不同调理剂协同市政污泥好氧堆肥试验研究

孟云姣， 唐锋兵， 张娟， 李思敏， 党娅倩

（河北工程大学a.河北省水污染控制与水生态修复技术创新中心； b.能源与环境工程学院， 河北 邯郸 056038）

城市污水处理厂剩余污泥富含N、 P、 K 等营养物质及大量有机质。 同时， 污泥中含有大量的致病菌、 重金属有毒有害物质［1］。 如果不经过妥善处理及处置， 会对土壤和环境造成严重污染。 有研究表明， 好氧堆肥是一种有效的污泥稳定化处理工艺， 其最终产物可作为土壤改良剂或土壤调节剂丰富土壤中的有机质和微生物， 从而提高土壤质量［2］。由于剩余污泥含水率较高， 透气性差， 单独堆肥难以满足高温条件（温度高于50 ℃）。 此外， 剩余污泥的碳氮比较低， 不利于好氧堆肥反应的进行， 会造成大量氨挥发。 一些研究人员将木屑、 树皮、 稻草、锯末、 秸秆或树叶等作为调理剂或膨胀剂与污泥混合， 以优化初始原料的碳氮比和含水率， 提高堆肥混合物料的孔隙率， 减少体积密度， 满足微生物的生长需求， 使堆肥反应顺利进行［3－5］。 Meng 等［6］研究发现添加适量的蘑菇渣可以提高堆肥的腐熟度，降低氨的排放。 薛红波等［7］采用菌菇渣、 秸秆作为调理剂按照不同的比例与污泥混合， 结果表明， 添加菌菇渣的堆体的处理效果要优于只添加秸秆的堆体。 因此， 筛选合适的调理剂有利于提高堆肥质量和堆肥效果。

本试验以小麦秸秆、 玉米秸秆、 蘑菇渣、 木屑作为调理剂， 分别与城市污水处理厂脱水污泥按一定比例混合堆肥并进行比较， 以期获得工程上适用的调理剂， 并确定相关工艺参数。 同时， 考察堆肥效果及堆肥质量， 为城市污泥与农业固体废弃物资源化利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究所用堆肥物料包括污泥、 小麦秸秆、 玉米秸秆、 蘑菇渣、 木屑等， 污泥取自邯郸某污水处理厂脱水污泥， 农作物秸秆和磨菇渣取自周边农村， 木屑取自邯郸市周边家具加工厂。 所用原料的理化性质见表1。

表1 堆体物料的基本性质Tab. 1 Basci characteristics of composting materials

1.2 试验设计

堆肥反应器为圆柱状， 直径为0.4 m， 高为0.65 m， 采用厚度为1.0 cm 的PVC 板粘接而成，反应器底部放入开孔率为20% 的PVC 筛板， 用高5 cm 的木块支撑， 其有效容积为75.4 L； 反应器外部采用3.0 cm 厚度的橡塑棉做保温层。 将污泥与各调理剂按一定比例混合均匀后放入堆肥反应器中， 采用间歇通风。 堆肥初期（15 ℃≤t ＜35 ℃）通风量为0.08 m3／h； 快速升温期（35 ℃≤t ＜60℃）通风量为0.20 m3／h； 降温期通风量为0.10 m3／h。 该试验按不同原料配比混合， 见表2。 每个堆体的初始质量约为25 kg， 并添加0.2% 的堆肥菌剂， 初始高度约为0.55 m， 堆肥周期为42 d。 在堆肥的第0、 2、 4、 7、 10、 14、 21、 28、 35、 42 d分别采集堆肥样品， 充分混合后进行分析， 每次采样约500 g， 一份鲜样品保存于4 ℃冰箱， 测含水率、 pH 值、 电导率、 铵态氮等指标， 另一份鲜样品风干研磨， 测定堆体的有机质等指标。

