园林废弃物与污泥混合堆肥的理化性质变化规律研究

郭振胜,张可意,冀 薇,陈新懿,卫佩行

1.河南师范大学环境学院,河南新乡 453007;2.东华大学环境科学与工程学院,上海 201620;3.江苏农林职业技术学院风景园林学院,江苏镇江 212400)

园林废弃物是指园林植物在生长或养护过程中产生的树枝、落叶、枯草、花败等有机废弃物[1]。随着城市绿化的发展,园林废弃物数量急剧增多。根据城市绿地面积推算,2020年我国园林废弃物产生量已达2 600万t[2]。巨量园林废弃物给城市垃圾消纳带来很大压力,填埋成本高,焚烧污染环境[3]。利用园林废弃物,变废为宝,具有重要的现实意义。目前,堆肥化处理是园林废弃物资源化、无害化和减量化处理的最经济环保方式[4-5]。但园林废弃物具有含水率低、菌群较少的特点,进行堆肥处理难度较大。此外,有研究者向园林废弃物添加蚯蚓或是菌群含量较多的动物粪便等进行堆肥研究[6-7],获得较好的堆肥效果。

同样,城市化也带来了大量污水及污泥。数据显示,预计2025年我国污泥年生产量将达到9 000万t[8]。当前的污泥主要通过污泥填埋、焚烧以及海洋排放等方式简单抛弃处理,带来了土地资源低效占用、土壤和海洋二次污染、焚烧产生的气体污染等问题[9]。污泥堆肥是一种将有机废物转化为腐殖质的高温发酵技术[10],可将污泥稳定、减量、并且转为资源,由于污泥中含有丰富的营养物质及微生物,可通过堆肥稳定、减量并资源化[11]。但污泥高含水率、较小的孔隙率及低有机质[12],使其很难达到好氧堆肥的技术要求。

将园林废弃物与污泥以一定比例进行堆肥,可达到优势互补、劣势互堵的效果,更加有利于二者的资源化利用。针对不同的园林废弃物种类、与污泥的混合比、好氧或缺氧堆肥方法,研究者开展了广泛研究。研究发现,综合分析C/N与碳氮降解率指标,加入园林废弃物的污泥堆肥会易腐熟[13]。污泥与园林废弃物堆肥后,堆肥产物的C/N下降了10%,但仍在成熟度的范围内。堆肥完成后,产物中有机物的含量超过35%;施用堆肥后,种子的发芽指数大部分在70%～90%范围内;有机物含量及发芽指数均符合我国堆肥产物的质量标准[14],证明堆肥是成熟且无植物毒素的。污泥与园林废弃物的共堆肥有助于消除固定于污泥上的一部分抗生素,消除率35%～46%[15]。当污泥与园林废弃物以不同比例堆肥施用于桑树时,园林废弃物含量的增加有益于植物的生长[16]。还有研究者发现堆肥的含水率、pH以及电导率等理化性质指标能直观判断是否适用于土地利用[12]。如好氧堆肥的产品适用于园林绿化土壤,消化堆肥的产品则不适于园林绿化土壤。通过以上研究发现,污泥与园林废弃物堆肥的最终性能和应用场景均与堆肥过程中的各项理化性质指标的动态变化规律紧密相关,变化规律的探明将有助于从机理上对肥效等性能进行提升。

为了更好地探究园林废弃物与污泥的堆肥过程中理化性质变化规律,该研究选择常见的园林植物如紫荆(Cercischinensis)和悬铃木[Platanusacerifolia(Aiton) Willdenow],取紫荆枝叶、悬铃木树叶与污泥混合进行堆肥试验,同时取木材加工剩余木屑(树种以松科木材为主,混有其他阔叶树材)与污泥混合进行堆肥作为对照。在相同比例拌和均匀形成堆肥混合物的条件下,对比研究3种物料在堆肥过程中温度、pH及电导率等理化性质的变化规律,以期为园林废弃物与污泥的资源化利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料使用了紫荆枝叶、悬铃木树叶、木屑等3种填料与污泥混合,分别记为SR、SP、SW。其中,紫荆枝叶取自江苏农林职业技术学院校园内的紫荆绿化修剪废弃物,悬铃木树叶取自河南师范大学校园内的落叶,木屑则取自河南省新乡市附近的木材加工厂,污泥取自河南省新乡市小尚庄污水处理厂脱水车间。

在堆肥前,对3种填料进行粉碎预处理,紫荆枝叶、悬铃木树叶、木屑的尺寸分别为2.0～20.0 mm、0.5～10.0 mm、2.0～35.0 mm,呈正态分布。3种填料的具体形态如图1所示。3种填料含水率分别为6.04%、8.68%、8.51%,污泥的含水率为79.23%。混合后,3种物料的含水率分别为69.79%、68.25%、71.31%。3种堆体体积保持相近,入罐前拌和均匀,堆肥反应器中具体物料配比如表 1所示。

