低温环境下消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥过程中物理化学和生物学指标的研究＊

高孟春，王子超，胡 波，王 敏，赵从从，杨慧心，田 颖，王步英

（1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛266100；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100）

低温环境下消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥过程中物理化学和生物学指标的研究＊

高孟春1，2，王子超2，胡 波2，王 敏2，赵从从2，杨慧心2，田 颖2，王步英2

（1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛266100；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100）

在低温环境下采用强制通风堆肥技术对消化污泥和玉米秸秆进行了堆肥化处理。在环境温度为9～15℃和初始C／N比为19.61情况下，第4天堆体温度达到最高温度60℃，堆体温度保持55℃以上时间为9 d。污泥堆肥过程中总有机碳和C／N比下降明显，而NO－3－N和重金属含量升高。p H值、电导率、NH＋4－N、纤维素酶和脲酶的活性呈先增加后降低的趋势。种子发芽指数在第35天达到84.14%。研究结果表明，消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥在35 d达到了腐熟要求。

消化污泥；玉米秸秆；酶活性；种子发芽指数

随着城市污水处理量和处理率的提高，我国的城市污泥产生量不断增加。污泥中含有丰富的有机质和氮、磷、钾等植物需要的营养元素，能够改良土壤结构，增加土壤肥力。然而，如果未经处理的城市污泥直接用于农田，有机物分解将消耗土壤中的氧，形成厌氧环境并产生氨和某些低分子量有机酸，抑制作物种子发芽和幼苗根系生长［1］。大量研究表明［2－4］，污泥强制通风堆肥能够有效地杀灭病原菌、改善污泥不良的物理性状，是实现污泥稳定化、资源化、无害化和减量化的重要方法。目前，污泥强制通风堆肥的研究集中在C／N比、通风率、调理剂等对堆肥产品的物理、化学特征的影响，但是对冬季低温环境下污泥强制通风堆肥的研究较少。本研究采用自制的强制通风堆肥反应器，以青岛市麦岛污水处理厂消化污泥为原料和玉米秸秆为调理剂在冬季低温环境下进行堆肥，研究堆肥过程中堆体温度、p H值、总有机碳、电导率、C／N比、、重金属等物理化学指标的变化，并进行了种子发芽指数和酶活性的评价，为低温环境下消化污泥好氧堆肥处理提供理论依据和技术支持。

1 试验装置与分析方法

1.1 试验装置

试验装置由反应仓、时间－温度联合控制系统、鼓风机和布气板等组成［5］。反应仓的长、宽和高分别为80、72和132 cm，有效堆肥容积0.6 m3。沿距反应仓的顶部33、55和底部30 cm的高度分别设置1＃，2＃，3＃取样口。通过时间－温度联合控制系统控制鼓风机向反应仓通风供氧，设定最高控制温度为60℃，当温度低于60℃时，由时间控制器控制鼓风机的通断，当温度高于60℃时，自动转为温度控制器控制鼓风机的通断，从而避免出现过高温度影响堆肥过程。

1.2 试验材料

堆肥污泥取自青岛市麦岛污水处理厂的消化污泥，玉米秸秆取自胶州市某农场。玉米秸秆粒径约为0.5～1.5 cm。污泥与玉米秸秆按照湿重比6.5∶1混合，其初始C／N比为19.61，通风量为100 L／min。堆肥原料的性质如表1所示。

表1 堆肥原料的物化性质Table 1 Physical and chemical properties of composting material

1.3 采样与分析方法

在反应仓1＃、2＃和3＃取样口分别取相同质量的样品混合均匀，并取部分新鲜样品风干。酶的活性通过采用新鲜堆肥样品测定，p H值、电导率（EC）、植物毒性等采用新鲜堆肥样品的浸提液进行分析，风干样品用于测定其总有机碳、总氮、重金属的测定。

浸提液的制备方法如下：取一定质量的新鲜堆肥样品按照其所含干样质量与蒸馏水（按照1∶10的质量比）混合，在25℃条件下在恒温振荡器中以170 r／min振荡频率振荡2 h，然后在转速10 000 r／min下离心30 min，取上清液过0.45μm滤膜，滤液即为浸提液。p H值采用便携式p H仪（Model 6010，德国WTW公司）测定，N测定采用水杨酸分光光度法［6］，N采用离子色谱法测定［6］，植物毒性测试采用种子发芽指数法［7］。纤维素酶用堆肥样品和粉末状微晶纤维素40℃培养16 h，用测定不稳定的还原糖的量表示纤维素酶的活性［8］。脲酶使堆肥样品和尿素在37℃湿度下培养2 h，其后，用比色法测定释放的氨的量表示脲酶的活性［9］。