表2 堆肥原料配比及含水率Tab. 2 Ratios and moisture content of composting materials

1.3 分析方法

温度： 堆肥期间， 每天9:00、 15:00、 21:00测定堆体的上中下3 个部位的温度， 取平均值， 同时记录室温。

含水率： 取20 g 左右的新鲜样品在105 ℃下烘干4 h， 用重量法测定样品的含水率［8］。

pH 值和电导率： 新鲜样品质量与去离子水体积按1 ∶10 的比例混合， 振荡4 h， 混合液在4 000 r／min 下离心30 min 后， 取上清液测定pH 值和电导率［9］。

有机质： 堆体有机质通过马弗炉于（550±50）℃下灼烧1 h 测定［10］。

铵态氮： 采用KCl 浸提－靛酚蓝比色法测定样品中的铵态氮［10］。

硝态氮： 采用酚二黄酸比色法测定样品中的硝态氮［10］。

种子发芽指数（GI）： 称取新鲜堆肥样品5 g，加入50 mL 蒸馏水， 室温振荡1 h 后过滤， 吸取5 mL 滤液于铺有滤纸的培养皿内， 并于培养皿内均匀排布20 粒饱满的白菜种子， 于28 ℃下在恒温培养箱中培养48 h， 以蒸馏水作对照［11］。

式中： A1为污泥滤液培养种子的发芽率， %；A2为污泥滤液培养种子的根长， mm； B1为蒸馏水培养种子的发芽率， %； B2为蒸馏水培养种子的根长， mm。

2 结果与讨论

2.1 污泥堆肥过程中温度的变化

温度是反映污泥堆肥过程中微生物活性变化的重要指标， 堆肥过程中温度的变化对微生物群落及微生物多样性、 生物降解速率和堆肥卫生起着重要作用［12］。 堆肥过程中温度的变化如图1 所示。

图1 堆肥过程中温度的动态变化Fig. 1 Dynamic changes of temperature during composting

由图1 可以看出， 4 个堆体均经历了升温、 高温、 降温、 腐熟4 个典型的堆肥阶段。 由于所添加的调理剂不同， 4 个堆体的温度变化也有所不同。堆体C 升温最快， 其次是堆体B、 A、 D， 堆体A、B、 C、 D 的 升 温 速 率 分 别 为11.1、 16.5、 17.95、9.37 ℃／d。 堆体A、 B、 C、 D 分别在第3、 2、 2、3 d 达到最高温度62.7、 64.6、 68.9、 58.1 ℃， 高温阶段（≥50 ℃）持续时间分别为11、 13、 14、 9 d，均满足GB 7959—87《粪便无害化卫生标准》中要求的高温持续时间［13］。 堆体C 的升温速率高于其他堆体是因为蘑菇渣中的有机质更容易被微生物所降解。 在高温期， 微生物代谢旺盛， 消耗堆体中的有机质， 持续释放热量， 因而高温阶段会维持一段时间。 有研究表明， 草本基质的降解速度要快于木质基质［14］。 因此与其他堆体相比， 堆体D 的高温阶段相对较短。

2.2 污泥堆肥过程中含水率的变化

污泥堆肥过程中， 含水率的变化总体呈现出逐渐下降的趋势， 如图2 所示。 4 个堆体经过42 d 的发酵后含水率明显降低。 不同堆体含水率的下降速率为堆体C ＞堆体A ＞堆体D ＞堆体B。 这是由于添加蘑菇渣的堆体孔隙较大， 堆体与外界空气交换性能好， 使得堆体内的水分更容易挥发， 减量化效果比较好， 这与薛红波等［7］的研究一致。

图2 堆肥过程中含水率的动态变化Fig. 2 Dynamic changes of moisture content during composting

2.3 污泥堆肥过程中pH 值的变化

在污泥堆肥过程中， 堆体的pH 值随着时间和温度的变化而变化， pH 值太高或者太低都不利于微生物的繁殖和有机物的降解， 污泥堆肥适宜的pH 值范围一般在7.5 ～8.5 之间［12］。 污泥堆肥过程中pH 值的变化如图3 所示。

