污泥添加园林废弃物堆肥过程参数变化及腐熟度综合评价

孟国欣，查同刚*，巩潇，张晓霞，陈茜，刘峥，周金星

1. 北京林业大学水土保持学院/北京市水土保持工程技术研究中心，北京 100083；2. 北京圣海林生态环境科技股份有限公司，北京 100083

随着中国城镇污水处理率的不断提高，污泥产量急剧增加，污泥处理已经成为城市可持续发展有待解决的主要问题之一（孟国欣等，2017）。堆肥化处理可以有效减少污泥中有机质和养分元素的流失，是污泥减量化、无害化、资源化的一种比较理想的处理方法，是实现污泥可持续利用的主要途径（Lister et al.，2001）。污泥单独堆肥周期长、效果差，容易导致大量氮损失，在污泥中添加一定比例的高碳低氮的物质补充碳源，有利于提高微生物对有机碳的分解速率，促进微生物将更多的铵态氮固定为有机氮，以减少氮素损失（Xu et al.，2000；洪磊等，2016）。常见的碳源包括园林废弃物、秸秆、稻草、锯末及生活垃圾等。园林废弃物来源充足、以废治废，可以取得一定经济效益、生态效益，并且能够有效地减缓城市有机废弃物的处理压力（吴阳，2016）。园林废弃物和城市污泥中含有的各类营养元素和有机物能够改善土壤结构和性能，增加土壤养分，从而促进植物的生长发育，提高作物的产量（Dowdy et al.，1978；Garcia et al.，2002；Sun et al.，2014；Viaene et al.，2016）。

堆肥后的物料是否达到了堆肥处理和利用的目的，其主要评价指标是腐熟度。如果将未腐熟的物料施入土壤环境中会提高土壤微生物的活性，在一段时间内造成潜在的氧缺乏和间接毒性，并可能伴随大量的臭味，污染空气，不利于物料的大力推广和可持续利用（Bernal et al.，1998；Gao et al.，2010；袁京等，2016）。保证堆肥的腐熟度是堆肥工艺和堆肥产品质量控制的重要环节，因此，堆肥腐熟度评价应该引起高度重视。

模糊综合评价法、灰色聚类法、灰色关联分析法等数学方法综合考虑了评价指标，避免了单一指标只能从某一方面反映堆肥腐熟程度的片面性，使得评价结果更具有综合性、科学性、可操作性，成为目前评价堆肥腐熟度的优选方法（庞博等，2011；房琦等，2017）。模糊综合评价法能较好地解决单个指标评价所带来的偏差和片面性，综合地量化堆肥的腐熟状况（王敦球等，2005）。张永涛等（2009）利用模糊综合评价法分析了污泥和生活垃圾的腐熟。灰色聚类法集合了灰色理论，能够充分利用有限信息并通过数学定量手段确定聚类对象间亲疏关系（江敏等，2012）。郑欢等（2014）利用灰色聚类法研究城市污泥好氧堆肥腐熟度评价。

针对堆肥腐熟度评价方法和评价指标的选择方面的研究已开展较多（Seal et al.，2012）。María et al.（2008）进行了牛粪堆肥过程中的稳定性和成熟度评价；Gao et al.（2010）选取了碳氮比、种子发芽指数等指标，综合评价了鸡粪混合不同量木屑堆肥过程中的稳定性和成熟度变化。Qian et al.（2014）选取温度、湿度、pH值、总有机碳等指标，建立了畜禽粪便与稻草共堆肥成熟度评估体系。任春晓等（2012）选取含水率、碳氮降解率、种子发芽指数等5项评价指标，运用灰色关联分析法、模糊综合评价法、属性识别法进行生活垃圾堆肥腐熟度评价，得出灰色关联分析法较为优选。目前，有关污泥添加园林废弃物进行堆肥腐熟度评价鲜见报道。本研究在总结前人研究的基础上，选取了表观指数、堆肥高温期（≥55 ℃）持续时间、pH值、碳氮降解率、种子发芽指数等5项评价指标，运用模糊综合评价法和灰色聚类法，综合评价了7种不同工况堆肥样品的腐熟程度，以期为研究北京市污泥处理处置、污泥与园林废弃物的循环利用和污泥堆肥腐熟度的评价提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 实验设置

