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城市污泥堆肥处理养分及重金属变化研究

2012-11-13陈建军陈海燕湛方栋

云南农业科技 2012年1期
关键词:粉煤灰稻草污泥

陈建军,陈海燕,湛方栋,秦 丽

(云南农业大学资源与环境学院,云南昆明650201)

污泥是城市污水处理厂对污水处理过程中产生的沉积物,一方面含有丰富的氮、磷、钾和有机质,是可利用的良好有机肥源,污泥农用后可提高作物产量、培肥土壤及改善土壤理化性质[1];另一方面因其含水率高、易腐烂、有恶臭、重金属含量高、含有大量寄生虫卵与病原微生物,处理不当容易对周围环境产生二次污染。若直接施入农田,可能使重金属污染土壤,并通过农作物进入食物链,并且由于污泥未经稳定后农用,其中有机质的分解将消耗氧,造成土壤中氧含量不足,危害作物[2]。因此在污泥农用时通常应进行稳定化处理,污泥稳定化的方式主要有消化、堆肥等。常规的堆肥处理对重金属的控制作用有限,如果掺入一定比例的碱性物质作为调理剂,提高堆肥物料pH值,可降低重金属溶解性,达到钝化重金属的目的。同时,粉煤灰是火力发电厂燃煤后产生的废弃物,pH值高,富含有机质和酸性土壤缺乏的Si、Ca、S、Mo等元素[3]。利用污泥和粉煤灰,并及加入适量的木屑、稻草、树叶、垃圾等调理剂调节C/N比和水分含量,进行混合堆肥,是对污泥和粉煤灰等废弃物的有效利用方式之一。

本试验以稻草作为调理剂,粉煤灰为重金属钝化剂,对城市污泥进行堆肥处理,研究堆肥过程中氮、磷、钾等养分的变化情况,以及重金属总量和有效态含量的变化,为污泥资源化利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

污泥直接取自昆明市第三污水处理厂污泥脱水车间,含水率为81.5%;干稻草取自昆明市龙头街镇附近农田,取回后自然晾干铡成长约3 cm的段备用;粉煤灰取自昆明市西山火力发电厂,取回后过2 mm筛备用。污泥、干稻草、粉煤灰的养分含量和重金属含量见表1和表2。

1.2 试验设计

堆肥试验共设4个处理。 A处理:污泥:稻草=4∶1; B 处理: 污泥∶稻草∶粉煤灰=4∶1∶0.5; C 处理: 污泥∶稻草∶粉煤灰=4∶1∶1; D 处理:污泥∶稻草∶粉煤灰=4∶1∶1.5。

1.3 堆肥的堆制方法

堆肥试验在云南农业大学环境科学实验室内进行,按湿质量比混合均匀后上堆,堆底垫一层厚约15 cm的铡碎稻草作为垛底,将各种物料按比例混合均匀堆成宽约0.5 m,高约0.5 m,长度1.0 m的垛堆,用塑料布覆盖保温保湿,堆肥时间为60 d。堆肥开始后的30 d内每5 d翻堆1次,堆肥30 d后停止翻堆。堆肥开始时,调节含水率为65%。

1.4 堆肥样品的采集处理与测定

分别在堆肥开始 0 d、30 d、60 d多点随机采样,所采样品自然晾干后在60℃条件下烘干粉碎备用。测定方法:有机质采用重铬酸钾氧化-容量法;全氮采用开氏法;全磷、全钾分别采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法和火焰光度法;碱解氮采用碱解扩散法;有效磷用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法;pH值用电位法;总砷用硫酸-硝酸-高氯酸消解,氢化物发生-火焰原子吸收分光光度法测定;总汞用硫酸-硝酸-高锰酸钾消解,冷原子吸收分光光度法测定;总铬、铜、锌、铅、镉用硝酸-高氯酸消解,火焰原子吸收分光光度法测定;有效铜、锌、镉、汞用0.1 mol/L乙酸溶液浸提后火焰原子吸收分光光度法测定[4]。

表1 供试堆肥原料的主要养分含量

表2 供试堆肥原料中主要重金属含量

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中全N、全P、全K含量的变化

由表3可以看出,全氮含量在堆肥过程中呈降低的趋势。A处理下降不明显,C、D处理的全氮含量在堆肥0~30 d内下降明显,这可能是由于堆肥过程中氮以气态NH3的形式挥发损失引起的,A处理虽然也有NH3挥发引起的氮损失,但由于堆肥过程中物料发生分解后总量有所减少,对全氮量具有浓缩效应。C、D处理全氮含量下降明显可能与堆肥中加入的粉煤灰比例较高,pH值呈弱碱性,更加有利于NH3挥发,从而导致挥发量大于浓缩。对于全磷和全钾含量的变化,浓缩效应就显得尤为明显,堆肥过程中堆体体积和堆料重量不断减少,养分不损失而被浓缩,其含量不断上升,且0~30 d内有机质分解快,则养分含量上升越快,本试验由于磷和钾在堆肥过程中未损失而被浓缩,全磷和全钾的含量呈线性上升,这与前人的结果相一致[5],30~60 d有机质分解变慢, 全磷和全钾的含量变化不太明显。