表1 反应器中物料配比

注:a.紫荆枝叶;b.悬铃木树叶;c.木屑。Note:a.Bauhinia branches and leaves; b.Cedar tree leaves; c.Wood chips.图1 填料形态Fig.1 Filler form

1.2 反应装置如图2所示,好氧发酵反应罐由有机玻璃制成,其直径为20 cm,高度58 cm,壁厚1 cm,并配有曝气装置及温度监测系统。3种堆肥物料分别装入3个好氧发酵反应罐进行堆肥。该反应装置通过调节发酵罐外的循环水浴温度,实现堆体环境温度的控制。曝气装置使用电磁式空气泵从发酵罐底部为堆肥反应曝气,曝气强度为300 mL/min,每个发酵罐上部设有气体排放口,使堆肥过程中产生的气体可以顺畅排出。试验前期保证空气泵持续工作,后期为避免长时间曝气致使堆体内水分大量流失,每天仅供气12 h。温度监测系统主要包括长度为44 cm的堆体温度探针、长度为19 cm的水浴温度探针和动态温度监控设备,每天9:00、12:00、15:00、18:00、21:00记录温度。

图2 好氧发酵反应器装置Fig.2 Aerobic fermentation reactor device

1.3 取样与测试

1.3.1取样。整个堆肥过程持续21 d,堆肥过程中共取样11次(堆肥1～7 d每天取样1次;堆肥8～21 d,隔3 d取样1次)并冷冻(-14 ℃)保存,进行含水率、电导率、pH、有机质、碳及氮元素等理化性质测试。

1.3.2测试方法。

1.3.2.1电导率及pH。样品各取5 g置于100 mL锥形瓶中,再用量筒量取50 mL去离子水倒入锥形瓶中,常温下放入回旋摇床(160 r/min)中震荡1 h,通过纱布过滤震荡后的混合物,滤后使用FiveEasy Plus FE38台式电导率仪[梅特勒托利多科技(中国)有限公司]测其电导率;使用雷磁PHBJ-260F便携式pH计(上海仪电科学仪器股份有限公司)测量pH。

1.3.2.2有机质。采用灼烧减量法(HJ 761-2015),用铅笔在坩埚底部注明标记,坩埚在600 ℃马弗炉内烧至恒重,称重记为m0;将0.5 g样品平铺于坩埚内,并放入105 ℃烘箱,烘干1 h后放入干燥器内冷却至室温,此时称重记为m1;再将坩埚放入550 ℃马弗炉内灼烧3 h,灼烧完成后再次放入干燥器内冷却至室温,称重记为m2,计算样品有机质含量。

1.3.2.3元素测量。根据元素分析仪测定法使用德国耶拿multiC/N2100stoc分析仪检测样品中碳元素、氮元素。

1.3.2.4木材三大素含量。根据《农业生物质原料 纤维素、半纤维素、木质素测定》标准(NY/T 3494—2019),将样品在65 ℃下烘干后过100目筛,再分别经过水、乙醇抽提后将样品烘干至恒重,两步法浓酸及稀酸水解后使用安捷伦1260高效液相色谱仪测定并计算样品中葡萄糖、木糖、半乳糖、阿拉伯糖及甘露糖含量。计算酸溶木质素含量及酸不溶木质素含量,二者加和即为总木质素含量;根据高效液相色谱仪测定样品中不同糖含量计算纤维素及半纤维素含量。

2 结果与分析

2.1 温度堆体温度是堆肥反应的重要理化指标之一。由图3可知,温度曲线总体呈现出先快速升高后缓慢阶梯式下降的趋势,大致可分为3个阶段(Ⅰ,0～1.31 d;Ⅱ,1.31～14.00 d;Ⅲ,14.00～21.00 d)。第一阶段内,SW、SP及SR的温度迅速升至峰值,分别为63.6、66.8及66.6 ℃。第二阶段内,温度呈阶梯状缓慢下降,总体温度SR>SP>SW。堆肥第14天,温度骤降。之后随着时间的推进,SW温度稳定在40 ℃左右,SR及SP稳定在43 ℃左右。通过观察曲线变化可以发现,3种混合物堆肥过程中的温度始终接近或高于环境设定温度,说明环境温度可以维持堆肥中热量的产生,同时不限制堆肥温度的增长。堆肥第一阶段的升温提高了混合物中的微生物活性,促进了有机物的降解,同时释放大量热量[17],使堆肥温度升高。

