不同調理劑對城市污泥好氧堆肥的影響

金 芬，孫先鋒，高自文，周秋丹，邵瑞華，周曉毅

（1.西安工程大學 環境與化學工程學院，陜西 西安710048；2.陜西迪隆生態環保科技有限公司，陜西 西安710016）

0 引 言

隨著社會經濟的發展，城市人口的增加，工業廢水和城市生活污水的排放量日益增加，城市污水處理率逐年升高，同時，污泥的排放量也隨之增多，城市污泥的可再生處理已經勢在必行［1］.

污泥堆肥法處理成本低廉，能夠除臭和有效地殺滅病原菌，且腐熟的堆肥產品可以提高作物的產量，改善農產品的品質，因此已成當前污泥無害化和資源化的重要途徑之一［2］.而在堆肥過程中，調理劑是加入堆肥化物料中的有機物，因其能增加物料中可降解的有機物數量，改善物料結構，增加與空氣接觸的面積.故可調節整個堆肥過程的碳氮比及水分含量，也可以起到除臭、保氮和提高堆肥效率的作用，所以成為調節及影響好氧發酵的主要因素之一［3-4］.目前國內外已有不少學者進行了研究，Miguel等［5］以鋸末為調理劑對人糞渣進行堆肥試驗發現，對于Biotoilet系統，混合物料的含水率被調節至65%時，有機物降解速率最大.Eklind等［6］分別添加秸稈、樹葉、硬木片等調理劑與有機生活垃圾混合堆肥，結果表明，加入調理劑后，物料的w（C）／w（N）從13調節至22～34，有機質降解速率常數從0.025提高到0.039～0.126.張建華等［7］進行了不同調理劑對豬糞好氧堆肥效果的影響研究，結果表明藥渣和礱糠灰為調理劑時，堆肥效果較理想.顧文杰［8］等也研究了不同調理劑對造紙污泥好氧堆肥的影響，以水稻秸稈作為調理劑無法達到高溫，添加米糠作為調理劑升溫最快，溫度最高；添加蘑菇渣作為調理劑，溫度偏低.

本文以城市污泥為原料，以藥渣、木屑、水稻、玉米及小麥秸稈為調理劑，與污泥混合進行好氧堆肥，研究5種不同調理劑對城市污泥好氧堆肥的影響，為西安城市污泥堆肥化處理提供技術支撐.

1 實 驗

1.1 材料

研究所用的城市污泥為西安市第二污水處理廠的脫水鮮污泥（SS）；作為調理劑的藥渣取自西安利君藥業股份有限公司的藥渣儲存車間；水稻秸稈取自廣東省農科院；玉米秸稈與小麥秸稈取自陜西迪隆生態環保科技有限公司試驗田；木屑取自西安市城東木材加工廠，主要成分為松木；蘿卜種子取自金種子商場，品種為秋白65.將水稻、玉米、小麥秸稈粉碎處理，藥渣、木屑進行晾干處理.各堆肥實驗材料測定成分的參數如表1所示.

表1 污泥堆肥實驗材料基本參數Table 1 Experimental material properties of sludge composting

1.2 方法

實驗設5個處理組，編號分別為處理Ⅰ、處理Ⅱ、處理Ⅲ、處理Ⅳ和處理Ⅴ.各處理組物料組合見表2.各處理組調理劑與堆肥物料充分混勻，堆制成長寬高為2m×1m×0.5m的堆體.在堆體表面覆蓋一層約5cm厚的油菜秸稈覆蓋層，以減少堆肥過程中水分的散失，并吸收部分揮發的臭氣.

采取鼓風機從堆體下方5cm處進行強制通風，與人工翻堆方式相結合.鼓風機功率為100W，風壓0.04MPa，風量為0.05m3·min-1.在升溫期溫度低于45℃時，不通風；高于45℃時，每天記錄堆體溫度后每2h通風1min，每天上下午各通風2次；高溫期溫度超過50℃時，每1h通風1min，每天上下午各通風3次；降溫期溫度在45～50℃時，每2h通風1min，每天上下午各通風2次；低于40℃時停止通風.并于每次采樣后用鐵鍬來回翻堆20次.

