辅料配比及通风速率对污泥气流膜堆肥过程氮素迁移的影响

秦维，蒋心茹，刘明刚，刘杨，王茄灵，姬高升，许力山，闫志英*

（1.中国科学院成都生物研究所，成都 610041；2.中国科学院大学，北京 100049；3.四川省环保产业集团有限公司，成都 610041）

污泥是污水处理厂产生的固体有机废弃物，其含有丰富的有机物，但同时也含有病原体、杂草种子和重金属等污染物，因此需通过合理处置来实现污泥的资源化利用。据《城乡建设统计年鉴》可知，我国污泥的年产量已超过6 000万t，污泥处置的需求将越来越大。目前，污泥处置方式主要有堆肥、土地填埋、焚烧以及建材利用等。其中，好氧堆肥具有降低污泥恶臭释放、有效杀死病原体、降解污泥中多种有毒有害物质和产生有机肥等优势，且投入成本低、操作简便，在污泥处置方面具有较好的应用前景。

中国作为农业大国，每年产生大量玉米秸秆、小麦秸秆等农业废弃物，这些废弃物具有含水率低、含碳量高的特点，将其作为辅料添加到污泥中进行混合堆肥，不仅能改善发酵产物品质，而且还能对农业废弃物进行资源化利用。另外，随着我国城市化进程的深入，城市绿化产生的大量园林垃圾也可作为污泥堆肥的辅料，LI等和ZHANG等的研究也表明园林垃圾作为污泥堆肥辅料可促进发酵过程、改善堆肥产物品质。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验污泥为成都市双流区某城市污水处理厂的脱水污泥；园林垃圾购于成都市郫都区金泥科技有限公司，玉米秸秆取自成都市郊区农田，两者均粉碎至1~3 cm备用。各物料的基本理化性质见表1。

表1 原料基本理化性质Table 1 Physicochemical properties of raw materials

1.2 试验装置

堆肥箱体积为150 L，堆体有效体积约为120 L，堆肥箱外部贴有厚度为3 cm的橡塑保温层，箱体底部铺设通气管道，为防止物料堵塞通气孔，通气管道上铺垫一层厚度为5 cm的多孔火山岩。堆体顶部覆盖的气流膜是由聚四氟乙烯微孔膜和其他纺织材料制作而成的复合半透膜，其购买于宁波登越新材料科技有限公司。堆肥过程中所用曝气装置为电磁式空气泵（额定排气量为50 L·min），通风速率采用玻璃转子流量计（LZB-6，南京顺来达测控设备有限公司）计量并控制。

1.3 试验设计

试验于2021年4月17日至5月18日进行，设置3种不同辅料配比及3档通风速率，共9组试验，相同辅料配比的3组堆体分别设计不同的通风速率，其他参数保持一致，具体参数见表2。将污泥与园林垃圾、玉米秸秆按一定比例充分混匀后，装入自制堆肥箱中，使用气流膜覆盖箱体后进行静置堆肥。整个试验过程利用定时器控制进行间歇性通风，利用玻璃转子流量计控制各个堆体的通风速率，频率为每天10次，每次运行20 min。

表2 试验设计及混合物料理化性质Table 2 Experimental design and physicochemical properties of the mixture

1.4 样品采集及测定方法

2 结果与讨论

2.1 堆体配比为5∶3∶1时不同通风速率对堆肥过程的影响

2.1.1 对堆体温度的影响

温度是评价堆肥进程最重要的指标之一，温度变化可反映出微生物生长代谢活性的变化。《城镇污水处理厂污泥处理稳定标准》（CJ/T 510—2017）规定：市政污泥好氧发酵温度需达到55~65℃并持续3 d以上才满足无害化要求。由图1可以看出，3种不同通风速率的堆体升温速度均较快，堆肥第2天温度上升至55 ℃以上，A、A、A处理均在第3天达到最高温度，分别为68.9、68.4、67.8℃，随后通风速率较大的A处理的温度快速下降，且明显低于较小和中等通风速率的A、A处理的温度，这可能是因为A处理通风速率过大导致易降解物质迅速降解且热量较快散失。A、A处理在55 ℃以上维持了7 d，A处理在55 ℃以上维持了5 d，3个处理均达到了无害化处理的要求。堆肥第22天各处理温度下降至25℃左右并保持稳定，表明堆肥的发酵过程基本结束。结果表明，堆体配比为5∶3∶1时，通风速率0.9 m·h偏大，不利于堆肥过程的稳定，且堆体高温维持时间较短，所以合理地控制通风速率不仅可以节约能源，还能促进物料的腐熟。

