利用枯枝落葉對污水處理廠污泥進行堆肥處理的研究

官昭瑛+張安+陳曉蓉+遲國梁+徐國鋼+朱兆華

摘 要：城市污水處理廠污泥的處置是一個日趨緊迫的問題。本研究利用枯枝落葉對污水處理廠污泥進行堆肥處理。結果表明，枯枝落葉和污泥混合物作為堆肥原料品質良好，能很好地腐熟，堆肥結束時有機質損失率約42%。堆肥產物的理化性質：pH值為7.5、電導率（EC，3.7 mS·cm-1）和重金屬鎘、砷、鉛、銅的含量均符合農業土壤肥料的應用標準。堆肥后物料中交換態重金屬含量降低了13%～70%，枯枝落葉對污泥中重金屬起到良好的鈍化作用。

關鍵詞：污泥；堆肥；枯枝落葉；有機肥

中圖分類號：S141.6 文獻標識碼：A 文章編號：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.09.004

Abstract： The disposal of sludge from wastewater treatment plants is an issue of growing importance. Here we tested the composting of sewage sludge with leaf-litter as bulking materials. Results shown good performance of both materials， and organic matter lost rate was estimated for about 42%. Physicochemical properties： pH （7.5）， electrical conductivity （EC， 3.7 ms·cm-1） and heavy metal contents （Cd， As， Pb and Cu） of the produced composts favored its utilization in agricultural soil as fertilizer. After composting， contents of exchangeable heavy metals decreased 13 to 70 percents， indicating that leaf-litter had a good passivation effect on the heavy metals from the sludge.

Key words： sewage sludge； composting； leaf-litter； fertilizer

在過去的20年中，城市人口的快速增長導致了有機廢物，特別是城市污水處理廠污泥的急劇增加。據報道，我國年均干污泥產量約1 120萬t，對居民健康和環境構成了嚴重的威脅[1-3]。污水處理廠污泥所造成的環境污染已成為制約城市發展的一個重要問題[2， 4]。因此，迫切需要找到回收和再利用這些廢物的有利途徑，以減少其對生態系統和環境的負面影響[5-6]。

堆肥是一種有效、經濟、簡單、環境友好的有機廢物穩定化方法[7]。堆肥技術已被廣泛采納和應用，它把城市有機廢棄物轉變為農業可利用資源[7-10]。本研究利用枯枝落葉對污水處理廠污泥進行堆肥處理，通過堆肥過程，可使部分容易被植物吸收利用的交換態重金屬轉化為更穩定的形式。通過研究底泥—落葉堆肥過程中溫度、含水率、pH值、電導率、有機質和C/N的動態變化，以及堆肥前后交換態重金屬含量變化，為大規模無害化處理及資源化利用城市污水處理廠污泥和綠地廢棄物（枯枝落葉）生產優質有機肥料提供依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

從深圳濱河污水處理廠收集的污泥，以及市區內綠地收集的枯枝落葉，曬干、粉碎為粒徑0.2～0.5 cm，并按一定比例混合為試驗材料，其基本理化性質見表1。

1.2 試驗方法

堆肥試驗在室內進行，采用自制的發酵裝置進行，如圖1所示，為半自動化控制（攪拌轉速20 r·min-1），含曝氣系統（曝氣量在25 L·h-1·kg-1）。堆肥物料10 kg（污泥：枯枝落葉=1：3）添加3‰的發酵菌劑，試驗設3 個重復，共發酵30 d，除了堆溫每天測定外，各理化指標測定分別在第1，5，10，15，20，25，30 d。

1.3 分析方法

堆肥溫度是通過距離發酵罐體底部中心20 cm處的溫度傳感器每天記錄堆溫。含水率在105 ℃下烘24 h 至恒質量測定。pH值和電導率采用肥水比1∶10（W/V），用YSI6600多參數分析儀測定[11]。有機質、全氮、灰分的測定采用國家標準方法[12]。總有機碳和C/N比分別根據公式：總有機碳 =有機質/1.8，C/N =有機質/全氮計算[13]。有機物損失率=（X2-X1）/X1×100%，其中X1、X2為堆肥開始和結束時灰分含量。堆肥前后交換態重金屬（鎘Cd、砷As、鉛Pb和銅Cu）采用化學試劑分步提取分離法分離[14]，然后用ICP-MS測定含量[15]。