污泥取自北京市某污水处理厂脱水车间，此污水处理厂主要处理生活污水，处理工艺采用延时曝气的奥贝尔氧化沟工艺，具有生物除磷脱氮功能，经自然风干至含水率为 40%～50%时供堆肥使用。园林废弃物来自北京林业大学国家级园林实验教学示范中心，经粉碎机粉碎为粒径约2 mm的颗粒，供试材料的基本性质见表 1。堆肥分为两个阶段，一次发酵阶段为期15 d，堆肥装置为有效体积80 L的发酵箱组成的3个模拟装置，箱底多孔筛板覆有两层纱网，将配制好的物料放置于通风良好、易于翻动的编织袋中，每个发酵箱放置3个堆料袋。采用强制通风好氧堆肥方式，使用热风机由下部筛板向上通风供氧，通风速率为0.4 m3∙h-1，堆肥期间最高温度可达到50 ℃。二次发酵阶段为期45 d，自然堆放、隔日翻堆进行通风（孟国欣等，2018）。堆肥物料配比详见表2。

表2 堆肥物料配比Table 2 Composting material ratio

1.2 样品采集与检测

2017年5月24日开始堆肥，堆肥化过程中，前6 天每隔2天取样1次，6 d后每隔3天取样1次，15 d后每隔6天取样1次，33 d后每隔9天取样1次。每次取样180 g左右，每个工况各采集3个重复，采集13次，共273个样品。

采用堆肥装置自带的温度计测定堆肥温度。水土比5∶1测定pH值。黑麦草（Lolium perenne L.）种子发芽率（弓凤莲等，2014a）：取新鲜堆肥样品100 g，加500 mL蒸馏水，振荡30 min后过滤，取滤液10 mL（对照组采用蒸馏水10 mL）置于铺有滤纸的培养皿中，将50粒黑麦草（冬牧70型）种子均匀撒于其上，在黑暗、常温环境下培养24、48、72 h后，记录种子发芽数及长势，最后取3个平行的平均数计算发芽率。碳氮降解率：风干后堆肥样品的全碳含量采用重铬酸钾外加热法测定，全氮含量采用凯氏定氮法测定。

1.3 评价指标的选择

污泥腐熟度评价指标主要包括物理指标、化学指标、生物指标。本研究选用1种物理指标（表观指数）、3种化学指标（堆肥高温期（≥55 ℃）持续时间、pH值、碳氮降解速率）、1种生物指标（种子发芽指数）作为评价依据。

表1 供试材料的基本性质Table 1 Basic properties of the tested materials

1.3.1 表观指数

表观指数可以通过堆肥的颜色、手感、气味、卫生程度采用打分法来确定（弓凤莲等，2014b）。

Ⅰ级（完全腐熟）：成品颜色呈深褐色，无臭味，团粒疏松；Ⅱ级（较好腐熟）：成品颜色呈暗褐色，有轻微臭味，团粒较大；Ⅲ级（基本腐熟）：成品颜色呈褐色，略有臭味，团粒较大；Ⅳ级（未腐熟）：成品颜色呈浅褐色，有臭味，粒径大，有结块。

1.3.2 堆肥高温期（≥55 ℃）持续时间

污泥堆肥过程中，中温（45 ℃左右）有利于有机质的分解，高温（55～60 ℃）能够杀死有害虫卵，促进微生物分解有毒物质，降低堆肥毒性。一般需要维持6～7 d的高温，以达到无害化目的（许效天等，2008）。

1.3.3 pH值

污泥堆肥过程中，pH值不仅影响有机物质分解、矿物质的溶解、氧化还原及微生物活动强度，而且直接影响酶参与的生化反应速率（王川等，2011）。

1.3.4 碳氮降解率

采用碳氮降解率来表示堆肥的腐熟程度，公式为：

1.3.5 种子发芽指数

通过测定种子发芽指数，可以了解堆肥产品是否对植物有毒害作用。种子发芽指数按下式计算：

式中，SG表示样品的发芽率；CG表示对照的发芽率；SL表示样品的根长；CL表示对照的根长。

1.4 评价标准的确定

根据堆肥原料特性和堆肥的实际情况，采用完全腐熟、较好腐熟、基本腐熟和未腐熟四级指数标度法确定各化学指标所对应的分级值。对于表观指数指标，采用主观赋值法（弓凤莲等，2014b）。堆肥腐熟度评价标准如表3。

