植物纖維性農業(yè)廢棄物混合貯存污泥生物干化研究

摘要：以常見的植物纖維性農業(yè)廢棄物（玉米秸稈、花生殼、稻草）作為調理劑，研究其與貯存污泥混合進行生物干化的效果。實驗過程中設置了玉米秸稈、花生殼、稻草、對照組4個實驗組，實驗結果表明植物纖維性農業(yè)廢棄物可作為貯存污泥生物干化過程的調理劑，且稻草組的效果最好，其堆體最高溫度可達57.5 ℃，含水率由71.83%降至60.01%，揮發(fā)性固體（VS）的質量分數由62.01%降至52.02%，溶解性有機碳（DOC）與溶解性有機氮（DON）質量分數均呈現下降的趨勢且下降幅度最大。w （DOC）/ w（DON）在生物干化過程中逐漸降低，且稻草組比例由4.29降至2.53，說明生物干化可以使物料趨于穩(wěn)定。

關鍵詞：植物纖維性農業(yè)廢棄物；貯存污泥；生物干化；穩(wěn)定性

中圖分類號：X705 文獻標志碼：A 文章編號：1002-4026（2023）04-0134-07

開放科學（資源服務）標志碼（OSID）：

Study on biodrying plant-fiber agricultural wastes mixed with storage sludge

LIU Tiantian¹， WANG Mengfei ²， WU Xiaosu¹， JIAO Youquan¹，WEN Jiangli¹

（1.Department of Water Conservancy and Construction Engineering， Beijing Agricultural Vocational College， Beijing 102442， China; 2.School of Environment， Harbin Institute of Technology， Harbin 150090， China）

Abstract∶In this study， common plant-fiber agricultural wastes （corn stalks， peanut shells， and straw） were mixed to storage sludge as bulking agents to study their biodrying performance. Four experimental groups were used， namely， corn stalks， peanut shells， straw， and a control group. Results showed that plant-fiber agricultural wastes could be used as bulking agents in the biodrying process of storage sludge， and the straw group performed best. The straw pile reached a maximum temperature of 57.5 ℃， and the moisture content decreased from 71.83% to 60.01%. The mass fraction of volatile solids （VS） decreased from 62.01% to 52.02%， and the mass ratio of dissolved organic carbon （DOC） and dissolved organic nitrogen （DON） showed a decreasing trend with the largest decrease. The w（DOC）/w（DON） gradually decreased during the biodrying process， and the ratio of the straw pile decreased from 4.29 to 2.53， indicating that biodrying could stabilize the materials.

Key words∶plant-fiber agricultural wastes; storage sludge; biodrying; stability

農業(yè)廢棄物主要分為植物纖維性農業(yè)廢棄物和畜禽糞便兩大類^［1］。我國農業(yè)廢棄物產量巨大，隨著社會的發(fā)展與綜合利用率不斷提高，目前可達到75%^［2］。雖然農業(yè)廢棄物綜合利用率顯著提高，但仍存在資源浪費、污染環(huán)境等問題。加快推進農業(yè)廢棄物處理和資源化，是一件利國利民長遠的大好事 ^［3］，因此，急需開展植物纖維性農業(yè)廢棄物資源化利用新途徑的研究，促進其處置的無害化、減量化和資源化。目前，在農業(yè)廢棄物的資源化研究及利用方面取得了較大的成果，主要集中在制造復合材料、廢棄物二次還田、加工禽畜飼料等方面^［4］。但是，目前關于植物纖維性農業(yè)廢棄物用于貯存污泥生物干化方面的研究鮮有報道。

貯存污泥是指污水廠產生的污泥脫水之后運往污泥填埋場進行貯存后的污泥。隨著我國經濟社會的發(fā)展，污泥產量在逐年增加。然而，由于我國長期“重水輕泥”現象的存在，污泥處理處置技術發(fā)展緩慢，污泥得到妥善處理處置的比例仍較低^［5］。由于沒有合適的出路以及缺乏合適的處置方法，導致貯存污泥的產量越來越多。貯存污泥只是將污泥進行了轉移，并沒有徹底消除其產生的危害，在長期的貯存過程中會產生許多問題：（1）對土壤、地下水及大氣造成二次污染；（2）占用大量土地，造成土地資源浪費；（3）影響周邊居民身體健康。隨著污泥治理等一系列政策法規(guī)的出臺，今后，污泥處理處置及資源化利用將是污染防治的重點。因此，貯存污泥的處理處置具有重要的意義。

