調理劑配比對污泥堆肥過程中理化參數變化的影響

黃克毅+李明峰+張俊杰+馬闖+趙繼紅+張宏忠+魏明寶+葉長明

摘要：選用鋸末作為污泥調理劑，研究了不同配比的鋸末對污泥堆肥過程中理化參數變化的影響。結果表明，污泥和鋸末采用3.5∶1.0（m∶m，下同）和4.0∶1.0的比例達到的最高溫度、高溫持續時間以及降解揮發性固體含量（VS）要優于采用3.0∶1.0和5.0∶1.0的比例，而氮損失較為嚴重，分別達到了63.25%和53.05%。硝態氮含量均呈現先下降后逐漸上升的趨勢，與銨態氮的含量變化相反；堆肥結束時各處理pH、EC和GI均符合無害化要求。考慮到輔料成本和氮損失兩方面的因素，污泥和鋸末堆肥過程中推薦采用4.0∶1.0的比例。

關鍵詞：污泥；堆肥；調理劑配比；理化參數

中圖分類號：S141.4；X705 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）10-2339-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.08.009

隨著城市化進程的加快和污水處理量的大幅增加，污水廠的污泥產生量也急劇增加，由此引起的污泥二次污染事件時有發生。如何安全經濟地處理污水處理廠產生的剩余污泥，實現污泥的無害化、減量化、資源化成為當前國內外學者所面對的共同問題[1]。污泥含有豐富的有機質、氮、磷和其他植物必需的營養元素[2]，堆肥后作為有機肥利用不僅可以有效消納處理大量的剩余污泥，還可以培肥土壤，提高作物產量和品質[3]。

由于污泥含水率較高（80%）、結構性差、通風供氧困難等原因，污泥自身很難升溫發酵，需要對污泥進行預處理。在預處理過程中，一般采用加入鋸末、秸稈等調理劑的方法降低污泥的含水率、提高混合料的孔隙率[4，5]，滿足好氧微生物生長繁殖的需求。調理劑在堆肥中主要起到調節物料C/N比、含水率、自由空域、孔隙性的作用，保證微生物發酵快速高效的進行[6]。合適的調理劑配比不但可以促進堆體升溫，提高堆肥效率[7]，還可以降低堆肥成本[8]和氨素的損失，從而提高堆肥產品質量[9，10]。因此，篩選合適的調理劑配比不但需要考慮促進污泥堆肥過程，保證堆肥成功，取得較好的堆肥效果，而且還要兼顧堆肥成本，盡量減少調理劑的用量，達到堆肥質量和效益的統一。本研究選用鋸末作為堆肥調理劑，研究了不同配比條件下污泥堆肥過程中理化參數的動態變化， 以期為篩選出合理的調理劑配比，優化堆肥效果提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試污泥源于鄭州市五龍口污水處理廠脫水污泥，污泥含水率為79.81%，有機質含量為52.56%，總氮含量為2.05%。所選用的調理劑鋸末來源于處理廠周邊木料加工廠，其含水率為8.23%，有機碳含量為52.80%，總氮含量為0.40%。

試驗設4個處理，按照污泥/鋸末的質量比（m∶m，下同），處理1為3.0∶1.0，處理2為3.5∶1.0，處理3為4.0∶1.0，處理4為5.0∶1.0。各堆體物料初始含水率分別為62.10%、63.89%、65.13%和67.72%，初始C/N比值分別為23.47、22.31、22.23和21.26。

1.2 試驗方法

將混合后待發酵物料堆積于發酵罐中，發酵罐呈立式圓柱狀，堆體的體積約300 L，底部安裝有小型羅茨風機和高效布氣、曝氣系統，頂部留有可以插溫度、氧氣探頭和采樣的孔隙。堆肥發酵過程采用自控系統溫度反饋控制鼓風過程，采用溫度探桿、氧氣探桿自動監測發酵過程的溫度和氧氣相關數據。

