2种堆肥方式与稻壳炭结合对污泥的处理效果研究

方天龙 周鑫

摘 要：采用高温堆肥和蚯蚓堆肥工艺，研究城市污泥与不同的比例稻壳炭（2%、4%、8%）混合堆肥后污泥理化性质（pH值、电导率EC、温度、总有机碳TOC）、营养物质（氮TN、磷TP）和重金屬（Zn、Cu、Pd、Cd）的质量变化。结果表明，随着处理时间的增加，污泥的理化性质、营养物质和重金属均有显著的变化;添加4%稻壳炭对2种堆肥方式的效果最佳，高温堆肥pH上升至8.27，蚯蚓堆肥下降至7.3;高温堆肥和蚯蚓堆肥的电导率均增加，且蚯蚓堆肥的增加明显高于高温堆肥;高温堆肥温度先升高后下降，蚯蚓堆肥适宜的温度应控制在25℃;总有机碳分别下降20.77%、28.27%;高温堆肥TN下降了23.63%，TP上升了46.47%，蚯蚓堆肥TN、TP均显著上升35.61%、23.74%;蚯蚓堆肥显著降低了污泥中重金属的浓度，其降低的次序为Zn>Cu>Cd>Pb。2种堆肥方式结束后，均无明显臭味，污泥呈松散的颗粒状。

关键词：高温堆肥;蚯蚓堆肥;稻壳炭;污泥

中图分类号 X703文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）22-0160-05

Effect of Two Composting Methods Combined with Rice Husk Charcoal on Sludge Treatment

FANG Tianlong et al.

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China）

Abstrct： the quality changes of physical and chemical proper ties （pH value， electrical conductivity EC， temperature， total organic carbon TOC）， nutrients （nitrogen TN， phosphorus TP） and heavy metals （Zn， Cu， Pd， Cd） of municipal sludge mixed with rice husk carbon （2%， 4%， 8%） were studied by high temperature composting and earthworm composting.The results showed that with the increase of treatment time， the physicochemical properties， nutrients and heavy metals of the sludge had significant changes.After the experiment， the addition of 4% rice husk carbonhad the best effect on the two composting methods.The pH of high temperature composting increased to 8.27， and the pH of earthworm composting decreased to 7.3.The electr ical conductivity of high temperature composting and earthworm composting increased， and the increase of earhworm composting was significantly higher than thal of high temperature composting.The temperature of high temper ature composting increased first and then decreased， and the temperature of earthworm composting was contolled at 25 C considering the adaptation of earthworm.' Total organic carbon decreased by 20.77% and 28.27%， respectively.The TN and TP of high temper ature composting were decreased by 23.63% and increased by 46.47%.The TN and TP of earthworm composting were significantly increased by 35.61% and 23.74%6.At the same time， earthworm composting significantly reduced the concentration of heavy metals in.the sludge， and the decreasing order was Zn>Cu>Cd>Pb.Ater the two composting methods are finished， there is no obvious odor， showing loose granular shape.

Key words： High temperature compost; Earthworm compost; Rice husk char; Sludge

随着城市化进程的加快，我国城镇污水厂所需要处理的污水量也在不断增加，伴随产生的污泥也呈爆炸式增长，预计到2020年，污泥产量将突破6000万t/年[1]。污泥是在污水进行处理之后所产生的（半）固态的物质，其中除了含有水、氮、磷、钾等营养元素和植物生长所需的微量元素外，还含有大量有机物污染物、病原微生物、重金属等有害物质[2]，如果处理不当，将会对环境造成二次污染。我国的污泥产量正在不断地增加，然而目前我国的污泥处理方式仍较为落后，已成为一个急待解决的环境问题，需要提高和完善[3]。

城市污泥的蚯蚓分解技术是一种新兴的污泥处理技术，有研究表明蚯蚓对重金属由一定的富集作用[4]，但是蚯蚓对外界环境十分依赖，当重金属浓度过高时会导致蚯蚓死亡[5]，需要添加一定钝化剂结合堆肥提高堆肥效果[6]。为此，本研究以城市污泥为对象，在污泥加入稻壳作为调理剂，添加不同比例的稻壳炭（2%、4%、8%）后采用好氧堆肥和蚯蚓堆肥对污泥进行处理，测定堆肥后污泥的理化性质、营养元素、重金属浓度，探究在生物炭作用下2种堆肥方式的处理效果，以期为污泥堆肥的安全利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 堆肥材料 城市污泥取自马鞍山马钢六汾河水处理站脱水车间污泥;稻壳采自淮南市周边农田;稻壳炭实验室600℃热解30min制得;蚯蚓来源于江苏省句容市蚯蚓养殖基地太平二号蚯蚓。物料的基本性质如表1所示。

1.2 试验设计 脱水污泥在阴凉处风干，加入2%的稻壳作为调理剂。取200g混合污泥作为处理的对象，本试验设置7个处理组：CK：污泥+稻壳;T1：污泥+稻壳+2%稻壳炭;T2：污泥+稻壳+4%稻壳炭;T3：污泥+稻壳+8%稻壳炭;T4：污泥+稻壳+2%稻壳炭+蚯蚓;T5：污泥+稻壳+4%稻壳炭+蚯蚓;T6：污泥+稻壳+8%稻壳炭+蚯蚓。

