接種發(fā)酵劑對(duì)城市污泥強(qiáng)制通風(fēng)堆肥的效果評(píng)價(jià)

常慧萍　夏鐵騎　王丁

摘要：采用靜態(tài)強(qiáng)制通風(fēng)好氧堆肥的方法，評(píng)價(jià)發(fā)酵劑對(duì)城市污泥堆肥的效果。以牛糞、回填料、麥秸稈為調(diào)理劑，接種SCB發(fā)酵劑，在堆肥反應(yīng)器中模擬堆肥過(guò)程，監(jiān)測(cè)堆體的溫度、含水率、pH值及種子發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化，并設(shè)置對(duì)照堆體；試驗(yàn)堆體添加功能菌群進(jìn)行二次發(fā)酵。試驗(yàn)堆體在堆肥的第4天最高溫度達(dá)62.5 ℃，高溫期（≥55 ℃）持續(xù)5 d，對(duì)照堆體55 ℃維持 4 d；第11天時(shí)，試驗(yàn)堆體含水率由58.6% 下降到45.3%，下降了22.7%，對(duì)照堆體含水率下降了19%；試驗(yàn)堆體和對(duì)照堆體的pH值在第5天時(shí)分別為8.0和7.8；堆肥第11天時(shí)，兩者種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到68.7%和60.6%，均沒(méi)有植物毒性。二次發(fā)酵后的堆肥產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)均符合 CJ/T 309—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明，接種發(fā)酵劑能加速污泥腐熟化進(jìn)程，達(dá)到無(wú)害化和資源化利用目的。

關(guān)鍵詞：城市污泥；SCB發(fā)酵劑；功能菌群；靜態(tài)強(qiáng)制通風(fēng)；堆肥；無(wú)害化評(píng)價(jià)；資源化利用

中圖分類(lèi)號(hào)： Q939.9；X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）15-0271-04

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快和環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提高，污水處理量增加、處理深度提升，污泥的產(chǎn)量大幅增長(zhǎng)。據(jù)《2016年中國(guó)污泥處理市場(chǎng)現(xiàn)狀分析及行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)》統(tǒng)計(jì)，2015 年我國(guó)生活污泥產(chǎn)量為3 500萬(wàn)t，預(yù)計(jì)到2020 年我國(guó)市政污泥產(chǎn)量達(dá)到6 000萬(wàn)～9 000萬(wàn)t。污泥含豐富的有機(jī)質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)成分，是良好的有機(jī)肥料資源，但也含有大量的病原菌、重金屬等各種有毒有害物質(zhì)，必須予以處理。以“四化”即減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化、資源化的理念為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行污泥的處理處置，充分利用污泥中的物質(zhì)和資源。從思維理念、設(shè)備工藝、技術(shù)創(chuàng)新到項(xiàng)目開(kāi)展，實(shí)現(xiàn)污泥處理處置的極致化。目前國(guó)際上對(duì)污水、污泥處理研究的熱點(diǎn)主要包括污水深度處理（持久性有機(jī)物）；污染物資源回收利用；高效節(jié)能降耗工藝等[1]。污泥好氧堆肥是利用嗜溫菌和嗜熱菌的共同作用，將污泥中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)并殺滅病原菌、寄生蟲(chóng)卵和病毒，提高污泥肥料的資源化處置方法，靜態(tài)強(qiáng)制通風(fēng)好氧堆肥的方式是目前較常采用的堆肥工藝。將堆肥化處理后的污泥應(yīng)用于林地、園林綠化和農(nóng)地，以發(fā)揮污泥的肥效[2]。國(guó)內(nèi)外許多關(guān)于城市污泥堆肥的文獻(xiàn)，主要從堆肥的工藝過(guò)程及參數(shù)控制方面進(jìn)行研究，如接種菌劑和調(diào)理劑的種類(lèi)及添加量、碳氮比、通風(fēng)方式等對(duì)堆肥效果的影響[3]。從發(fā)酵過(guò)程中分離出來(lái)的高溫（中溫）的放線菌（真菌），作為接種劑可加速分解木質(zhì)素、纖維素，促進(jìn)腐殖化過(guò)程，縮短腐殖化時(shí)間[4]。復(fù)合微生物菌劑利用微生物間的聯(lián)合優(yōu)勢(shì)調(diào)節(jié)堆肥中的菌群結(jié)構(gòu)、縮短發(fā)酵周期[5-6]。徐智等研究表明，接種外源微生物菌劑能夠提高堆體在高溫期的最高溫度，有利于提高脫氫酶和纖維素酶活性，促進(jìn)堆肥的氧化還原反應(yīng)[7]；應(yīng)用接種劑到堆肥中，對(duì)調(diào)節(jié)剩余污泥中的菌群結(jié)構(gòu)、縮短發(fā)酵周期、加速堆肥進(jìn)程有重要作用[8-9]。劉佳等通過(guò)在牛糞堆肥中接種微生物使堆體能夠在初期快速升溫，并顯著延長(zhǎng)高溫期[10]；歐陽(yáng)建新等研究復(fù)合菌劑在污泥堆肥中的作用，表明復(fù)合菌劑的加入會(huì)迅速降低堆體的生物毒性[11]；徐晨等研究了復(fù)合微生物菌劑對(duì)城市污泥好氧堆肥的影響[12]。有研究表明，添加適量的表面活性劑能夠促進(jìn)發(fā)酵中微生物的生長(zhǎng)代謝及產(chǎn)酶能力[13]，表面活性劑可以提高堆肥的效率[14]。表面活性劑產(chǎn)生菌應(yīng)用于污泥堆肥的研究較少。本研究以牛糞、回填料、秸稈為調(diào)理劑，接種發(fā)酵菌劑，通過(guò)高溫好氧靜態(tài)強(qiáng)制通風(fēng)的方式對(duì)污泥進(jìn)行堆肥并添加功能菌群，為污泥堆肥化的過(guò)程控制和資源化利用提供一定的參考。

