菌菇渣和秸稈對生活污泥好氧堆肥的影響

王守紅， 葛 驍， 卞新智， 丁 敬， 寇祥明， 張家宏， 王小治

(1.江蘇里下河地區農業科學研究所，江蘇 揚州225007;2.揚州大學環境科學與工程學院，江蘇 揚州225127)

城市生活污泥是指處理城市污水所產生的固態、半固態及液態的廢棄物，成分比較復雜，其中含有豐富的氮、磷、鉀等營養元素及有機物質和植物生長所必須的微量元素［1-3］。污泥處置方式主要有焚燒、投海、填埋、農業利用等，前3 種方法由于費用昂貴、場地限制、容易造成二次污染等因素而難以為繼或被明令禁止。若將污泥直接施用于土壤，對土壤有一定的改良作用，但是污泥中含有大量的病原菌、重金屬和有機有害物質［4］，對環境會產生直接或潛在的污染。對污泥進行高溫堆肥，不僅可以殺滅病原菌和寄生蟲卵，還可以使營養元素易被植物吸收，促進植物生長，使土壤的理化性質及生物學性質得到改善［5-6］。獲得滿足農用標準的堆肥產品并且縮短堆肥時間是污泥好氧堆肥處理的目標。近年來，已有許多學者對污泥的好氧堆肥處理中的調理劑進行過深入的研究，如添加豬糞［7］、生活垃圾［8］、竹炭［9］、生物質炭［9］等，與污泥進行高溫好氧堆肥，堆肥產品性質穩定，且符合農用標準。本研究將選用菌菇渣和秸稈兩種有機固體廢棄物作為污泥高溫好氧堆肥的調理劑，研究不同調理劑配比對城市生活污泥高溫好氧堆肥效率和堆肥產品品質的影響，旨在找到高效低耗的高溫好氧堆肥技術，并評價堆肥產品的農用可能性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

脫水污泥取自揚州市湯汪污水處理廠，菌菇渣試驗前經過粉碎機粉碎，秸稈粉碎成粉末狀。其基本性質見表1。

表1 堆肥原料的基本性質Table 1 The basic properties of materials for composting

1.2 試驗方法

按照不同的物料濕重設置堆體A(污泥∶ 菌菇渣∶ 秸稈=1.000∶ 0.400∶ 0.025)、堆體B(污泥∶菌菇渣∶ 秸稈=1.000∶ 0.500∶ 0.025)和堆體C(污泥∶ 菌菇渣∶ 秸稈=1.000∶ 0.600∶ 0.025)3個處理。每處理的污泥量為11 t，同時添加2‰堆肥菌劑。各物料按比例均勻混合后，堆體高約1.2 m，截面呈半圓形，人工翻堆，堆肥的第一周每3 d 翻堆一次，之后每周翻堆一次，堆肥周期為49 d。

1.3 采樣及測定

每次翻堆時，多點采樣，每次采集不少于500 g樣品，采用常規分析方法測定溫度、含水率、pH、電導率、種子發芽指數、全氮、全磷、有機質、銨態氮、硝態氮，及Cu、Zn、Cr、Pb、Cd 等重金屬含量［10］。試驗期間每天9∶ 00、12∶ 00及17∶ 00測定堆體溫度，其平均值為每天堆體溫度。

1.4 數據處理

使用SPSS18.0 及Excel 軟件對數據進行處理和分析。

2 結果

2.1 溫度的變化

溫度是堆肥過程中的關鍵參數，堆體溫度變化是反映發酵是否正常的最直接、最敏感的指標。圖1 顯示，3 個堆體在堆肥前期均達到最高溫度，其中堆體C 達到最高溫度時間最短且溫度最高，堆體B次之，堆體A 用時最長、溫度最低。由此可見，調理劑多少對堆體溫度影響較大，調理劑多，升溫比較快，易實現較高的溫度。A、B、C 3 個堆體最高溫度分別為56 ℃、64 ℃、67 ℃，維持在55 ℃以上分別達到了4 d、9 d 和16 d，均符合《糞便無害化衛生標準》(GB 7959—87)中規定的高溫滅菌標準。堆體C 能維持長時間高溫的原因是堆體C 中調理劑添加較多，物料充氧充分，有機質含量較多，微生物降解效率高。圖1 中有部分溫度呈現陡降趨勢是由于堆肥過程中人工翻堆使熱量散失所致。

