翻堆策略對污泥堆肥過程中理化性質的影響

摘要：針對城市污泥強制通風靜態垛堆肥工藝，在整個堆肥周期采用固定翻堆頻率的情況下，研究不同翻堆策略對堆肥物理和化學性質的影響。結果表明：不同翻堆策略對堆體理化性質的影響不同，翻堆作業可以顯著降低堆體溫度，加快降溫期的降溫速度。高溫后期開始翻堆（處理3）可提高堆體達到的最高溫度及整個堆肥周期的溫度，同時更有利于堆肥物料的脫水干化、提高揮發性固體降解率，但會增大氮素損失量；不同翻堆策略對物料pH值和種子發芽率沒有顯著影響，3個處理均可實現物料的腐熟和無害化。為了保證污泥的脫水干化效果，建議采用處理3的翻拋策略。

關鍵詞：污泥；堆肥；翻堆策略；理化性質

中圖分類號：X703；S141.4 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0394-03

收稿日期：2013-02-22

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項子課題（編號：2012ZX07204-001）；河南省重大公益招標項目（編號：101100910300）；河南省科技攻關項目（編號：142102310063）；河南省教育廳科學技術研究重點項目（編號：14A610009）；鄭州輕工業學院博士基金（編號：2013BSJJ022）。

作者簡介：馬闖（1982—），男，河南開封人，博士，講師，主要從事固體廢棄物資源化研究。E-mail：machuang819@163.com。高溫好氧發酵后的土地利用是城市污泥主要的處理處置方式之一[1]，由于強制通風靜態垛具有占地面積小、處理能力大的優點，工業化的污泥堆肥一般采用該工藝。強制通風靜態垛堆肥系統具有半開放、單向鼓風的特點，堆體內部通常會形成溫度、濕度及氧氣濃度的層次梯度[2-4]，從而影響堆肥效率和堆肥成品的品質。通過對發酵物料進行翻堆處理，不但可以提供氧氣，而且有利于物料均勻，促進水分蒸發，還可以有效改善堆體內溫度、濕度、氧氣濃度等空間效應，打破不同剖面的層次效應，改進通氣性能、減少臭氣產生[5]。因此，翻堆成為彌補強制通風靜態垛堆肥系統不足的重要手段，也成為提高其堆肥效率和發酵質量的重要措施。針對不同的發酵物料，采用何種翻堆策略取決于物料的濕度、孔隙度、有機質的分解速率及堆肥外部環境等。陳同斌等研究發現，污泥與豬糞堆肥時，升溫期和降溫期翻堆效果不理想，而高溫階段翻堆有利于提高堆肥效率[6]。有研究認為，過早翻堆會推遲高溫時間，導致堆溫顯著下降，翻堆過晚則不利于再次升溫和高溫維持[7-8]。Zhao等研究發現，堆體每2 d翻拋1次比每 4 d 翻拋1次會散失更多的熱量[9]；李玉紅等研究牛糞高溫堆肥時發現，3 d/次和6 d/次的處理比9 d/次的升溫快，且溫度高，堆肥產品種子發芽率高[10]。翻堆一般分為人工翻堆和機械翻堆，無論采用何種翻堆方式，隨著翻堆頻率的增加，堆肥成本均會增加。因此需要探索在盡量降低翻堆頻率的同時，通過調整翻堆時機、優化翻堆策略，提高堆肥效率和產品質量，達到堆肥成本和效率的平衡。筆者針對城市污泥強制通風靜態垛堆肥工藝，在整個堆肥周期固定翻堆次數，通過分析不同翻堆策略對堆肥物理和化學性質的影響，揭示強制通風靜態垛堆肥的適宜翻堆時間，以期為優化翻堆策略，提高堆肥效率和產品質量提供參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗在鄭州市八崗污泥處理廠進行，供試的城市污泥為鄭州市五龍口污水處理廠的脫水污泥，污泥含水率（MC）7981%，揮發性固體（VS）含量為60.3%。調理劑為鋸末和該廠的腐熟料，其含水率分別為8.23%、34.5%，揮發性固體含量分別為95.5%、43.3%。污泥、鋸末和腐熟料按體積比 1 ∶0.2 ∶0.8 的比例均勻混合，混合后測得待發酵物料的含水率、揮發性固體含量分別為54.5%、52.4%左右。

1.2試驗方法

將混合后待發酵物料用鏟車堆積于發酵槽中，堆體的長、寬、高分別為30、4.5、1.7 m。根據需要，用羅茨鼓風機自堆體底部強制間歇式通風供氧，通風量為140 m3/min。堆肥過程由計算機根據堆肥實時溫度反饋控制羅茨鼓風機。在試驗中采用德國巴庫斯翻拋機進行翻拋，翻拋深度為1.6 m。