1材料與方法

1.1堆肥材料

用于堆肥的材料主要有污泥、牛糞、回填料、麥秸稈。污泥為河南省鄭州市某污水處理廠污泥：含水率82.7%，有機(jī)質(zhì)含量546 g/kg，總氮含量35.2 g/kg，總磷含量21.6 g/kg，總鉀含量4.5 g/kg，pH值 7.4；牛糞取自鄭州市惠濟(jì)區(qū)某奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)，經(jīng)干燥、粉碎處理；回填料取自鄭州某污泥處置廠：含水率為28.2%；麥秸稈來(lái)自鄭東新區(qū)某村麥場(chǎng)，粉碎后長(zhǎng) 2～3 cm。堆肥反應(yīng)在自制的堆肥反應(yīng)器中進(jìn)行模擬。

堆肥發(fā)酵劑SCB，由筆者所在的項(xiàng)目組研制，含纖維素降解菌[15]和生物表面活性劑產(chǎn)生菌[16]；筆者所在的項(xiàng)目組分離于植物根際，用于二次發(fā)酵的功能菌群：固氮菌屬于假單胞菌屬（Pseudomonas sp.）、解磷菌屬于假單胞菌屬（Pseudomonas sp.）、解鉀菌屬于芽孢桿菌屬（Bacillus sp.）。

1.2堆肥反應(yīng)器

堆肥反應(yīng)器如圖1所示，主體為一塑料桶（帶蓋且桶體周?chē)?層泡沫予以保溫），桶底部用支架支起與地面相距約15 cm，以給通氣管的彎頭留有空間；桶底部開(kāi)一孔，以接入直徑為10 cm 的UPVC塑料管作為通氣管；通氣管直立于混合物料的中間，頂端與桶蓋相距約10 cm（上覆蓋保溫層）；間隔 10 cm在通氣管壁四周開(kāi)孔，作為通風(fēng)孔（共開(kāi)了 7排孔）；通氣管通過(guò) 90 ℃彎頭和鼓風(fēng)機(jī)連接。鼓風(fēng)時(shí)將通氣管頂部堵住，利用通氣管壁上的開(kāi)孔向混合物料中通氣；自然通風(fēng)時(shí)，去掉通氣管頂部的堵頭和下端與鼓風(fēng)機(jī)相連部分。桶底部開(kāi)若干直徑為1 cm的孔，作為滲濾液流出孔，濾液收集到1個(gè)托盤(pán)中。

[FK（W14][TPCHP1.tif]

