添加腐熟污泥对生活垃圾堆肥物料理化性质及温室气体释放规律的影响

马 强 孙英杰# 王华伟 郭康圣 赵 鑫 卞荣星

(1.青岛理工大学环境与市政工程学院，山东 青岛 266033；2.青岛洁润环境有限公司，山东 青岛 266000)

添加腐熟污泥对生活垃圾堆肥物料理化性质及温室气体释放规律的影响

马 强1孙英杰1#王华伟1郭康圣2赵 鑫1卞荣星1

(1.青岛理工大学环境与市政工程学院，山东 青岛 266033；2.青岛洁润环境有限公司，山东 青岛 266000)

研究了添加腐熟污泥对生活垃圾堆肥物料理化性质及温室气体释放规律的影响。结果表明：(1)在生活垃圾中添加腐熟污泥进行堆肥，可降低堆肥物料的含水率，缩短整个堆肥周期；添加腐熟污泥还可以缓解堆体的酸化程度，促进有机质的降解，使C/N更适合微生物的生长和繁殖。(2)CO2和CH4两种温室气体的释放主要集中在堆肥高温期，CO2释放量随腐熟污泥添加量的增加而增加，而CH4释放量随腐熟污泥添加量的增加而减少。

堆肥 腐熟污泥 生活垃圾 理化性质 温室气体

垃圾堆肥是利用微生物在一定条件下对垃圾中有机物进行氧化分解的过程。堆肥不仅可以实现垃圾的减容、减重，而且还可以生产肥料。但是，由于生活垃圾C/N比较高，直接堆肥通常存在N素损失严重、堆肥产品质量差等问题[1]。有研究发现，生活垃圾中添加腐熟污泥可以调节C/N，但污泥投加比例过大会影响堆体通风性能，产生通风短流、布气不均匀等问题，进而降低堆肥速率并导致堆肥物料腐熟程度不一致[2]。以花生壳作为调理剂的腐熟污泥含有大量微生物、孔隙均匀，与生活垃圾混合后能够起到接种微生物、调节堆体含水率和孔隙率的作用。为此，本研究通过向生活垃圾中添加以花生壳作为调理剂的腐熟污泥，研究其添加量对垃圾堆肥物料理化性质及温室气体释放规律的影响，以期对生活垃圾堆肥工程运行提供指导。

1 材料与方法

1.1 堆肥材料

生活垃圾取自于青岛洁润环境有限公司，已经过人工分拣、机械破碎、磁选等预处理工艺，剔除了塑料、玻璃、金属等不适合堆肥的物质。腐熟污泥为青岛洁润环境有限公司污泥堆肥车间的一次发酵粗肥，已经过花生壳调理。生活垃圾和腐熟污泥基本理化性质如表1所示。

表1 生活垃圾和腐熟污泥基本理化性质

注：1)总有机碳与TN的质量比。

1.2 实验方法

以生活垃圾单独堆肥为空白(kb)对照，设置了3个实验组，生活垃圾与腐熟污泥质量比分别为1∶1、2∶1、4∶1。堆肥在青岛市小涧西生化处理厂堆肥仓内进行，堆肥仓尺寸为110.0 m×3.0 m×3.0 m，由装载机将腐熟污泥与生活垃圾混匀物料铲入到堆肥仓内，每个堆体规格为14.0 m×3.0 m×1.5 m。堆肥仓为密闭厂房式构筑物，下设通风道，采用鼓风机每隔50 min强制通风1次，每次通风10 min，每7天机械翻堆一次，堆肥周期为31 d。

每两天在堆体的上、中、下多点采集堆肥物料样品，采样方法参照《城市生活垃圾采样和物理分析方法》(CJ/T 3039—1995)。样品含水率直接测定；其他指标经风干、磨碎后，过0.25 mm筛，待测。将尺寸为45 cm×45 cm×40 cm的静态箱扣入垃圾堆体内，用大气采样器抽取柱体内气体样品。

1.3 分析方法

采用热电偶温度传感器自动温度监测系统直接测定堆肥物料内部温度，取24 h平均值作为当天堆肥物料内部的温度。含水率采用减重法测定，即测定堆肥物料样品在105 ℃下烘15 h前后的质量，两次的质量差(含水量)与堆肥物料样品的质量比即为含水率。有机质采用减重法，即测定堆肥物料样品在550 ℃下灼烧10 h前后的质量，两次的质量差扣除含水量后计算有机质含量。有机碳采用《土壤有机质测定法》(GB 9834—1988)的计算方法，即有机质除以1.724。将堆肥物料样品与水按1 g∶10 mL的比例浸提后采用玻璃电极法测定pH。TN采用硫酸消解—凯氏定氮法测定。CO2采用GXH3010E便携式红外CO2分析仪测定，以标准状况下的摩尔分数计。CH4采用3420AFIN气相色谱仪测定。

