城市林木枯落物与河道底泥不同配比的堆肥效果

朱兆华，官昭瑛，叶建军，徐国钢，陈晓蓉

(1.广东受损边坡生态景观重建工程中心，深圳市万信达生态环境股份有限公司，广东 深圳 518049；2.湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068)

城市林木枯落物与河道底泥均属城市主要有机废弃物，其处置问题是城市环境管理上的难题。城市林木枯落物主要指城市绿化植物凋落的树枝、茎、叶、芽、鳞片、花、果实、树皮等有机残体，产生量大，四季都有，秋冬时节尤其多，传统处理方式以填埋或焚烧为主[1-3]。填埋由于占用土地资源，产生臭气和渗滤液，污染空气和地下水；焚烧尽管能最大程度地实现废弃物减容减量化，但是存在粉尘和废弃排放的环境风险；两种方式均容易产生二次污染[4-5]。利用现代堆肥技术，能最大程度将经筛选的城市有机废弃物资源进行合理利用，实现变废为宝。堆肥处理相对成本低、不破坏原有环境，有利于推广，是城市有机废弃物实现稳定化、无害化、资源化、减量化的重要方法[6-8]。目前国内的有机肥生产技术已经成熟，然而主要集中在利用农、林业废弃物上[9-10]，要达到规模化利用城市林木枯落物与河道底泥这两种城市有机废物，提高堆肥效率和堆肥质量，探索其适宜的原料配比十分必要。

另一方面，河道底泥的处理和消纳亦是一个难题。河流生态系统是生物圈物质循环的重要通道，是联系陆地和海洋的纽带，具有调节气候、改善生态环境以及维护生物多样性等众多功能，从而深入到人类生活的各个方面[11]。城市河流是城市主要的生物廊道，在城市泄洪、灌溉及生态景观等社会服务中发挥了重要作用[12-13]。随着社会和经济的发展，大量生活污水和工业废水排入城市河道，使城市河道受到了极大的污染[14]。河道底泥中有机物在厌氧细菌作用下，产生甲烷、硫化氢等发臭物质，鱼虾不生，植物不长，已严重影响人们生活和经济发展[15]。城市河道底泥多是城市居民生活排泄的高养分、高有机质、厌气分解的恶臭物质。通过高温堆肥手段，它同城市绿化林木枯落物均可成为可循环利用的资源[16]，并为城市有机废物的科学处理，降低城市水体和陆地生态系统的环境压力，促进城市社会、经济可持续发展做出贡献。

长期以来，河道底泥堆肥化利用的一个障碍是所含Zn、Cu、Cd、Pb、Cr、Ni等重金属的处理问题，直接将这些重金属分离并去除难度大。目前，研究及应用较多的方式是先将这些重金属进行钝化处理，将离子态重金属转变成溶度积系数小，相对稳定的化合物(大多数可归到在岩石中存在的状态)，然后再进行堆肥处理。研究显示[16-17]，通过添加粉煤灰对底泥、污泥进行钝化处理后，堆肥过程及堆肥产品中水溶性及交换态重金属含量都可得到很好的控制。同时，利用河道底泥制作堆肥时，还需要加入相当的园林废物、作物秸秆、木糠等其它有机物料进行调配，也起到了很好的稀释作用，无害化程度及安全性亦进一步提高。

本研究以城市林木枯落物与经加粉煤灰钝化处理且达标的河道底泥的不同用量比例开展堆肥试验，调查堆肥过程中温度、有机质、pH值、C/N及种子发芽指数(germination index，GI)等动态变化，旨在为大规模无害化处理及资源化利用城市有机废弃物生产优质有机肥料提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究以深圳茅洲河流域沙井河中游段(E113°49′4″，N22°46′24″)河道底泥为堆肥原料，采用掘式采泥器采集，加粉煤灰钝化处理，其重金属含量如表1。该流域收集的城市林木枯落物，晒干、粉碎为粒径约0.5～1.0 cm。2种原料按5种不同比例(枯落物∶底泥=1∶1、1∶2、1∶3、2∶1和3∶1)混合为试验材料，加木糠、尿素调整堆肥物料的C/N，物料基本理化性质见表2。

表1 供试河道底泥经粉煤灰钝化处理前后的水溶性及交换态重金属含量 (mg·kg-1，干重)

