，国家于2007年颁布了城镇污水处理厂污泥处置标准，对污泥的二次利用提出了标准。截至2016年，宿州市共有生活污水处理厂5座，生活污水处理站4座，日处理规模达到34.9万m3，汴北污水处理厂(一期工程)、宿州学院东区污水处理站、村镇污水处理站等正在加紧建设当中。因此，宿州市污水处理厂污泥处理处置已迫在眉睫。

矿业废弃地是指采矿活动所破坏和占用、非经治理而无法使用的土地，包括裸露的采矿岩口、废土(石、渣)堆、煤矸石堆、尾矿库、废弃厂房等建筑用地，地下采空塌陷地及圈定存在采空塌陷隐患的荒废地等[4-5]。宿州市矿产资源丰富，截至2007年末，全市发现矿种32种，开发利用的矿种14个，矿山506个，其中大型11个、中型11个、小型484个；矿山占用、破坏土地约8 027公顷，其中破坏土地约4 987公顷(煤矿3 738公顷、非金属露天矿山1 248公顷)，已恢复治理土地379公顷，土地复垦率为7.61%[6]。因此，宿州市矿山废弃地修复研究亦迫在眉睫。

本文针对宿州市城南污水处理厂脱水污泥与小麦秸秆经添加不同量EM菌液进行好氧堆肥，并分析堆肥产品的含水率、pH、重金属、有机质、氮磷钾含量等理化性质，结合国家建设部颁发的《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质标准(GB/T 23486-2009)》进行评价，探讨其在矿山废弃地修复中利用的可能性。

1 材料和方法

1.1 供试材料与处理

实验所用污泥由宿州市城南污水处理厂提供，小麦秸秆取自宿州市农田，EM菌液为河南农富康生物科技有限公司生产的“通用型EM菌液”。

表1为堆肥原料的基本理化性质，可见污泥和秸秆的TN、TP、TK分别为38.71、7.33、1.60 g/kg和11.30、2.28、6.88 g/kg。污泥和秸秆的有机质含

表1 堆肥原料基本理化性质

量均较高，分别为40.19%和78.16%。鲜污泥呈酸性，pH为6.33,含水率为84.29%，风干后的秸秆含水率为20.10%。

本试验设4个堆肥堆体，原料配比如下：

1#污泥与秸秆按照质量比为5∶1均匀混合，不添加EM菌液；

2#污泥与秸秆按照质量比为5∶1均匀混合，添加15 mL EM菌液；

3#污泥与秸秆按照质量比为5∶1均匀混合，添加30 mL EM菌液；

4#污泥与秸秆按照质量比为5∶1均匀混合，添加45 mL EM菌液。

堆肥共进行40天，每个堆体的长宽高为60、40、40 cm，堆体顶层用泡沫材料覆盖保温，通过分时段(每2 h通风一次，每次通风5 min)强制通风，前两周每两天进行一次人工翻堆，之后每周翻堆一次。

1.2 指标测定

1.2.1 堆肥产品氧浓度、温度和pH值测定

采用针筒抽气方法，在堆体中抽取气体50 mL直接快速注入测氧仪中读数，得堆肥产品的氧浓度参数；将埋入堆体中温度探头插入温度测定仪，读数得堆肥产品的温度参数。取已过筛的堆肥样品10 g，放入烧杯中，加入25 mL超纯水，快速搅拌1 min，静置30 min后，用pH仪测定上清液pH值并记录。

1.2.2 含水率的测定

活性污泥含水率的测定[7]，按照以下方法来进行：首先是滤纸准备，取定量滤纸移入烘箱中于103℃～105℃烘干半小时，取出置于干燥器内冷却至室温，称重。反复烘干、冷却、称量，直至两次称量的重量差≤0.2 mg，记录重量；然后将已经准备好的滤纸放在电子天平托盘内，取样称取约20 g左右污泥，达到恒重后记录重量；最后是烘干，在烘箱里105℃温度下烘2 h左右，放在干燥器内20 min冷却，至室温再次称量，记下数据，每烘1 h后再称量，直到称得的重量不变或者两次称量的重量差≤0.5 mg。

1.2.3 主要理化性质的测定

总氮用凯氏定氮法，总磷用钼锑抗比色法，总钾用火焰原子吸收分光光度法，DOC和有机质[8]用湿化学法氧化/非散红外检测(NDIR)测定。

固体样品总碳(totalcarbon，TC)与总氮(total nitrogen，TN)的质量比(mTC/mTN)是表征堆肥腐熟度。

1.2.4 重金属的测定

依照石墨炉消解法[9]，使用HCl-HNO4-HF-HClO4混合酸消解体系，将土壤中的晶格全部打开，进行全消解。因用酸量较少，只需准确称取0.250 0 g左右干燥土壤样品至消解管中，设定好石墨炉温度和保持时间，分别加入酸，最终定容至50 mL，转入离心管中，用ICP-AES测定Cr、Mn、Co、Ni、Cu、As、Cd、Pb、Fe浓度。每份样品设置三组空白。

