生活污泥營養基質配方優化研究

王云龍， 蘇瑤， 喻曼

(浙江省農業科學院 環境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

隨著我國城鎮污水處理率的不斷提高，城鎮污水處理廠污泥產量也急劇增加，至2020年，全國污泥產生量已超7 000萬t，其中，生活污泥近3 600萬t。土地利用一直是污泥資源化利用較理想的方式，主要包括作為農作物、牧場草地肥料的農用，作為林地、園林綠化肥料的林用以及作為沙荒地、鹽堿地、廢棄礦區改良基質的土壤改良。一方面土地利用投資少、能耗低、運行費用低，另一方面污泥中的營養成分和微量元素可促進作物生長，符合可持續發展戰略。尤其是工業廢水被嚴格管控后，生活污泥的重金屬污染問題得到很大程度的解決。但是，生活污泥直接土地利用仍存在短板，比如養分不均衡，容重偏大易造成土壤板結等。近年來，不少研究者開展過污泥基質篩選，主要集中在污泥營養基質單一特性的評價，大多以營養基質的物理、化學或生物性狀顯著性差異分析作為評價方法，相對單一、不夠深入。綜合隸屬度評估方法可以將多個性狀綜合考慮，全面客觀地量化分析營養基質的綜合表現，克服以往單一因素為主、其他性狀憑主觀判斷來評判基質的局限性。但從原料復混設計到配方模型優化的研究較少。本研究通過頂點極端設計，初篩污泥基質的主要材料，并結合綜合隸屬度和曲面優化法對基質原料比例進行優化，以期為生活污泥營養基質開發提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗在浙江省農業科學院桑園科研基地溫室進行。城市生活污泥取自義烏水處理公司大成運營部，選取有機質含量較高的菇渣、麥殼、草炭用于調節污泥配方基質的有機質含量，選取蛭石+珍珠巖、砂子用于調節污泥配方基質的物理結構和性質。菇渣、麥殼來自浙江省農科院園藝所食用菌課題組，草炭、蛭石、珍珠巖、沙子均為市售常規材料。試驗材料的基本理化性質見表1。

表1 供試材料的基本性質

1.2 試驗設計

采用混料設計中的極端頂點設計(表2)，共設計基質配方30個，配方中的各標號X1、X2、X3-1、X3-2、X4-1和X4-2分別代表污泥、菇渣、麥殼、草炭、蛭石-珍珠巖(體積比1∶1)和沙子的體積分數。

表2 污泥混合基質配方設計

1.3 測試參數和方法

基質的容重和孔隙度采用環刀法(NY/T 2118—2012)，含水率采用質量法(CJ/T 221—2005)。pH、有機物、總氮磷鉀參考《CJ/T 221—2005》標準中相關方法，電導率(EC)采用電極法(NY/T 2118—2012)。種子發芽指數測定參考《GB/T 23486—2009》標準中的方法測定。

1.4 數據分析

數據采用Excel 2020 整理，采用SPSS 22.0進行方差和統計分析。相關性采用皮爾遜相關性分析，基質配方綜合評價采用模糊綜合評判法，應用軟件Design Expert中的Box-Behnken法進行優化分析。其中，若某一指標與綜合評判結果為正相關，則采用正隸屬函數進行定量轉換，如公式1所示；若某一指標與綜合評判結果為負相關，則采用反隸屬函數進行定量轉換，如公式2所示。

U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)；

(1)

U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

(2)

式中，U(Xi) 為隸屬函數值；Xi為某指標的測定值；Xmax和Xmin分別指某一指標內的最大值與最小值。

2 結果與討論

2.1 物理性質分析

2.1.1 容重

不同配方之間容重的差異顯著(P<0.01)(表3)，其中，配方2容重最小，為0.37 g·m-3，對應配方為：污泥50%，麥殼50%；配方5容重最大為1.19 g·m-3，對應配方為：污泥50%，沙子50%。容重能反映基質的疏松、緊實程度，在0.1～0.8 g·m-33較佳，直接影響著基質的蓄水和通氣性，并間接影響基質的肥力和后續植物的生長狀況。配方2在較佳的容重范圍內，配方5容重大于0.8 g·m-3，說明該配方下可能會因基質過于緊實，通氣透水性差，不利于根系伸展和植物后期生長，不宜選擇。