图3 堆肥过程中pH 值的动态变化Fig. 3 Dynamic changes of pH value during composting

堆体A、 B、 C、 D 的pH 值呈先升高后降低的趋势， 这是由于堆体在升温期间， 有机质在微生物作用下快速分解， 铵态氮含量增加导致pH 值上升； 在此过程中， 蛋白质、 氨基酸的矿化通常也会导致氨的释放， 使pH 值增加。 之后由于氨的挥发、 硝化作用以及有机物分解产生的低分子有机酸使pH 值下降［14］。 到第42 天堆肥结束时， 4 个堆体的pH 值分别下降到7.31、 7.25、 7.81、 7.24， 符合CJ／T 309—2009《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质》标准要求［15］。

2.4 污泥堆肥过程中电导率的变化

电导率与堆肥基质的矿化程度和矿物组分的浓度有关。 4 个堆体在堆肥过程中电导率的变化如图4 所示。

图4 堆肥过程中电导率的动态变化Fig. 4 Dynamic changes of electrical conductivity during composting

由图4 可以看出， 4 个堆体的电导率呈升高、降低再升高的波动变化趋势。 堆肥开始时， 4 个堆体的电导率分别为1.13、 1.02、 1.17、 0.74 mS／cm。随着反应的进行， 有机质被微生物分解， 矿物盐浓度增加， 电导率逐渐升高。 之后因为小分子有机酸和阳离子交换量的变化， 以及矿物盐的沉淀造成了电导率也随之波动变化［16］。 堆肥结束时， 堆体A、B、 C、 D 的电导率分别为1.85、 1.53、 1.37、 0.84 mS／cm。 在本次试验中， 整个堆肥过程中的电导率均小于4.3 mS／cm， 表明堆肥产品中的可溶性盐对植物没有毒害作用［1］。

2.5 污泥堆肥过程中有机质的变化

4 个堆体有机质含量的变化见图5。

图5 堆肥过程中有机质的动态变化Fig. 5 Dynamic changes of organic matters during composting

由图5 可知， 4 个堆体有机质含量逐渐下降并在堆肥后期趋于稳定。 有机质降解速率的排序为堆体C ＞堆体A ＞堆体B ＞堆体D。 随着温度的升高， 微生物代谢旺盛， 堆体中的有机质被大量分解， 因而有机质含量下降明显。 在降温及腐熟阶段， 堆体中易降解的有机质几乎被消耗完全， 残留的主要为难降解的有机质， 分解比较缓慢。 蘑菇渣增大了堆肥混合物的孔隙率， 有助于增加堆体的通气性， 加快了微生物的降解速率。 此外相比于木屑， 蘑菇渣中的纤维素和半纤维素更容易被微生物利用［14］。

2.6 污泥堆肥过程中铵态氮和硝态氮的变化

堆肥过程中可同时发生氨化、 硝化、 反硝化等多种氮素转化反应， 而堆肥过程中铵态氮含量主要取决于堆体温度、 pH 值和氨化微生物的活性［17］。 4个堆体的铵态氮的动态变化如图6 所示， 硝态氮的动态变化如图7 所示。

图6 堆肥过程中铵态氮的动态变化Fig. 6 Dynamic changes of ammonium nitrogen during composting

图7 堆肥过程中硝态氮的动态变化Fig. 7 Dynamic changes of nitrate nitrogen during composting

由图6 可知， 在堆肥初期， 由于温度和pH 值升高使有机含氮化合物矿化， 导致铵态氮的含量增加。 而后随着氨气的挥发和硝化反应等多种过程，其含量不断下降。 当堆体内ω（铵态氮） ≤0.43 g／kg 时， 被认为已经腐熟［18］。 反应结束时， 堆体A、B、 C、 D 的铵态氮含量分别为0.35、 0.42、 0.15、0.29 g／kg， 均小于0.43 g／kg， 可认为堆肥产品已经腐熟。