1.3 试验方法 取长15cm高10cm的圆柱形盒子将CK、T1、T2、T3污泥与稻壳炭混合后加入盒子中，盒子面上覆盖1层纱网防止蝇蛆滋生，控制初始含水率为60%～70%，每个处理组设置3个平行样，将处理好的CK、T1、T2、T3放入带孔泡沫箱中防止堆体过小温度散失过快。将T4、T5、T6按照同样的方法处理，每个样品中接种15条蚯蚓，放入恒温培养箱，温度设置在25℃，整个堆肥持续30d，2d翻堆1次，每7d采样1次风干过筛待测。

1.4 分析方法 pH及电导率的测定：取5g样品以5倍的蒸馏水溶解，玻璃棒搅拌1～2min静置30min，过滤液直接测定pH和电导率。TOC的测定采用重铬酸钾容量法。全氮全测定磷采用过硫酸盐消化法[7]。重金属用酸消解后，采用原子吸收分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司TAS-986系列）测定重金属浓度。

1.5 数据分析 数据分析采用Excel软件进行数据描述性统计分析及图表制作。采用SPSS Statistica 24.0统计软件，对实验的数据进行单因素方差分析（ANOVA）和最小显著性差异（LSD）多重比较（P=0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同处理对污泥理化性质的影响

2.1.1 pH 如图1（a）所示，添加不同比例的生物炭T1、T2、T3和CK在堆肥周期pH变化一致，均先上升后下降，这可能是由于堆肥前期和高温期，污泥中的微生物将有机氮氨化生成了NH3，导致污泥pH上升呈现碱性，随后NH3挥发pH下降。T1、T2、T3在7～9d出現峰值，CK在第15天出现峰值可能是由于堆肥效果不好，周期长堆肥缓慢进行的原因。pH在峰值的大小T2>T1>T3;接种蚯蚓的污泥中T4、T5、T6的pH变化均呈现下降的趋势，最终接近中性。堆肥前期添加不同比例的生物炭导致污泥开始pH有所不同，在前15d生物炭和污泥不断混合使得蚯蚓的调节作用不是十分明显随后下降幅度变大。这可能是由于蚯蚓和微生物的活动中产生的C02和有机酸造成的[8]，国内学者研究在酸碱度不同的土壤中接种蚯蚓，测定蚯蚓活动土壤的pH值发现在北方碱性或者偏碱性的土壤pH值有所下降，而在偏酸性的土壤pH值略微上升，由此可见蚯蚓有调节pH的能力[9]。

2.1.2 电导率 电导率与污泥的矿化有关，是衡量堆肥过程中可溶性盐的指标，从图1（b）可以看出，2种堆肥方式的电导率随着处理时间的增加而明显增加，其中增加最多的T4由开始的0.48ms/cm到结束时的2.6ms/cm，蚯蚓堆肥的处理组电导率增加量明显高于高温堆肥T1、T2、T3、CK。

2.1.3 温度 比较2种堆肥方式的温度，对于蚯蚓堆肥T4、T5、T6，陈学民等研究发现，环境温度为25℃蚯蚓和微生物能发挥高效作用[10]，所以本次研究将温度恒定在25℃左右。对于高温堆肥其温度变化如图1（c）所示，T1、T2从第2天开始温度迅速上升，最高温度可以到53℃左右，整个40℃以上持续5d。T3、CK升温相对较缓慢第3天开始温度才迅速升高，最高温度47℃，40℃以上持续7d左右。综上所述，T1、T2的效果最好有利于提高堆体升温的速率和温度，可能是生物炭具有良好的理化性质，如孔隙率大、比表面积大、阳离子交换能力高，能与主要养分循环相互作用，有利于堆肥堆中微生物的生长，造成堆体温度上升[11]，T3与CK差别不大可能由于过量的生物炭导致pH上升等因素从而对微生物的生长促进作用不大。

2.1.4 总有机碳 从图1（d）可以看出，添加不同比例的稻壳炭后，污泥的TOC有所上升。高温堆肥T1、T2、T3的TOC开始时迅速下降一段时间后下降速度缓慢，这是由于堆肥前期和高温期，污泥中微生物活动强数量增多对有机质分解快。其中T2>T1>T3>CK。接种蚯蚓后，污泥中的TOC按照一定速率下降其中T4>T5>T6。

2.2 不同处理对污泥养分的影响 如表2所示，T1、T2、T3添加不同比例的稻壳炭后与原始污泥相比，TN的含量均有所下降，且表现出显著差异（P<0.05）;CK、T1、T2、T3中TN的总量分别下降6.25%、17.97%、23.63%、9.3%，添加稻壳炭的堆肥中，总氮的损失是由于有机氮的矿化，堆肥环境中生成NH3持续释放以及硝态氮的反硝化导致TN的下降[12]，有研究表明污泥堆肥过程中氮素的损失可以达到68%[13]。本研究中CK氮素下降最少，造成的原因是由于CK堆肥过程中高温期温度低，持续时间段，T2中氮素下降最多也证明了这点。TP的含量除了T2显著增加外（P<0.05），T1、T3没有显著的增加（P>0.05），总磷增加的原因可能是由于堆肥的浓缩效应造成的[14]，其中T2的总磷含量最高与其高温期温度高持续时间长有关。