注：(1)粉煤灰添加量为底泥的20%(干重计)；(2)采用MgCl2浸提及原子吸收法检测。

表2 堆肥试验材料基本理化性质

注：表中处理1～5的有机碳、总氮含量是通过添加木糠、尿素等调C/N后测定的数值。

1.2 试验方法

堆肥试验在室内进行，5组处理的堆体均为锥形体，规格为直径1.5 m、高1 m，每个处理间隔为3 m。各处理的初始含水率调节为55%～60%，并添加3‰的发酵菌剂，试验设3个重复。堆肥从2015年10月15日开始，堆肥过程中每5 d翻堆一次，共堆制30 d。每天取样一次，每次从堆肥外层、中层、里层各取约200 g样品、混匀，用于理化性质测定。

1.3 分析方法

堆肥温度测定：将水银温度计从堆体四周上(距离地面80 cm)、中(距离地面50 cm)、下层(距离地面20 cm)分别插入，深度为30 cm，记录堆温。pH值和电导率采用肥水比1∶5(W/W)，YSI6600多参数分析仪测定。有机质、全氮、总碳、总磷和含水率的测定采用国家标准方法。(GB 18877—2009)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。

种子发芽指数(GI，%)测定：分别称取每种处理不同发酵阶段的堆肥产物风干后样品20 g，放入广口具盖玻璃瓶中，按肥水比1∶5(W/W)加入100 mL 去离子水，震荡混匀后静置24 h，再用滤纸过滤浸提，在方型专用种子发芽试验培养皿PL18(19 cm×13 cm×9cm)中放入配套培养纸2 张，加入上述滤液10 mL，待培养纸全部湿润后在上面整齐摆放20 粒番茄种子，光照培养箱30℃条件下培养48 h，测定种子的发芽率和根长，每个处理组设3次重复，同时用去离子水做空白对照。其计算公式为：

GI(%)=(堆肥处理的种子发芽率×种子根长)×100/(对照的种子发芽率×种子根长)。通过GI值判断堆肥的腐熟程度和堆肥产品的质量。

1.4 数据处理

采用SPSS 16.0软件进行数据显著性分析，用Excel 2007软件制作图、表。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度和pH值的变化

堆肥过程中温度的变化反应了堆体内微生物活性的变化，是使堆肥无害化、稳定化的重要条件，因此是堆肥工艺过程中的关键因素[18]。堆肥过程的温度变化包括3个阶段：中温阶段(微生物增殖)，高温阶段(具有较高的生物降解率，嗜热菌生长和抑制非耐热生物发生)，最终阶段(包括冷却、稳定和成熟，嗜温菌生长和堆肥的腐熟)[19]。温度变化过程中，温度过低不足以杀死有害病原菌，同时嗜热菌无法大量繁殖，堆肥中有机质降解缓慢，进而延缓有机肥生产周期；堆温过高易杀死有益微生物，同样延缓堆肥进程，增加氮素损失，一般认为有机固体废弃物最佳堆肥温度是60℃[20-22]。本研究堆肥初期(图1a)，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，各处理在堆制2～3 d 达到50℃以上，5 d后达60℃以上，高温持续时间随城市林木枯落物比例的提高而延长，其中处理1～5保持60℃左右的高温时间分别为8、4、3、10 和12 d，其中处理5的高温持续时间长可能是受城市林木枯落物中难分解的高纤维素量所致[23]。

图1 堆肥过程中温度和pH值的变化

堆肥过程中温度和pH值的变化是堆体中微生物种群、数量变化及其生命活动综合作用的结果，在一定程度上，也体现了微生物总活性的变化。顾文杰等[29]研究了外源接种菌剂对好氧堆肥中微生物数量的影响，结果显示，在28 d的堆肥过程中，细菌数量初值、峰值、终值分别为1.7×109、1.3×1014和9.7×108cfu·g-1，放线菌数量初值、峰值、终值分别为4.3×106、3.1×109和8.2×107cfu·g-1，真菌数量初值、峰值、终值分别为4.7×105、2.8×108和4.3×103cfu·g-1，变化趋势都是升高—降低—持平(略微升高或降低),堆肥结束时，细菌和真菌数量均少于初值，而放线菌数量要高于初值。外源接种菌剂只影响微生物数量，并不影响微生物数量的变化趋势。这些微生物种群数量的变化趋势也与图1所示的温度(a)与pH值(b)的变化基本一致。

