菌菇渣和秸秆对生活污泥好氧堆肥的影响

2013-02-23王守红卞新智寇祥明张家宏王小治

江苏农业学报 2013年2期

王守红，葛骁，卞新智，丁敬，寇祥明，张家宏，王小治

(1.江苏里下河地区农业科学研究所，江苏扬州225007;2.扬州大学环境科学与工程学院，江苏扬州225127)

城市生活污泥是指处理城市污水所产生的固态、半固态及液态的废弃物，成分比较复杂，其中含有丰富的氮、磷、钾等营养元素及有机物质和植物生长所必须的微量元素［1-3］。污泥处置方式主要有焚烧、投海、填埋、农业利用等，前3 种方法由于费用昂贵、场地限制、容易造成二次污染等因素而难以为继或被明令禁止。若将污泥直接施用于土壤，对土壤有一定的改良作用，但是污泥中含有大量的病原菌、重金属和有机有害物质［4］，对环境会产生直接或潜在的污染。对污泥进行高温堆肥，不仅可以杀灭病原菌和寄生虫卵，还可以使营养元素易被植物吸收，促进植物生长，使土壤的理化性质及生物学性质得到改善［5-6］。获得满足农用标准的堆肥产品并且缩短堆肥时间是污泥好氧堆肥处理的目标。近年来，已有许多学者对污泥的好氧堆肥处理中的调理剂进行过深入的研究，如添加猪粪［7］、生活垃圾［8］、竹炭［9］、生物质炭［9］等，与污泥进行高温好氧堆肥，堆肥产品性质稳定，且符合农用标准。本研究将选用菌菇渣和秸秆两种有机固体废弃物作为污泥高温好氧堆肥的调理剂，研究不同调理剂配比对城市生活污泥高温好氧堆肥效率和堆肥产品品质的影响，旨在找到高效低耗的高温好氧堆肥技术，并评价堆肥产品的农用可能性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

脱水污泥取自扬州市汤汪污水处理厂，菌菇渣试验前经过粉碎机粉碎，秸秆粉碎成粉末状。其基本性质见表1。

表1 堆肥原料的基本性质Table 1 The basic properties of materials for composting

1.2 试验方法

按照不同的物料湿重设置堆体A(污泥∶ 菌菇渣∶ 秸秆=1.000∶ 0.400∶ 0.025)、堆体B(污泥∶菌菇渣∶ 秸秆=1.000∶ 0.500∶ 0.025)和堆体C(污泥∶ 菌菇渣∶ 秸秆=1.000∶ 0.600∶ 0.025)3个处理。每处理的污泥量为11 t，同时添加2‰堆肥菌剂。各物料按比例均匀混合后，堆体高约1.2 m，截面呈半圆形，人工翻堆，堆肥的第一周每3 d 翻堆一次，之后每周翻堆一次，堆肥周期为49 d。

1.3 采样及测定

每次翻堆时，多点采样，每次采集不少于500 g样品，采用常规分析方法测定温度、含水率、pH、电导率、种子发芽指数、全氮、全磷、有机质、铵态氮、硝态氮，及Cu、Zn、Cr、Pb、Cd 等重金属含量［10］。试验期间每天9∶ 00、12∶ 00及17∶ 00测定堆体温度，其平均值为每天堆体温度。

1.4 数据处理

使用SPSS18.0 及Excel 软件对数据进行处理和分析。

2 结果

2.1 温度的变化

温度是堆肥过程中的关键参数，堆体温度变化是反映发酵是否正常的最直接、最敏感的指标。图1 显示，3 个堆体在堆肥前期均达到最高温度，其中堆体C 达到最高温度时间最短且温度最高，堆体B次之，堆体A 用时最长、温度最低。由此可见，调理剂多少对堆体温度影响较大，调理剂多，升温比较快，易实现较高的温度。A、B、C 3 个堆体最高温度分别为56 ℃、64 ℃、67 ℃，维持在55 ℃以上分别达到了4 d、9 d 和16 d，均符合《粪便无害化卫生标准》(GB 7959—87)中规定的高温灭菌标准。堆体C 能维持长时间高温的原因是堆体C 中调理剂添加较多，物料充氧充分，有机质含量较多，微生物降解效率高。图1 中有部分温度呈现陡降趋势是由于堆肥过程中人工翻堆使热量散失所致。