图4 pH随时间的变化曲线Fig.4 pH curve over time

图5 电导率随时间的变化曲线Fig.5 Change curve of conductivity over time

3种物料堆肥时温度变化趋势相近,除了环境温度的促进及影响外,应与堆肥材料性质相近有关。当理化性质相近时,微生物分解有机物时产生的热量及引起温度变化的时刻会相近,使得三者温度变化趋势相近。尽管如此,在第二阶段,仍可以分辨出总体温度SR>SP>SW,SR的整体温度要高于SW,微生物反应程度明显要比SW剧烈。第三阶段温度骤降,可能是由于自第14天开始,为维持堆肥所需水分而间歇开泵,使堆肥中通气量减少,供氧含量降低,不利于微生物继续分解有机物。同时,有机物逐渐消耗,释放的热量也在减少,产热速率低于热损速率使堆肥温度降低,并维持在40 ℃左右。

2.2 pH如图 4所示,3种物料的pH在第3天快速上升至8.8左右,堆肥由中性变为碱性并保持稳定,在第6天开始缓慢下降,第19天SW及SR稳定至8.3左右,而SP稳定至8.0,呈现弱碱性。观察发现,pH变化曲线和温度变化曲线总体变化趋势相近,均为快速上升后再缓慢下降。温度上升至峰值后微生物活性增强,加强氨化作用,释放大量氨气[18],产生大量NH4+-N,部分有机酸的氧化分解也会引起pH的上升。对比转折点时间发现,温度上升后进行的一系列增加pH的反应需要时间,这使得pH的变化相对于温度的变化具有滞后性。除此之外,可以观察到3种堆肥混合物有不同的变化趋势,这与堆肥过程中发生的相关生化反应有关,pH上升后,高温促进氨气挥发,硝化细菌通过氨化作用转化氨为硝酸或亚硝酸以及淀粉等碳水化合物分解产生有机酸等反应会减小pH,氨化作用及有机酸的消耗等反应则会增加pH[19-21],这些反应同时发生在3种堆肥中会不同程度地增加或减小pH,使其在波动中缓慢下降。对比前期的快速上升及后半部分的缓慢下降,可以发现在不同的堆肥阶段有不同的反应作为该阶段的主导反应。如:1～6 d的快速上升至稳定时期,堆肥以氨化作用及分解有机酸为主要反应;7～21 d 的缓慢波动下降至稳定时期则以氨流失及分解产生有机酸为主要反应。观察SR及SW的变化趋势发现,SR的pH先于SW下降,但SR在第11天低至SW的pH以下,但在第19天又上升至稳定,表明堆肥趋于成熟。

2.3 电导率如图 5所示,3种物料的电导率总体上先快速上升,短时降低后再恢复上升。堆肥前10 d左右SW、SP、SR的电导率均到达峰值,SW及SP自达到峰值后到第15天短时下降,再上升回峰值水平;SR与二者不同,自第11天达到峰值后电导率保持稳定。堆肥结束时SW及SP的电导率相近,且大于SR的电导率。观察对比发现,电导率趋势与温度及pH变化曲线具有一定的相似性,均为快速上升后缓慢下降并保持稳定,但也有不同之处。pH变化相比温度变化具有滞后性,而电导率变化相比pH变化也具有滞后性,pH在第3～6天内达到峰值并开始下降,电导率在第5天左右经历微小波动后再到第10天左右才达到峰值,而此时的pH正处于下降阶段,这说明从温度升高增加微生物活性分解有机物质释放更多热量,到微生物活性增加促进氨化反应及分解有机酸反应,再到微生物分解有机物释放许多可溶性有机物和无机离子,这3种过程需要不同的时间,从而导致温度、pH及电导率的变化节点不同。SW及SP的电导率在第8～15天下降,这可能与自第14天开始间歇开泵相关,间歇开泵使温度骤降,不利于微生物释放更多的矿物盐。分别观察3种堆肥混合物,发现SR不止峰值及最终值小于SW及SP,且自到达峰值到堆肥结束,SR的电导率较稳定,很明显,SR的微生物释放矿物盐含量小于SP及SW,同时因间歇开泵而抑制SR微生物释放矿物盐的强度要小于其他2种堆肥混合物。研究表明[22],低电导率的堆肥应用效果要优于高电导率,且SR的电导率最先保持稳定,表示SR最先进入成熟阶段,故在电导率变化方面,SR的堆肥应用效果可能优于SW。

2.4 碳氮比与有机质含量堆肥的碳氮比(C/N)是评价堆肥过程成熟度的指标之一[23]。表2列举了3种堆体堆肥前后碳氮元素含量、C/N及堆肥前后的损失率,可以看到堆肥前后碳元素及氮元素损失率为SW>SP>SR,其中碳元素损失较大,为44.57%～51.04%。这与Yuan等[24]研究中的碳损失水平相当。但堆肥前后C/N的损失率为SR>SP>SW。从碳、氮元素及C/N的损失数据可知,SW的碳、氮元素在堆肥过程中损失率最高,但相比其他2种堆肥混合物,C/N损失率较低,且堆肥结束时的C/N是三者中最高的。这可能由于SW中氮元素通过氨化反应转化量不高。相比之下,SR的氮元素损失率要小于碳元素,堆肥后的C/N也要低于SW。