1.3試驗(yàn)方法

在堆肥反應(yīng)器中，采用靜態(tài)強(qiáng)制通風(fēng)好氧堆肥方式對(duì)城市污泥進(jìn)行堆肥處理，設(shè)置試驗(yàn)組（發(fā)酵劑SCB菌劑添加量為0.2%）和對(duì)照組，對(duì)堆肥過(guò)程中堆體溫度、pH值、含水率、發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、分析，判斷堆肥腐熟的程度。

將城市污泥、牛糞、回填料、麥秸稈按照10 ∶3 ∶3 ∶2的質(zhì)量比例混合，使堆料含水率控制在60%左右，C/N 的值為25左右，均勻混合后裝入堆肥反應(yīng)器進(jìn)行試驗(yàn)。在堆體表面覆蓋1層約10 cm厚的稻草保溫及除臭，鼓風(fēng)機(jī)每天定時(shí)鼓風(fēng)。堆肥期間每天10：00、16：00分別測(cè)定堆體不同位置和深度的溫度，取平均值作為當(dāng)日堆體溫度；堆肥第1、第3、第5、第7、第9、第11天從堆體的不同位置和深度取樣，樣品均勻混合后進(jìn)行參數(shù)分析。endprint

當(dāng)堆溫降至40～45 ℃時(shí)結(jié)束第1次發(fā)酵，將堆肥產(chǎn)物移至發(fā)酵池中，接種具有固氮、解磷、解鉀功能的菌群（滅菌麩皮為吸附劑，按1 ∶1 ∶1的比例混勻，接種量1%），翻堆混勻并將堆料厚度控制在30 cm 左右，進(jìn)行二次發(fā)酵，按照CJ/T 309—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 農(nóng)用泥質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

1.4分析測(cè)定方法

溫度用溫度計(jì)檢測(cè)。含水率采用烘干法，樣品置于 105 ℃ 干燥箱中烘干24 h，冷卻后稱(chēng)質(zhì)量。樣品浸提液：取10 g 新鮮堆肥樣品用100 mL 蒸餾水作為浸提劑，在搖床上振蕩30min，浸提，以4 000 r/min 的速度離心15 min，取離心后的上清液，用于pH值及種子發(fā)芽率的測(cè)定。pH值采用 pHS-3C 型實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)測(cè)定。種子發(fā)芽指數(shù)：為檢測(cè)堆肥的腐熟效果，用經(jīng)過(guò)表面消毒的小麥種子進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。取樣品浸提液5 mL 于鋪有濾紙的直徑為90 mm的培養(yǎng)皿中（經(jīng)滅菌），以等量蒸餾水作為空白對(duì)照，每個(gè)培養(yǎng)皿內(nèi)置20 粒飽滿的小麥種子，在溫度28 ℃、濕度為80% 的條件下避光培養(yǎng)48 h，測(cè)定種子的發(fā)芽率和根長(zhǎng)[17]。發(fā)芽指數(shù)（GI） 的計(jì)算公式為：GI=（堆肥浸提液的種子發(fā)芽率×種子根長(zhǎng)）/（蒸餾水的種子發(fā)芽率×種子根長(zhǎng)）。

2結(jié)果與分析

2.1堆體的溫度

通常發(fā)酵溫度的變化是衡量發(fā)酵過(guò)程的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，堆肥過(guò)程可分為升溫期、高溫期、降溫期 3 個(gè)階段，最后達(dá)到腐熟。堆肥期間，于每天10：00、16：00分別測(cè)定堆體不同位置的溫度，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，添加發(fā)酵劑的試驗(yàn)堆體比對(duì)照升溫快，發(fā)酵過(guò)程啟動(dòng)快速，并且高溫期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，促進(jìn)了腐熟進(jìn)程。試驗(yàn)堆體溫度在堆肥初期急劇上升，第3天就達(dá)到53.4 ℃，第4天達(dá)到最高溫度62.5 ℃，維持55 ℃以上高溫達(dá)5 d，說(shuō)明堆體中的有機(jī)物經(jīng)過(guò)了快速分解的過(guò)程。對(duì)照堆體第3天達(dá)到50.7 ℃，第5天達(dá)到最高溫度 58.2 ℃，維持55 ℃以上高溫達(dá)4 d。我國(guó)GB 7959—1987《糞便無(wú)害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，堆肥溫度在50～55 ℃以上維持 5～7 d 或在55 ℃以上超過(guò)3 d，可殺滅所含致病微生物和害蟲(chóng)卵，是堆肥的無(wú)害化標(biāo)準(zhǔn)。所以，從溫度的變化來(lái)看符合腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