2.2 堆肥过程中有机质和C/N的变化

不同处理中，有机质降解幅度受原料成分影响，城市林木枯落物比例越高，堆体中难分解的木质素、纤维素等有机碳量越多，越到发酵腐熟的最后阶段，有机质损失量越小(图2a)。处理1～5在堆肥物料发酵腐熟完成时的有机质分别下降了36%、38%、42%、33%和29%。C/N 是常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[25,30-31]。从图2b可以看出，堆肥物料发酵腐熟过程中由于微生物的活动使有机质逐步降解，C/N随堆肥时间逐步降低，至堆肥中后期，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，堆肥完成时1～5处理C/N分别为15.7、15.3、12.3、17.0 及18.7，均低于20，达到堆肥物料腐熟的指标要求。

图2 堆肥过程中有机质和C/N的变化

2.3 堆肥过程中发芽指数的变化

研究显示[32-33]，可用生物学方法，比如用植物萌发、生长试验来测定堆肥产物的毒性，以此来检验堆肥物料是否完全腐熟。如植物萌发、生长受到抑制，说明堆肥产物毒性较高，尚未完全腐熟。这方面用得最多的指标是发芽指数(GI)。GI就是通过检验堆肥样品对植物发芽是否产生抑制作用来评价堆肥的无害化、稳定化程度。GI既能检测堆肥样品的植物毒性水平，还能预测堆肥产物植物毒性的变化[34-35]。通常以堆肥鲜样提取液进行种子发芽试验，GI≥50%时即可认为堆肥产物对种子基本无毒害，GI≥80%时可认为堆肥产物已没有植物毒性或者说已经腐熟[32,34-36]。本研究不同处理的堆肥产物对GI 值的影响存在差异，从堆肥过程来看，GI 值在堆肥前期较低，18～19 d后，处理4和5的堆肥产物的GI 值陆续达到>80%；处理1堆肥产物的GI值在26 d达到80%左右；而处理2和3堆肥产物的GI值在16 d达到50%以上，但直至堆肥结束GI值仍小于80%，说明该处理的堆肥产物已基本无毒性，但尚未腐熟，需要进行二次发酵，达到彻底腐熟后才能用作有机肥(图3)。另外，与处理4相比，含有较多城市林木枯落物的处理5可能由于C/N 较高，其有效氮源偏低，从而导致其GI 值较晚达到80%。

图3 堆肥过程中种子发芽指数的变化

堆肥试验结束后，对处理1～5的堆肥样品进行了后续重金属含量的跟踪检测，结果显示全部达到了农业行业标准《有机肥料》(NY525-2012)中对重金属的控制要求。

3 结论与讨论

城市黑臭水体是当今社会公众反映极为强烈的水环境问题，底泥处理则是黑臭水体治理攻坚克难的焦点和难点之一。无论是从大气沉降，还是直接排放的污水，以及水土流失过程中产生的污染物质，最终都汇聚到水体中进行积累与富集，并进一步沉积浓缩到底泥里。因此，底泥污染物成分复杂，浓度高，难以在原位进行修复或净化，只能通过疏浚、清淤方式暂时转移到底泥处理场(厂)，进行洗沙、压滤、脱水等。底泥经处理场(厂)中段处理后，还需要找终端处置出路。对其进行堆肥处理并应用于林地种植、市政绿化等是理想途径。

河道底泥富含有机物，氨氮、磷等营养元素含量高，经洗沙、脱水后，是理想的生物堆肥原材料。但以河道底泥为原料进行堆肥及资源化利用有一个技术障碍，就是所含Zn、Cu、Cd、Pb、Cr、Hg等重金属元素的处理问题。直接将这些重金属分离并去除难度非常大。目前，研究较多的是先将这些重金属进行钝化处理，再进行堆肥处理[16-17,37]。本研究采用粉煤灰对河道底泥进行钝化前处理,以降低底泥中水溶性及交换态重金属含量。粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物，成分主要为SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO等氧化物。这些氧化物与底泥混合后，先与水反应形成易溶或微溶的氢氧化物，再进一步与水溶性及交换态重金属离子形成溶度积系数极小、稳定性高的化合物(大多数可归到在岩石中存在的状态)[37]。从而降低底泥重金属离子的含量及危害。重金属易在酸性条件下活化及释放，在中性或碱性条件下钝化及固定。本研究显示，在堆肥过程中，pH值在7.47～8.87间变化，先是在高温阶段逐步升高，进入低温阶段后，又逐步降低，与温度的变化趋势一致。物料最终pH值比初始阶段还略高，呈现出弱碱性。物料的这种酸碱度变化，不但有利于微生物对有机物料的降解，也有利于底泥中重金属化合物活性的控制。同时，本研究利用城市林木枯落物与河道底泥为主要原料制作堆肥，城市林木枯落物也起到了很好的稀释作用，无害化程度及安全性亦进一步提高。