2 结果与分析

2.1 堆肥物料温度变化

堆肥物料在微生物作用下分解有机物产生大量热量，导致堆体温度快速上升。堆体温度变化能反应内部微生物活性变化，也是堆肥反应的直观表现，决定着有机物的降解速率[3]。从图1可以看出，与kb实验组相比，生活垃圾与腐熟污泥质量比分别为1∶1、2∶1和4∶1时，堆体升温更快，分别在堆肥3、3、4 d后升至55 ℃以上，而kb实验组11 d后才升至55 ℃以上。此外，腐熟污泥添加量会影响高温维持时间，1∶1、2∶1、4∶1实验组温度在55 ℃以上的维持时间分别为8、14、15 d，随腐熟污泥添加量的增加而缩短。当生活垃圾中添加腐熟污泥后，堆体不仅升温快，而且降温也快。这是因为腐熟污泥添加量过大使堆肥物料的空隙过大，在通风阶段会带走大量热量，因而其高温维持的时间短，降温快。总体来讲，添加腐熟污泥后高温(55 ℃以上)维持时间均能达到3 d以上，满足堆肥卫生学的要求，而且可以缩短堆肥周期。

图1 堆肥物料温度变化趋势Fig.1 Change of temperature during composting

2.2 堆肥物料含水率变化

堆肥初期，1∶1、2∶1、4∶1及kb实验组的含水率分别为51.4%、52.1%、53.7%、60.2%，可以认为均在堆肥最适含水率范围(50%～60%)内[4]。堆肥过程中堆肥物料含水率变化见图2。随着堆肥过程的进行，物料的含水率逐渐降低。堆肥结束时，1∶1、2∶1、4∶1及kb实验组的含水率分别降到了25.2%、28.3%、32.1%、35.9%，分别降低了50.4%、45.7%、40.2%、40.4%。可见，腐熟污泥添加量越大，含水率下降越多。堆体内水分一方面由微生物代谢有机物产生，另一方面在通风作用下以水蒸气形式散失，这两方面因素导致堆肥过程物料含水率的变化[5]。由于腐熟污泥具有孔隙率大的特点，因此添加腐熟污泥增加了堆体的孔隙率，在通风作用下有机物代谢产生的水分小于水蒸气的散失量，所以腐熟污泥添加量越大，含水率下降越多。

图2 堆肥物料含水率变化Fig.2 Change of water content during composting

2.3 堆肥物料pH变化

堆肥过程中堆肥物料pH变化情况如图3。在整个堆肥过程中，1∶1、2∶1、4∶1及kb实验组的pH变化规律基本一致。开始时，1∶1、2∶1、4∶1及kb实验组的pH分别为7.7、7.5、7.1、6.4。随着堆肥过程的进行，大分子有机物在水解酸化细菌的作用下被水解和酸化，转化为短链脂肪酸，使pH降低。总体来看，腐熟污泥的添加量越少，堆体的pH越低，酸化程度越高。由此可见，腐熟污泥的添加可以缓解堆体的酸化程度。随后，堆肥物料pH逐渐升高，一方面是由于有机氮的氨化产生了NH3；另一方面是由于产生的有机酸被微生物降解[6]。最后，pH均稳定在8.0左右。因此，添加腐熟污泥可以调节堆肥物料的pH，使堆体内的酸碱环境更适宜微生物的生长和繁殖。

图3 堆肥物料pH变化Fig.3 Change of pH during composting

2.4 堆肥物料有机质变化

由图4可知，腐熟污泥添加量越少，堆肥物料有机质含量越高。随着堆肥的进行，有机质在微生物作用下不断减少。1∶1实验组由初始的507.0 g/kg下降到286.0 g/kg，下降了43.6%；2∶1实验组由初始的511.0 g/kg下降到276.3 g/kg，下降了45.9%，4∶1实验组由初始的515.0 g/kg下降到300.0 g/kg，下降了41.7%；kb实验组由初始的566.2 g/kg下降到332.0 g/kg，下降了41.4%。

图4 堆肥物料有机质变化Fig.4 Change of organic mattter during composting

生活垃圾有机质接近600 g/kg时可能发生厌氧反应而产生恶臭，不利于堆肥的进行[7]。而腐熟污泥是已经过堆肥的产品，其有机质含量较低，可以调节生活垃圾中的有机质含量，还可以提高堆体孔隙率，增加好氧微生物对氧气的利用率，促进有机质的降解。所以，添加腐熟污泥的堆体有机质降解速率相对较高。

2.5 堆肥物料C/N变化

堆肥物料中C/N是影响堆肥微生物对有机质分解的最重要因子之一。由图5可知，开始时1∶1、2∶1、4∶1及kb实验组的C/N分别为25.4、26.4、27.0、29.1，均满足堆肥C/N在20～30的要求[8]，结束时分别降到了16.9、17.1、17.1、17.7，均低于20，也满足堆肥结束时的C/N要求[9]。在堆肥过程中，4组实验C/N变化基本一致，均呈逐渐下降趋势。腐熟污泥的添加可以通过调节堆肥物料有机质来改变C/N，使得堆肥物料处于适宜的C/N范围内，为堆体微生物生长和繁殖提供良好的营养源和能量源，促进堆肥的进行。