图1 A组堆体温度的变化Figure 1 The temperature change of group A

2.1.2 对堆体氮素变化的影响

图2 A组堆体中NH3浓度及铵态氮、硝态氮、总氮含量的变化Figure 2 Changes of ammonia，ammonium nitrogen，nitrate nitrogen，and total nitrogen in the group A

综上所述，虽然气流膜覆盖可以减少部分氮素的挥发，但通气速率对气流膜堆肥仍然具有较大的影响，越高的通气速率会引起越多的臭气外逸和更多的氮素损失，且不利于堆体保温，这与DOUBLET等的研究结果一致。本研究不仅通过调节通风速率的方式来减少氮素损失，还通过调节辅料添加量使堆体内的氮素向有利的方向转移。

2.2 堆体配比为7∶3∶1时不同通风速率对堆肥过程的影响

2.2.1 对堆体温度的影响

如图3所示，堆肥初期不同处理的堆体均快速升温，第2天温度上升至60 ℃左右，B、B、B处理的最高温分别为67.9、63.9、65.1℃，分别在55℃以上维持了6、5、5 d，3个堆体在8~13 d的温度均维持在50℃左右，之后持续下降，第21天后无明显变化且接近环境温度，发酵过程基本结束。从图3可以看出，在堆肥的降温阶段，堆体温度受通风速率的影响比前期更大，通风速率越大，堆体温度越低。因此在堆肥的降温阶段可适当减小通气速率，这样在满足好氧发酵的基础上，能够使物料更好地腐熟，从而提高发酵效率。

图3 B组堆体温度的变化Figure 3 The temperature change of group B

2.2.2 对堆体氮素变化的影响

由图4a可知，在整个堆肥过程中，3种不同通风速率处理的堆体膜内NH浓度没有明显差异，高温阶段NH浓度为B

图4 B组堆体中NH3浓度及铵态氮、硝态氮、总氮含量的变化Figure 4 Changes of ammonia，ammonium nitrogen，nitrate nitrogen，and total nitrogen in the group B

B组各堆体的TN含量变化如图4d所示，整体呈堆肥初期略有下降、后期上升的趋势，这与GUO等和HAN等的研究结果一致。堆肥结束时，3种不同通风速率处理的TN含量为B>B>B，其中B处理的TN含量相对下降1.00%，而B、B处理堆体相对上升5.16%、9.65%。合适的通风速率能够为堆体内微生物活动提供充足的氧气，不会引起过多的氮素损失且有利于氮素的转化及固定；若通风速率太小，则会导致物料中的含氮有机物降解不完全，有机氮的固定及无机氮的转化也会减弱，最终的堆肥产品中有效态氮含量也会减少。综合上述指标，通风速率为0.9 m·h时更适合配比为7∶3∶1的堆体，该条件有利于氮素的积累且没有引起更多的氮素损失。

2.3 堆体配比为10∶3∶1时不同通风速率对堆肥过程的影响

2.3.1 对堆体温度变化的影响

C、C、C的温度变化如图 5 所 示，C、C、C处理之间的温度在升温及降温阶段均无明显差异，且在第3天达到最高温，分别为63.0、64.6、62.4 ℃，其中C处理的温度在堆肥第2天上升到55℃以上，C、C处理的堆体温度在55℃以上仅维持了3 d，C处理在55℃以上维持了4 d，达到最高温后各堆体温度开始下降，第9天各堆体的温度下降至40℃左右。堆肥后期各堆体均有明显的二次升温现象，这说明堆体内不易降解的有机质较多，高温期未能降解完全，二次升温可延长中温阶段时长，这有利于物料彻底腐熟，但3种处理的高温维持时间均较短，可能是因为辅料添加量较少，堆体孔隙度低，较低的通风速率不能为堆体内微生物活动提供足够的氧气，微生物代谢活动减弱导致高温维持时间短。

