调理剂配比对污泥堆肥过程中理化参数变化的影响

黄克毅+李明峰+张俊杰+马闯+赵继红+张宏忠+魏明宝+叶长明

摘要：选用锯末作为污泥调理剂，研究了不同配比的锯末对污泥堆肥过程中理化参数变化的影响。结果表明，污泥和锯末采用3.5∶1.0（m∶m，下同）和4.0∶1.0的比例达到的最高温度、高温持续时间以及降解挥发性固体含量（VS）要优于采用3.0∶1.0和5.0∶1.0的比例，而氮损失较为严重，分别达到了63.25%和53.05%。硝态氮含量均呈现先下降后逐渐上升的趋势，与铵态氮的含量变化相反；堆肥结束时各处理pH、EC和GI均符合无害化要求。考虑到辅料成本和氮损失两方面的因素，污泥和锯末堆肥过程中推荐采用4.0∶1.0的比例。

关键词：污泥；堆肥；调理剂配比；理化参数

中图分类号：S141.4；X705 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）10-2339-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.08.009

随着城市化进程的加快和污水处理量的大幅增加，污水厂的污泥产生量也急剧增加，由此引起的污泥二次污染事件时有发生。如何安全经济地处理污水处理厂产生的剩余污泥，实现污泥的无害化、减量化、资源化成为当前国内外学者所面对的共同问题[1]。污泥含有丰富的有机质、氮、磷和其他植物必需的营养元素[2]，堆肥后作为有机肥利用不仅可以有效消纳处理大量的剩余污泥，还可以培肥土壤，提高作物产量和品质[3]。

由于污泥含水率较高（80%）、结构性差、通风供氧困难等原因，污泥自身很难升温发酵，需要对污泥进行预处理。在预处理过程中，一般采用加入锯末、秸秆等调理剂的方法降低污泥的含水率、提高混合料的孔隙率[4，5]，满足好氧微生物生长繁殖的需求。调理剂在堆肥中主要起到调节物料C/N比、含水率、自由空域、孔隙性的作用，保证微生物发酵快速高效的进行[6]。合适的调理剂配比不但可以促进堆体升温，提高堆肥效率[7]，还可以降低堆肥成本[8]和氨素的损失，从而提高堆肥产品质量[9，10]。因此，筛选合适的调理剂配比不但需要考虑促进污泥堆肥过程，保证堆肥成功，取得较好的堆肥效果，而且还要兼顾堆肥成本，尽量减少调理剂的用量，达到堆肥质量和效益的统一。本研究选用锯末作为堆肥调理剂，研究了不同配比条件下污泥堆肥过程中理化参数的动态变化， 以期为筛选出合理的调理剂配比，优化堆肥效果提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试污泥源于郑州市五龙口污水处理厂脱水污泥，污泥含水率为79.81%，有机质含量为52.56%，总氮含量为2.05%。所选用的调理剂锯末来源于处理厂周边木料加工厂，其含水率为8.23%，有机碳含量为52.80%，总氮含量为0.40%。

试验设4个处理，按照污泥/锯末的质量比（m∶m，下同），处理1为3.0∶1.0，处理2为3.5∶1.0，处理3为4.0∶1.0，处理4为5.0∶1.0。各堆体物料初始含水率分别为62.10%、63.89%、65.13%和67.72%，初始C/N比值分别为23.47、22.31、22.23和21.26。

1.2 试验方法

将混合后待发酵物料堆积于发酵罐中，发酵罐呈立式圆柱状，堆体的体积约300 L，底部安装有小型罗茨风机和高效布气、曝气系统，顶部留有可以插温度、氧气探头和采样的孔隙。堆肥发酵过程采用自控系统温度反馈控制鼓风过程，采用温度探杆、氧气探杆自动监测发酵过程的温度和氧气相关数据。