由图7 可知， 4 个堆体的硝态氮含量在0 ～21 d内变化缓慢， 等到21 d 后增幅较大。 这是因为在高温阶段氨化细菌为优势菌群， 当温度下降到40 ℃以下， 硝化细菌活性增强。 在硝化细菌作用下， 铵态氮转化为硝态氮， 所以在堆肥后期， 堆体的硝态氮含量迅速上升［1］。 试验结束时， 堆体A、 B、 C、 D的硝态氮含量分别为2 550、 2 740、 2 630、 2 300 mg／kg， 与堆肥前相比， 分别增加了65.5%、 68.6%、69.5%、 66.5%。 Zhang 等［19］研究发现， 蘑菇渣可以为硝化细菌提供更加适宜的生长环境， 有利于硝化细菌完成更多的硝化作用。 因此， 堆体C 中硝态氮增加的含量略高于其他堆体。

根据相关研究［20］， 通常用硝化系数（m（NH4+-N）／m（NO3--N））来评价堆肥的腐熟度。 硝化系数小于0.5 可认为堆肥产品完全腐熟； 硝化系数在0.5 ～3.0 之间可认为堆肥产品腐熟； 硝化系数大于或等于3.0 认为堆肥产品没有腐熟。 本试验堆肥结束时， 堆体A、 B、 C、 D 的硝化系数分别为1.25、1.56、 0.96、 1.32， 表明4 个堆体的最终堆肥产品已经腐熟。

2.7 污泥堆肥过程中种子发芽指数（GI）的变化

污泥堆肥过程中种子发芽指数（GI）的变化如图8 所示。 在堆肥第0 ～4 天时， GI 值呈现下降的趋势， 第4 天以后， 4 个堆体的GI 值呈现上升趋势；堆肥结束时， 4 个堆体的GI 值分别达到了108.0%、105.8%、 110.2%、 102.6%。 这是因为反应前期堆肥物料中会释放一些有害物质抑制种子的生长。 在降温期和腐熟期， 有害物质和低相对分子质量有机酸被分解或转化为腐殖质使种子发芽率升高。

图8 堆肥过程中GI 的动态变化Fig. 8 Dynamic changes of GI during composting

3 结论

（1） 采用小麦秸秆、 玉米秸秆、 蘑菇渣、 木屑作为调理剂与市政污泥进行好氧堆肥， 4 个堆体都经历了升温、 高温、 降温、 腐熟4 个阶段， 且高温阶段（≥50 ℃）持续时间分别为11、 13、 14、 9 d，满足堆肥卫生标准和腐熟度标准； 含水率由原来的62%～65%下降到40% ～45%； 4 个堆体的pH 值分别为7.31、 7.25、 7.81、 7.24， 介于5.5 ～9.0 之间， 符合CJ／T 309—2009 中的营养学标准； 4 个堆体的GI 值分别为108.0%、 105.8%、 110.2%、102.6%， 均达到CJ／T 309—2009 的要求。 堆肥结束时， 4 个堆体的理化性质指标和GI 值达到GB／T 23486—2009《城镇污水处理厂污泥处置 园林绿化用泥质》标准。 在后续研究中， 将对堆肥过程中其他毒性物质及重金属含量的变化进行分析研究， 为堆肥产品的进一步应用提供参考。

（2） 堆肥结束时， 4 个堆体的有机质质量分数分别为47.6%、 50.5%、 48.9%、 54.3%， 且添加蘑菇渣的C 堆体的有机质降解效果较好； 铵态氮呈先增加后降低的趋势， 而硝态氮呈逐渐增加的趋势。 4 个堆体的硝化指数均小于3， 表明4 个堆体经过高温好氧处理达到腐熟要求。

综上所述， 添加的4 种调理剂均能使堆肥反应顺利进行， 其中以蘑菇渣为调理剂的堆体C 的升温速度、 种子发芽指数（GI）、 有机质等指标都高于以小麦秸秆、 玉米秸秆、 木屑为调理剂的堆体。结合当地实际情况， 在市政污泥堆肥中， 选用蘑菇渣作为调理剂可以达到较好的堆肥效果。 若蘑菇渣供应不足， 可选用玉米秸秆替代， 可达到相似的效果。