堆肥過程中，用長桿水銀溫度計于每天9∶00，15∶00和21∶00分別測定堆體上、中、下部溫度，取測定溫度的算數平均值來描述堆肥過程的溫度變化，同時測定環境溫度值.

表2 不同處理組堆肥實驗設計Table 2 Different treatment group of composting experiment design

1.3 采樣和分析

在堆肥的第0，4，8，12，16，21，28，35，45d，于當天21∶30進行采樣，共計9次.采樣點為堆體中心及附近四角范圍，每次采集約500g樣品，采用四分法將樣品混勻，裝入密封塑料袋中.將采集的鮮樣用于含水率、pH值、發芽率的測定，鮮樣經烘干后用于有機質的測定.剩余部分放在室內風干后過40目篩貯存備用.含水率的測定采用105℃烘箱法；pH值采用1∶10（W／V）的水提取液玻璃電極法測定［9］；有機質采用550℃馬弗爐灼燒減重法測定［10］.

種子發芽率（GI）的測定方法［11-12］：取6g鮮樣加入50mL蒸餾水，震蕩1h，吸取6mL濾液于墊有2張濾紙的9cm直徑培養皿中，以等量蒸餾水對照，每個培養皿內置20粒飽滿的蘿卜種子，在30℃，濕度為80%的黑暗條件下培養48h，計算種子發芽率（GI）值，計算公式為：

GI=（樣品發芽率×種子根長）／（對照種子發芽率×種子根長）.

2 結果與討論

2.1 溫度的變化

溫度是影響堆肥過程中微生物活性和堆肥效率的重要因素與指標，微生物通過生長代謝產生大量的熱直接影響堆體溫度.

如圖1所示，各處理組堆體溫度均經歷了3個時期，即升溫期、高溫期和降溫期，并且都符合國家標準（GB795987）關于最高堆溫應在50℃以上持續5～7d的衛生標準.堆肥開始后，各處理組溫度均上升，是由于堆料中的有機質在微生物的作用下迅速分解成水、CO2、有機酸和氨氣，此過程產生大量的熱量促使堆體溫度上升，5個處理組溫度上升速率分別為2.05，1.42，2.43，2.06，2.24℃／d，分別在第16，21，16，17，17d達到最高溫度，最高溫度分別為60.4，61.3，68.4，64.4，67.5℃，即升溫速率為處理組Ⅲ＞處理組Ⅴ＞處理組Ⅳ＞處理組Ⅰ＞處理組Ⅱ.隨著時間的延長，5個處理組堆肥溫度逐漸下降，其下降速率為0.91，0.88，1.12，0.99，1.09℃／d，降溫速率為處理Ⅲ＞處理Ⅴ＞處理Ⅳ＞處理Ⅰ＞處理Ⅱ.42d后，堆肥開始進入冷卻和后熟階段，各處理溫度基本趨于一致.上述結果表明，堆肥溫度與調理劑類型密切相關，木質素含量較低的調理劑，堆體升溫和降溫速率均較大，達到最高溫所需時間也較短，溫度較高并且高溫持續時間較長，這與參考文獻［13］研究的結果一致.5種調理劑中，水稻秸桿的木質素含量最低，作為調理劑時升溫最快，溫度最高.相反，木屑和藥渣的木質素含量較高，木屑和藥渣作為調理劑的升溫速率和降溫速率均最慢.

2.2 含水率的變化

水分是堆肥中有機物分解和微生物生長繁殖所必需的，堆肥中含水率的變化是有機物氧化分解產生水及通風時水蒸汽揮發散失等過程疊加的結果.堆肥含水率與堆體溫度堆制材料孔隙度以及翻堆次數有關.大量研究表明，堆肥最佳含水率為50%～60%［14］.