1.5 评价方法

1.5.1 模糊综合评价法

模糊综合评价法的原理与方法见参考文献（王敦球等，2005；蔡华帅等，2006；张永涛等，2009）。

（1）隶属度函数的建立

建立4个级别的隶属度函数，如下：

第一级堆肥质量，即j=1时，隶属函数为：

第二级堆肥质量，即j=2时，隶属函数为：

第三级堆肥质量，即j=3时，隶属函数为：

第四级堆肥质量，即j=4时，隶属函数为：

式中，xi为某项指标的实测值；Si为某项指标的标准值。

（2）权重确定

表3 堆肥腐熟度评价标准Table3 Stabilization degree standard of compost

因素的权数（ωi）的计算公式：

式中，ci为某指标的实测值；为某项指标的分级标准平均值。

（3）综合评价

将各隶属度与权重相乘得出综合评价结果。

1.5.2 灰色聚类法

灰色聚类法的原理与方法见文献（黄红丽等，2005；庞博等，2011；郑欢等，2014）。

（1）确定白化权函数

灰色聚类法中白化函数的建立与模糊数学中隶属函数的建立类似。

（2）灰类值无量纲化处理

式中，Skj为第j个聚类指标第k个灰类的灰值（标准值）；rij为第j个聚类指标第k个灰类的无量纲数。

（3）确定各个指标的聚类权

式中，ηkj为第j个聚类指标第k个灰类的权重。

（4）确定聚类系数

将各白化函数值与聚类权相乘得出综合评价结果。每行数值最大的聚类系数对应的灰类就是该样品腐熟度的级别。

2 结果与讨论

2.1 污泥堆肥过程中参数变化

2.1.1 温度

如图1所示，堆肥0 d，各工况污泥温度均较低。随着堆肥的进行，各工况污泥温度整体呈现先增大后减小再稳定的趋势。工况S、G1S9的温度较低，始终未达到高温阶段（≥55 ℃）。工况G1S4、G3S7温度升高较慢，第15天达到高温阶段，高温阶段分别维持了7 d、13 d。工况G2S3温度升高较快，第12天达到高温阶段，维持了16 d。工况G1S1、G3S2温度升高最快，第9天达到高温阶段，分别维持了19 d、25 d。随着园林废弃物添加量的增大，堆肥温度升高越快且堆肥高温段保持时间越长。园林废弃物可作为结构物质提高堆肥的通气性，改善堆肥结构，解决污泥单独堆肥微生物菌群移动性差的问题，避免微生物菌群附近的底物被分解，使微生物的活性降低，促进堆肥过程快速达到高温阶段；随着翻堆的进行，微生物的分解底物重新分配，堆肥过程产生的臭气等有毒物质挥发，微生物活性再次提高，温度再次上升，堆肥高温期持续时间较久；随着不断地翻堆，底物不断消耗，温度不再上升（吕子文等，2010）。

图1 温度随堆肥时间的变化Fig. 1 Temperature changes with composting time n=273. The same below

2.1.2 pH值

堆肥中含碳有机物产生的有机酸与含氮有机物产生的氨共同作用引起pH值的变化（宁尚晓，2012）。如图2所示，pH值整体呈现先上升（0～12 d）后略有下降（12～42 d）最后保持稳定不变（42～60 d）的趋势。堆肥0 d，随着园林废弃物添加量增大，堆肥样品pH值基本呈现逐渐增大的趋势，表现为G3S2(8.0)＞G2S3(7.7)＞G1S1(7.6)＞G1S9(7.5) =G3S7(7.4)=G1S4(7.4)＞S(7.2)。堆肥初期，随着微生物快速繁殖，所产生的有机酸使得pH值略下降，但一些易于分解的含氮有机物在微生物的作用下发生氨化反应，释放出氨气，pH值增大。所以，堆肥初期pH值整体呈现增大的趋势，但增幅缓慢。第12天，各工况均达到较大值，表现为 G2S3(9.2)＞G3S2(8.9)=G1S1(8.9)＞G3S7(8.6)＞G1S9(8.5)＞G1S4(8.4)=S(8.4)。主要是由于小分子有机酸的挥发，同时在微生物对含氮有机物进行分解所产生的氨的作用下，pH值升高较快。最后，随着氨气释放和硝化作用转化，氨气含量减少，pH值又下降。堆肥结束后，各工况pH值均较低。

