不同环境温度条件对脱水污泥堆肥效果的影响研究

常会庆，郑彩杰，张建宇，邓琼

1. 河南科技大学资源环境科学系，河南 洛阳 471003；2. 山西师范大学，山西 临汾 041004

不同环境温度条件对脱水污泥堆肥效果的影响研究

常会庆1*，郑彩杰1，张建宇1，邓琼2

1. 河南科技大学资源环境科学系，河南 洛阳 471003；2. 山西师范大学，山西 临汾 041004

为明确不同环境温度对脱水污泥堆肥效果的影响，试验采用双层反应器进行水浴保温模拟不同环境温度，分别设置10 ℃（CT10）和25 ℃（CT25）两个处理并运行30 d，通过分析污泥堆肥过程中温度、pH、总氮、C/N比值、腐殖酸含量等指标变化特征，比较两个处理的污泥腐熟效果。结果表明：CT25堆肥处理进入55 ℃高温期并维持8 d，较CT10处理提前3 d达到高温期并多维持3 d；两个处理堆体的pH值变化范围为7.10～7.91，呈先升后降趋势，且CT25处理pH值的升高、降低幅度更大；两种堆肥处理有机质和总氮含量呈降低趋势，且同一时期CT25处理低于CT10，其中18 d取样时两处理有机质含量呈显著性差异（P＜0.05），两处理总氮在堆肥各时期没有呈现显著差异（P＜0.05）；整个运行期间，堆体腐殖酸含量呈增加趋势，堆肥结束时，CT25处理的腐殖质含量达24.18%，较CT10处理提高5.52%；通过T值（T=(C/N)终/(C/N)始＜0.6）判断两处理的污泥腐熟程度，结果显示，第18天时CT25处理的T值为0.59，堆体达到腐熟，CT10处理在第30天时才达到腐熟。上述结果表明，利用该反应器进行脱水污泥堆肥，较高温度启动可以实现污泥更快速、充分腐熟。通过对脱水污泥堆肥反应器启动温度的控制，可为低温条件下脱水污泥的快速腐熟控制提供参考。

环境温度；脱水污泥；堆肥；反应器

随着污水处理规模的不断扩大，污泥产量也随之逐年剧增。截至 2016年底，中国年产脱水污泥量高达4000多万吨，预计2020年污泥产量翻一番（余亚伟等，2017；韩鹏等，2017）。污泥被认为是一种生物资源，其含有的大量有机质和氮、磷、钾等元素可以作为农作物的养分资源。然而，不同国家污泥农用比例差别较大，例如美国污泥农用的比例超过40%，比利时、丹麦、西班牙、法国、爱尔兰和英国的农用比例也超过了 50%（Malgorzata et al.，2017；曹秀芹等，2013），中国目前污泥农用比例约为 20%～30%。污泥农用是一种消纳污泥的有效途径，随着中国污泥农用的规范和标准逐渐完善，污泥农用的比例可能会逐渐提高。

污泥堆肥是污泥农用的重要手段，通过好氧污泥发酵基本上可以杀死污泥中的有害细菌，增加和稳定其中的腐殖质，降低污泥中重金属和有机污染物的毒害等作用（Nogueira et al.，2017；张盛华等，2014；Sadef et al.，2104）。污泥腐熟的快慢受到污泥堆体特征、反应装置运行条件等的影响（先元华，2015），不同辅料及其配比对污泥堆肥效果也有明显的影响（Meng et al.，2017；陈镇新等，2017；Zhao et al.，2016），添加分离筛选的微生物发酵剂以提高污泥堆肥速率（万利利，2014），另外通过特殊的物理处理手段，如微波处理，也可以促使污泥快速腐熟（俞强，2010）。

已有研究表明，露天堆肥过程中的环境温度是影响污泥快速稳定化的主要影响因素之一（易建婷等，2016；Margesin et al.，2006），环境温度低，堆肥高温持续时间相对较短且温度低（杨朝晖等，2007），另外堆体温度较低时，堆体内外空气流动压差，不利于氧气扩散导致升温较慢（赵晨阳等，2014），在20～30 ℃下开展堆肥是较为合适的环境温度（Tiquia et al.，2002）。利用密闭反应器进行污泥堆肥的研究主要集中在填料配比对污泥腐熟效果的影响（袁京等，2016；居玉坤等，2014）。另外，在反应器中添加微生物制剂也可以起到快速腐熟作用（张晶等，2015）。能否通过控制环境温度影响污泥堆肥效果值得研究。因此，本研究在保持其他堆肥条件一致情况下，通过控制反应器的启动温度，比较不同启动温度反应器污泥堆肥效果，旨在为低温条件下污泥快速腐熟反应器控制提供参考方案。