1.2.5 污泥样品中粪大肠菌群测定

在一定量的污泥样品中取样10 g加入到装有9 mL无菌生理盐水和玻璃珠的三角瓶中，经充分振荡后，按10倍稀释法做梯度稀释，采用多管发酵法进行测定[10]。

1.2.6 发芽指数测定[11]

固液比1∶10(W/V)，振荡1 h之后，进行过滤，取上清液5 mL置于培养皿中的滤纸上，然后用10颗白三叶种子在25℃条件下培养48 h后，测定发芽率和根长，并计算出发芽指数(GI)，计算公式如下：

1.2.7 同步荧光光谱测定

采用F-7000荧光分光光度计测定。扫描方式为EX、EM同步扫描，测定时仪器的基本参数见表2，荧光光谱的扫描参数见表3。

表2 分析测定时仪器的基本参数质

表3 荧光光谱的扫描参数

2 结果与分析

2.1 堆体表观性状的变化

堆体表观性状变化是物料混合后内部微生物活动过程与状态的表征，微生物的作用将改变堆体的表观性状，所以堆体表观性状的变化是污泥是否稳定的直接反映。堆肥过程中,当堆体表观性状(颜色、气味和团粒结构)发生改变时，现场观察记录堆体表观性状的变化，结果显示4个堆体的性状差异并不大(图1)。表4记录了堆体在发酵过程中表观性状的变化。

表4 堆肥产品表观性状的变化

图1 不同堆肥时间堆肥产品表观性状

2.2 堆肥产品温度、氧浓度、含水率、pH值的变化

堆体的温度是反映发酵正常与否的最敏感、最直接的指标，也是堆肥中微生物活动状况的直接反映，堆肥温度的变化决定了堆肥是否顺利进行和堆肥的腐熟程度。

图2 堆体温度随时间的变化

本试验中堆体温度的变化(图2)在2014年10月9日-11月6日均经历了3个阶段：升温期、中温期和降温期，堆肥前期(5d)产品温度与环境温度变化趋势一致，与1#、2#、3#、4#堆肥温度差分别为3.3℃、1.7℃、4.7℃和2.5℃。在升温期(6～15d)，堆肥产品的温度均高于环境温度，与1#、2#、3#、4#肥堆温度差分别为6.9℃、9.2℃、9.8℃和9.0℃。10 d后，堆体温度均达到35℃以上，其中3#、4#堆体温度升高到36℃左右，比1#、2#堆体的平均升温速率提高了0.12℃/h，说明添加EM菌液能加速堆体温度的升高。中温期保持17 d后，随着环境温度的降低，从第18 d开始进入降温期，温度低于25℃，40 d左右，堆体温度均高于环境温度，说明添加EM菌液能促进堆体温度的升高。

由于该堆肥为好氧堆肥过程，氧浓度的监测对堆体的堆肥情况至关重要。由于采用了定时通风控制，有效地保证了堆肥过程中氧气的供给，维持了好氧微生物的生长。从监测结果可知，4个堆体中氧浓度在整个堆肥期间中一直保持在11.6%～25.5%之间，有效地保证了好氧堆肥的发酵。

图3 堆体中氧浓度随时间的变化

在堆肥过程中，有机物的分解以及微生物的生长繁殖都离不开水，因此水是不可或缺的条件。含水率在发酵过程中会因为有机物的氧化分解而升高，同时也会因为通风和温度升高而降低，因此，含水率变化是这二方面因素相迭加的结果，从实验结果可知，堆肥产品的含水率变化趋势如图4所示。

图4 污泥堆肥过程中含水率的变化

从图4中可看出，1#、2#、3#、4#肥堆的含水率在初期分别为71.16%、69.08%、70.22%、68.99%，堆肥40 d时下降为61.16%、57.25%、58.00%、60.39%。4个堆体含水率分别下降了14.05%、17.12%、17.40%和12.47%。

pH值是表征堆肥产品中微生物生长状态、评价堆肥产品质量的重要因子，表5中列出了不同堆肥时间下堆体pH值的变化。

从表5可以看出，堆肥结束和堆肥初期比较，1#、2#、3#和4#堆肥产品的pH值均在6.42～6.89之间，根据GB/T 23486-2009，酸性土壤pH值在6.5～8.5、碱性土壤pH值在5.5～7.8，均可满足堆肥产品要求。

