调理剂在污泥好氧堆肥中的应用

谭艳霞，李冬丽，李芬锐，陈文通

(昆明冶金高等专科学校环境与化工学院，云南 昆明 650033)

0 引 言

市政污泥是城镇污水二级处理的中间产物，含有大量有机物和重金属类有毒有害物质。2020年，我国市政污泥产量将达到6 000万t。为防止污泥二次污染，需对其妥善处理以实现减量化、无害化、资源化、稳定化(四化)。污泥好氧堆肥工艺被广泛应用于市政污泥处理，具有周期短、操作简单，易控制等优点；该工艺可有效降低市政污泥对环境的危害，且能实现市政污泥资源化及再利用，有利于环境可持续发展[1]。

市政污泥具有有机质含量高、含水率高、碳氮比低等特点[2]。市政污泥好氧堆肥的原理是通过好氧微生物分解代谢有机物，使有机物腐殖化作用后变成肥料。通常直接采用市政污泥进行好氧堆肥无法达到堆肥过程所需理化条件。污泥好氧堆肥往往需要添加调理剂，以改善物料碳氮比(C/N)、含水率、自由空域(FAS)，部分调理剂还具有除臭和调节重金属活性的作用。

1 污泥好氧堆肥概述

1.1 市政污泥特征

市政污泥成分十分复杂，稳定性较差。污泥中含有大量有机质、重金属、细菌和寄生微生物[3]等物质，易腐化发臭，对环境造成危害。市政污泥含水率较高，多呈胶状，结构性差，但污泥中含有丰富的氮、磷、钾等营养元素，若经适当处理后可用作农肥，市政污泥资源化的潜力巨大。

1.2 好氧堆肥原理

图1 好氧堆肥基本原理[5]

污泥好氧堆肥，主要是污泥中的细菌、放线菌、真菌等好氧微生物在氧气的协助下，通过自身的代谢作用将不稳定有机物转化为稳定腐殖质的过程，其本质是污泥中微生物好氧发酵[3]。在此过程中，污泥中可溶性的有机质进入微生物细胞内参与新陈代谢，不溶性的大分子有机质由胞外酶分解成可溶性物质，再进入细胞内被微生物利用。经微生物代谢后，一部分有机物被氧化分解转化为CO2、H2O、NH3等小分子无机物，另一部分合成新细胞物质促进微生物繁殖[4-5]，基本原理如图1所示。

1.3 好氧堆肥过程

污泥好氧堆肥包括主发酵和后发酵2个过程[6-7]。主发酵又称一次堆肥，包括升温和高温2个阶段，温度可达 50 ℃ 以上，该过程一般可持续 10 d 左右。主发酵后，污泥中大部分可降解有机质被快速分解，大多数的病原体、病虫卵被杀灭，但同时也会产生臭气[7-8]。后发酵也称二次堆肥，包括降温和稳定2个阶段，温度一般低于 45 ℃，该过程持续时间较长(20～30 d)[5, 8]。经后发酵后，难降解有机物(如纤维素、木质素等)被进一步去除，臭味也得以消除，最终形成无害化的堆肥成品。

2 调理剂类别

调理剂可分为3类，主要有活性调理剂、惰性调理剂和生物调理剂，其中活性调理剂又称为有机调理剂，惰性调理剂又称为无机调理剂，生物调理剂又称为堆肥接种剂[9-10]。

2.1 活性调理剂

活性调理剂在污泥好氧堆肥过程中的用量通常较大。当前主流的活性调理剂主要包括花生壳、木屑、稻草、锯末、秸科、蘑菇渣、树叶、木片等[5, 11-14]。活性调理剂含有易降解有机物，经污泥好氧发酵后，可为微生物提供养分。活性调理剂的主要作用是调节物料的化学成分和C/N，具有较大孔隙，能改善物料结构，为微生物提供栖息地[9]。此外，活性调理剂还可降低堆肥过程中氨态氮的损失[15]。

2.2 惰性调理剂

相较于活性调理剂，惰性调理剂在污泥好氧堆肥过程中的用量较少。常见的惰性调理剂主要有粉煤灰、多孔塑料球、铝土矿渣、轮胎颗粒、沸石和CTB[6, 16-17]。惰性调理剂不参与污泥好氧发酵，不能被微生物利用，不能为微生物提供营养物质，无法调节物料的C/N比。惰性调理剂的主要作用是调节物料结构以提高堆肥的品质，它可调节物料含水率、自由空域(FAS)，钝化重金属，还能循环使用。

2.3 生物调理剂

传统意义上的生物调理剂通常也被称为堆肥接种剂，其主要成分是某一种或几种高效降解微生物[18]。一般而言，单一微生物组成的调理剂其堆肥效果低于由几种微生物复合而成的调理剂。这是由于污泥好氧堆肥过程中的堆体温度不断改变，单一微生物难以应付堆肥过程中的温度变化。近年来，将蚯蚓作为调理剂应用于污泥的好氧发酵已成为研究热点。蚯蚓可利用自身酶系统将难降解的木质素和纤维素分解转化为利于吸收的营养物质，加快堆肥稳定化进程[19]。Tripathi等[20]采用2种蚯蚓对牛粪和厨余垃圾进行堆肥处理，研究发现，在堆肥过程中蚯蚓繁殖迅速、堆肥周期缩短，蚯蚓是具有潜力的调理剂。生物调理剂加快了堆肥过程中物料的降解速度，缩短了堆肥周期，提高了堆肥效率。

