城市污泥堆肥處理養分及重金屬變化研究

陳建軍，陳海燕，湛方棟，秦 麗

（云南農業大學資源與環境學院，云南昆明650201）

污泥是城市污水處理廠對污水處理過程中產生的沉積物，一方面含有豐富的氮、磷、鉀和有機質，是可利用的良好有機肥源，污泥農用后可提高作物產量、培肥土壤及改善土壤理化性質［1］；另一方面因其含水率高、易腐爛、有惡臭、重金屬含量高、含有大量寄生蟲卵與病原微生物，處理不當容易對周圍環境產生二次污染。若直接施入農田，可能使重金屬污染土壤，并通過農作物進入食物鏈，并且由于污泥未經穩定后農用，其中有機質的分解將消耗氧，造成土壤中氧含量不足，危害作物［2］。因此在污泥農用時通常應進行穩定化處理，污泥穩定化的方式主要有消化、堆肥等。常規的堆肥處理對重金屬的控制作用有限，如果摻入一定比例的堿性物質作為調理劑，提高堆肥物料pH值，可降低重金屬溶解性，達到鈍化重金屬的目的。同時，粉煤灰是火力發電廠燃煤后產生的廢棄物，pH值高，富含有機質和酸性土壤缺乏的Si、Ca、S、Mo等元素［3］。利用污泥和粉煤灰，并及加入適量的木屑、稻草、樹葉、垃圾等調理劑調節C／N比和水分含量，進行混合堆肥，是對污泥和粉煤灰等廢棄物的有效利用方式之一。

本試驗以稻草作為調理劑，粉煤灰為重金屬鈍化劑，對城市污泥進行堆肥處理，研究堆肥過程中氮、磷、鉀等養分的變化情況，以及重金屬總量和有效態含量的變化，為污泥資源化利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

污泥直接取自昆明市第三污水處理廠污泥脫水車間，含水率為81.5%；干稻草取自昆明市龍頭街鎮附近農田，取回后自然晾干鍘成長約3 cm的段備用；粉煤灰取自昆明市西山火力發電廠，取回后過2 mm篩備用。污泥、干稻草、粉煤灰的養分含量和重金屬含量見表1和表2。

1.2 試驗設計

堆肥試驗共設4個處理。 A處理：污泥：稻草=4∶1； B 處理： 污泥∶稻草∶粉煤灰=4∶1∶0.5； C 處理： 污泥∶稻草∶粉煤灰=4∶1∶1； D 處理：污泥∶稻草∶粉煤灰=4∶1∶1.5。

1.3 堆肥的堆制方法

堆肥試驗在云南農業大學環境科學實驗室內進行，按濕質量比混合均勻后上堆，堆底墊一層厚約15 cm的鍘碎稻草作為垛底，將各種物料按比例混合均勻堆成寬約0.5 m，高約0.5 m，長度1.0 m的垛堆，用塑料布覆蓋保溫保濕，堆肥時間為60 d。堆肥開始后的30 d內每5 d翻堆1次，堆肥30 d后停止翻堆。堆肥開始時，調節含水率為65%。

1.4 堆肥樣品的采集處理與測定

分別在堆肥開始 0 d、30 d、60 d多點隨機采樣，所采樣品自然晾干后在60℃條件下烘干粉碎備用。測定方法：有機質采用重鉻酸鉀氧化－容量法；全氮采用開氏法；全磷、全鉀分別采用氫氧化鈉熔融－鉬銻抗比色法和火焰光度法；堿解氮采用堿解擴散法；有效磷用碳酸氫鈉浸提－鉬銻抗比色法；pH值用電位法；總砷用硫酸－硝酸－高氯酸消解，氫化物發生－火焰原子吸收分光光度法測定；總汞用硫酸－硝酸－高錳酸鉀消解，冷原子吸收分光光度法測定；總鉻、銅、鋅、鉛、鎘用硝酸－高氯酸消解，火焰原子吸收分光光度法測定；有效銅、鋅、鎘、汞用0.1 mol/L乙酸溶液浸提后火焰原子吸收分光光度法測定［4］。