物料分析方法如下[11，12]：采用烘干法測定含水率；采用灼燒法測定微生物活動降解揮發性固體（VS）含量；采用pH酸度計測定pH；采用電導率儀測定法測定電導率（EC）；采用小白菜發芽試驗法測定種子發芽指數（GI）；采用半微量凱氏定氮法測定全氮量；采用酚二磺酸比色法測定硝態氮量；采用KCl浸提-靛酚藍比色法測定銨態氮量。

2 結果與分析

2.1 污泥堆肥過程中堆體溫度的變化特征

堆肥過程中微生物分解有機物進行代謝，同時釋放出熱量，堆體溫度發生改變，隨之微生物的種群結構與代謝活力也會發生相應的改變，因此，溫度是堆肥系統微生物活性和有機質降解速度的反映，也是堆肥是否成功的重要標志[5]。調理劑配比對堆體的溫度和產品的質量都會產生影響，合適的調理劑配比能夠促進堆體升溫并延長高溫持續期[7]。由表2可知，處理1升溫速率較高但達到的最高溫度和高溫持續時間均要低于處理2和處理3，處理4的升溫速率、溫度峰值和高溫持續時間均最低。各處理均從0.1 d就開始升溫，升溫速率從處理1到處理4依次降低，分別為36.9、27.6、26.9和9.6 ℃/d；從處理1到處理4分別于第0.9、1.6、1.8和2.3 d，達到溫度峰值，分別為65.6、69.1、67.5和53.6 ℃；從處理1到處理4維持50 ℃以上的高溫持續時間分別為7.9、9.4、8.4和4.5 d，處理1、2和3均可滿足《蓄禽糞便無害化衛生標準》（GB-7959-87）所規定的50 ℃以上持續5～7 d的要求，處理4為完成無害化過程。

2.2 污泥堆肥過程中降解揮發性固體含量的動態變化

堆肥過程中物料體積和質量的減少主要是微生物活動降解揮發性固體（VS）和物料脫水引起。由圖1可知，四個處理的VS含量在堆肥過程中均呈明顯的下降趨勢，且高溫期前期降解比較迅速。這與堆肥高溫前期微生物活性強，易降解的有機物分解速率較快，而中后期隨著易降解物質的減少，微生物需利用較難降解的纖維素等有機物質作為碳源，分解相對緩慢有關。處理1的VS含量從75.73%降為66.92%，處理2的VS含量從76.04%降為62.14%，處理3的VS含量從77.31%降為63.64%，處理4的VS含量從77.55%降為71.75%，4個處理VS含量下降率分別為11.63%、18.28%、17.68%和7.48%。處理2的VS含量降解率最高，處理4的VS含量降解率最低。這是由于與處理1、3、4相比，處理2溫度峰值較高、高溫持續時間最長（表1），微生物活性更大，降解有機物的能力更強，而處理4上堆料含水率大于65%，阻礙了堆體升溫和氧氣向堆料內部擴散，不利于微生物對有機物的降解[12]。endprint

2.3 污泥堆肥過程中總氮含量的動態變化

由圖2可知，4個處理的總氮含量總體變化基本一致，均呈逐漸下降的趨勢，且表現為高溫期降低較快，氮含量的減少由于在堆肥初期大量微生物的作用下發生氨化作用和氮素的轉化，大量的氨產生導致氮素的損失[7]。從處理1到處理4各處理總氮含量分別由堆肥開始時的1.54、1.59、1.64和1.71 g/kg，降為堆肥結束時的0.85、0.58、0.77和0.94 g/kg，分別下降了44.81%、63.52%、53.05%和45.03%，處理2的氮損失最嚴重，處理3次之，處理1和處理4較低。這可能是由于處理1和處理4溫度較低，高溫持續期較短（表1），從而抑制了微生物活性和有機質礦化速度，降低了氨的揮發。