2.2 含水率和pH 值的變化

堆肥過程中需要保持適宜的水分含量，這是堆肥成功的首要條件。微生物對水分含量比較敏感，水分太多，會堵塞物料空隙;水分太少，微生物降解有機物的過程會完全停滯［11］。3 個堆肥處理的含水率變化如圖2 所示，菌體中產生的大量熱使得水分以蒸氣的形式散失，堆體B 與堆體C 的含水率從最初的70%左右降至40%以下，堆體A 中因堆肥初期混的菌菇渣比較少，通氣性相對較差，且堆體溫度低，因此水分散失略低于堆體B 和堆體C。水分的大量散失，能有效實現污泥減量化。

圖1 堆肥過程中溫度的變化Fig.1 Changes of the temperatures of three stacks during composting

圖2 堆肥過程中含水率的變化Fig. 2 Changes of the water contents in three stacks during composting

pH 值過高或者過低，會嚴重影響微生物活動［8］。如圖3 所示，3 個堆體pH 值總體呈現先升高后下降的趨勢，但始終維持在7.0 至8.0 之間，保持微堿性，適宜微生物的生命活動，有利于微生物對有機質的降解。

圖3 堆肥過程中pH 的變化Fig.3 Changes of the pH values of three stacks during composting

2.3 有機質和磷的變化

圖4 堆肥過程中有機質的變化Fig. 4 Changes of the organic matter in three stacks during composting

有機物是微生物生長繁殖的能源物質，堆肥過程實際上是有機物降解的過程。隨著堆肥過程的進行，有機質不斷地降解，由圖4 可知，堆體A、堆體B和堆體C 有機質分別降解了15.07%、16.44% 和22.23%，堆肥的前期有機物降解速度比較快，堆肥后期相對較慢。這是因為堆肥前期是升溫的過程，溫度適宜微生物的生長，微生物大量繁殖，分泌大量的胞外酶，大分子有機物質被分解為小分子物質，小分子物質被溶解為水溶性碳，進入細胞被微生物利用，使有機物的降解速率較快。另外，堆體C 有機質含量相對較高，堆體疏松，通氣性比較好，微生物降解速率高。

由圖5 可見，總磷的含量隨著堆肥過程的進行而增加。堆肥結束時，3 堆體總磷的含量分別增加了17.28%、23.33%、44.59%，堆體C 最多，堆體B次之，堆體A 最小。這是由于堆肥的“濃縮效應”所致，即隨著有機物質的降解，總磷含量增加。

圖5 堆肥過程中總磷的變化Fig.5 Changes of the total phosphorus in three stacks during composting

2.4 氮的變化

2.4.1 總氮的變化 在堆肥過程中，氮元素會大量損失，減少氮元素的損失對堆肥的品質至關重要［12］。堆肥過程中總氮的變化見圖6a，堆肥5 d 左右，總氮的損失量較大，這主要由于有機氮化合物分解產生大量的氨氣散失所致。堆體A、B、C 在堆肥結束時，總氮的損失量分別為28.22%、31.70%、27.62%，堆體 C 最小。這相對于傳統堆肥30.00% ～50.00%氮的損失來說，添加調理劑處理起到了保氮作用。堆肥過程中pH 穩定在7.0 ～8.0，降低了銨態氮的損失，促進了硝化作用，有利于氮元素的積累。