1.4 數據處理

圖表制作用Sigmaplot 10.0軟件，數據分析采用SPSS 16.0軟件進行。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中溫度和含水率變化

溫度是監測堆肥過程的主要參數之一，亦是在堆肥過程中，影響氨釋放的重要因子[16]。隨著微生物的活躍，溫度迅速升高[17-20]。本研究中堆肥溫度變化在30～63.5 ℃，堆肥初期，原料中易分解有機質在微生物作用下迅速分解，產生大量熱量，在發酵第3天達到50 ℃以上，第5天達60 ℃以上，進入堆肥的高溫階段，在第7天達到最大堆溫63.5 ℃，高溫階段持續了8 d（圖2）。高溫持續時間長可能是受枯枝落葉中難分解的高纖維素的量所致[20-21]。迅速升溫和較長的高溫持續時間，有利于嗜熱菌的繁殖，能促進生物降解，使堆肥更高效地腐熟[18-19]。含水率也是影響堆肥微生物活性的重要因子。堆肥過程中含水率變化如圖2所示，初始含水率為55%，隨著堆肥的進行，含水率很快下降，至試驗結束時，堆肥的含水率下降至28%左右。

2.2 堆肥過程中pH值和電導率的變化

堆肥過程中適宜的pH值可使微生物有效發揮作用，保留堆肥中的有效N，減少NH4+的損失，而pH值太高或太低都會影響堆肥效率和質量[16， 22-23]。一般認為微生物（特別是細菌和放射菌）生長最合適的pH值為6.5～7.5，這也是發酵過程的適宜pH值[24-25]。本研究堆肥前5 d，pH值快速升高，穩定后在第15天 后開始下降并趨于穩定（圖3）。前期pH值快速上升是有機氮在微生物作用下發生強烈的礦化分解，并產生大量的NH3所致；后期溫度下降后NH3 揮發速率下降，受高溫抑制的硝化菌活性增強，硝化作用產生大量的H+，使pH值回落[22， 26-28]。本試驗pH值在6.6～7.8之間變化，至堆肥結束時呈弱堿性（pH值為7.5）。電導率是堆肥過程中衡量可溶性鹽濃度變化和有機、無機氮的相互轉化程度的關鍵因子[29-30]。高電導率表明堆肥中含有高濃度鹽離子和較多的水溶性物質。研究中堆肥的電導率呈先升高后下降的趨勢（圖3），堆肥前20 d電導率從3.5升高至4.3，隨后逐漸下降至堆肥結束為3.7 mS·cm-1。電導率升高是堆肥中復雜有機物轉化為簡單化合物如礦物離子（磷酸鹽、銨、鉀等）的直接結果，堆肥后期電導率下降，可能是一部分離子沉淀和污泥堆肥逐步穩定化的結果[30-31]。

2.3 堆肥過程中有機質和C/N的變化

堆肥有機質含量隨時間逐漸降低，至發酵結束有機質損失率為42%（圖4）。堆肥前期有機質變化迅速，20 d后有機質下降逐漸平緩。這與堆肥前期的升溫和高溫期嗜熱菌的作用有關，有機質的高速生物降解速率一般始于40 ℃[32-33]。C/N 是常用于評價堆肥腐熟度的參數，一般認為腐熟的堆肥C/N<20[34]。從圖4可以看出，C/N隨堆肥時間逐步降低，堆肥結束時C/N為15.8，達到腐熟的要求。C/N下降是由于微生物大量消耗碳源，一方面微生物生長消耗并以CO2的形式釋放，另一方面碳作為合成細胞的重要原料而減少；而氮雖然也是好氧堆肥微生物的主要營養元素，除卻一部分隨著氨氣的揮發而損失，另一部分用于微生物細胞的合成而留在堆肥產品中；因此C/N總體呈逐漸減小的趨勢[35]。堆肥中后期，微生物活動減弱，殘留下難降解的有機質，降解減緩，堆肥C/N變化趨向緩和。