如圖2所示，各處理含水率基本呈現逐漸下降的趨勢，在堆肥升溫期，含水率迅速下降，可能是有機質降解產生水的速率小于水分蒸發的速率，隨著溫度升高和堆肥含水率的降低，更加適合一些嗜熱菌的繁殖代謝，大量降解有機物產生水，即產生水的速率略小于水分散失的速率，致使含水率下降緩慢.堆肥結束時，各處理組含水率分別下降到30.13%，31.46%，28.78%，27.47%，24.78%，下降率分別為43.10%，41.08%，46.56%，42.85%，43.34%.處理組Ⅱ含水率下降最少，這與張建華等［7］研究結果一致.分析認為木屑為調理劑時，由于木屑中易分解的有機碳較少，難分解的有機物較多，分解反應速率較慢，即溫度上升速率也相應較慢；其次木屑密度較大，透氣性差，吸水性強，以上兩者致使處理組Ⅱ水分蒸發的速率明顯下降.處理組Ⅲ含水率下降最多，這與其升溫速度最快，高溫時間持續最長，水分蒸發較快有關.說明以水稻秸稈為調理劑時，有助于堆體中水分的散失，有效減少了后期成品烘干的能耗.

圖1 堆肥過程溫度變化Fig.1 Temperature changes in composting process

圖2 堆肥過程含水率變化Fig.2 Moisture content changes in the composting process

2.3 pH值的變化

pH值可以作為評價好氧發酵腐熟度的一個指標.適宜的pH值可使微生物有效地發揮降解作用.而過高或過低的pH值都會對微生物好氧發酵速率產生影響，一般認為，堆肥pH值在7～9時，最適宜微生物生長和繁殖，可獲得最大堆肥速率［15］.

如圖3所示，在整個堆肥過程中，各處理組堆肥的pH值總體上呈現先下降再上升再下降的趨勢.這與賈程等［16］研究結果不一致，賈程的研究認為堆肥過程中pH值呈現先上升再下降的趨勢，而本文中由于微生物代謝產生的次級代謝物影響堆肥pH值，可能是污泥原料存在差異，導致微生物種類與數量不同，因而試驗結果與賈程研究結果不一致.在堆肥初期4d里，微生物分解有機質產生有機酸的速率大于堆肥中銨態氮轉化成氨氣的速率，致使pH值下降.然而隨著堆肥時間的進行，產生的有機酸被大量分解，同時堆肥中的銨態氮轉化成氨氣的速率提高，導致pH值回升.在堆肥后期，由于氮的氨化作用減弱，硝化作用增強，同時剩余的有機物被分解產生有機酸，造成pH值下降.在整個過程中，處理組Ⅰ和Ⅱ均在堆肥第30d時，pH值達到最大，分別為8.43，8.01.處理組Ⅲ和Ⅳ在第25d時，pH值達到最大，分別為8.49，8.33.處理組Ⅴ在第20d時，pH值達到最大值8.31.其中以水稻秸稈為填料劑的堆肥pH值最大，其次為藥渣、玉米、小麥，以木屑為調理劑時，處理組的pH值最小.

圖3 堆肥過程中pH值的變化Fig.3 pH variation in the composting process

圖4 堆肥過程中有機質含量的變化Fig.4 Organic content in the composting process

2.4 有機質變化

堆肥中的有機質是微生物賴以生存和繁殖的重要因素，在堆肥過程中，微生物通過自身活動，把一部分有機質轉化分解成簡單的無機物，為自身生長代謝提供能量.