1 材料与方法

1.1 供试污泥和秸秆

供试污泥取自洛阳市某县郊污水处理厂，该污水处理厂采用 A2/O处理工艺，污泥主要理化特征见表 1。秸秆为小麦秸秆，由于小麦秸秆的碳氮比较高，可以用于改善污泥的碳氮比和通气性，其中秸秆N含量为0.86%，C含量为44.15%。污泥和秸秆配比比例为1∶1（体积比）。

表1 污泥的主要理化特征Table 1 The main physical and chemical characteristics of sludge

1.2 试验设计

本试验在自制的污泥堆肥反应器中进行，该反应器分为内外两层，夹层通过水浴进行环境温度控制。装置底部设置有通风口和循环水进口，侧面设置3个取样口，所取样品作为3次重复。装置顶部为设置温度、水分和 pH传感器和气体溢流口，装置的有效直径为50 cm，高度为40 cm（图1）。

1.3 启动堆肥反应器

堆肥污泥混合基质水分调节至60%，然后将上述基质装入反应器，连接水浴锅、水泵、气体流量计、温度计和pH计等。采用间歇曝气方式，曝气量为60 mL∙min-1，曝气持续时间为1 h，前10 d间歇期为1 h，后20 d的间歇期为2 h。试验共设置10 ℃处理（CT10）和 25 ℃处理（CT25）两个控制温度，当堆体温度与环境温度相当时试验结束，周期为30 d，堆肥阶段每天9:00、16:00、22:00 3次记录反应室内的温度，取平均值作为其每日的堆体温度，采样时间为试验开始后第 1、5、8、18、30天，分别在堆体的上中下3个位置取样后自然风干，研磨过筛后进行样品测定。

1.4 取样测定

所取样品的有机质、腐殖质、总氮、pH值等指标测定方法参照鲍士旦《土壤农化分析》，运用SPSS 11.0进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 堆体温度变化

图1 试验装置示意图Fig. 1 Schematic diagram of experiment

一般认为，堆体温度在 55 ℃条件下保持 3 d以上（或50 ℃以上保持5～7 d），可以杀灭堆料中所含的病原菌，满足堆肥卫生学指标和堆肥腐熟的要求（吴珍珍等，2015）。当反应器在CT10条件下启动时，堆体的温度变化范围在 10.0～59.5 ℃之间（图 2），第 6～10天堆体温度超过 55 ℃，最高温度出现在前8天，此后温度开始降低。反应器在CT25条件下启动时，同期温度都高于CT10，堆体温度维持在25.0～65.7 ℃之间，并且第3～10天温度都超过55 ℃，在第5天其最高温度为65.9 ℃，此后温度开始降低，在降温阶段和腐熟阶段温度变化较小，而且接近环境温度（Fialho et al.，2018）。可见，通过反应器堆体启动温度控制，可以影响堆体温度的变化，而温度直接反映堆肥中微生物的运动状况（Wery et al.，2008），故本反应器在较高的温度条件下启动有利于微生物降解有机质，加快污泥腐熟进程。

图2 堆体温度变化Fig. 2 Temperature change of compost

2.2 堆体pH值变化

在整个堆肥过程中，pH值始终维持在7.0～8.0之间（图3），堆体CT25处理pH值变化幅度较CT10大，这与高温会加速微生物分解含氮化合物或氨化挥发有关。同一时期，两个处理pH差异没有达到显著水平（P＜0.05），且均以第8天的pH值为最高。堆肥过程中pH值的变化趋势与堆体温度的变化趋势较为相似（金芬等，2015）。堆肥初期CT10和CT25的pH值迅速增大，主要是由于微生物分解含氮化合物产生的大量氨气使得pH值升高，而在堆肥后期由于氮的氨化挥发作用减弱而硝化作用增强使得pH值下降，同时有机物在分解过程中产生的有机酸也是造成pH值下降的重要原因（蒋建国等，2010）。