物料分析方法如下[11，12]：采用烘干法测定含水率；采用灼烧法测定微生物活动降解挥发性固体（VS）含量；采用pH酸度计测定pH；采用电导率仪测定法测定电导率（EC）；采用小白菜发芽试验法测定种子发芽指数（GI）；采用半微量凯氏定氮法测定全氮量；采用酚二磺酸比色法测定硝态氮量；采用KCl浸提-靛酚蓝比色法测定铵态氮量。

2 结果与分析

2.1 污泥堆肥过程中堆体温度的变化特征

堆肥过程中微生物分解有机物进行代谢，同时释放出热量，堆体温度发生改变，随之微生物的种群结构与代谢活力也会发生相应的改变，因此，温度是堆肥系统微生物活性和有机质降解速度的反映，也是堆肥是否成功的重要标志[5]。调理剂配比对堆体的温度和产品的质量都会产生影响，合适的调理剂配比能够促进堆体升温并延长高温持续期[7]。由表2可知，处理1升温速率较高但达到的最高温度和高温持续时间均要低于处理2和处理3，处理4的升温速率、温度峰值和高温持续时间均最低。各处理均从0.1 d就开始升温，升温速率从处理1到处理4依次降低，分别为36.9、27.6、26.9和9.6 ℃/d；从处理1到处理4分别于第0.9、1.6、1.8和2.3 d，达到温度峰值，分别为65.6、69.1、67.5和53.6 ℃；从处理1到处理4维持50 ℃以上的高温持续时间分别为7.9、9.4、8.4和4.5 d，处理1、2和3均可满足《蓄禽粪便无害化卫生标准》（GB-7959-87）所规定的50 ℃以上持续5～7 d的要求，处理4为完成无害化过程。

2.2 污泥堆肥过程中降解挥发性固体含量的动态变化

堆肥过程中物料体积和质量的减少主要是微生物活动降解挥发性固体（VS）和物料脱水引起。由图1可知，四个处理的VS含量在堆肥过程中均呈明显的下降趋势，且高温期前期降解比较迅速。这与堆肥高温前期微生物活性强，易降解的有机物分解速率较快，而中后期随着易降解物质的减少，微生物需利用较难降解的纤维素等有机物质作为碳源，分解相对缓慢有关。处理1的VS含量从75.73%降为66.92%，处理2的VS含量从76.04%降为62.14%，处理3的VS含量从77.31%降为63.64%，处理4的VS含量从77.55%降为71.75%，4个处理VS含量下降率分别为11.63%、18.28%、17.68%和7.48%。处理2的VS含量降解率最高，处理4的VS含量降解率最低。这是由于与处理1、3、4相比，处理2温度峰值较高、高温持续时间最长（表1），微生物活性更大，降解有机物的能力更强，而处理4上堆料含水率大于65%，阻碍了堆体升温和氧气向堆料内部扩散，不利于微生物对有机物的降解[12]。endprint

2.3 污泥堆肥过程中总氮含量的动态变化

由图2可知，4个处理的总氮含量总体变化基本一致，均呈逐渐下降的趋势，且表现为高温期降低较快，氮含量的减少由于在堆肥初期大量微生物的作用下发生氨化作用和氮素的转化，大量的氨产生导致氮素的损失[7]。从处理1到处理4各处理总氮含量分别由堆肥开始时的1.54、1.59、1.64和1.71 g/kg，降为堆肥结束时的0.85、0.58、0.77和0.94 g/kg，分别下降了44.81%、63.52%、53.05%和45.03%，处理2的氮损失最严重，处理3次之，处理1和处理4较低。这可能是由于处理1和处理4温度较低，高温持续期较短（表1），从而抑制了微生物活性和有机质矿化速度，降低了氨的挥发。

