城市污泥好氧堆肥研究进展

2023-02-13台德志余纪鑫黄朝妍

科技和产业 2023年1期

台德志，余纪鑫，黄朝妍，张华

(1.桂林理工大学广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西桂林 541006)

随着中国经济持续快速稳定发展，城市及农村污水处理规模日益提升，污泥产量也随之相应增加[1]。根据中国住建部统计年鉴，2020年城市污泥生产量约为5 800万t，而2015年污泥生产量约为3 700万t，年均增长超过26%，污泥处理压力急速增加。由于中国重水轻泥的思想及处理技术的欠缺，如何处理污泥已经成为一个急需解决的问题[2-3]。

城市污泥中含有大量的有害物质，如病原微生物(病毒、细菌等)、有机微污染物(多环芳烃、多氯联苯、二苯并二噁英等)、有毒重金属(Hg、Cd、Ni、Pb、Cr、Cu、Zn)等[4]；也含有大量营养物质，如较高的有机物(碳水化合物、蛋白质和脂肪)、氮、磷、钾和微量元素(Ca、Mg、Cu、Zn、Fe)，可以被认为是低成本且易于获得的资源[5-6]。考虑到城市污泥的异质性、不稳定性和潜在毒性，如果处理不当，便会造成土壤、水和空气污染，威胁人类的健康甚至造成生态的失衡[7-8]。

城市污泥的处理方法包括直接焚烧、卫生填埋、生物处理(堆肥和厌氧消化)等[6,9-10]。直接焚烧可以最大限度减少污泥的体积，但污泥的高含水率会很大程度上影响焚烧过程，还有可能造成剧毒物质的生成和有毒气体的排放[6,9]。卫生填埋并不是一个环境友好的处理方法，填埋场的存在不仅会造成土壤与地下水的污染，还会产生极难处理的垃圾渗滤液[1]。固体废物管理的指导性战略是将仍具有利用价值的废物转化为可用能源，堆肥因其环境友好、经济可行和可持续性的优点而广受关注[11-12]。魏阳等[13]利用菌剂添加剂对脱水污泥和甘蔗渣共同堆肥效果进行探究，发现碳、氮比(C/N)为20时效果最好。陈桂华等[14]在脱水污泥堆肥中添加过磷酸钙探究温室气体排放的影响，结果显示过磷酸钙添加量为3%时，温室气体排放量最低且显著提升堆肥效果。

堆肥的实质是不同类型的微生物将城市污泥中的有机物质分解矿化和腐殖化的过程，堆肥中的有机物先经历活跃阶段：有机物在微生物的作用下被降解，降低堆体体积，稳定堆体中有机物，再经历成熟阶段：上一阶段降解的有机物被转化为腐殖化物质[15-17]。堆肥不仅可以促进有机固体废物中的N、P、K元素的循环，减少其造成的环境污染，并将成熟的堆肥产品用作土壤改良剂和养分来源[18-19]。如果在农业应用中施用未成熟和不稳定的堆肥产品，会造成一系列负面影响，如植物氮饥饿、危险病原体、植物毒性效应和干扰种子萌发等[20-21]。影响堆肥腐熟度和稳定性的因素有很多，如：含水率、C/N比、温度、通气量和pH等[22-23]。本文综述了目前城市污泥的主流处理方法、好氧堆肥常用调理剂和影响因子，并对好氧堆肥的腐熟度评价标准进行介绍和总结，以期为城市污泥好氧堆肥分析与应用提供指导。

1 城市污泥处理方式

1.1 卫生填埋

污泥填埋是世界上常用的污泥处理方法之一，将污泥压缩脱水后倾倒入填埋场中，由不同的微生物对污泥进行降解[24]。污泥填埋具有技术简单、管理操作方便、成本较低、适应性强和处理量大的优点。然而，污泥填埋土地占用大、渗滤液中含有重金属、氨、难降解有机物、温室气体排放和卫生条件恶劣的缺点使得越来越多的国家开始禁止该方法[25-26]。

1.2 焚烧

污泥焚烧是一种能彻底处理污泥的技术，也是世界上用于处理污泥的最常用技术之一。在800～1 000 ℃下将浓缩脱水后的污泥加燃料进行燃烧，可以去除全部有机物，杀灭病原体，达到对污泥90%以上的减容效果[10]。但是污泥焚烧存在处理设施投资大、处理成本高、燃烧时产生温室气体和有害气体(二噁英和二氧化硫)等缺点，使得污泥焚烧的未来可能会受到很大挑战[27-28]。

1.3 厌氧消化

厌氧消化是在无氧条件下利用兼性菌和厌氧菌分解污泥中可生物降解有机物的一种处理方法[29]。厌氧消化技术具有减少碳排放、回收有机质、杀灭病原体和稳定污泥的优点，在世界上的应用十分广泛。然而，由于厌氧消化的投资运行成本高、工艺复杂，消化物含有重金属、微塑料等缺点，在中国应用较少[30]。