3 调理剂对污泥好氧堆肥的影响

3.1 改善物料C/N

污泥好氧发酵过程中，通常需要大量碳源来为微生物提供能量，同时还需氮源来合成有机物。研究表明，污泥好氧堆肥过程物料最佳的初始C/N比为25～35[21]。物料C/N比过高，碳素过多，氮素养分缺乏，微生物需经过多次生命循环才能分解过量的碳素，导致堆肥时间变长;物料C/N比过低，氮素相对过剩，过量氮素会转化成氨气释放，不仅污染空气还会降低肥效。市政污泥C/N普遍较低，需要投加调理剂来提升物料的C/N比[22]。活性调理剂可以显著提升污泥好氧堆肥的C/N比，在污泥好氧堆肥物料中加入稻壳可将C/N比由7.1～7.3提升至17.0～24.0，微生物活性明显增强[23]。

3.2 调节含水率

水分是污泥好氧堆肥过程中必不可少的因素，水分含量的多少将影响堆肥反应的正常进行，影响堆肥产品质量。水分直接影响到有机质的分解与微生物的增殖。含水率与发酵温度、物料孔隙度密切相关。水分中溶解的有机质为微生物生命活动提供营养及能源，同时通过控制含水率来调节温度，这实质上是通过控制水分的蒸发量来调节温度。物料含水率过高，自由空间小，导致透气性能降低，微生物供氧不足，影响其好氧代谢。

污泥好氧堆肥初始含水率的最佳范围为50%～60%[24]，市政污泥含水率较高，需要投加适量的调理剂以降低污泥含水率。活性调理剂与惰性调理剂均能有效调节污泥含水率，投加木片、麦壳、玉米芯与污泥混合发酵，可使物料含水率降低至54.1%～76.1%[25]；CTB调理剂吸水性较强，可使污泥含水率下降20%左右[26]。张蔓等[12]研究了锯末、花生壳、厨余对污泥好氧堆肥的影响，结果显示，添加锯末可以有效降低污泥含水率，污泥减量化效果较好。

3.3 自由空域

污泥好氧堆肥的自由空域(FAS)是指物料中的空气体积与物料总体积的比值。FAS过低，空气体积小，阻得了氧气的传输，导致好氧微生物活性降低，诱发物料厌氧发酵。市政污泥的FAS一般较低，通过添加吸水性强或孔隙大的调理剂可增加物料的FAS。理想的FAS值约为35%，活性调理剂与惰性调理剂都可以提升物料的FAS。Mccartney[27]将木片和树叶与污泥混合堆肥后发现，在压力环境相同的条件下，木片能产生更大的自由空域。破碎橡胶轮胎的支撑作用强，也可有效提升物料的FAS。

3.4 钝化重金属

市政污泥通常含有一些重金属，直接堆肥施用于农田后可能对土壤造成污染。为降低市政污泥中重金属对土壤环境的潜在影响，在堆肥过程中对重金属进行钝化尤为重要。重金属对环境的影响与其化学形态和含量有关，经好氧发酵后，污泥中重金属的形态会发生一定的改变[18, 22]。为减轻重金属对土壤环境的影响，可在发酵混合物料中投加石灰、沸石、铝土矿渣、粉煤灰等物质，以改变堆肥过程中重金属的有效形态。Guerra-Rodriguez等[28]利用农业废弃物开展混合堆肥试验，研究发现重金属含量在堆肥腐熟后显著降低。添加铝土矿渣和沸石可有效降低物料重金属的可交换态与碳酸盐态[29]，粉煤灰也可以钝化物料中的重金属。

3.5 减少臭味

污泥好氧堆肥过程中的物料存在局部厌氧环境，且有机物被分解后会产生一些挥发性的臭气，这些臭气主要包括氨气、硫化物、胺化物和芳香类化合物[30]。臭气的产生不仅对环境造成二次污染，且影响周边居民的正常生活。添加一定比例的调理剂可改善堆料理化性质，降低厌氧发酵的概率，从而有效减少堆肥中臭气的产生。Niina等[31]探究草木灰对堆肥效果的影响，研究认为草木灰可以调节物料pH值，减少H2S的产生，从而有效减少臭气。

4 结 语

调理剂是污泥好氧堆肥过程中必不可少的辅料，不同种类的调理剂在好氧发酵过程中的作用亦不相同。活性调理剂在改善物料结构上略显不足，其自身含有有机质，且含有少量难降解的木质素，这会增加污泥堆肥后续处理的难度。惰性调理剂不参与污泥发酵过程，无法为污泥提供养分。生物调理剂可高效分解有机质，能显著提高堆肥效率，但难以单独作为调理剂来使用。

综上所述，3类调理剂各有优缺点。因此，未来应着重研究活性调理剂(有机调理剂)、惰性调理剂(无机调理剂)和生物调理剂(堆肥接种剂)的复合作用，发挥各类调理剂的优势，从而提高堆肥效率。