表2中，T4、T5、T6中接种蚯蚓后，TN的含量显著增加，且表现出显著性差异（P<0.05），与原污泥相比分别增加25.2%、35.61%、8.77%，TN增加的原因可能是由蚯蚓的活动，微生物对氮的矿化作用得到了加强，使得有机氮转化为硝态氮保存在土壤基质中，其次蚯蚓分泌的粘液也可能引起总氮的增加[15]。T5中总氮增加的最多，可能是添加4%稻壳炭的污泥环境中蚯蚓活性最好导致的。TP的含量显著增加，且表现出显著性差异（P<0.05），与原污泥相比分别增加32.31%、23.74%、11.62%。其增加的原因，一方面是由与浓缩作用造成的;另一方面，蚯蚓处理后P的增加是由于有机质的矿化、细菌的转化和蚓粪中磷酸酶造成的[16]。

如图2所示，蚯蚓堆肥T4、T5、T6的C/N和C/P都显著下降（P<0.05），其中T4、T5无显著差异（P>0.05）。高温堆肥T1、T2、T3的C/N基本维持在一定范围内，除了T2外，C/P也基本维持在一定情况的范围。造成这一情况的原因，可能是由于原始污泥的TP含量过低引起的误差。有研究表明，土壤中的有机物质和氮的比值不管多少，在微生物的作用下最后都会维持在一定范围，并且生物炭具有巨大的比表面积和丰富的官能团，能使无机磷向有效磷转变。污泥如果不经过处理直接农用，会引起土壤和植物的毒性反应，比较2种方式看出，蚯蚓和生物炭联合作用下C/N和C/P下降的污泥更适合农用。

2.3 不同处理的污泥重金属的影响 如表3所示，高温堆肥T1、T2、T3中除了Zn的含量，Cu、Pb、Cd的含量均比原始污泥显著增加（P<0.05），相比而言，处理组T2重金属含量增加的最多依次增加16.67%、20.38%、19.06%、28.16%。与原始污泥比较，T4、T5、T6添加蚯蚓处理后，污泥中的Zn、Cu、Pb、Cd的含量均显著降低（P<0.05）。在污泥中添加2%和4%稻壳炭的处理组中，除了Cd的含量显著降低（P<0.05），两者之间Zn、Cu、Pb的含量未到达显著水平，无较大的差别。添加4%稻壳炭处理组中，Zn、Cu、Cd的含量都是降低最多的，重金属含量降低的次序为Zn>Cu>Cd>Pb。上述结果表明，2种堆肥方式在重金属总量方面存在显著差异，在污泥中添加不同比例的生物炭堆肥过后的重金属总量比原始污泥有所增加，这是由于堆肥过程水分、CO2以及其他挥发性物质的损失造成的浓缩效应[17]，T2中重金属含量最高，浓缩效应最高其堆肥效果最好，其次是T1和T3。T4、T5、T6中重金属含量降低是由于蚯蚓对重金属的富集作用，有研究表明，蚯蚓对Zn、Cu有较强的富集能力，并且发现蚯蚓对重金属的富集主要是通过皮肤和肠道吸收，由于Cu、Zn等元素能够对蚯蚓的生理进行调节，因此造成了蚯蚓对Zn、Cu有较大的富集[18]，这与本研究中Zn、Cu减少量最多一致。添加不同比例的稻壳炭之间大部分无显著性差异，相对的T5中添加4%的稻壳炭对重金属富集略多，这是由于在一定范围内添加高比例碳源辅料有利于蚯蚓对重金属的吸收[19].

3 结论

（1）高温堆肥pH变化略微增加，电导率上升，TOC减少;蚯蚓堆肥pH趋于中性，电导率上升的幅度高与高温堆肥，TOC的减少量也高于高温堆肥。

（2）对于营养元素，高温堆肥TN损失较多，TP有所增加;蚯蚓堆肥TN、TP均有增加。

（3）污泥添加不同比例的稻壳炭进行高温堆肥和蚯蚓堆肥，由于微生物的降解作用高温堆肥最终结果使得污泥中重金属含量浓缩，其中T2添加4%稻壳炭重金属含量最高，说明其高温堆肥效果明显微生物活性强有机质分解较多;而蚯蚓堆肥因为蚯蚓的活动污泥中重金属显著降低，说明蚯蚓对重金属由富集作用，同时发现不同重金属减少的量不同，其排序依次为Zn>Cu>Cd>Pb。不同比例的稻壳炭之間富集的差异性不太明显，T5中添加4%的稻壳炭对重金属富集略多一些。

（4）整个堆肥过程中，添加4%左右的稻壳炭对高温堆肥和蚯蚓堆肥的促进效果最为明显。

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（责编：张宏民）