表5 堆肥产品pH值变化

2.3 总氮(TN)、总磷(TP)、总钾(TK)含量的变化

从表6中可以看出，在堆肥过程中1#堆肥产品中N含量从2.592%到2.549%，2#堆肥产品从2.609%到2.253%，3#堆肥产品从2.648%到2.357%，4#堆肥产品从2.649%到2.650%，在堆肥中期N含量均出现下降。运用SPSS 21.0分析可知，添加45 mL EM菌液的4#堆肥产品在堆肥40 d后TN量与其他处理差异显著。氮素的下降可能是因为在发酵过程中微生物细胞内的储备物质在有机物减少时被分解利用，当储备物质消耗完后，细胞的构成物质被氧化产生气态NH3挥发掉，从而造成氮元素的流失。

表6 堆肥产品TN含量变化

注：*P=0.05置信度区间差异显著性分析。

从表7中可以看出，1#、2#、3#、4#的P含量均先下降后微弱上升，其中1#堆肥的磷含量由1.241%降到0.641%，2#堆肥由1.063%下降到0.897%，3#堆肥由1.067%下降到0.759%，4#堆肥由1.069%下降到0.841%。运用SPSS 21.0分析可知，添加45 mL EM菌液的4#堆肥产品在堆肥40 d后TP量与其他处理差异显著。

表7 堆肥产品TP含量变化

注：*P=0.05置信度区间差异显著性分析。

从表8可以看出，4个堆体的钾含量也是先降低后微弱上升，其中1#钾含量由1.599%下降到0.763%，2#由1.698%下降到0.971%，3#由1.578%下降到0.792%，4#由1.833%下降到1.069%。运用SPSS 21.0分析可知，添加45 mL EM菌液的4#堆肥产品在40 d后TK量与其他处理差异显著。

表8 堆肥产品TK含量变化

注：*P=0.05置信度区间差异显著性分析。

对氮、磷、钾的含量出现以上变化可能的原因是：(1)由于全氮等于凯氏氮加硝态氮，堆肥初期硝化反应较强，导致硝态氮含量较高，而且在接近7 d时，为调节含水率，又加入500 g秸秆，由于稀释作用导致凯氏氮的含量出现下降，之后由于堆体中微生物的作用，硝态氮减少，凯氏氮的相对含量增加。同时由表6可以看出加入15 mL EM菌液凯氏氮的含量最稳定，而加入45 mL EM菌液凯氏氮的含量升高最多。(2)由表5和表6均可以看出，4个堆体的磷和钾的含量在7 d左右出现下降之后趋于稳定，这是因为在接近7 d时，为调节含水率，又加入500 g秸秆，由于稀释作用导致磷和钾的含量下降，但之后没有大的变化，从而说明堆肥过程中磷和钾比较稳定，没有流失。运用SPSS 21.0分析可知，添加45 mL EM菌液的4#堆肥产品在堆肥40 d后TK量与其他处理差异显著。

2.4 有机质与DOC的变化及分析

堆肥过程中,微生物细胞的新陈代谢需要大量的营养元素和微量元素。碳素物质为微生物活动提供能源和碳源，但大部分在微生物新陈代谢过程中转化为CO2而被消耗掉,剩下的主要用于细胞质的合成。由此可见，随着堆肥时间的延长，有机碳不断减少。有机质与DOC的检测结果见表9。

由表9可发看出，1#堆肥产品中TOC的量由33.020 g/kg下降到24.415 g/kg，有机质含量由56.93%下降到42.09%；2#堆肥产品中TOC的量由30.25 g/kg下降到24.23 g/kg，有机质含量由52.14%下降到41.77%，3#堆肥产品中DOC的量由38.02 g/kg下降到24.47 g/kg，有机质含量由65.55%下降到42.19%。4#堆肥产品中TOC的量由35.20 g/kg下降到22.69 g/kg，有机质含量由60.68%下降到39.11%。

表9 堆肥产品有机质、DOC含量变化

由图5和图6可以看出，有机质和DOC含量的变化具有一致性，都在7 d左右出现上升，之后逐渐下降。在堆肥过程中,有机质含量会有减少，这是因为产甲烷的结果。DOC含量出现下降，也是因为产甲烷和微生物呼吸作用。由于在7 d左右加入了秸秆，导致有机质和DOC含量上升，表明随着堆肥的发酵，不同形态的有机质均发生了降解，DOC均呈下降趋势。堆肥初期，样品中有机质因为大部分为简单化合物，因此水溶性较好；随着堆肥的发酵，样品中有机质因为结构复杂以及水溶性较差的胡敏素和胡敏酸不断增多，从而导致水溶性有机物不断减少。