[TPCHP2.tif]

2.2堆體的含水率

含水率直接影響堆體氧氣的供應(yīng)，影響堆體內(nèi)微生物的代謝活動(dòng)，含水率與以下堆肥過(guò)程中有機(jī)物氧化分解產(chǎn)生的水分量、強(qiáng)制通風(fēng)導(dǎo)致以水蒸氣形式散失的部分水分量有關(guān)，分別在堆肥第1、第3、第5、第7、第9、第11天從堆體的不同位置和深度取樣，測(cè)定堆體的含水率，結(jié)果如圖3所示。圖3表明，試驗(yàn)堆體和對(duì)照堆體的含水率都呈下降趨勢(shì)。堆肥結(jié)束時(shí)，試驗(yàn)堆體含水率由58.6%下降到45.3%，下降了227%；而對(duì)照組堆肥含水率由57.9%下降到46.8%，下降了19.2%。試驗(yàn)堆體含水率下降較多，與試驗(yàn)堆體溫度升高的速率快且維持高溫的時(shí)間長(zhǎng)有關(guān)。

2.3堆肥樣品的pH值

pH值的變化是氨氣的產(chǎn)生與揮發(fā)、有機(jī)酸的產(chǎn)生與揮發(fā)綜合作用的結(jié)果[18]。通常認(rèn)為，pH值在7.5～8.5時(shí)堆肥效

[TPCHP3.tif]

果最好，利于提高堆肥初期反應(yīng)速率、啟動(dòng)發(fā)酵過(guò)程、縮短堆肥腐熟時(shí)間[19]。分別在堆肥后第1、第3、第5、第7、第9、第11天從堆體的不同位置和深度取樣，測(cè)定堆肥樣品的pH值，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，堆肥初期，試驗(yàn)堆體與對(duì)照堆體均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，第5天時(shí)達(dá)到峰值；堆肥后期，隨著堆溫的降低及有機(jī)物的分解，堆體中的有機(jī)酸逐漸累積，pH值逐漸恢復(fù)到初始水平。試驗(yàn)堆體的pH值在整個(gè)堆肥過(guò)程中均高于對(duì)照堆體，其pH值在堆肥初期升高速率較對(duì)照堆體快，第5天時(shí)達(dá)到8.0，而對(duì)照堆體為7.8。這與堆溫升高、微生物降解有機(jī)物速率加快相關(guān)。

2.4種子發(fā)芽指數(shù)

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）被認(rèn)為是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度評(píng)價(jià)指標(biāo)[20]，它通過(guò)檢測(cè)堆肥產(chǎn)品對(duì)植物種子發(fā)芽產(chǎn)生抑制作用的強(qiáng)弱來(lái)表征。通常認(rèn)為，種子發(fā)芽指數(shù)≥50%時(shí)，堆肥基本無(wú)毒；種子發(fā)芽指數(shù)≥80%時(shí)達(dá)到腐熟[21]。未腐熟的發(fā)酵產(chǎn)品中含有對(duì)植物有抑制或毒性作用的物質(zhì)，抑制植物種子的發(fā)芽。通過(guò)定期取樣，測(cè)定試驗(yàn)堆體與對(duì)照堆體的種子發(fā)芽指數(shù)，結(jié)果如表1所示。由表1可知，兩者發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，試驗(yàn)堆體的發(fā)芽指數(shù)增速高于對(duì)照堆體，說(shuō)明前者腐熟速度較后者快，可能與試驗(yàn)堆體的有機(jī)質(zhì)快速降解有關(guān)。堆肥第11天時(shí)，試驗(yàn)堆體和對(duì)照堆體的發(fā)芽指數(shù)分別達(dá)到68.7%和60.6%，基本沒(méi)有植物毒性。

2.5二次發(fā)酵后堆肥物料的質(zhì)量檢測(cè)