总有机碳（TOC）测定采用水合热重铬酸钾氧化－比色法［10］，总氮采用开氏消煮法［10］，重金属采用原子吸收分光光度计测定［11］。

2 试验结果与讨论

2.1 堆肥过程中温度变化

堆体温度变化与微生物的活性密切有关的，是评价堆肥质量的重要指标［12］。由图1可知，当环境温度在9～15℃范围内变化时，堆体中心温度经历了升温、高温、降温3个阶段。在堆肥1～4 d内属于升温阶段，堆体中心温度达到了最大值60℃，在5～11 d内属于持续高温阶段，12 d以后属于降温阶段。堆体中心温度在55℃以上维持9 d，满足我国《粪便无害化卫生指标》（GB7959－87）中规定的堆体温度在50～55℃以上维持5～7 d的要求。

图1 温度在堆肥过程中的变化Fig.1 Change of temperature during the composting

2.2 堆肥过程中总有机碳和C／N比变化

由图2可知，在堆肥过程中微生物降解有机物，导致总有机碳（TOC）和C／N比均随着堆肥时间增加而逐渐降低。TOC从最初的331.35 g／kg降至结束时的252.81g／kg，下降了23.70%；C／N比从最初值19.61降至12.81。其中，在升温期和高温期，微生物活性强，TOC生物降解作用效果明显，导致C／N降低幅度较大。随着可生物降解有机物的减少，降温期微生物活性降低，TOC含量和C／N比趋于稳定。

图2 总有机碳和C／N在堆肥过程中的变化Fig.2 Change of TOC and C／N during the composting

2.3 堆肥过程中p H值和电导率变化

由图3可知，由于在升温期和高温期有机氮的氨化作用，使p H逐渐上升。在0～5 d的堆肥时间内，p H值由最初的7.63上升到最大值8.13。随着堆体温度的下降，硝化作用逐渐起到主导作用，氨态氮被硝化细菌氧化成硝酸盐氮、亚硝酸盐氮，堆体p H下降。试验的p H值在6～9之间变化，在堆肥微生物适应范围。

电导率可以反映堆肥产品中含盐量的多少，含盐量的多少可以指示出堆肥产品对植物生长是否有毒害或抑制作用。在0～5 d内电导率呈上升趋势，从初始值3 470μS／cm迅速增加至最大值5 160μS／cm。随后电导率下降，在堆肥结束时降至2 793μS／cm，未超过3 000μS／cm的限值要求，不会对植物生长产生不良影响［13］。

图3 堆肥过程中p H和EC的变化Fig.3 Change of p H and EC during the composting

2.4 堆肥过程中和的变化

图4 堆肥过程中和的变化Fig.4 Change of and during the composting

2.5 堆肥过程中种子发芽指数变化

种子发芽指数是检验堆肥产品对植物是否产生生长抑制的评价指标，一般情况下发芽指数达到了80%～85%时，可以认为堆肥产品植物毒性较小或者说堆肥已经腐熟。由图5可知，种子发芽指数呈现先降低再升高的趋势。在堆肥升温和高温期，由于含氮有机物的氨化作用，产生大量游离氨，对植物种子具有毒害作用抑制种子发芽，在第5天种子发芽指数达到最低14.43%。除了部分游离氨挥发外，在降温期随着温度的降低，亚硝化菌和硝化菌对氮的转化起主要作用，部分NH＋4－N通过硝化作用转化为NO－3－N，种子发芽指数逐渐升高，第35天种子发芽指数达到84.14%，表明堆肥产品已经达到了腐熟的要求［15］。

图5 堆肥过程中发芽指数的变化Fig.5 Change of germination index during the composting

2.6 堆肥过程中纤维素酶和脲酶活性变化

堆肥过程中的生物化学变化是在各种酶的参与下进行的，多种氧化还原酶和水解酶都与碳、氮、磷等物质代谢密切相关。纤维素酶是主要参与纤维素的降解，纤维素酶活性的变化可以反应堆肥过程中碳素物质的降解情况。由图6a可知，在升温阶段纤维素酶活性随着堆肥时间的增加而增大，在第8天其活性达到最大值461μg／（g·16h）。在降温阶段，纤维素酶活性随着堆体温度下降而降低，在第35天纤维素酶活性为71μg／（g·16h）。堆肥过程中氮的代谢与脲酶活性是密切相关的，脲酶可促进含氮物质降解作为植物生长所需的氮营养物质；同时，脲酶活性的变化也是反映堆肥腐熟程度的1个重要指标。由图6b可知，脲酶活性在堆肥初期呈明显上升的趋势，在第5天达到最大值804μg／（g·2h）。随着水溶性含氮物质的减少，脲酶活性也逐渐降低，在第35天达到70.73μg／（g·2h）。