图2 pH值随堆肥时间的变化Fig. 2 pH changes with composting time

2.1.3 ω(C)/ω(N)降解率

如图 3所示，堆肥初期（0～6 d），各工况ω(C)/ω(N)降解率都较低（＜12%）。随着堆肥的进行，ω(C)/ω(N)降解率逐渐增大。工况S，第21天达到12%以上，第33天达到21%以上，始终未超过30%；工况G1S9，第15天达到12%以上，第27天达到21%以上，始终未超过45%；工况G1S4、G3S7，第12天达到12%以上，第15天达到21%以上，分别在第42天、第33天达到45%以上，始终未超过60%；工况G2S3、G1S1、G3S2，第9天达到12%以上，第12天达到21%以上，分别在第33天、第21天、第15天达到45%以上，第33天、第42天、第42天达到60%以上。

图3 碳氮降解率随堆肥时间的变化Fig. 3 Carbon and nitrogen degradation rate changeswith composting time

2.1.4 种子发芽指数

种子发芽指数是堆肥腐熟的一个非常重要的生物指标，GI是植物对于堆肥低毒性（植物根长）和高毒性（发芽率）的综合反映（Bernai et al.，1998）。如图4所示，黑麦草在前6天的发芽指数均为零，说明在堆肥过程中产生了对黑麦草生长有高毒害作用的物质，主要包含一些对种子发芽有抑制作用的激素或有机污染物质（余杰等，2011），且污泥中的重金属含量较高，对种子的发芽也具有抑制作用（司莉青等，2016）。工况S、G1S9的种子发芽指数在第9天后开始增大，分别在51 d、42 d后达到最大值（32.8%、60.4%）；工况 G1S4、G3S7在第 12天后开始增大，33 d后分别达到最大值（64.3%、70.7%）；工况 G2S3、G1S1、G3S2在第15天后开始增大，分别在第33天、第42天、第33天达到最大值（91.3%、77.1%、88.6%）。

图4 种子发芽指数随堆肥时间的变化Fig. 4 Seed germination index changeswith composting time

综上所述，堆肥过程中，温度、pH值、种子发芽指数整体呈现先增大后减小再稳定的过程，ω(C)/ω(N)降解率呈现先增大后稳定的规律。以第60天各工况污泥为例进行堆肥腐熟度综合评价，结果如表4所示。

表4 各堆肥样品在60 d时的实际测定值Table 4 Measured values of various compost samples determining in 60 days

2.2 模糊综合评价法的应用

2.2.1 隶属度的确定

根据4个级别的隶属度函数，将评价因子的实测值代入隶属度函数求出各指标的隶属度（表5）。

2.2.2 权重确定

将各指标实测值和分级标准平均值代入公式中，计算各因素的权重（表6）。

2.2.3 综合评价结果

根据最大隶属度原则，各工况最大隶属度分别为1.278、1.272、2.519、2.903、6.775、7.109、7.885（表7），根据各最大隶属度所在等级可推出工况S、G1S9、G1S4、G3S7、G2S3、G1S1、G3S2 分别属于基本腐熟、基本腐熟、较好腐熟、较好腐熟、完全腐熟、完全腐熟、完全腐熟等级。

表5 模糊综合评价各指标的隶属度Table 5 Membership of maturity indices

表6 模糊综合评价指标权重的计算结果Table 6 Categorization weight of maturity indices

2.3 灰色聚类法的评价结果

2.3.1 确定白化权函数

将评价因子的实测值代入白化权函数求出各指标的白化函数值，结果与隶属度函数求出的各指标的隶属度相同（表5）。

2.3.2 灰类值无量纲化处理

聚类权是衡量各个指标对同一灰类的权重。由于腐熟度分级数据量级不一样，单位也不同，如果直接进行计算，会导致实测值小的指标失去评价作用。因此，对灰类值进行无量纲化处理，结果如表8所示。

2.3.3 确定各个指标的聚类权

利用无量纲化处理的灰类值计算各个指标的权重，结果如表9所示。

2.3.4 确定聚类系数及样品属于的灰类

由表10可知，工况S、G1S9、G1S4、G3S7、G2S3、G1S1、G3S2最大聚类系数分别为 0.328、0.299、0.626、0.730、1.433、1.433、1.433，分别属于未腐熟、未腐熟、较好腐熟、较好腐熟、完全腐熟、完全腐熟、完全腐熟等级。