表3 堆肥过程中全N、全P、全K含量的变化

2.2 堆肥过程中碱解N、有效P、速效K含量的变化

从表4可知, 各处理碱解N、有效P、速效K含量堆肥后较堆肥前均有不同程度的提高,表明污泥经堆肥化处理后,养分有被活化的效果。但是各有效养分在堆肥过程的变化趋势存在差异。其中碱解N、有效P含量在堆肥过程中都是先升高,到第30 d达到最大,然后又下降。碱解N含量在堆肥前期上升,可能是由于物料中有机氮化合物分解产生的,后期碱解N含量下降,其中NH3-N是以NH3形式挥发损失[6];有效P含量先升高可能是由于物料矿化分解产生的,而堆肥腐熟后期一部分速效P又转化为缓效P[1]。速效K含量则在堆肥过程中一直呈上升趋势,因钾的水溶性很强,矿化分解后不容易被固定,因此上升趋势明显。

2.3 堆肥过程中重金属总量变化

从表5可以看出,重金属总量在堆肥处理前后均比原污泥明显下降,且下降幅度呈现出D>C>B>A的趋势,是因为堆肥处理添加调理剂后具有稀释作用,加入调理剂的量逐渐加大引起的。而堆肥后比堆肥前重金属总量除A处理的Hg元素外,均有不同程度的增加,这是由于堆肥过程中物料分解损失,堆体体积和重量变小等而引起重金属总量在堆料中浓缩所致。但由于加入粉煤灰堆肥处理后物料的pH升高,由偏酸性转为中性,除Cd因原污泥严重超标导致堆肥仍然超标以外,以中国农用污泥中污染物控制标准(GB4284-84)来衡量,对pH>6.5的土壤,原来超标的Cr、Hg、Cu、Zn均控制在标准限值范围内。因此由于污泥中Cd严重超标,堆肥处理后欲作为农用仍存在问题,需进一步处理。

表4 堆肥过程中碱解N、有效P和速效K含量的变化

2.4 堆肥过程中重金属有效态含量变化

堆肥前后重金属有效态含量变化见表6。主要分析了污泥中超标严重的Cd、Cu、Zn、Hg。

从表6可以看出,污泥经过堆肥处理后,其重金属有效态含量均有不同程度的下降,其中A处理的Cd、Cu效果不明显,其他处理均随粉煤灰加入比例的加大,重金属有效态含量降低越明显,以C处理效果最好,说明添加粉煤灰对重金属有效态有较好的钝化作用。但并不是粉煤灰的比例越大效果越好,D处理的钝化效果反而不如C处理,可能与粉煤灰的比例太高,影响了堆肥过程中有机质对重金属的作用有关。

表5 堆肥过程中重金属总量变化

表6 堆肥过程中重金属有效态含量的变化

3 结论

(1)在堆肥过程中全氮含量呈降低趋势。主要是由于堆肥过程中氮以气态NH3的形式挥发损失引起的,虽然堆肥过程中物料发生分解后总量有所减少,对全氮量具有浓缩效应,但C、D处理堆肥中加入的粉煤灰比例较高,pH值呈弱碱性,更加有利于NH3挥发,从而导致挥发量大于浓缩量,全氮含量下降明显;而全磷和全钾含量呈线性上升。

(2)各处理碱解N、有效P、速效K含量堆肥后较堆肥前均有不同程度的提高,表明污泥经堆肥化处理后,养分有被活化的效果。

(3)添加粉煤灰进行堆肥处理,可以在一定程度上提高污泥的稳定性,即可农用性,主要是提高了堆肥的pH,但重金属总量没有明显降低。对于昆明第三污水处理厂污泥,由于Cd、Cu严重超标,堆肥处理后仍达不到农用标准。

(4)粉煤灰对污泥中重金属 Cu、Zn、Cd、Hg有效态有明显的钝化作用, 以污泥∶稻草∶粉煤灰=4∶1∶1的比例钝化效果最好。

[1]张桥,吴启堂,黄焕忠,等.未消化城市污泥与稻草堆肥过程中的养分变化研究[J].农业环境保护,2002,21(6):489~492.

[2]Keeling A A,Griffiths B S,Ritz,et al.Effects of compost stability on plant growth,microbiological parameters and nitrogen availability in medis contarningmixed garden waste compost[J].Bioresource Technology,1995,54:279~284.

[3]林兰稳,钟继洪,谭军.城市污水污泥与稻草、粉煤灰混合堆肥及其利用评价[J].生态环境,2005,l4(5):678~682.

[4]鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2005.

[5]季俊杰,葛丽英,陈娟,等.氧化塘底泥与稻草堆肥过程中养分变化研究[J].环境科学导刊,2007,26(1):11~13.

[6]Martins O,Dewes T.Loss of nitrogenous compounds during composting of animalwastes[J].Bioresource Technology,1992,42:103~111.

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