表2 堆肥前后碳元素与氮元素含量变化

表3 各堆体有机质对比

表4 木质素、纤维素及半纤维素堆肥前后含量及降解率

有机质主要包含糖类化合物、木质纤维素和脂肪等五类有机化合物及灰分。如表 3所示,有机质降解率为SR>SP>SW。SR堆肥前的有机质含量最高,且堆肥过程中降解率也是最高的,说明SR中易降解有机质含量较大或微生物活性较高,能够分解更多的有机质或微生物分解有机质时间较长或速度较快。由表2可知,虽然SR堆肥前的碳含量不是最低的,但碳损失却是最少的,说明有机质分解产生碳元素较多,能在堆肥过程中补充部分损失的碳元素。

2.5 木质素、纤维素及半纤维素含量木质原料由木质素、纤维素及半纤维素构成[25]。作为纤维素及半纤维素的保护结构[26],木质素不易降解,其含量与分解速率甚至呈现负相关[27]。微生物分解木质纤维素时,需要先打破木质素的保护结构,再对纤维素及半纤维素进行分解。对于堆肥混合物,纤维素及半纤维素含量高,且木质素含量低更易于堆肥过程中微生物分解有机质,释放热量。但由表 4可知,在堆肥前,SR中较易分解的纤维素及半纤维含量均低于SW,较难分解的木质素含量高于SW。尽管如此,堆肥结束后SR的降解率皆大于SW。究其根本,木质纤维素的分解与微生物离不开关系,但木屑选自木材加工厂,而紫荆枝叶为绿化修剪废弃物,木屑中微生物的生存环境及状况不及紫荆枝叶,其种类数量及活性也逊于紫荆枝叶。

2.6 粒径综合温度、电导率、C/N、有机质及木质纤维素降解可以推断,相比SP,SR的堆肥效果会更明显优于SW,但在环境条件基本相同的情况下,推断出现堆肥效果不同的原因与填料的性质相关。因此仅选取木屑及紫荆枝叶,通过随机取样并测量二者的尺寸,并绘制粒径分布图(图6)及二者的级配曲线图(图7)。观察二者的级配曲线图发现,填料粒径越大,含量越大且越相近,但紫荆枝叶粒径小于5 mm的含量远低于木屑。观察二者的粒径分配图进行更深入地分析,紫荆枝叶的粒径主要分布在5～10 mm,而木屑在0～10 mm均匀分布,紫荆枝叶的平均尺寸大于木屑的平均尺寸。堆肥中,较大的填料粒径会使堆肥混合物中具有较大的空隙,利于堆肥过程中氧气扩散,氧气流通利于好氧堆肥中微生物反应,这可能是SR的堆肥效果优于SW的原因之一。因试验中堆肥使用的好氧发酵罐具有由有机玻璃制成的1 cm厚管壁,同时,好氧发酵罐外使用循环水浴调节堆肥环境温度。所以不会出现由于堆肥混合物空隙较大,空气流通较好使堆体保温效果不好等情况[28]。

图6 木屑与紫荆枝叶的粒径分布Fig.6 Particle size distribution of sawdust and Bauhinia branches and leaves

图7 木屑与紫荆枝叶的级配曲线Fig.7 Grading curve of sawdust and Bauhinia branches and leaves

3 结论

通过检测记录3种堆肥混合物在堆肥过程中温度、pH、电导率、有机质、木质纤维素及C/N等理化性质数据,多角度对比分析了理化性质的变化情况,得出以下结论。

(1) 在可以设定并维持环境温度的情况下,3种堆肥混合物的温度变化与环境温度趋势高度相似,环境温度可以稳定热量的产生,且不限制堆肥温度增长的最大值;由于各种填料性质不同,在温度变化上推测SR的堆肥反应比SW剧烈。

(2) pH及电导率变化曲线与温度变化曲线相似,且具有一定的滞后性,这或许与堆肥内不同的反应所需时间不同相关;SR的电导率最早保持稳定且相比SP、SW较低,说明SR更适于堆肥的农业应用,堆肥效果较好。

(3) 对比3种堆肥混合物的C/N、有机质及木质纤维素堆肥前后变化,SR的降解能力较强。分析SW与SR的3种木质纤维素堆肥前后的含量及粒径,推测SR的堆肥反应较为剧烈的原因同填料粒径的大小及微生物种类数量和活性情况相关。