图3 堆体pH变化Fig. 3 pH change of compost

2.3 堆体有机质变化

堆肥期间CT10和CT25处理有机质含量都呈下降趋势（图4）。在堆肥结束时CT10和CT25有机质的含量分别为(240.93±25.00) g∙kg-1，(212.34±7.11) g∙kg-1，降幅分别为57.51%和62.55%，主要由于微生物活性随着堆肥温度的增加而增加，高温加快了有机质的降解速度。除CT25最后两个时期有机质的含量差异不显著外，各处理有机质含量呈显著差异（P＜0.05），并且两个处理有机质含量在第8天和第18天呈现显著差异（P＜0.05）。在堆肥过程中，有机物的转变包括降解和腐殖化两个过程（Fornes et al.，2012），由于堆肥过程是放热好氧过程，有机物所含的碳被微生物降解或碳化成CO2。因此，有机物通常在堆肥过程中呈降低趋势（Fialho et al.，2010）。

图4 堆体有机质变化Fig. 4 Organic matter change of compost

2.4 堆体总氮变化

堆肥的 pH、温度、供氧水平、调理剂的吸附性能以及微生物种类等，都会影响堆肥过程中氮素的转化和迁移。CT10和CT25运行下总氮含量都呈现下降趋势，试验结束时两处理总氮含量分别为(12.21±2.00) g∙kg-1和(11.41±1.70) g∙kg-1。同一时期，两处理总氮含量变化差异不显著（P＜0.05）（图5），但CT10总氮降幅小于CT25，堆肥中N含量是确定其农用价值最重要的参数之一，然而，污泥堆肥化过程会造成氮素的损失（程绍明等，2009）。堆肥的氮素主要由于pH值升高和堆体温度较高造成NH3挥发；另外在缺氧条件下，硝态氮反硝化会出现NOx挥发。有研究表明，污泥堆肥过程中氨态氮的挥发和硝态氮的反硝化造成的氮素损失达43%～70%（李云蓓等，2014）。

图5 堆体总氮变化Fig. 5 TN change of compost

2.5 堆体C/N比变化

堆体 C/N比的变化可以直接反映堆体腐熟程度，随着堆肥的进行，两处理堆体的C/N比都有所降低，并且CT25处理有利于提高矿化效率并导致C/N比的快速降低。(C/N)终/(C/N)始比值可用来表示堆体的腐熟程度，用 T表示（赵建荣等，2011）。如图6所示，除第5天外，其他时期CT25的T值均低于CT10，但两个处理T值在相同时期没有显著差异（P＜0.05）。CT10和CT25的T值在第18天和第30天时分别为0.67和0.60，0.59和0.55，可见CT25条件下运行堆肥反应器更有利于堆体的腐熟，在第18天时达到腐熟的程度，而CT10处理第30天时才能达到腐熟。

图6 反应器堆体C/N变化Fig. 6 C/N change of compost

2.6 堆体腐殖质变化

本研究CT25条件下腐殖质的含量较CT10增加得快，说明高温期有利于腐殖质的形成，后期堆体中腐殖质含量增幅降低，新形成的腐殖质的量较小，堆体基本处于稳定状态（图7）。运行30 d时，两处理腐殖质由堆肥开始时的 15.67%±0.58%分别上升到22.91%±1.15%和24.18%±0.57%，但两个处理同一时期腐殖质含量没有达到显著差异（P＜0.05）。堆肥过程使腐殖质分子量增大，并在腐熟过程中形成稳定的腐殖质物质，其中一部分腐殖质是由堆肥原料中原有的腐殖质逐渐演化形成的（Bernal et al.，2009）。关于堆肥过程中腐殖质含量的变化存在不同的结论：研究发现，经过堆肥后的污泥，腐殖质含量较原料增加了2倍多（张雪英等，2004），而将鸡粪和牛粪混合堆腐后发现，腐殖质总量呈下降趋势（李吉进等，2004）。

图7 堆体腐殖酸变化Fig. 7 Humus change of compost

3 讨论

本研究着重分析了不同启动温度对脱水污泥堆肥过程中温度、pH、总氮、有机质，腐殖质、T值等指标变化的影响，上述指标是判断污泥堆肥效果和堆肥状态的重要参考（Krystyna et al.，2014；孙先锋等，2015）。其中，堆体的温度变化决定污泥腐熟各阶段的进程，也是判断堆肥是否达到无害化要求的重要指标（Bustamante et al.，2008）。由于各研究条件不同，堆体达到高温期的时间和持续时间并不相同。本研究中，CT25条件下堆体达到55 ℃高温期的持续时间为8 d，张蔓等（2014）利用反应器进行污污泥堆肥的高温持续时间为 7 d。利用反应器堆肥与露天堆肥相比，露天堆肥由于堆体体积较大故高温持续时间段可能更长（岳波等，2005）。