試驗設3個處理，每個堆肥周期均翻拋3次：處理1，在發酵后6、13、15 d翻拋；處理2，在發酵后8、11、14 d翻拋；處理3，在發酵后10、12、14 d翻拋。試驗于夏季進行，共發酵15 d。

1.3采樣與分析方法

在整個發酵周期中，采用溫度探頭自動監測堆體溫度。試驗過程中，各堆體每3 d取1次樣品（最后一次取樣為發酵15 d時），分別測定其含水率、揮發性固體（VS）含量、pH值、電導率（EC）、種子發芽指數（GI）、總氮（TN）等。化驗分析方法分別為：含水率采用烘干法，揮發性固體采用灼燒法，pH值采用pH酸度計測定法，電導率采用電導率儀測定法，發芽指數采用小白菜發芽試驗法，總氮采用半微量凱氏定氮法[11]。

2結果與分析

2.1堆體各處理的溫度變化

在好氧堆肥過程中，堆體的溫度是好氧堆肥的關鍵參數，同時也是判斷堆肥是否成功、能否最終實現無害化的重要指標之一[12]。不同翻堆策略堆肥過程中的溫度變化趨勢如圖1所示，可以看出，3個處理的溫度變化趨勢基本相同；堆肥過程中各處理堆體溫度的變化均經歷了3個階段：快速升溫期、高溫持續期、降溫期；堆肥初期，堆料中易分解的有機質在微生物的作用下迅速分解，堆體產生大量的熱量導致堆體溫度快速上升，各處理均在1 d內完成快速升溫過程后進入高溫持續期（>50 ℃），在快速升溫期各處理間溫度差別不大；進入高溫期后，不同處理溫度存在一定的差異，在堆肥的高溫前期，處理2的溫度最高，處理1次之，處理3最低，3個處理呈現出明顯的層次性并持續到堆肥后6 d；6 d時，處理1進行了翻堆作業，顯著降低了處理1的溫度，7 d后，處理2、處理3的溫度逐漸超過處理1，以處理3溫度最高并波動持續到 12 d，之后各處理均進入降溫期，處理2與處理3的溫度相差不大，但均高于處理1。同時，由于堆肥過程中需要維持一段時間的高溫才能滿足堆肥無害化、穩定化的要求，溫度過低時無法完成無害化，而溫度過高則會對微生物造成滅活作用[13]。處理1、處理2、處理3的溫度在50 ℃以上的持續時間均在10 d左右，完全達到了GB 7959—1987《糞便無害化衛生標準》中規定的堆溫應在50～55 ℃以上并持續5～7 d的要求。可見3種翻拋策略均可以成功進行污泥堆肥，實現污泥無害化。

堆肥期間，處理1分別在6、13、15 d時進行了1次翻堆作業，處理2分別在8、11、14 d進行了1次翻堆作業，處理3于10、12、14 d進行了1次翻堆作業。由圖1可見，通過翻堆作業可以顯著降低堆體溫度，加快降溫期的降溫速度；同時，每次翻堆后堆體溫度均有小幅度上升，翻堆的時間越早則升溫速度越快，溫度恢復得越好。與高溫中期開始翻堆（處理2）相比，高溫前期開始翻堆（處理1）會降低堆體達到的最高溫度及整個堆肥周期的溫度，高溫后期開始翻堆（處理3）可提高堆體達到的最高溫度及整個堆肥周期的溫度。

2.2堆體含水率的動態變化

堆肥物料的干化和脫水是堆肥化處理的主要目的之一，尤其是對于含水率較高的城市污泥更是堆肥成功與否的評價指標之一。翻堆能使堆料混合均勻，促進水分蒸發，有利于堆肥物料干燥[14]。不同翻堆策略堆肥過程中的含水率變化趨勢如圖2所示，可以看出3個處理的含水率變化趨勢基本相同，隨著堆肥的進行，脫水作用明顯，含水率均逐漸降低，各處理堆肥前7 d的脫水速率均要高于后 7 d；處理1、處理2、處理3的含水率分別由開始堆肥時的53%左右降為42.3%、38.5%、36.7%；3個處理中以處理3的脫水效果最好，處理2次之，處理1最差。可見與高溫前期（處理1）和高溫中期開始翻堆（處理2）相比，高溫后期開始翻堆（處理3）更有利于堆肥物料的脫水，從而取得更好的干化效果。