生物干化技術是由Jewell等^［6］在1984年研究牛糞干燥時首次提出，主要是利用好氧微生物自身產生的熱量去除物料中的水分，不需要外加熱源，是一種經濟環(huán)保的干化技術^［7-10］。由于污泥等干化物料黏度大、碳氮比低，需要在生物干化過程中添加調理劑。調理劑可以改善干化物料的結構，提高碳氮比^［11-14］，稻草、秸稈、鋸末等常用作調理劑^［15］。Zhao等^［11］在研究以稻草和木屑作為調理劑與污泥混合進行生物干化時發(fā)現調理劑對生物干化過程中的產熱量具有極大貢獻。Yuan等^［15］研究了不同調理劑對生活垃圾生物干化的影響，結果發(fā)現玉米秸稈作為調理劑時的效果較好。蔣建國等^［16］采用不同的調理劑研究其對貯存污泥生物干化效果的影響，結果發(fā)現秸稈比較適合作為調理劑。雖然關于調理劑的研究較多，但是目前并未見植物纖維性農業(yè)廢棄物與貯存污泥混合進行生物干化的系統(tǒng)性研究。

本文主要研究玉米秸稈、花生殼、稻草等植物纖維性農業(yè)廢棄物作為調理劑時對貯存污泥生物干化的影響，以確定植物纖維性農業(yè)廢棄物作為調理劑的可行性。由于貯存污泥黏度大、碳氮比低，需添加碳氮比高、孔隙率大的物料作為調理劑，植物纖維性農業(yè)廢棄物恰好可以滿足作為調理劑的條件。因此，植物纖維性農業(yè)廢棄物與貯存污泥混合進行生物干化，不僅可以使植物纖維性農業(yè)廢棄物得以資源化利用，還可以解決貯存污泥引發(fā)的一系列問題，對美麗鄉(xiāng)村建設及生態(tài)文明建設具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用貯存污泥取自某污泥填埋場，玉米秸稈、花生殼、稻草等植物纖維性農業(yè)廢棄物取自郊區(qū)農田，具體性質見表1。

1.2 實驗裝置及運行條件

實驗過程中所用生物干化實驗裝置見圖1，主要由定時曝氣裝置、曝氣泵、流量計、反應器、溫度傳感器、數據記錄儀等幾部分組成。

1.3 實驗方法

實驗過程共設置4個實驗組（C1～C4），其中C1～C3分別采用玉米秸稈、花生殼、稻草作為調理劑，C4作為對照組，無調理劑。實驗過程中具體的工藝參數為：貯存污泥與調理劑的質量配比為5∶1（濕重），通風頻率為10 min開、20 min關，通風量（干物質）為1.4 L/（min·kg）。生物干化實驗周期為18 d，每3 d取一次樣。

1.4 檢測方法

溫度：采用GS 200 ET型數字溫控記錄儀（玉環(huán)智拓儀器科技有限公司）實時監(jiān)測堆體溫度；

含水率及揮發(fā)性固體：采用重量法測定；

pH測定：采用pH計；

溶解性有機碳（DOC）和溶解性有機氮（DON）的質量比：利用TOC-VCPH型總有機碳分析儀（日本島津公司）測定。

2 結果與分析

2.1 生物干化過程中溫度的變化

溫度是生物干化過程中的重要指標之一，圖2為不同植物纖維性農業(yè)廢棄物與貯存污泥混合進行生物干化過程中的溫度變化狀況。

由圖2可以發(fā)現，生物干化過程中堆體溫度先升高到達峰值后再降低。這主要是因為在生物干化初期堆體中營養(yǎng)物質成分充足，好氧微生物大量繁殖，產生熱量導致堆體溫度升高。高溫期微生物活性受到抑制，營養(yǎng)物質消耗殆盡，微生物活性逐漸降低，產生的熱量減少，因此堆體溫度逐漸降低。

此外，可以發(fā)現不同的植物纖維性農業(yè)廢棄物在生物干化過程中溫度的變化曲線不一致。C3的堆體溫度最高，可達57.5 ℃，其次為C1，最高為55.2 ℃，C2最高為53.3 ℃。C4的表現最差，僅為46.7 ℃。充分說明貯存污泥生物干化過程需要添加調理劑，且稻草作為調理劑的效果最好，其次為玉米秸稈和花生殼。

2.2 生物干化過程中水分的變化

水分的去除情況是衡量生物干化效果的最直接目標，圖3為不同調理劑作用下的含水率變化情況。

由圖3可以看出生物干化過程中含水率逐漸下降，且在前期下降較快，后期逐漸減緩。這主要是因為前期微生物活性強，堆體溫度較高，故水分散失較快。后期溫度降低，蒸發(fā)的水分也隨之減少。

不同堆體含水率變化不同，稻草堆體含水率下降幅度最大，由71.83%降至60.01%；其次為玉米秸稈和花生殼。對照組的下降幅度很低，由75.00%降至最終的70.17%，更加充分說明貯存污泥生物干化過程中需要調理劑的加入。