图5 有机质随时间变化 图6 DOC含量随时间的变化

时间/d加入EM菌液的量/mL0/1#15/2#30/3#45/4#025．5523．2528．7726．63734．1633．7137．8635．284019．2521．6020．8617．20

如果堆肥起始时mTC/mTN值在25～30之间，在其降到20或者以下时，则可以认为该堆肥达到腐熟。表10显示，当堆肥到第40 d时，1#堆肥产品mTC/mTN为19.25，2#堆肥产品mTC/mTN为21.60，3#堆肥产品mTC/mTN为20.86，4#堆肥产品mTC/mTN为17.20，表明1#和4#堆肥达到腐熟。

2.5 堆肥产品中重金属含量的变化

重金属的含量是制约活性污泥资源化利用的重要影响因子，对堆肥产品能否用于实际生产有重要意义。利用添加秸秆和EM菌液进行调节，检测并比较铜矿废弃地、堆肥原料、不同EM菌液添加处理40 d后堆肥产品中重金属含量，并GB/T 23486-2009标准进行对比，具体结果见表11。

表11 堆肥原料及产品中重金属含量分析 mg/kg

由表11可以看出，原料中秸秆的重金属含量均达到要求，而活性污泥中Cr含量为45 313.3 mg/kg，超过标准45.3～75.5倍；结合采样地土质状况，铜矿山废弃地乌木山中Cu含量为2 673.5 mg/kg超标3.3倍，原料中污泥需要注意重金属含量的问题。堆肥后的产品中重金属Pb含量为25.4～54.6 mg/kg，As含量为0.5～1.7 mg/kg，Cd含量为2.7～3.2 mg/kg，Cr含量为40.3～47.4 mg/kg，Cu含量为67.6～79.5 mg/kg，Ni含量为18.7～22.3 mg/kg，Zn含量为215.5～252.5 mg/kg，均达到了GB/T 23486-2009规定的要求，可以用于矿山废弃地的修复。

2.6 发芽指数和粪大肠杆菌的测定

图7 高羊茅种子发芽率

图8 白三叶种子发芽率

种子发芽指数(GI)是定性检测堆肥样品中残留的植物毒性的方法。由于未达到腐熟的发酵产品中含有植物毒性物质，抑制植物的生长，所以GI也是评价腐熟度的重要指标之一。堆肥初期，1#、2#、3#、4#号堆体的GI(%)分别为35.3、32.2、34.3和32.1；到40 d后堆肥发酵完成时，GI(%)分别增加至75.3、71.3、72.3、83.2，均大于50%，达到了GB/T 23486-2009规定的要求。根据GB7959-2012中堆肥产品中粪大肠菌群的测定方法，堆肥40 d的1#、2#、3#、4#堆肥中的粪大肠菌群值均为0.04。发芽率和粪大肠杆菌值符合标准，说明堆肥产品适合用于实际生产，从而为矿区土壤修复提供了可能。

2.7 同步荧光光谱分析

同步荧光光谱又被认为是化合物的指纹谱，可以用来区分不同来源的腐殖质[12]。研究表明，由于样品主要由较简单的分子结构和较低分子缩合度的有机物组成，所以在较短的波长范围内荧光峰具有较高的荧光强度[13-14]。

从图9和图10可以看出，堆肥样品的水溶性有机物在不同堆肥阶段的同步荧光光谱出现了3个荧光峰，分别位于400、470、520 nm附近。根据已有的报道[15-17]可知，400～500 nm附近荧光峰的出现预示着堆肥样品中含2或3个不饱和共轭键脂肪族化合物和含3或4个环的含苯环化合物的存在，可能存在类腐殖质物质[16]。400 nm附近的荧光峰强度随着堆肥的发酵呈上升趋势，表明腐殖质类物质在堆肥中不断被合成。与水溶性有机物体相似，添加不同量的EM菌液也出现类似结果，添加45 mL EM中堆肥40 d后腐殖质含量明显高于其他处理和对照处理。对比水溶性有机物体的荧光分析可以得出，前者为类蛋白物质峰，而后者为类腐殖质峰。堆肥样品水溶性有机物中类腐殖质峰随着堆肥的进行，荧光强度不断增强。