2.4 污泥堆肥过程中铵态氮、硝态氮含量的动态变化

堆肥过程中铵态氮的变化如图3a所示，4个处理中铵态氮含量均呈现先增加后减少的变化趋势。除处理1铵态氮含量在第7天达到最大值外，其他处理的铵态氮含量在第4天时均达到最大值。由于污泥堆肥过程中的升温阶段通常时间很短，微生物繁殖量显著增加，铵态氮快速积累。随着堆肥的进行，温度逐渐下降，硝化细菌的活性变强，铵态氮含量逐渐减小。与最大值相比，堆肥结束时4个处理的铵态氮分别下降了76.62%、77.52%、87.10%和81.34%。

由图3b可知，在堆肥过程中4个处理中硝态氮含量均呈现先下降后逐渐上升的趋势，与铵态氮的含量变化相反。堆肥前期第4天硝态氮含量最低，由于氨化作用铵态氮快速积累，硝化作用受到抑制，硝态氮含量逐渐下降。随着进入降温期，温度逐渐下降，硝态氮含量逐渐增加。在堆肥中后期，硝态氮细菌活性增强，铵态氮不断减少，硝态氮不断增加。与最低值相比，堆肥结束时4个处理的硝态氮含量分别增加了14.58%、4.11%、44.11%和75.71%。处理4硝态氮增加幅度最大，其次是处理3、1和处理2。

2.5 污泥堆肥过程中pH、EC动态变化

在堆肥过程中，pH是重要过程参数，过高和过低都会影响堆肥效果。一般认为，pH 7.5～8.5时，降解速率最大[13，14]。由图4a可见，4个处理中，pH均呈现前期低后期高的变化趋势。随着堆肥的进行，pH逐渐上升，由于微生物的强烈作用，有机质被分解并产生了大量的NH3，pH逐渐上升。处理1和处理2的pH最大值均出现在第4天，而处理3和处理4的 pH最大值分别出现在第10天和第13天，之后各个处理的pH逐渐下降，堆肥结束时各处理pH稳定在7.9～8.5的范围内，基本满足植物生长的要求。

电导率（EC）反映了污泥中可溶性电解质的含量，离子的强度决定了电导率的大小。一般情况下，堆肥产品的电导率要适中，否则会影响植物的正常生长。由图4b可知，4个处理EC变化基本均为先上升接着下降后又上升，最后下降趋于稳定的变化趋势。这可能是由于堆肥初期，由于微生物代谢旺盛、活动加剧，分解大量的物料并产生大量的小分子有机酸和各种离子，电导率上升很明显，随着堆肥的进行，小分子有机酸和离子交换量的变化以及NH3的挥发等，造成了EC值也随之波动变化[15，16]。在降温期阶段，有机质基本被降解完全，EC值趋于稳定，最终EC值维持在1.10～1.31 ms/cm范围内，且全过程均小于4 ms/cm安全阈值，可以安全使用[17]。

2.6 污泥堆肥过程中种子发芽指数的动态变化

种子发芽指数（GI）是判断堆肥腐熟度和植物毒性的极重要的指标[18]，是一种直接和有效的检测堆肥产品的毒性的方法。当种子发芽指数达到50.00%时，表明堆肥已达腐熟，其毒性已降解至植物能承受的水平[19]。由图5可知，4个处理GI值均呈现先下降后上升的趋势。堆肥初期处理1种子发芽指数为39.64%，处理2为27.22%，处理3为25.50%，处理4为26.18%，都比较低。这与初期产生高浓度的氨气和小分子有机酸有关，随着堆肥的进行，小分子有机酸被分解转化和氨气的挥发量减少，到堆肥结束时种子发芽指数分别达到了56.85%、74.37%、66.47%、50.31%。由此可见，经过堆肥过程4个处理的堆肥产品对植物均已无危害。