2.3堆體揮發性固體的動態變化

堆肥化處理是微生物活動降解有機物的過程，表現為堆肥物料中揮發性固體含量的逐漸降低。由圖3可知，3個處理的揮發性固體含量在堆肥過程中均呈明顯的下降趨勢，且表現為堆肥前期（前4 d）降低較快，后期相對較慢。堆肥前期易降解的有機物（如可溶性糖、有機酸、淀粉等）分解速率較快，而中后期隨著易降解物質的減少，微生物需要利用較難降解的有機物質（如纖維素、半纖維素和木質素等）作為碳源，分解相對緩慢[15]。處理1的揮發性固體含量從52.1%降為46.8%，處理2的揮發性固體含量從51.8%降為45.5%，處理3的揮發性固體含量從51.6%降為44.1%，3個處理的揮發性固體含量分別下降了10.2%、12.2%、14.5%，說明翻堆策略對有機物的降解有顯著影響；高溫后期開始翻堆（處理3）能促進揮發性固體的降解，有利于促進堆肥的腐熟，這與處理3溫度較處理1、處理2相比更高（圖1）、微生物活性更大、降解有機物的能力更強有關。

2.4堆體總氮含量的動態變化

高溫堆肥過程中普遍存在氮素損失的現象，不僅會污染環境，而且會降低肥料中的養分含量。堆肥過程中的氨基酸、蛋白質進行脫羧作用和脫氨作用后排出NH3，造成總氮含量的下降。由圖4可知，3個處理污泥堆肥過程中總氮含量變化趨勢相同，均呈逐漸下降趨勢，且表現為堆肥前期（前4 d）降低較快，后期相對較慢，與揮發性固體動態變化趨勢一致。各處理總氮含量分別由堆肥開始時的20.5、20.1、20.3 g/kg，降為堆肥結束時的18.8、17.5、17.1 g/kg，分別下降了8.3%、12.9%、15.8%，可見在整個堆肥過程中處理3的氮損失最嚴重，而處理1的氮損失最小，這可能與處理1在高溫前期（6 d時）就進行翻堆作業，從而有效降低了堆體溫度并抑制了微生物活性，降低了有機質礦化速度和NH3產生量有關。

2.5堆體pH值的動態變化

pH值是影響微生物生命活動的重要因素之一，一般認為堆肥物料的pH值應該以6～9 為宜，pH值太高或太低都不利于堆肥化過程順利進行。由圖5可以看出，在堆肥開始的前4 d，3個處理 pH值均有不同程度的上升，這可能是由于堆體升溫較快，第5天時已經進入高溫期第4天，在微生物的作用下含氮有機物礦化和氨化作用產生的大量NH3致使 pH值上升；處理1在第8天的pH值有所下降，后持續升高，最后穩定在8.7左右；處理2在第5天后pH值逐漸下降，到第11天達到最低（7.8左右），第11天后pH值逐漸增加，到堆肥結束時達到8.7左右；處理3在整個堆肥過程中，除第5至第14天，pH值均持續升高；堆肥結束時，3個處理的pH值分別為8.7、8.7、8.5左右，均符合無害化要求，可見翻堆策略對堆體pH值沒有顯著影響。

2.6堆體種子的發芽指數動態變化

污泥好氧發酵后的土地利用是資源化的最終出路，種子發芽指數（GI）是檢驗堆肥腐熟度最直接、最有效的方法，并且可以預測堆肥毒性的大小。一般來說，堆肥種子發芽指數達到50%時，可認為其對植物基本沒有毒害，若種子發芽指數超過80%，則可認為堆肥完全腐熟[16]。由圖6可知，各處理的種子發芽指數變化趨勢相似，均呈現先降低后升高的趨勢；在堆肥第11天，各處理的種子發芽指數均達到50%以上，對植物已經基本沒有毒害作用；堆肥結束時，各處理的種子發芽指數均可達到80%左右，表明各處理均能夠實現物料的腐熟和無害化，能夠滿足植物生長的需要。

3結論

不同翻堆策略對堆體理化性質的影響不同，翻堆作業可以顯著降低堆體溫度，加快降溫期的降溫速度。高溫后期開始翻堆（處理3）可提高堆體達到的最高溫度及整個堆肥周期的溫度。采用處理3的翻拋策略更有利于堆肥物料的脫水干化、提高揮發性固體（VS）降解率，但會增大氮素損失量，因而要注意控制氨氣的釋放。不同翻堆策略對物料pH值和種子發芽率沒有顯著影響，3個處理均可實現物料的腐熟和無害化。由于污泥堆肥更側重的是脫水干化和無害化，為了保證污泥的脫水干化效果，建議采用處理3的翻拋策略。

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