2.1.2 孔隙度

總孔隙度為通氣孔隙度與持水孔隙度之和。由表3可知，配方2的總孔隙度最大為70%左右，而配方5的總孔隙度最小僅為43%。一般而言，土壤容重較低，其總孔隙度則往往較大，這與容重的測定結果吻合。持水孔隙度超過50%的處理都是污泥含量較高而沙子含量較低的配方，其中持水孔隙度最大的為配方3，超過57%，持水孔隙度最小的為配方5，只有35%左右。在不同配方的基質通氣孔隙度存在明顯的差異。其中，配方2的通氣孔隙度最大，為23.98%，而配方24的通氣孔隙度最低，僅為5.98%，對應配方為污泥80%，菇渣6.7%，麥殼6.7%，沙子6.7%。總孔隙度反映了基質的孔隙狀況，總孔隙度越大，基質容納的空氣和水越多，有利于根系生長，但是根錨定植物的效果越差。持水孔隙度指飽和土壤排除重力水后保持在土壤中的水分所占的空隙，其保持的水分也稱田間持水量，是土壤保水能力或供水能力的度量。通氣孔隙度指飽和土壤重力排水停止后的土壤空隙，是土壤排水的通道，也為植物根系延伸提供有利條件。污泥通氣孔隙度較低，因此，在基質中的比例需嚴格控制。

表3 不同配方基質的物理和化學性質

2.2 化學性質分析

2.2.1 pH和電導率(EC)

基質中pH主要受基質材料組成及后期水肥管理的影響。基質電導率EC值反映基質中可溶性鹽含量的高低，它直接影響營養液的平衡。為避免污泥土地利用時對植物造成損害，參考《城鎮污水處理廠污泥處置 園林綠化用泥質》(GB/T 23486—2009)中的要求：酸性土壤，污泥pH需在6.5～8.5；中性和堿性土壤，其pH則需在5.5～7.8。針對鹽分敏感地植物根系，其周圍土壤的EC值宜小于1 mS·cm-1。如表3所示，不同處理的基質pH，變化范圍在6.87～7.44，均符合標準《GB/T 23486—2009》中的要求。但不同處理之間電導率(EC)變化較大，除配方2外，其他配方基質的電導率在2.13～5.17 mS·cm-1范圍，相較于污泥本身(5.18 mS·cm-1)，其EC值均得到了一定程度的降低，表明適當的輔料添加可有效降低污泥直接施用于土壤對植物生長造成的不良影響。

2.2.2 有機質和營養成分

不同處理的配方基質，其有機質含量存在明顯差異，這主要是由于基質配方原料的有機質含量有較大差異引起。由表3可知，有機質含量較高的配方1(菇渣含量50%)和配方2(麥殼含量50%)，其菇渣或/和麥殼的含量均較高。有機質含量較低的配方組，則其沙子的含量較高，如配方5和配方10，有機質含量分別為6.46%和13.68%，其配方分別為污泥50%、沙子50%；污泥80%、沙子20%。表明在基質選配時，菇渣、麥殼、蛭石-珍珠巖和沙子的比重改變，將很大程度上影響基質有機質含量的改變，進而會影響基質的容重和孔隙度等物理性質。

氮、磷、鉀是植物生長必需的營養組分。不同配方的基質中，總氮含量較高的組出現在配方組1、2、7、11、15和19，其總氮含量在1.34～1.68%，這些配方組的特點主要是均具有一定比例的污泥、菇渣或/和麥殼。相較而言，配方5的總氮含量最低，僅為0.34%，其配方為污泥50%，沙子50%。總磷含量較高的配方為1、6、7、11和23，含量均大于5.0%，這些配方均含有一定量的污泥、菇渣或/和麥殼，不含有沙子；與總氮結果相似，其最低含量也出現在配方5(污泥和沙子各50%)，僅為1.36%。總鉀含量較高的配方是1、4、13、19和21，均在1.30%以上，這些配方中均不含有沙子。總氮、磷、鉀含量最低的配方均出現在配方5(污泥和沙子各50%)。