3 小结与讨论

污泥和锯末采用3.5∶1.0（处理2）和4.0∶1.0（处理3）比例的处理达到的最高温度和高温持续时间要优于3.0∶1.0（处理1）和5.0∶1.0（处理4）的比例，其中处理4温度未能完成无害化过程；各处理VS含量呈逐渐下降的趋势，其中处理2和处理3的降解效果较好，分别为18.25%、17.68%；总氮含量也呈现逐渐降低的趋势，其中处理2和处理3的氮损失较严重，分别达到63.25%、53.05%。硝态氮含量均呈现先下降后逐渐上升的趋势，与铵态氮的含量变化正好相反；pH、EC和种子发芽指数（GI）均呈现逐渐上升的趋势，堆肥结束时pH、EC和GI均符合无害化要求。考虑到辅料成本和氮损失问题，污泥和锯末堆肥过程中推荐采用4.0∶1.0的比例。

参考文献：

[1] 翁焕新，傅凤霞，刘 瓒，等.污泥干化使重金属形态变向稳定的原因分析[J].环境科学学报，2010，30（7）：1401-1409.

[2] 唐淦海，刘郡英，谷春豪，等.作物秸秆与城市污泥高温好氧堆肥产物对土壤氮矿化的影响[J].农业工程学报，2011，27（1）：326-331.

[3] 谭启玲，胡承孝，赵 斌，等.城市污泥的特性及其农业利用现状[J].华中农业大学学报，2002，21（6）：587-592.

[4] 马 闯，高 定，郑国砥，等.污泥好氧生物发酵调理剂CTB-2的吸水和抗压特性[J].中国给水排水，2011，27（13）：103-105.

[5] 马 闯，高 定，陈同斌，等.新型调理剂CTB-2污泥堆肥的氧气时空变化特征研究[J].生态环境学报，2012，21（5）：929-932.endprint

[6] 张 军，雷 梅，高 定，等.堆肥调理剂研究进展[J].生态环境，2007，16（1）：239-247.

[7] 程绍明，马杨珲，姜雄晖.不同木屑含量对猪粪好氧堆肥过程的影响研究[J].江西农业大学学报，2009，31（5）：833-836.

[8] 康 军，张增强，张 维，等.玉米秸秆添加比例对污泥好氧堆肥质量的影响[J].武汉理工大学学报，2010，32（2）：172-176.

[9] 李 冰，王昌全，江连强，等.有机辅料对猪粪堆肥中氨气挥发的抑制效应及其影响因素分析[J].植物营养与肥料学报，2008， 14（5）：987-993.

[10] 陶 玉，王里奥，黄 川，等.稻草调理剂的掺量对污泥堆肥的影响研究[J].中国给水排水，2010，26（21）：98-101.

[11] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业出版社，2000.

[12] 罗 维，陈同斌.湿度对堆肥理化性质的影响[J].生态学报，2004，24（11）：2656-2663.

[13] 孙晓杰，王洪涛，陆文静.通风量对粪渣与树叶共堆肥的影响[J]. 农业工程学报，2009，25（9）：249-253.

[14] 陈世和，张所明，宛 玲，等.城市生活垃圾堆肥处理的微生物特性研究[J].上海环境科学，1989，8（8）：17-21.

[15] 秦 莉，李玉春，李国学，等.城市生活垃圾堆肥过程中腐熟度指标及控制参数[J]. 农业工程学报，2006，22（12）：189-194.

[16] SHARON Z N，OMER M，JORGE T，et al.Dissolved organic carbon（DOC） as a parameter of compost maturity[J]. Soil Biology and Biochemistry，2005，37：2109-2116.

[17] GARC A C，HERN NDEZ T，COSTA F.Study on water extract of sewage sludge composts[J]. Soil Science and Plant Nutrition，1991，37：399-408.

[18] WANG P， CHANGA C，WATSON M，et al.Maturity indices for composted dairy and pig manures[J].Soil Biology and Biochemistry，2004，36（5）：767-776.

[19] 黄国锋，钟流举，张振钿，等.猪粪堆肥化处理过程中的氮素转变及腐熟度研究[J].应用生态学报，2002，13（11）：1459-1462.endprint