温度被认为是堆肥稳定度的指标，通常趋于室温即达到腐熟。本研究所用城市林木枯落物含量越高，堆温趋于稳定的时间越晚，但维持高温的时间也越长，有利于嗜热菌的繁殖和发挥作用。由于原料中城市林木枯落物pH值比底泥低，处理中城市林木枯落物比例高的堆肥产物pH 值也较低，但总的来说，混合物料的pH值差异不大，不影响微生物发挥作用。C/N的变化反映了堆肥过程中有机质的稳定化和腐熟化程度，各处理堆肥结束时C/N均低于20，符合腐熟的标准。种子发芽试验被认为是评价堆肥腐熟度最具说服力的方法，其与C/N的结果均表明城市林木枯落物和河道底泥作为原料按照适宜比例混合的堆肥，在借助添加外源微生物的基础上，能够快速达到腐熟(20 d内)。综上所述，为提高堆肥效率、确保产品质量，利用城市林木枯落物和经加粉煤灰钝化处理的河道底泥规模化生产有机肥适宜比例为1∶3左右。通过后续的规模化生产工艺参数的研究，城市林木枯落物和经加粉煤灰钝化处理的河道底泥可以实现高效地循环利用，变废为宝，从而为大规模消纳这两种有机废弃物找到科学合理的途径。

参考文献：

[1] 易龙生,康路良,王三海,等.市政污泥资源化利用的新进展及前景[J].环境工程,2014,(S1):992-997.

[2] 李滨丹.生活污水处理厂污泥处置技术研究[J].环境科学与管理,2014,39(5):92-94.

[4] 徐国钢,赖庆旺.中国工程边坡生态修复技术与实践[M].北京:中国农业科学技术出版社,2016.

[5] 张光明.城市污泥资源化技术进展[M].北京:化学工业出版社,2006.

[6] 官昭瑛,张安,陈晓蓉,等.利用枯枝落叶对污水处理厂污泥进行堆肥处理的研究[J].天津农业科学,2016,22(9):15-19.

[7] 许炼烽,邓绍龙,陈继鑫,等.河流底泥污染及其控制与修复[J].生态环境学报,2014,23(10):1708-1715.

[8] 林莉,李青云,吴敏.河湖疏浚底泥无害化处理和资源化利用研究进展[J].长江科学院院报,2014,31(10):80-88.

[9] 曹云,常志州,黄红英,等.畜禽粪便堆肥前期理化及微生物性状研究[J].农业环境科学学报,2015,34(11):2198-2207.

[10] 金香琴,段丽杰,马继力,等.不同微生物菌剂对畜禽粪便资源化堆肥效果的影响[J].科学技术与工程,2015,15(7):280-283.

村长从县城里来，路过地坪，看到一帮子陌生面孔出现在牛皮糖门前，不由放缓了步子，目光像扫帚似的挨个扫过那些面孔。走过人群后，他想想，重又返了回来，招手把牛皮糖叫到很远的田坎边上。牛爹你今天请客？

[11] Naiman R J,Bilby R E.River ecology and management:lessons from the Pacific coastal ecoregion [M].New York:Springer-Verlag New York Inc.,2001.169-199.

[12] Costanza R,d’Arge R,de Groot R,et al.The value of the world’s ecosystem services and natural capital [J].Nature,1997,387(6630):253-260.

[13] 董哲仁,孙东亚,赵进勇,等.河流生态系统结构功能整体性概念模型[J].水科学进展,2010,21(4):550-558.