图5 C组堆体温度的变化Figure 5 The temperature change of group C

2.3.2 对堆体氮素变化的影响

如图6a所示，C组各堆体膜内NH浓度的变化与A组及B组相似，NH排放的峰值出现在高温阶段，且高温阶段的NH浓度有明显差异（C

如图6d所示，C组各堆体的TN含量呈前期下降后期上升的变化趋势，堆肥结束时，各堆体TN含量分别上升7.1%、6.9%、8.3%。在C组的辅料配比条件下，3种不同通风速率处理的堆体TN含量没有显著差异（>0.05），说明当辅料添加量减少时，通风速率对堆体TN含量的影响会减弱。

图6 C组堆体中NH3浓度及铵态氮、硝态氮、总氮含量的变化Figure 6 Changes of ammonia，ammonium nitrogen，nitrate nitrogen，and total nitrogen in the group C

2.4 不同堆体腐熟程度评价

9组堆体在堆肥结束时的理化性质如表3所示，硝化指数已经被广泛应用于评价堆肥腐熟程度和堆肥产品的质量。硝化指数<0.5，表示腐熟完全，0.5~3.0表示基本腐熟，>3.0表示未腐熟。但仅用硝化指数评价堆肥腐熟度具有一定的局限性，所以本研究通过有机质降解率、高温维持天数以及硝化指数3个指标综合评价了各堆体的发酵效果。

如表3所示，A组处理的高温维持时间相对较长，A、A处理的有机质降解率较高，但A组3个堆体的硝化指数均大于3，表明A组在30 d内并未腐熟。B组处理的高温期时长均达到了无害化要求，其中B处理的有机质降解率较其他两组大，3个处理硝化指数均小于3，说明B组基本腐熟，其中B的硝化指数最小，腐熟程度最大。C组各堆体的有机质降解率偏低，高温期时长均较短，且C、C未达到无害化要求，其硝化指数均小于3，其中C的硝化指数最小，表明C的腐熟程度相对较好，但其高温期仅维持了3 d，这可能是因为C组的辅料添加量小、堆体含水率高、孔隙度低，所以需要更大的通气速率才能为微生物活动提供充足的氧气，使堆体温度维持高温。

表3 堆肥结束时各堆体的理化性质Table 3 Physicochemical properties of each pile at the end of composting

综合比较得出，堆体B（辅料配比为7∶3∶1，通气速率为0.9 m·h）的发酵效果最佳。

2.5 不同堆体中DOM的荧光特性

三维荧光光谱因具有灵敏度高、操作简便以及无损测试DOM组分和结构等优点，被广泛应用于堆肥DOM的腐殖化演变机制等研究。文献报道，一般可根据不同的激发/发射波长将DOM的荧光区域分成5个部分（图7），分别为区域Ⅰ：Ex=200~250 nm/Em=280~330 nm，区域Ⅱ：Ex=200~250 nm/Em=330~380 nm，代表简单的芳香类蛋白物质；区域Ⅲ：Ex=200~250 nm/Em=380~550 nm，代表类富里酸物质；区域Ⅳ：Ex=250~450 nm/Em=280~380 nm，代表可溶性微生物副产物；区域Ⅴ：Ex=250~450 nm/Em=380~550 nm，代表类腐植酸物质。从图7中的A组荧光光谱图可看出，A-0 d的荧光区域出现4个明显的荧光峰，而堆肥结束后各组在第31天的图中仅在区域Ⅲ和区域Ⅴ出现了荧光峰且峰值增强。A-0 d、B-0 d与C-0 d均出现了明显的可溶性微生物副产物峰，B组及C组的光谱图中各区域荧光峰的变化与A组具有相似的变化规律，在3组不同辅料配比处理的堆体中，分别是A、B、C的类腐植酸物质荧光强度较大，说明通风速率为0.3 m·h更适合A组堆体，而0.9 m·h更适合B组和C组堆体。结果表明，随着堆肥的进行，DOM中大量类蛋白物质逐渐减少，被分解转化为类富里酸及类腐植酸物质等，使得这两类物质的荧光信号逐渐增加，这与YU等的研究结果一致。通过三维荧光光谱图可清晰看到各个荧光峰的位置变化，但对于各荧光峰的荧光强度还需进一步量化才能进行比较和分析。