图6 堆肥过程中纤维素酶和脲酶的变化Fig.6 Change of cellulose and urease during the composting

2.7 堆肥过程中含水率变化

含水率是影响堆肥效果的重要因素，直接影响堆料的结构特性、热特性和生物降解速率。对于不同的原料，堆料的含水率通常在45%～75%之间，但适宜的含水率应在50%～65%之间。当堆料的含水率低于30%～40%时，将抑制微生物的活性。由图7可知，堆肥产品的含水率总体呈先上升后下降的趋势，在第0～2天内含水率呈上升趋势，从初始值60.08%上升到63.07%，这主要是由于部分有机物由于微生物分解作用产生二氧化碳和水造成。随后，堆体温度升高导致部分水分蒸发，含水率开始降低，堆肥结束是堆肥产品中含水率为51.93%。在整个堆肥过程中，堆肥产品中含水率均在适宜范围内，不需要调节含水率。

图7 堆肥过程中含水率变化Fig.7 Change of MC during the composting

2.8 堆肥过程中重金属含量变化

堆肥过程是1个腐殖化的过程，堆肥原料中有机质在微生物的作用下进行矿化分解，使堆肥原料中有机质降低，引起了重金属在堆肥产品中积累，使重金属含量升高，表现为“相对浓缩效应”。由图8可知，尽管堆肥产品中Cu、Zn、Ni、Cd、Cr和Pb的含量从堆肥开始到堆肥结束分别增加了39.72%、31.53%、8.29%、101.94%、18.98%和37.06%，但其含量低于《农用污泥中污染控制标准》（GB4284－84）中规定Cu、Zn、Ni、Cd、Cr和Pb最高允许含量500、1 000、200、20、1 000和1 000 mg／kg的要求。

图8 堆肥过程中重金属总量变化Fig.8 Change of total concentrations of heavy metals during the composting

3 结语

在环境温度为9～15℃和初始C／N比为19.61情况下，采用强制通风堆肥技术对消化污泥和玉米秸秆进行了堆肥化处理结果表明，第4天堆体中心温度已达到了控制温度60℃，堆体保持了55℃以上温度9 d，满足我国《粪便无害化卫生标准》（GB7959－87）的规定。污泥堆肥过程中总有机碳和C／N比下降明显，而和重金属含量升高，但重金属含量未超过污泥农用标准的要求。p H值、电导率、、纤维素酶活性和脲酶活性呈先增加后降低的趋势。种子发芽指数在第35天达到84.14%，已经消除了植物毒性。综合堆肥过程中物理、化学和生物学指标变化特点，表明消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥在35 d达到了腐熟要求。

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Study on Index of Physicochemical and Biological Properties During Forced Aeration Composting of Digested Sludge and Maize Straw Under Low Ambient Temperature

GAO Meng－Chun1，2，WANG Zi－Chao2，HU Bo2，WANG Min2，ZHAO Cong－Cong2，YANG Hui－Xin2，TIAN Ying2，WANG Bu－Ying2
（1.The Key Laboratory of Marine Environmental Science and Ecology，Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

The forced aeration composting technique was used for composting of digested sludge and maize straw under low ambient temperature.When the initial C／N ratio of composting material was 19.61 accompanying with the ambient temperature between 9 and 15℃，the maximal temperature of composting mixture in the centre arrived at 60℃on 4th day.Above 55℃in the composting mixture kept for 9 d during the whole composting.Total organic（TOC）and C／N ratio obviously declined with the increase of composting time，but the content of NO－3－N and heavy metals increased.p H，electrical conductivity（EC），NH＋4－N，cellulose and urease activities originally increased and then declined.The seed germination index was 84.14%on day 35，which indicated that the phytotoxicity has been removed.The research results shows that forced aeration composting of digested sludge and maize straw can meet the demand of mature on day 35.

digested sludge；maize straw；enzymic activity；germination index

X131.2

A

1672－5174（2011）11－013－05

国家自然科学基金项目（20507016）；中国海洋大学本科生研究发展计划项目（1012011001）；中国宋庆龄基金会星巴克大学生环保践行者项目资助

2011－03－21；

2011－04－30

高孟春（1973－），男，博士，教授。E－mail：mengchun＠ouc.edu.cn

责任编辑 庞 旻