[14] 蒋小欣,阮晓红,邢雅囡,等.城市重污染河道上覆水氮营养盐浓度及DO水平对底质氮释放的影响[J].环境科学,2007,28(1):87-91.

[15] 刘军,程晓宏,邹国明,等.城市河道底泥生物修复技术研究进展[M].//中国河道治理与生态修复技术专刊.北京:中国水利技术信息中心,2010.156-162.

[16] 官昭瑛,张安,朱兆华,等.复合微生物菌剂对河道底泥资源化堆肥效果的影响[J].广东农业科学,2016,43(12):41-49.

[17] 李国学,张福锁.固体废物堆肥化与有机复混肥生产[M].北京:化学工业出版社,2000.

[18] 柴晓利,张华,赵由才.固体废物堆肥原理与技术[M].北京:化学工业出版社,2005.83-84.

[19] Villar I,Alves D,Garrido J,et al.Evolution of microbial dynamics during the maturation phase of the composting of different types of waste [J].Waste Management，online:http://dx.doi.org/10.1016/j.wasman.2016.05.011.

[20] MacGregor S T,Miller F C,Psarianos K M,et al.Composting process control based on interaction between microbial heat output and temperature [J].Applied and Environmental Microbiology,1981,41(6):1321-1330.

[21] Wiley J S,Pierce G W.A preliminary study of high rate composting [J].Transactions of the American Society of Civil Engineers,1957,122(1):1009-1030.

[22] 潘攀,王晓昌,李倩,等.初始温度对人粪便好氧堆肥过程的影响[J].环境工程学报,2015,(2):939-945.

[23] 卫智涛,周国英,胡清秀.食用菌菌渣利用研究现状[J].中国食用菌,2010,29(5):3-6,11.

[24] Moore P A,Huff W E,Daniel T C,et al.Effect of aluminum sulfate on ammonia fluxes from poultry litter in commercial broiler houses [J].American Society of A cultural Engineering，1997(2)：883-891.

[25] Jiménez E I,Carcia V P.Composting of domestic refuse and sewage sludge:I.Evolution of temperature,pH,C/N ratio and cation exchange capacity [J].Resource,Conservation and Recycling,1991,6:45-46.

[26] Nakasaki K,Yaguchi H,Sanaki Y,et al.Effect of pH control on composting of garbage [J].Waste Management and Research,1993,11(2):117-125.

[27] 黄国锋,吴启堂,孟庆强,等.猪粪堆肥化处理的物质变化及腐熟度评价[J].华南农业大学学报(自然科学版),2002,23(3):1-4.

[28] Morel J-L,Guckert A,Nicolardot B,et al.Etude de l’évolution des caractéristiques physico-chimiques et de la stabilité biologique des ordures ménagères au cours du compostage [J].Agronomie,EDP Sciences,1986,6(8):693-701.

[29] 顾文杰,张发宝,徐培智,等.接种菌剂对堆肥微生物数量和酶活性的影响[J].农业环境科学学报,2009,28(8):1718-1722.

[30] 张聿柏,李勤奋.香蕉茎秆堆肥化处理腐熟度评价研究[J].中国农学通报,2009,25(9):268-272.

[31] Jiménez E I,Garcia V P.Evaluation of city refuse compost maturity:a review [J].Biological Wastes,1989,27(2):115-142.

[32] Zucconi F,Pera A,Forte M,et al.Evaluating toxicity of immature compost [J].Biocycle,1981,22(2):54-57.

[33] 黄国锋,钟流举,张振钿,等.有机固体废弃物堆肥的物质变化及腐熟度评价[J].应用生态学报,2003 ,14(5):813-818.

[34] Zucconi F,Forte M,Monaco A D E,et al.Biological evaluation of compost maturity [J].Biocycle,1981,22:27-29.

[35] Riffaldi R,Levi-Minzi R,Pera A,et al.Evaluation of compost maturity by means of chemical and microbial analyses [J].Waste Management and Research,1986,4(1):387-396.

[36] Mathur S P,Owen G,Dinel H,et al.Determination of compost biomaturity.I.Literature review [J].Biological Agriculture and Horticulture,1993,10(2):65-85.

[37] 郭继斌.粉煤灰钝化土壤重金属Cd、Pb效果及其机理研究[D].临汾:山西师范大学,2016.