2.4 堆肥前后重金屬含量的變化

堆肥原料中的重金屬主要來源于污泥，堆肥前混合物料的交換態重金屬含量較高（表1）。堆肥前后交換態重金屬含量變化較大，堆肥30 d的產物各類交換態重金屬含量降低了13%～70%。堆肥產物重金屬Cd、As、Pb和Cu含量分別為：2.7，2.5，13.1，12.8 mg·kg-1。說明耗氧堆肥有利于重金屬的穩定化，枯枝落葉也對污泥中可利用態重金屬起到良好的鈍化作用。

3 結 論

利用枯枝落葉對污水處理廠污泥進行堆肥效果理想。堆肥過程中有機質得到很好地降解，堆肥產物的理化性質穩定，其pH值和重金屬含量均滿足國家農用肥標準 [36]，C/N<20反映出較好的腐熟度，電導率符合土地利用的適宜范圍（< 4 mS·cm-1 [29]）。各項理化指標均表明污泥和枯枝落葉混合堆肥產物在作為農業有機肥上的良好前景，還可作為土壤改良劑應用于園林綠化、礦山修復、道路邊坡覆綠等。

參考文獻：

[1] CHU L，YAN S，XING X H，et al.Progress and perspectives of sludge ozonation as a powerful pretreatment method for minimization of excess sludge production [J]. Water Res， 2009， 43：1811-1822.

[2]LEE I，HAN J I.The effects of waste-activated sludge pretreatment using hydrodynamic cavitation for methane production[J].Ultrasonics Sonochemistry，2013，20（6）：1450-1455.

[3]BADER A H，El-Sayed S A S.Household solid waste composition and management in jeddah city，Saudi Arabia：a planning model[J].Int Res J Environment Sci，2015，4（1）：1-10.

[4]SREEDEVI S.Solid waste generation and its management：a case study[J].Int Res J Environment Sci，2015，4（1）：90-93.

[5]KARAGIANNIDIS A，PERKOULIDIS G，TJANDRA SA. A multicriteria facility location model for municipal solid waste management in North Greece [J]. Euro J Oper Res，2008， 187（3）：1402-1421.

[6] 高翔. 城市污水處理廠污泥農用可行性研究與監測方法[J]. 環境工程， 2011（S1）： 230-233.

[7]李國學，張福鎖.固體廢物堆肥化與有機復混肥生產[M].北京：化學工業出版社，2000.

[8]ZHOU H B，MA C，GAO D，et al.Application of a recyclable plastic bulking agent for sewage sludge composting[J].Bioresource Technology，2014，152：329-336.

[9]黃國鋒，鐘流舉，張振鈿，等.有機固體廢棄物堆肥的物質變化及腐熟度評價[J].應用生態學報，2003，14（5）：813-818.

[10]馬雪梅，劉淑英，王平.微生物菌劑對蘭州城市生活污泥堆肥效果的影響[J].西北農業學報，2012，21（12）：168-172.

[11]HE M M，TIAN G M，LIANG X Q. Phytotoxicity and speciation of copper， zinc and lead during the aerobic composting of sewage sludge [J]. J Hazard Mate ，2009， 163： 671-677.

[12]鮑士旦.土壤農化分析[M].北京：中國農業出版社，2000.

[13] JIMENEL E J， GARCIA V P. Relationship between organic carbon and total organic carbon in municipal solid waste and city refuse composts [J]. Bioresour Technol，1992， 41： 265-272.

[14]張辰，王國華，孫曉.污泥處理處置技術與工程實例[M].北京：化學工業出版社，2006.

[15]魏復盛，國家環境保護總局 水和廢水監測分析方法委會.水和廢水監測分析方法[M].4版.北京：中國環境科學出版社，2002.