采用密闭反应器进行污泥堆肥虽然可以起到快速腐熟的作用，但同露天堆肥相比，启动温度同样会成为影响污泥快速稳定化的主要因素（易建婷等，2016；Margesin et al.，2006；杨朝晖等，2007赵晨阳等，2014）。由于该试验反应器的容积相对较小，堆体表面积较大，散热作用明显。因此，通过温度的控制启动会对污泥的腐熟产生相对较大的影响，较高的温度可快速提高堆体的矿化效率，对较大反应器开展上述研究能否得到类似的结论同样值得验证。此外，污泥堆肥化过程中，堆体温度受诸多因素的影响，如原料种类、水分和有机质含量、pH值、C/N比、通气量、容重、孔隙率、环境温度、通（鼓）风方式及时间、翻堆次数等（Rodríguez-Rodríguez et al.，2012；Wang et al.，2013；李承强等，2001）。本研究只设置了单一C/N比等堆肥条件，因此，环境温度与其他堆肥条件的耦合效果仍需进一步研究。

4 结论

（1）利用反应器对脱水污泥进行堆肥时，不同环境温度启动对脱水污泥堆肥过程中各参数的影响不同，高温环境启动可以使堆体快速进入高温期并维持较长时间，同时在堆肥结束时可增加腐殖质含量；低温环境下启动堆肥反应器，污泥腐熟时间较长，但有利于脱水污泥有机质和总氮等养分指标的保持。

（2）本研究通过对脱水污泥堆肥反应器启动温度的控制，得出较高的启动温度有利于实现污泥快速腐熟的结论。由于使用密闭反应器可以更加容易地实现环境温度控制，因此当外界气温较低时可以通过反应器温度的控制实现污泥快速腐熟的目的。

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Effects of Different Environmental Temperature on Dewatered Sludge Composting

CHANG Huiqing1, ZHENG Caijie1, ZHANG Jianyu1, DENG Qiong2
1. Department of Environment and Resource Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China;
2. Shanxi Normal University, Linfen 041004, China

In order to clarify the effects of different ambient temperature conditions on dewatered sludge composting. Temperature of bioreactor was controlled by water bath, and experiment operated at 10 ℃ (CT10) and 25 ℃ (CT25) respectively for 30 days.Temperature, pH, TN, C/N and humic acid were analyzed during composting process. The results showed that temperature of compost achieved above 55 ℃ and maintained for 8 days at condition CT25, and temperature achieved to 55 ℃ for 3 days in advance and maintained more than 3 days compared with CT10; the range of variation of pH value between 7.10 to 7.91, and rised first and falled later, and the pH change of CT25 was faster than CT10 during the composting; organic matter and total nitrogen content was reduced during composting process, compared with CT10, the contents of above two indexs of CT25 were lower at the same sampling time, organic matter content showed a significant difference between the two treatments on 18th day sampling time(P＜0.05), but the total nitrogen content of different treatments showed no significant difference (P＜0.05). Humic acid content showed an increasing trend during composting process, although there was no significant difference between the two treatments at the same sampling time (P＜0.05), but by the end of operation, humic acid content of CT25 was 24.8%, and 5.52% more than CT10,Through the T value (T=[(C/N)end/(C/N)start＜0.6)] to determine the sludge maturity degree of two treatments showed that eighteenth days CT25 treatment T value was 0.59, the compost reached maturity, CT10 treatment in thirtieth day until maturity. These above results showed that the higher start-up temperature was in favour of sludge composting. Therefore, the control of start-up temperature can be used to speed the sludge composting, especially at low temperature.

environmental temperature; dehydrated sludge; compost; reactor

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.10.015

X52

A

1674-5906（2017）10-1755-06

常会庆, 郑彩杰, 张建宇, 邓琼. 2017. 不同环境温度条件对脱水污泥堆肥效果的影响研究[J]. 生态环境学报,26(10): 1755-1760.

CHANG Huiqing, ZHENG Caijie, ZHANG Jianyu, DENG Qiong. 2017. Effects of different environmental temperature on dewatered sludge composting [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(10): 1755-1760.

国家自然科学基金面上项目（41571319）；国家重点研发计划（2017YFD0801300）；河南省科技公关项目（172102310181）

常会庆（1974年生），男，副教授，博士。E-mail: hqchang@126.com

*通信作者

2017-07-06