表1 供試堆肥原料的主要養分含量

表2 供試堆肥原料中主要重金屬含量

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中全N、全P、全K含量的變化

由表3可以看出，全氮含量在堆肥過程中呈降低的趨勢。A處理下降不明顯，C、D處理的全氮含量在堆肥0～30 d內下降明顯，這可能是由于堆肥過程中氮以氣態NH3的形式揮發損失引起的，A處理雖然也有NH3揮發引起的氮損失，但由于堆肥過程中物料發生分解后總量有所減少，對全氮量具有濃縮效應。C、D處理全氮含量下降明顯可能與堆肥中加入的粉煤灰比例較高，pH值呈弱堿性，更加有利于NH3揮發，從而導致揮發量大于濃縮。對于全磷和全鉀含量的變化，濃縮效應就顯得尤為明顯，堆肥過程中堆體體積和堆料重量不斷減少，養分不損失而被濃縮，其含量不斷上升，且0～30 d內有機質分解快，則養分含量上升越快，本試驗由于磷和鉀在堆肥過程中未損失而被濃縮，全磷和全鉀的含量呈線性上升，這與前人的結果相一致［5］，30～60 d有機質分解變慢， 全磷和全鉀的含量變化不太明顯。

表3 堆肥過程中全N、全P、全K含量的變化

2.2 堆肥過程中堿解N、有效P、速效K含量的變化

從表4可知， 各處理堿解N、有效P、速效K含量堆肥后較堆肥前均有不同程度的提高，表明污泥經堆肥化處理后，養分有被活化的效果。但是各有效養分在堆肥過程的變化趨勢存在差異。其中堿解N、有效P含量在堆肥過程中都是先升高，到第30 d達到最大，然后又下降。堿解N含量在堆肥前期上升，可能是由于物料中有機氮化合物分解產生的，后期堿解N含量下降，其中NH3－N是以NH3形式揮發損失［6］；有效P含量先升高可能是由于物料礦化分解產生的，而堆肥腐熟后期一部分速效P又轉化為緩效P［1］。速效K含量則在堆肥過程中一直呈上升趨勢，因鉀的水溶性很強，礦化分解后不容易被固定，因此上升趨勢明顯。

2.3 堆肥過程中重金屬總量變化

從表5可以看出，重金屬總量在堆肥處理前后均比原污泥明顯下降，且下降幅度呈現出D＞C＞B＞A的趨勢，是因為堆肥處理添加調理劑后具有稀釋作用，加入調理劑的量逐漸加大引起的。而堆肥后比堆肥前重金屬總量除A處理的Hg元素外，均有不同程度的增加，這是由于堆肥過程中物料分解損失，堆體體積和重量變小等而引起重金屬總量在堆料中濃縮所致。但由于加入粉煤灰堆肥處理后物料的pH升高，由偏酸性轉為中性，除Cd因原污泥嚴重超標導致堆肥仍然超標以外，以中國農用污泥中污染物控制標準(GB4284－84)來衡量，對pH＞6.5的土壤，原來超標的Cr、Hg、Cu、Zn均控制在標準限值范圍內。因此由于污泥中Cd嚴重超標，堆肥處理后欲作為農用仍存在問題，需進一步處理。

表4 堆肥過程中堿解N、有效P和速效K含量的變化

2.4 堆肥過程中重金屬有效態含量變化

堆肥前后重金屬有效態含量變化見表6。主要分析了污泥中超標嚴重的Cd、Cu、Zn、Hg。

從表6可以看出，污泥經過堆肥處理后，其重金屬有效態含量均有不同程度的下降，其中A處理的Cd、Cu效果不明顯，其他處理均隨粉煤灰加入比例的加大，重金屬有效態含量降低越明顯，以C處理效果最好，說明添加粉煤灰對重金屬有效態有較好的鈍化作用。但并不是粉煤灰的比例越大效果越好，D處理的鈍化效果反而不如C處理，可能與粉煤灰的比例太高，影響了堆肥過程中有機質對重金屬的作用有關。

表5 堆肥過程中重金屬總量變化

表6 堆肥過程中重金屬有效態含量的變化

3 結論

（1）在堆肥過程中全氮含量呈降低趨勢。主要是由于堆肥過程中氮以氣態NH3的形式揮發損失引起的，雖然堆肥過程中物料發生分解后總量有所減少，對全氮量具有濃縮效應，但C、D處理堆肥中加入的粉煤灰比例較高，pH值呈弱堿性，更加有利于NH3揮發，從而導致揮發量大于濃縮量，全氮含量下降明顯；而全磷和全鉀含量呈線性上升。

（2）各處理堿解N、有效P、速效K含量堆肥后較堆肥前均有不同程度的提高，表明污泥經堆肥化處理后，養分有被活化的效果。

（3）添加粉煤灰進行堆肥處理，可以在一定程度上提高污泥的穩定性，即可農用性，主要是提高了堆肥的pH，但重金屬總量沒有明顯降低。對于昆明第三污水處理廠污泥，由于Cd、Cu嚴重超標，堆肥處理后仍達不到農用標準。

（4）粉煤灰對污泥中重金屬 Cu、Zn、Cd、Hg有效態有明顯的鈍化作用， 以污泥∶稻草∶粉煤灰=4∶1∶1的比例鈍化效果最好。

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