图5 堆肥物料C/N变化Fig.5 Change of C/N during composting

2.6 堆体CO2释放变化

堆肥过程中CO2释放规律如图6所示。4组实验的CO2释放规律基本一致，整体上呈现先增加后减少的趋势，与温度的变化相似。堆肥前期，堆肥物料温度快速上升，CO2释放量也快速上升，CO2主要集中在堆肥前期的高温期释放，与杨岩等[10]和罗一鸣等[11]的研究结果一致。随着腐熟污泥添加量的增加，CO2释放量增加，1∶1、2∶1、4∶1及kb实验组的CO2释放量最高分别为78.4%、72.0%、64.2%、62.4%。根据HELLMANN等[12]的研究，在有机物的降解过程中，60%～70%的碳水化合物被微生物分解后以CO2的形式释放。由于腐熟污泥可以增加生活垃圾的孔隙率，在通气量不变的情况下，提高了堆体中氧气的利用率，因此加速了CO2的释放。此外，腐熟污泥还含有较多的嗜热性微生物，添加腐熟污泥可以促进嗜热性微生物对有机物在高温期的分解，加速CO2的释放。

图6 堆体CO2浓度变化Fig.6 Change of CO2 concentrations during composting

2.7 堆体CH4释放变化

堆肥过程中CH4释放规律如图7所示。4组实验的CH4释放规律基本一致，CH4释放量随着堆肥物料温度的升高而增加，在堆体高温期达到峰值，并保持较长时间的高浓度排放，随后随堆肥物料温度降低而逐渐减少。CH4排放主要集中在高温期，这与CHEN等[13]和SZANTO等[14]的研究结果相似。与kb实验组相比，1∶1、2∶1和4∶1实验组中CH4累积释放量分别减少了55.8%、41.6%、23.7%。在好氧堆肥过程中，CH4的产生主要是由于堆肥物料黏稠，孔隙率低导致堆体内气体传输性能差，形成局部厌氧环境所致。由于腐熟污泥具有较高的孔隙率，添加到生活垃圾中可以改善堆体的孔隙率和气体传输性能，提高了微生物氧气的利用率，从而减少CH4排放量。杨帆等[15]向厨余垃圾中添加15%(质量分数，下同)～35%菌糠，进行堆肥实验，与厨余垃圾单独堆肥相比，CH4释放量下降27%～65%。此外，腐熟污泥的添加降低了堆肥物料中的含水率，有利于CH4的氧化。王云龙等[16]认为，在高湿度条件下，CH4和氧气的扩散会限制CH4的氧化。总体而言，腐熟污泥的添加降低了生活垃圾堆肥过程中CH4释放量，且CH4释放量随添加量的增加而显著降低。

图7 堆体CH4浓度变化Fig.7 Change of CH4 concentration during composting

3 结 论

(1) 在生活垃圾中添加腐熟污泥进行堆肥，堆体升温速度快，降温速度也较快，高温维持时间缩短，可以缩短整个堆肥周期；腐熟污泥的添加可以降低堆肥物料的含水率，并且腐熟污泥添加量越大，含水率下降越多；添加腐熟污泥还可以缓解堆体的酸化程度，促进有机质的降解，使C/N更适合微生物的生长和繁殖。

(2) CO2和CH4两种温室气体的释放主要集中在堆体高温期，CO2释放量随腐熟污泥添加量的增加而增加，而CH4释放量腐熟污泥添加量的增加而减少。

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Effectofaddingmaturesludgeonphysicochemicalpropertiesandgreenhousegasesemissionduringrefusecompostingprocess

MAQiang1，SUNYingjie1，WANGHuawei1，GUOKangsheng2，ZHAOXin1，BIANRongxing1.

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,QingdaoUniversityofTechnology,QingdaoShandong266033；2.QingdaoJierunEnvironmentalLimitedCompany，QingdaoShandong266000)

The effect of adding mature sludge on physicochemical properties and greenhouse gases emission during refuse composting process was studied. Results showed that: (1) Adding mature sludge could lower water content and shorten the composting cycle;Besides,adding mature sludge could slow down the acidification proceeding,promote organic matter degraded,resulting in better C/N for microorganisms. (2) The emission of CO2and CH4concentrated in high temperature period. The emission of CO2increased with the increasing of mature sludge dosage while the emission of CH4decreased with the increasing of mature sludge dosage.

composting; mature sludge; refuse; physicochemical properties； greenhouse gases

马 强，男，1990年生，硕士研究生，研究方向为固体废弃物处理与处置。#

。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2016.12.015

编辑:陈锡超 (

2016-03-11)