2.3 生物干化過程中的變化

通過VS的降解情況，可以了解生物干化的進程。生物干化過程中VS質量分數的變化情況見圖4。

在生物干化過程中，VS質量分數的變化趨勢與含水率的變化趨勢類似，都是逐漸降低，且前期下降速度較快，后期下降速度變緩，這與堆體中微生物活性密切相關。C3堆體的質量分數下降幅度最大，由最初的62.01%降至最終的52.02%，其次為C1、C2和C4。這主要是由于對照組未添加調理劑，堆體不適合生物干化的進行。玉米秸稈和稻草纖維素含量較高，不易降解。

2.4 生物干化過程中pH的變化

微生物必須在適合的pH范圍內才能生長繁殖，生物干化過程中pH的變化情況如圖5所示。

生物干化過程中pH的變化趨勢與溫度類似，均是先升高后降低，最終趨于穩(wěn)定。生物干化初始階段堆體中的營養(yǎng)物質充裕，此時好氧微生物活性較高，快速繁殖，會發(fā)生氨化反應，產生大量的NH₃，使pH升高。隨著生物干化的進行，營養(yǎng)物質逐漸消耗殆盡，氨化反應變弱，產生的NH₃變少。與此同時，堆體硝化作用增強，產生大量的H⁺使堆體pH降低^［17］。由pH的變化情況可發(fā)現，所有堆體的pH變化均在適合微生物生長的范圍內波動，說明堆體外界通風條件較好，未發(fā)生厭氧反應。

2.5 生物干化過程中溶解性有機物的變化

DOM主要包括DOC及DON，是最易被微生物利用的有機物，其變化情況同樣可以反映生物干化的進程，DOC質量分數、DON質量分數及w （DOC）/ w（DON）的變化情況分別見圖6、圖7及圖8。

由圖6可以發(fā)現，生物干化過程中堆體的DOC質量分數逐漸下降，最終趨于平緩。C1堆體DOC質量分數由61.35 g/kg降至最終的28.45 g/kg，C2堆體DOC質量分數由60.24 g/kg降至最終的30.01 g/kg，C3堆體DOC質量分數由61.24 g/kg降至25.36 g/kg，C4堆體DOC質量分數由48.01 g/kg降至32.02 g/kg。可以看出稻草堆體DOC質量分數的下降幅度最大。這主要是因為前期微生物大量繁殖，消耗大量的DOC，隨著生物干化的進行，DOC的質量分數逐漸降低。

由圖7可知，在生物干化過程中DON的質量分數也逐漸降低。例如，C1堆體DON的質量分數由14.92 g/kg降至最終的10.87 g/kg，C2堆體DON的質量分數由14.51 g/kg降至11.35 g/kg，C3堆體DON的質量分數由14.26 g/kg降至10.01 g/kg，C4堆體DON的質量分數由11.01 g/kg降至7.96 g/kg。生物干化過程中，堆體中的含氮有機物被微生物利用，故其質量分數逐漸降低。且C3堆體DON的質量分數的下降幅度最大，C4堆體DON的質量分數的下降幅度最小。

由圖8可知，生物干化過程中w （DOC）/w（DON）總體呈現下降的趨勢，C1 堆體的w （DOC）/ w（DON）由4.11降至2.62，C2 堆體的w （DOC）/ w（DON）由4.15降至2.64，C3堆體的w （DOC）/ w（DON）由4.29降至2.53，C4堆體的w （DOC）/ w（DON）由4.36降至4.02。研究表明，w （DOC）/ w（DON）在一定程度上可以反映堆體的穩(wěn)定化程度，其值降低說明生物干化使物料趨于穩(wěn)定。最終C3堆體的w （DOC）/ w（DON）最低，說明稻草更加適合作為生物干化過程中的調理劑。

3 結論

本文選取了玉米秸稈、花生殼、稻草等常見的植物纖維性農業(yè)廢棄物作為調理劑，研究對貯存污泥生物干化的影響，主要結論如下：

（1）植物纖維性農業(yè)廢棄物可以作為貯存污泥生物干化過程中的調理劑，且生物干化過程中干化效果由高到低分別為：C3（稻草）、C1（玉米秸稈）、C2（花生殼）、C4（對照組），說明植物纖維性農業(yè)廢棄物可以作為貯存污泥生物干化時的調理劑，并且稻草的干化效果最好。

（2）稻草堆體最高溫度可達57.5 ℃，含水率由71.83%降至60.01%，VS質量分數由62.01%降至最終的52.02%，DOC質量分數及DON質量分數下降幅度均最大，DOC質量分數由61.24 g/kg降至25.36 g/kg，DON質量分數由14.26 g/kg降至10.01 g/kg，進一步說明稻草更加適合作為調理劑。

（3）w（DOC）/w（DON）在生物干化過程中逐漸降低，C1堆體的w（DOC）/ w（DON）由4.11降至2.62，C2堆體的w（DOC）/ w（DON）由4.15降至2.64，C3堆體的w（DOC）/ w（DON）由4.29降至2.53，C4堆體的w（DOC）/w（DON）由4.36降至4.02，說明生物干化可以使物料趨于穩(wěn)定。

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