1.4 好氧堆肥

好氧堆肥是近10年中国发展最迅速的一种在有氧条件下进行的污泥处理的生物技术[31]。通过好氧嗜热菌的作用，对污泥中有机物进行分解，将污泥转化为农业资源(有机肥或土壤改良剂)，并实现杀灭病原体和污泥减容的目标。与其他技术相比，好氧堆肥具有无害化、处理成本低、操作简单和可持续性的优点。目前来说，好氧堆肥已经成为学术界和工业界研究的重点。近年来，超高温好氧堆肥被部分研究人员提出，通过对堆体接种极端嗜热微生物菌剂可以达到缩短堆肥周期、加速有机质降解和促进堆肥快速腐殖化的效果，但这会导致能源消耗增加和成本增加[3,32]。城市污泥堆肥过程如图1所示。

图1 城市污泥堆肥过程

2 好氧堆肥调理剂

城市污泥具有：①水分含量高(80%)；②物理结构差、孔隙率低；③C/N比较低；④堆肥过程中有机酸的快速水解和积累等缺点，因此不能单独进行堆肥，必须添加调理剂进行调节[33-34]。

2.1 活性调理剂

活性调理剂是指富含氮、磷、钾和有机质等营养物质、较高的C/N并能调节堆肥孔隙度的调理剂，常用的活性调理剂主要有秸秆、木屑、米糠、菌渣等农林废弃物[35-36]。将活性调理剂与城市污泥进行混合，通过调理剂提供堆体内的结构支撑，产生颗粒间空隙，防止堆肥基质过度压实，满足气体交换、提高混合堆肥C/N和降低含水率的目的[37-38]。Zhang等[39]采用秸秆、污泥和餐厨垃圾共同堆肥，探究不同曝气量下堆肥有机质的生物降解。Ma[35]通过木屑与污泥共同堆肥，结果表明，添加木屑可以提高堆肥温度和高温期持续时间，降低堆肥pH和含水率，提高有机物的矿化率。Kebibeche等[40]对污泥、锯末和秸秆共同堆肥进行分析，结果表明，添加锯末增加了堆体氮含量，降低了植物毒性。采用活性调理剂与城市污泥共同堆肥，不仅能提升堆肥效果，也可以达到将农林废弃物妥善处置的目的。

2.2 惰性调理剂

惰性调理剂是指本身不参与堆肥，其作用是提高堆体孔隙率和氧气传输效率，并减少臭气排放的调理剂，常用的惰性调理剂包括生物炭、沸石、麦饭石等。

沸石是一种水合铝硅酸盐矿物，具有分子尺寸孔径的结晶物质[41,49]。采用沸石作为添加剂的优点在于：①沸石的特殊结构可以减少堆肥中NH3、H2S、CO2和CH4的排放，提高最终产品中氮的含量，有机物降解问题得到改善[50]；②沸石具有高阳离子交换能力，可以有效去除堆体中的重金属，如Ni、Cr、Pb、Cu、Zn和Hg[51-52]；③沸石的添加可以改善堆肥的阳离子交换率、持水能力并可以缓冲堆肥基质pH[30,53]。

麦饭石是一种天然的硅酸盐矿物，具有吸附性、溶解性、调节性、生物活性和矿化性等特性[54-55]。采用麦饭石作为添加剂的优点在于：①促进蛋白质材料、醇、醚、木质素和多糖的降解，增加堆肥以及类腐殖质化合物的芳香性和分子量，提高堆肥效率及腐殖化率，缩短堆肥成熟期[56-57]；②减少NH3、N20和CH4的排放，降低Cu和Zn的生物利用度，增加堆体中NO3-的含量[50,58]。

污泥与不同调理剂如图2所示。

图2 污泥与不同调理剂

3 好氧堆肥影响因子

3.1 C/N

C和N是堆肥过程中为微生物生长提供能量的重要来源。因此，C/N比也是影响好氧堆肥的关键因素之一[59-60]。根据研究，堆体初始C/N在25～30∶1时为最佳范围，如果C/N高于30，堆体内微生物则会由于缺乏N元素生长繁殖进程减慢，导致堆体内温度上升较慢，有机质分解速度降低[18-19]。较低的C/N会导致N过量，以氨气的形式流失，还会释放大量可溶性碱式盐，不利于植物生长[61-62]。

3.2 含水率

水分含量被认为是影响好氧堆肥过程的一个很重要的影响因素[15]。适宜的含水率对于维持好氧堆肥中的微生物动力学和保持空气扩散至关重要[21,63]。当含水率过高时，堆体内孔隙空间被关闭，物料呈现紧密状态，影响空气扩散，导致堆肥向厌氧方向发展，产生恶臭气味[63]；而含水率过低时，堆体中水分无法满足微生物的生长需求，微生物的生长繁殖与运动代谢被限制，物料温度无法达到适宜的高温，有机物难以分解[53]。多数研究指出，当堆体含水率在50%～60%时，堆体内的氧气吸收率、自由空气空间、微生物活性与温度可以达到最佳[37,64]。