如圖4所示，在整個堆肥過程中，有機質含量隨著堆肥過程的進行呈現逐漸下降趨勢，堆肥結束時，各處理組有機質分別下降了22.53%，17.89%，28.32%，24.98%，25.45%.其中處理組Ⅲ有機質下降最多，其次為處理組Ⅴ，Ⅳ，Ⅰ，處理組Ⅱ有機質下降最少.即5種調理劑中，以水稻秸稈為調理劑時，有機質減少量最大，以木屑為調理劑時，有機質減少量最小.這與康軍［17］等的研究結果一致.分析認為，由于水稻秸稈中半纖維素及纖維素含量較高，因此分解有機質速率較快.在堆肥過程中，各處理組有機質分解主要發生在升溫期和高溫期，在降溫期和腐熟期有機質降解較緩慢，可能由于在升溫、高溫階段有機質含量高，微生物生長代謝旺盛，加快了有機質的降解.

2.5 種子發芽指數（GI）的變化

種子發芽指數是通過檢測堆肥樣品中的生物毒性來評價污泥堆肥的腐熟程度和預測其毒性發展，是最可靠有效的指標，且最能反映堆肥產品植物毒性，進而判斷堆肥無害化和腐熟度的重要參數.一般認為當GI＞50%時，堆肥產品基本無毒性，堆肥腐熟；GI＞80%時堆肥已完全腐熟［18］.

如圖5所示，在整個堆肥過程中，各處理組堆肥GI值總體上呈現先下降后上升的趨勢.在堆肥初期的前4d時為抑制發芽階段，微生物強烈作用于堆肥，產生大量NH3等有毒的物質，嚴重抑制種子發芽；在堆肥的4～12d時，隨著堆肥時間的延長，污泥中的有機質被微生物大量分解利用，污泥對種子發芽抑制作用降低，種子發芽指數迅速上升；在堆肥的12～35d后，微生物降解有機質的速率減慢，種子發芽指數緩慢上升.在堆肥的35～45d，種子發芽指數趨勢基本趨于穩定，這與顧文杰［8］研究結果不太一致，顧文杰的研究中GI值結果較高，原因主要有3方面，首先處理的污泥對象不同，他的研究對象為造紙污泥，本文研究對象為污水處理廠脫水污泥；其次，堆肥條件如堆體體積、通風量、攪拌時間等因素均不同；最后蘿卜品種可能也存在差異.因此，3方面因素共同導致了堆肥結果存在差異.堆肥結束時，各處理組GI值分別為64.9%，62.8%，75.2%，70.3%，72.9%.處理組Ⅲ的發芽率最大，處理組Ⅱ最小，各處理組GI均大于50%，說明各處理組在堆肥結束后，均已達到腐熟，堆肥產品對農作物的生長基本無毒性.

圖5 堆肥過程種子發芽指數變化Fig.5 Variation of germination index in the composting process

3 結 論

（1）各處理組堆體溫度均經歷了3個時期，即升溫期、高溫期和降溫期.分別在第20，21，16，17，17d達到最高溫度，42d后，堆肥開始進入冷卻和后熟階段，各處理組溫度基本趨于一致.以水稻秸稈為調理劑時，堆體升溫和降溫速率均較快，達到最高溫所需時間較短，溫度最高且高溫持續時間較長，木屑作為調理劑時則相反.

（2）各處理組含水率均呈現逐漸下降的趨勢，其中以木屑為調理劑時，含水率下降最少；以水稻秸稈為調理劑時，含水率下降最多，這有助于堆體中水分的散失，減少后期成品烘干能耗.

（3）各處理組堆肥的pH值總體上呈現先下降再上升后又下降的趨勢.其中以水稻秸稈為調理劑時堆肥pH值最大，其次為藥渣、玉米、小麥，木屑的pH值最小.

（4）有機質含量隨著堆肥過程的進行呈現逐漸下降的趨勢，各處理組堆肥的GI值總體上呈現先下降后上升的趨勢；各處理組在堆肥結束后，均已基本達到腐熟，堆肥產品對農作物的生長基本無毒性；在堆肥結束后，5種調理劑中，以水稻秸稈為調理劑時，有機質減少量最大，發芽率最大；以木屑為調理劑時，有機質減少量最小并且發芽率最小.

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