2.4.2 銨態氮與硝態氮的變化 如圖6b 所示，在堆肥初期，堆體A、B、C 中銨態氮含量均呈現先升高后降低的趨勢。主要原因是:堆肥初期有機氮大量礦化［13］，產生大量銨態氮，隨著堆肥的進行，堆體溫度不斷升高，氨大量揮發，堆體pH 值升高，大量的銨態氮在硝化細菌的作用下轉化為硝態氮，最終使銨態氮含量降低。堆體A 與堆體B 硝態氮含量在堆肥的前10 d 左右達到最高值，而堆體C 在堆肥的第7 d 達到最高值，這是由于堆體C 的溫度高于堆體A 和B，有機氮分解速率較快所致。

硝態氮的變化與硝化細菌的生命活動密切相關，這可以從圖6c 中得到反應。在堆肥初期，硝態氮的含量變化緩慢，主要原因是堆肥初期氨化細菌起主導作用，硝化細菌受到抑制，而隨著堆肥的進行，有機氮的礦化迅速降低，硝化細菌占主導作用，大量利用銨態氮，所以在堆肥后期，堆體的硝態氮迅速升高。

2.5 腐熟度指標

2.5.1 感觀指標及電導率 在污泥堆肥過程中，污泥的顏色逐漸變深，堆肥結束時，污泥顆粒松散，呈深褐色，并帶有泥土的氣味，從感官上看，堆體已經腐熟。堆體A、B、C 在堆肥結束時的電導率分別為4.10 ms/cm、3.25 ms/cm、3.29 ms/cm，均小于4.30 ms/cm［14］，表明堆肥產品中的可溶性鹽對植物已沒有毒害作用。

2.5.2 種子發芽指數(GI) 種子發芽試驗是評價堆肥腐熟度最有說服力的方法，一般認為，當GI ＞50.0%，堆體已經腐熟，對植物基本沒毒性。本試驗用雪里蕻種子測定3 個堆體的種子發芽指數，GI 值分別為86.3%、95.8%、86.1%，表明堆體均已經腐熟。

2.6 重金屬含量

圖6 堆肥過程中氮素的變化Fig.6 Changes of the total phosphorus，NH4+-N and NO3－-N during composting

重金屬含量及其生物有效性是限制污泥堆肥農用的主要因素［15］，污泥堆肥產品中重金屬的總量和生物有效性重金屬含量如表3 和表4 所示。從中可見，3 個堆體中重金屬Cu、Zn、Cr、Pb 和Cd 總量均符合國家農用標準的相關要求;堆肥結束時各處理生物有效性重金屬含量總體比堆肥初始時有所降低。

3 討論

農業廢棄物或生活垃圾中含有大量的有機質和其他營養物質，如果能充分利用，不但可以減輕其對環境的污染，還可以創造經濟價值。陶玉等［16］研究了污泥與稻草按不同比例混合進行好氧堆肥，認為稻草含量為9%時，多項指標都能滿足堆肥相關標準，堆肥效果好;倪梅娣［17］研究豬糞好氧堆肥過程中氧氣濃度變化規律時，發現豬糞與木屑混合堆肥中全氮增幅較大，可以起到保氮的作用;周美紅［8］認為生活垃圾∶ 污泥為7∶ 3 時，優化一些工藝參數，可以縮短堆肥時間，減輕臭氣排放。好氧堆肥是實現城市污泥無害化、減量化、資源化的一種有效途徑。但是，堆肥過程普遍存在效率不高、堆肥產品不穩定、品質不高等問題，因此適宜的堆肥調理劑及其比例是堆肥成功的主要因素。本文選擇菌菇渣、秸稈作為堆肥的調理劑與城市生活污泥進行好氧堆肥，堆體始終保持微堿性，含水量降至40%左右，最終堆肥產品種子發芽指數大于50%，符合堆肥產品的農用標準。研究發現污泥、菌菇渣、秸稈按濕重比為1.000∶ 0.600∶ 0.025 時，含水率低，升溫快，氮素損失較少，磷含量增加，提高了堆肥效率和堆肥品質，縮短了堆肥時間，為今后的污泥無害化處理提供了科學的理論依據。

表3 堆肥結束時堆體中重金屬的含量Table 3 Heavy metal contents in three stacks at the end of composting

表4 生物有效性重金屬含量Table 4 Contents of heavy metal with biological effectiveness in three stacks

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