3.3 曝气

曝气是影响堆肥成功与否的关键因素，堆肥实际上是一个需氧过程，氧气的充足与否直接影响到堆肥质量和堆体中的微生物种群活性[65]。适宜的曝气强度可以保持堆肥温度，促进堆体内有机物的分解，还可以去除堆体中多余的水分，并为微生物的活动提供氧气[39]。过高的曝气量可能导致堆体内水分蒸发，不利于微生物的生化活动，限制微生物对有机物质的降解，从而限制产热[39]，过低的曝气量则可能会形成局部厌氧环境，不利于好氧微生物的活动，致使堆肥效果不佳。研究指出，曝气量在0.2～0.4 L/min(每千克干物质)时，好氧堆肥的效果更佳[53,66]。

4 腐熟度评价指标

4.1 温度

温度变化是最直接反映堆肥过程中微生物活性和堆肥效率的指标，也是评价堆肥腐熟度的重要参数[15,36]。研究认为，堆肥中温度变化分为4个阶段：中温期、高温期、降温期、成熟期[62]，其中中温期、高温期和降温期属于堆肥的矿化阶段，而成熟期属于腐殖化阶段[38]。堆体前期温度的升高是由于微生物活动对有效有机物和含氮化合物的快速分解，而随着有机质变得更加稳定，微生物活性和有机质分解速率逐渐减慢，温度逐渐降低[18-19]。根据Wang等[67]的说法，如果高温期堆体温度>55 ℃持续超过3天或>50 ℃持续一周，可以消除堆体内寄生虫、病原体和杂草种子，达到最佳卫生条件，则认为堆肥基本腐熟[9,15]。但值得一提的是，常规好氧堆肥温度过高(即高于70 ℃)，因为过热会使堆体内嗜热微生物种群遭到破坏，导致堆肥过程停止[29,53]。

4.2 C/N

C/N不仅是好氧堆肥的影响因素，也可以用来评价堆肥腐熟度[1,68]。一些研究报告称，C/N在15～20表明可生物降解基质的有机质稳定性和成熟度较高，而C/N<15适合于堆肥在农艺上的应用[9,25]。也有研究指出，计算最终C/N与初始C/N的比值，当这一比率低于0.7时，堆肥可以被认为是成熟的[20]。

4.3 电导率

电导率(EC)是测定土壤水溶性盐的指标，反映了有机质的降解和矿化，是判定土壤中盐类离子是否限制作物生长的因素[62,69]。堆体内的EC值升高可能是由于无机化合物的产生和有机物转化形成铵离子和磷酸盐等矿物盐导致，而EC值的下降则可能是由于氨的挥发和矿物盐的沉淀[18-19]。较高的EC会抑制植物种子的萌发，阻隔种子吸收水分和养分，进而抑制酶活性[22,70]。大多数研究中，EC<4 ms/cm已被广泛接受为农业中施用堆肥的盐分阈值，但有些研究则认为EC<2 ms/cm为堆肥的理想值[62-63]。

4.4 pH

4.5 发芽指数

发芽指数是评价堆肥产品植物毒性和腐熟度的常用且有效的生物指标[22,59]。发芽指数可能会由于堆肥过程缺氧、有毒化合物的积累以及氨、重金属和矿物盐的过量存在而受到影响[17,71]。通常来说，堆肥过程中的发芽指数应该迅速增加，这可以归因于在堆肥过程中矿化和腐殖化之后，植物毒性物质(即挥发性脂肪酸和铵)的生物降解和转化以及腐殖质的积累[70]。堆肥前期的发芽指数受到抑制，这可能是由于NH3的释放和低分子挥发性脂肪酸的存在[22]。研究指出，当最终堆肥产品的发芽指数在0.5以上时，可以认为堆肥基本腐熟，对植物毒害作用很小，发芽指数在0.8以上时，可以认为堆肥完全腐熟，对植物完全没有毒害作用[43,59]。

4.6 紫外光谱参数

堆肥产生的水溶性有机物成分复杂，在堆肥过程中其组成与结构会发生分子聚合度、芳构化和腐殖化变化，能灵敏地反映堆肥过程中物质转化特性以及堆肥腐熟度。通过紫外可见光谱技术对堆肥提取出的水溶性有机物进行分析，探究其中有机组分的转化规律对堆肥腐熟度进行评价，但光谱分析对堆肥腐熟程度的判定并没有固定标准值，一般需要通过参数变化趋势结合物理化学指标进行判断[43,72]。不同紫外光谱参数见表1。

4.7 其他参数

5 结论与展望

越来越多的城市污泥已成为环境污染的重要来源，无害安全且资源化的处理城市污泥已经成为重中之重，对生态环境的可持续发展至关重要。通过好氧堆肥处理回收城市污泥是一个行之有效的方法。但由于影响因子、调理剂种类比例的不同，难以有一套完善评价堆肥腐熟度的体系。所以，需要进一步加强对好氧堆肥的研究力度，依据已有研究文献和实验设备，综合分析好氧堆肥中的影响因素，寻找好氧堆肥过程中关键的控制指标和腐熟度指标，以达到城市污泥无害资源化利用的目标。