图7 堆肥初始及结束时DOM的三维荧光光谱Figure 7 Three-dimensional fluorescence spectra of DOM at the beginning and end of composting

对各个荧光区域进行区域积分，能更清楚地解释堆肥DOM的组分衍变规律。文献报道称，未腐熟的堆肥物料中通常存在大量结构简单且易降解的类蛋白物质，随着堆肥不断腐熟，易降解类蛋白物质含量变低，而类腐植酸物质会不断增加。本研究的9组堆体初始及结束时样品中DOM的区域积分如图8所示，A、B、C 3组初始样品中DOM组分的占比情况相似，B、C组在Ⅳ区域的荧光强度高于A组，可能是因为B、C组堆体中污泥比例更高，可溶性微生物副产物含量更高。3组荧光强度的变化具有相同的趋势，堆肥结束时区域Ⅰ、Ⅱ和区域Ⅳ荧光强度的百分含量较初始含量明显降低，区域Ⅲ的变化不明显，而区域Ⅴ的百分含量显著上升，9组区域Ⅴ的荧光强度相对含量分别上升了29.52%、29.03%、30.82%、70.34%、64.84%、76.62%、64.55%、63.07%、65.20%，其中B堆体中的类腐植酸物质含量增加最多，该结果也与各组硝化指数规律一致。污泥含量高的堆体腐熟程度较高，但堆体腐熟程度同样受到通风速率的影响，合适的通风速率有利于堆体内的微生物将含氮有机物降解转化为稳定且可利用的营养物质。结果表明，随着堆肥的进行，类蛋白物质被不断降解，类腐植酸物质不断生成，这与HE等的研究结果相似，说明堆体内的氮素逐渐转移到了结构复杂且稳定的富里酸、腐植酸等物质中。其次，A组堆肥结束后，在区域Ⅲ和区域Ⅴ有明显的两个荧光峰，而B组与C组在这两个区域的荧光强度弱于A组，可能是因为A组辅料添加比例更高，碳含量更高，而类腐植酸物质（区域Ⅴ）分子量、碳含量和腐殖化程度均高于富里酸类物质（区域Ⅲ），因此辅料更多的A组中的碳元素更多地转移进入分子量大的腐植酸，通风速率更低的A组，因为大分子物质降解得不够彻底，而更容易缩合为腐植酸、富里酸类物质，因此荧光信号强于A、A组，对于蛋白质类含量更高的B、C堆体，通气速率越高，区域Ⅲ的荧光峰值越高，越有利于类富里酸物质的形成。

图8 堆肥初始及结束时4种荧光组分相对百分含量Figure 8 Changes in the relative percentages of the four fluorescent components

2.6 辅料配比及通风速率对污泥气流膜堆肥过程的影响分析

3 结论

（2）通风速率对堆肥能否成功具有决定性作用，且影响堆肥稳定性，速率过大会造成堆体内大量氮素以NH的形式散失，不利于氮素保留及稳定化迁移；辅料配比决定堆体的初始碳氮比，辅料添加量过低会抑制有机质降解，导致大量含氮有机物无法向腐殖质等大分子物质转移，降低物料腐熟程度。本研究通过分析堆体的氮素变化得出，在辅料配比为7∶3∶1（污泥∶园林垃圾∶玉米秸秆），通风速率为0.9 m·h的条件下，大量氮素被固定到腐殖质等稳定的大分子有机物中，堆肥效果最佳。