2.4 评价结果差异性分析

利用模糊综合评价法、灰色聚类法分别对7个不同工况 0～60 d的堆肥样品腐熟度进行了综合评价（表 11）。比较两种方法得到的评价结果可知，0～12 d、21 d两种评价结果一致；第15天，除工况G3S7外，其余工况评价结果一致；第27天，工况S、G3S7、G2S3、G1S1、G3S2的评价结果一致，分别为Ⅳ级、Ⅱ级、Ⅰ级、Ⅰ级、Ⅰ级，工况G1S9、G1S4模糊综合评价法的结果均为Ⅲ级，灰色聚类法评价结果分别为Ⅳ级、Ⅱ级；第 33天，除工况G1S4外，其余工况评价结果一致；第42天，除工况G1S9外，其余工况评价结果一致；51～60 d，工况G1S4、G3S7、G2S3、G1S1、G3S2的评价结果一致，分别为Ⅱ级、Ⅱ级、Ⅰ级、Ⅰ级、Ⅰ级，工况S、G1S9模糊综合评价法的结果均为Ⅲ级，灰色聚类法均为Ⅳ级。

表7 模糊综合评价结果Table 7 Results of the fuzzy mathematics evaluation

表8 无量纲灰类值Table 8 Dimensionless values of evaluation indexes

表9 各指标的聚类权Table 9 Clustering weights of evaluation indexes in corresponding grey classification

表10 聚类系数Table 10 Clustering coefficients of the grey category

表11 0～60 d堆肥腐熟度评价结果Table 11 Composting maturity evaluation results in 0～60 days

堆肥结束，结合腐熟实际情况，对两种评价方法进行综合比较。模糊综合评价法和灰色聚类法都考虑各参数对腐熟度的影响，但侧重点有所不同，主要体现在权重的计算方面（沈珍瑶等，1997；郭劲松等，2000）。模糊综合评价法中权重主要根据实测值来确定，其原理是通过构造等级模糊子集把反映被评事物的模糊指标进行量化，然后利用模糊变换原理综合各指标，强调极值的作用，结果导致实测值小的指标失去评价的作用，只突出了主要因素，信息丢失量较大。灰色聚类法中的权重主要根据评价标准值来确定。灰色聚类法认为腐熟度的权重隐含在变化幅度不同的各级标准值中，为反映同一堆肥处理在不同级别的差异和不同堆肥处理在同一级别的差异，采用标准值来确定权重，充分考虑各因素对腐熟度的影响，信息利用率较高（庞博等，2011）。所得的聚类系数反映了各评价对象与各腐熟级别之间的亲疏关系，系数越大，腐熟越好（黄彩霞等，2009）。综上所述，灰色聚类法更适合于污泥添加园林废弃物堆肥腐熟度评价。

污泥中含有丰富的有机营养物质和营养元素，是非常有价值的资源（Kulling et al.，2001）。园林废弃物的主要成分为木质纤维素，肥性较低但可作为结构物质增强肥料的通气性，利用其堆肥除了可以提高土壤肥力，还能提高雨水渗透性，减少土壤侵蚀和地表径流等（司莉青等，2016）。两者混合堆肥使得污泥中的营养物质释放规律发生变化，更有利于植物的长期吸收利用。纯污泥利用对黑麦草的种子发芽率有明显的抑制作用，加入园林废弃物堆肥后抑制作用则有所改善，当添加量在一定范围内还能促进种子发芽。由于污泥中含有一些对种子发芽有抑制作用的激素类物质和有机污染物质等（余杰等，2011），对植物种子的发芽起到调控作用，但随着堆肥时间的延长和园林废弃物的作用，这些成分被逐渐分解，其抑制作用也逐渐减弱。本研究中，随着堆肥时间的延长，所有工况黑麦草的发芽率都有所增加，当污泥与园林废弃物堆肥的配比为2∶3时，黑麦草种子的发芽率达到最高，继续增大园林废弃物的添加量，种子发芽率有所下降，说明添加量不宜过高。

3 结论

随堆肥时间变化，温度、pH值、种子发芽指数整体呈现先增大再减小后稳定的过程，碳氮降解率呈现先增加后稳定的规律。

添加适量园林废弃物，能够有效促进堆肥腐熟。堆肥结束，模糊综合评价法结果显示工况S、G1S9均为基本腐熟，而灰色聚类法评价结果均为未腐熟。两种评价方法均显示工况G1S4、G5S7为较好腐熟；工况G2S3、G1S1、G3S2为完全腐熟。其中，工况G2S3使污泥与园林绿化废弃物均得到最大化利用，且能促进堆肥腐熟度，取得较好的堆肥效果。

模糊综合评价法和灰色聚类法都综合考虑所有参数对腐熟度的影响，评价结果较为合理，但两种方法的侧重点有所不同，灰色聚类法更适用于污泥堆肥腐熟度评价。