图9 添加不同量EM菌液堆肥40d同步荧光光谱变化

图10 添加45mLEM菌液堆肥过程同步荧光光谱

2.8 堆肥产品相关指标分析

综合差异显著性分析的结果，将4#堆肥40 d产品的检测值与GB/T 23486-2009标准进行详细对比，结果见表12(污染物指标中重金属含量见表11)。

将4#堆肥产品的外观与嗅觉、理化、养分、生物学指标和种子发芽率，以及重金属含量同标准对比可知，堆肥产品的表观现象完全符合标准，总养分为4.56%，大于标准值3%。此外，有机质含量为42.19%，大于标准值25%；粪大肠杆菌为0.04，大于标准值0.01；种子发芽率为83.2%，大于标准值70%；而且Pb、As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn等重金属含量远低于GB/T 23486-2009标准，分别为33.3、1.7、2.7、43.7、70.5、20.6、225.1 mg/kg。但同时也可以发现4#堆肥产品的pH值稍低于国家标准，含水率高于国家标准，有待于进一步优化。总之，4#堆肥产品已达到城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质的要求，可以进行矿山废弃地修复实验。

表12 堆肥产品指标检测及标准限值

3 结 论

根据以上分析，本文得出以下结论：将4#堆肥产品的外观与嗅觉、理化、养分、生物学指标和种子发芽率，以及重金属含量同标准对比可知，堆肥产品的表观现象完全符合标准，总养分为4.56%，大于标准值3%。此外，有机质含量为42.19%，大于标准值25%；粪大肠杆菌为0.04，大于标准值0.01；种子发芽率为83.2%，大于标准值70%；而且Pb、As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn等重金属含量远低于GB/T 23486-2009标准，分别为33.3、1.7、2.7、43.7、70.5、20.6、225.1 mg/kg。但4#堆肥产品的pH值稍低于国家标准，含水率也高于国家标准，有待于进一步优化。添加45 mL EM菌液堆肥40 d的4#堆肥产品已达到城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质的要求，可以进行矿山废弃地修复实验。

[1]买亚宗,肖婉婷,石磊,等.我国城镇污水处理厂运行效率评价[J].环境科学研究,2015,28(11):1789-1796

[2]Edward S Rubin,Cliff I Davidson.工程与环境引论[M].影印版.北京:清华大学出版社,2002:1-696

[3]Lister S K,Line M A.Potential utilisation of sewage sludge and paper mill waste for biosorption of metals from polluted waterways[J].Bioresource Technology,2001,79(1):35-39

[4]张倩.矿业废弃地的生态恢复概述[J].江苏环境科技,2008,21(S1):142-144

[5]黄铭洪.环境污染与生态恢复[M].北京:科学出版社,2004: 106-128

[6]宿州市国土资源局.宿州市社会经济与矿产资源形势[EB/OL].(2015-12-15)[2016-11-08].http://www.szgt.gov.cn/Item/383.aspx

[7]国家环保局编.水和废水检测分析方法[M].北京:中国环境科学出版社,1989:157-159

[8]鲍士旦.土壤农化分析[M]北京:中国农业出版社,2000:1-329

[9]耿勇超.智能石墨消解在土壤重金属测定前处理中的应用[J].环境科技,2013,26(3):57-59

[10]HJ/T347-2007.水质粪大肠菌群的测定多管发酵法和滤膜法(试行)[S].北京:国家环境保护总局,2007

[11]张峥嵘,黄少斌.污水污泥肥料化利用的分析与研究[J].化肥工业,2007,34(1):26-31

[12]Huang G F,Wu Q T,Wong W C,et al.Transformation of organic matter during co-composting of pig mature with sawdust[J].Bioresource Technology,2006,97(15):1834-1842

[13]Marla R P,Antonio A,Valeria D.Spectroscopic and therlam investigations on compost improved by iron salt addition[J].Journal of Agricultural Food Chemistry,2005,53(2):374-382

[14]Matthews B J H,Jones A C,Theodorou N K,et al.Excitation-emssion-matrix fluorescence spectroscopy applied to humic acid bands in coral reffs[J].Marine Chemistry,1996,55(3/4):317-322

[15]张雪英,黄焕忠.堆肥处理对污泥腐殖物质组成和光谱学特征的影响[J],环境化学,2004,23(1):96-101

[16]赵伟,席北斗.不同原料堆肥胡敏酸的荧光特性[J].环境科学研究,2011,24(9):1042-1046

[17]康军,张增强.污泥堆肥过程中胡敏酸光谱特征变化与腐熟度的关系[J].西北农业学报，2010,19(7):181-185

(责任编辑：汪材印)

2016-12-28

刘超(1986-)，安徽宿州人，助理工程师，研究方向：城市生活垃圾、污水处理。

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.03.029

X703

A

1673-2006(2017)03-0106-07