2.2 含水率和pH 值的变化

堆肥过程中需要保持适宜的水分含量，这是堆肥成功的首要条件。微生物对水分含量比较敏感，水分太多，会堵塞物料空隙;水分太少，微生物降解有机物的过程会完全停滞［11］。3 个堆肥处理的含水率变化如图2 所示，菌体中产生的大量热使得水分以蒸气的形式散失，堆体B 与堆体C 的含水率从最初的70%左右降至40%以下，堆体A 中因堆肥初期混的菌菇渣比较少，通气性相对较差，且堆体温度低，因此水分散失略低于堆体B 和堆体C。水分的大量散失，能有效实现污泥减量化。

图1 堆肥过程中温度的变化Fig.1 Changes of the temperatures of three stacks during composting

图2 堆肥过程中含水率的变化Fig. 2 Changes of the water contents in three stacks during composting

pH 值过高或者过低，会严重影响微生物活动［8］。如图3 所示，3 个堆体pH 值总体呈现先升高后下降的趋势，但始终维持在7.0 至8.0 之间，保持微碱性，适宜微生物的生命活动，有利于微生物对有机质的降解。

图3 堆肥过程中pH 的变化Fig.3 Changes of the pH values of three stacks during composting

2.3 有机质和磷的变化

图4 堆肥过程中有机质的变化Fig. 4 Changes of the organic matter in three stacks during composting

有机物是微生物生长繁殖的能源物质，堆肥过程实际上是有机物降解的过程。随着堆肥过程的进行，有机质不断地降解，由图4 可知，堆体A、堆体B和堆体C 有机质分别降解了15.07%、16.44% 和22.23%，堆肥的前期有机物降解速度比较快，堆肥后期相对较慢。这是因为堆肥前期是升温的过程，温度适宜微生物的生长，微生物大量繁殖，分泌大量的胞外酶，大分子有机物质被分解为小分子物质，小分子物质被溶解为水溶性碳，进入细胞被微生物利用，使有机物的降解速率较快。另外，堆体C 有机质含量相对较高，堆体疏松，通气性比较好，微生物降解速率高。

由图5 可见，总磷的含量随着堆肥过程的进行而增加。堆肥结束时，3 堆体总磷的含量分别增加了17.28%、23.33%、44.59%，堆体C 最多，堆体B次之，堆体A 最小。这是由于堆肥的“浓缩效应”所致，即随着有机物质的降解，总磷含量增加。

图5 堆肥过程中总磷的变化Fig.5 Changes of the total phosphorus in three stacks during composting

2.4 氮的变化

2.4.1 总氮的变化在堆肥过程中，氮元素会大量损失，减少氮元素的损失对堆肥的品质至关重要［12］。堆肥过程中总氮的变化见图6a，堆肥5 d 左右，总氮的损失量较大，这主要由于有机氮化合物分解产生大量的氨气散失所致。堆体A、B、C 在堆肥结束时，总氮的损失量分别为28.22%、31.70%、27.62%，堆体 C 最小。这相对于传统堆肥30.00% ～50.00%氮的损失来说，添加调理剂处理起到了保氮作用。堆肥过程中pH 稳定在7.0 ～8.0，降低了铵态氮的损失，促进了硝化作用，有利于氮元素的积累。