試驗(yàn)堆體一次發(fā)酵進(jìn)行到第11天時(shí)，接種具有固氮、解磷、解鉀的功能菌群進(jìn)行二次發(fā)酵，當(dāng)溫度高于45 ℃時(shí)進(jìn)行翻堆，以降低溫度；第5天后對(duì)堆肥產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，各種指標(biāo)見(jiàn)表2。經(jīng)檢測(cè)，堆肥產(chǎn)品的養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)、有機(jī)污染物、物理性質(zhì)、衛(wèi)生學(xué)等指標(biāo)均符合CJ/T 309—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明接種SCB發(fā)酵劑達(dá)到了污泥的無(wú)害化、資源化處理的目的。

3結(jié)論與討論

城市污泥含水率高、碳氮比低，須要將污泥按照一定比例與調(diào)理劑混合，借助混合物料中多種好氧微生物對(duì)有機(jī)物進(jìn)行氧化分解，使有機(jī)固體廢物轉(zhuǎn)換為腐殖質(zhì)[22-25]。調(diào)理劑在堆肥中主要起調(diào)節(jié)物料碳氮比、含水率、自由空域、堆肥養(yǎng)分的作用，保證堆肥快速高效發(fā)揮作用[26]。調(diào)理劑的種類(lèi)及與污泥的比例對(duì)堆肥效果至關(guān)重要。姚嵐等將秸稈與污泥進(jìn)行混合好氧堆肥，降低了污泥土地利用對(duì)環(huán)境的危害[27]；蘭時(shí)樂(lè)等以雞糞和油菜秸稈為原料進(jìn)行高溫好氧堆肥試驗(yàn)，堆肥過(guò)程中氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮相對(duì)含量上升，堆肥時(shí)間以30 d左右為宜[28]；劉衛(wèi)等應(yīng)用污泥熟肥作為調(diào)理劑，促進(jìn)了污泥堆肥進(jìn)程[29]；金芬等研究了不同調(diào)理劑對(duì)城市污泥好氧堆肥的影響[30]。目前，污泥堆肥熟肥的應(yīng)用僅限于土壤改良劑或有機(jī)肥料[31]。薛澄澤用污泥研制的復(fù)合肥施用于高速公路綠化帶，表明污泥復(fù)合肥對(duì)高速公路綠化帶有十分明顯的土壤改良和養(yǎng)分供給的作用，且肥效持久、后效顯著[32]。Nyamangara等發(fā)現(xiàn)，土地經(jīng)過(guò)施用污泥 19 年后，表層土壤中有機(jī)物、礦化氮、有效磷、K、Ca、Mg、Na 等離子的含量大大增加，表明污泥是一種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量豐富的可利用資源[33]。張宏忠等研究表明，將城市污泥堆肥用作無(wú)土草坪基質(zhì)是一種非常經(jīng)濟(jì)有效的污泥資源化途徑[34]。牛明杰等研究了城市污泥堆肥過(guò)程中各項(xiàng)有機(jī)質(zhì)組分的形成與轉(zhuǎn)化，表明堆肥化處理在實(shí)現(xiàn)污泥無(wú)害化和減量化基礎(chǔ)上，污泥中有機(jī)質(zhì)得到了穩(wěn)定化，有利于城市污泥的土地利用[35]。endprint

發(fā)酵劑SCB含有纖維素降解菌和生物表面活性劑產(chǎn)生菌，以牛糞、回填料、麥秸稈為調(diào)理劑對(duì)污泥進(jìn)行高溫好氧靜態(tài)強(qiáng)制通風(fēng)發(fā)酵，并添加具有固氮、解磷、解鉀功能菌株進(jìn)行二次發(fā)酵。堆肥第3天堆溫就達(dá)到53.4 ℃，第4天達(dá)到最高溫度62.5 ℃，維持55 ℃以上高溫達(dá)5 d；第11天時(shí)，試驗(yàn)堆體含水率由58.6% 下降到45.3%，下降了22.7%。試驗(yàn)堆體的pH值在堆肥初期快速升高，第5天時(shí)達(dá)到8.0。堆肥第11天時(shí)，試驗(yàn)堆體的發(fā)芽指數(shù)達(dá)到68.7%，基本沒(méi)有植物毒性。二次發(fā)酵后的堆肥產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)均符合CJ/T 309—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)。

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