[16] BONIECKI P， DACH J，PILARSKI K， et al.Artificial neural networks for modeling ammonia emissions released from sewage sludge composting [J]. Atmos Environ，2012，57： 49-54.

[17]PAGANS E，BARRENA R，FONT X，et al.Ammonia emissions from the composting of different organic wastes：dependency on process temperature[J].Chemosphere，2006，62（9）：1534-1542.

[18]柴曉利，張華，趙由才.固體廢物堆肥原理與技術[M].北京：化學工業出版社，2005：83-84.

[19] VILLAR I，ALVES D， GARRIDO J，et al. Evolution of microbial dynamics during the maturation phase of the composting of different types of waste [J]. Waste Management，2016（5）：011.

[20]衛智濤，周國英，胡清秀.食用菌菌渣利用研究現狀[J].中國食用菌，2010，29（5）：3-6， 11.

[21]張輝，劉維紅，楊啟銀，等.幾種微生物在牛糞堆肥中的試驗研究[J].江蘇農業科學，2006（1）：108-113.

[22] MOORE P A，HUFF W E，DANIEL T C，et al. Effect of aluminum sulfate on ammonia fluxes from poultry litter in commercial broiler houses [J]. American Society of A cultural Engineering，1997（2）： 883-891.

[23] IGLESIASJ E， PEREI G V. Composting of domestic refuse and sewage sludge： I. Evolution of temperature， pH， C/N ratio and cation exchange capacity [J]. Resource， Conservation and Recycling， 1991， 6（1）： 45-46.

[24]NAKASAKI K，YAGUCHI H，SANAKI Y， et al.Effect of pH control on composting of garbage[J].Waste Management and Research，1993，11（2）：117-125.

[25]TROY S M，NOLAN T，KWAPINSKI W，et al， Effect of sawdust addition on composting of separated raw and anaerobically digested pig manure [J]. Journal of Environmental Management，2012，111（6）：70-77.

[26]黃國鋒，吳啟堂，孟慶強，等.豬糞堆肥化處理的物質變化及腐熟度評價[J].華南農業大學學報（自然科學版），2002，23（3）：1-4.

[27]NAKASAKI K，NAG K，KARITA S.Microbial succession associated with organic matter decomposition during thermophilic composting of organic waste[J].Waste Management & Research the Journal of the International Solid Wastes & Public Cleansing Association ISWA，2005，23（1）：48-56.

[28]艾海艦，劉翠英.生物活性水對堆肥腐熟過程的效應研究[J].西北農業學報，2006，15（5）：258-260.

[29]WONG J W C，MAK K F， CHAN N W，et al. Co-composting of soybean residues and leaves in Hong Kong [J]. Bioresour Technology，2001，76（2）： 99-106.

[30]羅一鳴，魏宗強，孫欽平，等.沸石作為添加劑對雞糞高溫堆肥氨揮發的影響[J].農業工程學報，2011，27（2）：243-247.

[31]RASAPOOR M，NASRABADI T，KAMALI M，et al.The effects of aeration rate on generated compost quality，using aerated static pile method[J].Waste Management，2009，29（2）：570-573.

[32]曹云，常志州，黃紅英，等.畜禽糞便堆肥前期理化及微生物性狀研究[J].農業環境科學學報，2015，34（11）：2198-2207.

[33]HUANG G F，WU Q T，WONG J W C， et al. Transformation of organic matter during co-composting of pig manure with sawdust [J]. Bioresour Technol，2006，97（15）：1834-1842.

[34]張聿柏，李勤奮.香蕉莖稈堆肥化處理腐熟度評價研究[J].中國農學通報，2009，25（9）：268-272.

[35]金香琴，段麗杰，馬繼力，等.不同微生物菌劑對畜禽糞便資源化堆肥效果的影響[J].科學技術與工程，2015，15（7）：280-283.

[36]中華人名共和國農業部.中華人民共和國農業行業標準（NY 525-2012）[S].北京：中華人名共和國農業部，2012.