2.3 種子發芽指數

不同基質配方的種子發芽指數測定結果如圖1所示。結果顯示，除配方組2、4、7、8、9、15和25的種子發芽指數低于70外，其他配方組均符合相應標準《GB/T 23486—2009》。其中，配方30、29和11種子發芽指數最高，為102.1～119.6，對應的基質分別為污泥65%，菇渣11.7%，草炭11.7%，沙子11.7%；污泥65%，菇渣11.7%，草炭11.7%，蛭石-珍珠巖11.7%；污泥65%，菇渣17.5%，麥殼17.5%。種子發芽指數是表征肥料或有機廢物及有機廢物本身或經一定處理后的生物學毒性的重要指標，也是一個極為重要的用于衡量堆肥腐熟度的參數，因此，配方組2、4、7、8、9、15和25可直接判定為不宜采用。

圖1 不同配方基質的種子發芽指數

2.4 綜合評價

2.4.1 綜合隸屬度分析

根據綜合隸屬度結果(表4)，處理1(污泥和菇渣各50%)的綜合隸屬度最高，達0.812，而處理5(污泥和沙子各50%)的綜合隸屬度最低，僅為0.19。綜合隸屬度在0.70以上的處理包括：處理11、12、19和21，其基質比例分別是：污泥65%、菇渣17.5%、麥殼17.5%；污泥65%、菇渣17.5%、草碳17.5%；污泥50%、菇渣16.7%、麥殼16.7%、蛭石-珍珠巖16.7%；污泥50%、菇渣16.7%、草碳16.7%、蛭石-珍珠巖16.7%。表明這些處理均具有一定的可用性。

綜合以上分析和評價結果，菇渣的加入可有效改善污泥通氣孔隙度，顯著提高其有機質和營養組分速效鉀的含量，同時對電導率和pH等不存在明顯影響，可作為主要的基質配方原料。砂子的加入則會顯著降低基質的綜合性能，不宜作為配方原料。

2.4.2 基質配方優化分析

選擇污泥、菇渣、草炭和蛭石-珍珠巖為基質原料的不同處理，進行深入分析。將各配方的含量作為x(污泥、菇渣、草炭和蛭石-珍珠巖分別對應x1、x2、x3和x4)，以綜合隸屬度作為y，模擬得到的回歸方程為：y=0.61x1+0.81x2+0.68x3+0.62x4-0.11x1x2-0.063x1x3+0.037x1x4+0.18x2x3-0.23x2x4+0.020x3x4，模型的相關系數R2=0.882，P<0.01。

模型優化過程中，以0.01為步長，在0.50≤x1≤1.0，0 ≤x2≤0.50，0 ≤x3≤0.50，0 ≤x4≤0.50配方區間中進行計算，結果如圖2所示，可見綜合性狀與污泥和蛭石-珍珠巖的比例呈負相關，而與菇渣呈正相關關系，草炭比例影響相對較為微弱。此外，菇渣比例在40%以上時，基質綜合性狀均較佳。配方比例為污泥50%，菇渣41.6%～44.5%，草炭5.5%～7.4%，蛭石-珍珠巖0.0%～1.0%時對應的綜合隸屬度均在0.80以上。

A，B，C和D分別表示污泥、菇渣、草炭和蛭石-珍珠巖的比例。(a)、(b)、(c)和(d)分別為污泥比例50%、菇渣比例43.3%、草炭比例6.7%和珍珠巖比例0.0%時，基質綜合隸屬度隨其他3個組分比例變化的分布圖。

3 小結

菇渣對改善污泥通氣孔隙度，提高養分含量均有較好效果，可作為生活污泥營養基質的主要調理劑。砂子的加入會顯著降低基質的綜合性能，不宜作為配方原料。以污泥、菇渣、草炭和蛭石-珍珠巖為基質原料，優化配方比例為污泥50%，菇渣41.6%～44.5%，草炭5.5%～7.4%，蛭石-珍珠巖0.0%～1.0%，綜合隸屬度大于0.80。在生產應用過程中，可根據實際情況將配方比例控制在以上范圍內。