2.4.2 铵态氮与硝态氮的变化如图6b 所示，在堆肥初期，堆体A、B、C 中铵态氮含量均呈现先升高后降低的趋势。主要原因是:堆肥初期有机氮大量矿化［13］，产生大量铵态氮，随着堆肥的进行，堆体温度不断升高，氨大量挥发，堆体pH 值升高，大量的铵态氮在硝化细菌的作用下转化为硝态氮，最终使铵态氮含量降低。堆体A 与堆体B 硝态氮含量在堆肥的前10 d 左右达到最高值，而堆体C 在堆肥的第7 d 达到最高值，这是由于堆体C 的温度高于堆体A 和B，有机氮分解速率较快所致。

硝态氮的变化与硝化细菌的生命活动密切相关，这可以从图6c 中得到反应。在堆肥初期，硝态氮的含量变化缓慢，主要原因是堆肥初期氨化细菌起主导作用，硝化细菌受到抑制，而随着堆肥的进行，有机氮的矿化迅速降低，硝化细菌占主导作用，大量利用铵态氮，所以在堆肥后期，堆体的硝态氮迅速升高。

2.5 腐熟度指标

2.5.1 感观指标及电导率在污泥堆肥过程中，污泥的颜色逐渐变深，堆肥结束时，污泥颗粒松散，呈深褐色，并带有泥土的气味，从感官上看，堆体已经腐熟。堆体A、B、C 在堆肥结束时的电导率分别为4.10 ms/cm、3.25 ms/cm、3.29 ms/cm，均小于4.30 ms/cm［14］，表明堆肥产品中的可溶性盐对植物已没有毒害作用。

2.5.2 种子发芽指数(GI) 种子发芽试验是评价堆肥腐熟度最有说服力的方法，一般认为，当GI ＞50.0%，堆体已经腐熟，对植物基本没毒性。本试验用雪里蕻种子测定3 个堆体的种子发芽指数，GI 值分别为86.3%、95.8%、86.1%，表明堆体均已经腐熟。

2.6 重金属含量

图6 堆肥过程中氮素的变化Fig.6 Changes of the total phosphorus，NH4+-N and NO3－-N during composting

重金属含量及其生物有效性是限制污泥堆肥农用的主要因素［15］，污泥堆肥产品中重金属的总量和生物有效性重金属含量如表3 和表4 所示。从中可见，3 个堆体中重金属Cu、Zn、Cr、Pb 和Cd 总量均符合国家农用标准的相关要求;堆肥结束时各处理生物有效性重金属含量总体比堆肥初始时有所降低。

3 讨论

农业废弃物或生活垃圾中含有大量的有机质和其他营养物质，如果能充分利用，不但可以减轻其对环境的污染，还可以创造经济价值。陶玉等［16］研究了污泥与稻草按不同比例混合进行好氧堆肥，认为稻草含量为9%时，多项指标都能满足堆肥相关标准，堆肥效果好;倪梅娣［17］研究猪粪好氧堆肥过程中氧气浓度变化规律时，发现猪粪与木屑混合堆肥中全氮增幅较大，可以起到保氮的作用;周美红［8］认为生活垃圾∶ 污泥为7∶ 3 时，优化一些工艺参数，可以缩短堆肥时间，减轻臭气排放。好氧堆肥是实现城市污泥无害化、减量化、资源化的一种有效途径。但是，堆肥过程普遍存在效率不高、堆肥产品不稳定、品质不高等问题，因此适宜的堆肥调理剂及其比例是堆肥成功的主要因素。本文选择菌菇渣、秸秆作为堆肥的调理剂与城市生活污泥进行好氧堆肥，堆体始终保持微碱性，含水量降至40%左右，最终堆肥产品种子发芽指数大于50%，符合堆肥产品的农用标准。研究发现污泥、菌菇渣、秸秆按湿重比为1.000∶ 0.600∶ 0.025 时，含水率低，升温快，氮素损失较少，磷含量增加，提高了堆肥效率和堆肥品质，缩短了堆肥时间，为今后的污泥无害化处理提供了科学的理论依据。