2.4 污泥堆肥過程中銨態氮、硝態氮含量的動態變化

堆肥過程中銨態氮的變化如圖3a所示，4個處理中銨態氮含量均呈現先增加后減少的變化趨勢。除處理1銨態氮含量在第7天達到最大值外，其他處理的銨態氮含量在第4天時均達到最大值。由于污泥堆肥過程中的升溫階段通常時間很短，微生物繁殖量顯著增加，銨態氮快速積累。隨著堆肥的進行，溫度逐漸下降，硝化細菌的活性變強，銨態氮含量逐漸減小。與最大值相比，堆肥結束時4個處理的銨態氮分別下降了76.62%、77.52%、87.10%和81.34%。

由圖3b可知，在堆肥過程中4個處理中硝態氮含量均呈現先下降后逐漸上升的趨勢，與銨態氮的含量變化相反。堆肥前期第4天硝態氮含量最低，由于氨化作用銨態氮快速積累，硝化作用受到抑制，硝態氮含量逐漸下降。隨著進入降溫期，溫度逐漸下降，硝態氮含量逐漸增加。在堆肥中后期，硝態氮細菌活性增強，銨態氮不斷減少，硝態氮不斷增加。與最低值相比，堆肥結束時4個處理的硝態氮含量分別增加了14.58%、4.11%、44.11%和75.71%。處理4硝態氮增加幅度最大，其次是處理3、1和處理2。

2.5 污泥堆肥過程中pH、EC動態變化

在堆肥過程中，pH是重要過程參數，過高和過低都會影響堆肥效果。一般認為，pH 7.5～8.5時，降解速率最大[13，14]。由圖4a可見，4個處理中，pH均呈現前期低后期高的變化趨勢。隨著堆肥的進行，pH逐漸上升，由于微生物的強烈作用，有機質被分解并產生了大量的NH3，pH逐漸上升。處理1和處理2的pH最大值均出現在第4天，而處理3和處理4的 pH最大值分別出現在第10天和第13天，之后各個處理的pH逐漸下降，堆肥結束時各處理pH穩定在7.9～8.5的范圍內，基本滿足植物生長的要求。

電導率（EC）反映了污泥中可溶性電解質的含量，離子的強度決定了電導率的大小。一般情況下，堆肥產品的電導率要適中，否則會影響植物的正常生長。由圖4b可知，4個處理EC變化基本均為先上升接著下降后又上升，最后下降趨于穩定的變化趨勢。這可能是由于堆肥初期，由于微生物代謝旺盛、活動加劇，分解大量的物料并產生大量的小分子有機酸和各種離子，電導率上升很明顯，隨著堆肥的進行，小分子有機酸和離子交換量的變化以及NH3的揮發等，造成了EC值也隨之波動變化[15，16]。在降溫期階段，有機質基本被降解完全，EC值趨于穩定，最終EC值維持在1.10～1.31 ms/cm范圍內，且全過程均小于4 ms/cm安全閾值，可以安全使用[17]。

2.6 污泥堆肥過程中種子發芽指數的動態變化

種子發芽指數（GI）是判斷堆肥腐熟度和植物毒性的極重要的指標[18]，是一種直接和有效的檢測堆肥產品的毒性的方法。當種子發芽指數達到50.00%時，表明堆肥已達腐熟，其毒性已降解至植物能承受的水平[19]。由圖5可知，4個處理GI值均呈現先下降后上升的趨勢。堆肥初期處理1種子發芽指數為39.64%，處理2為27.22%，處理3為25.50%，處理4為26.18%，都比較低。這與初期產生高濃度的氨氣和小分子有機酸有關，隨著堆肥的進行，小分子有機酸被分解轉化和氨氣的揮發量減少，到堆肥結束時種子發芽指數分別達到了56.85%、74.37%、66.47%、50.31%。由此可見，經過堆肥過程4個處理的堆肥產品對植物均已無危害。

3 小結與討論

污泥和鋸末采用3.5∶1.0（處理2）和4.0∶1.0（處理3）比例的處理達到的最高溫度和高溫持續時間要優于3.0∶1.0（處理1）和5.0∶1.0（處理4）的比例，其中處理4溫度未能完成無害化過程；各處理VS含量呈逐漸下降的趨勢，其中處理2和處理3的降解效果較好，分別為18.25%、17.68%；總氮含量也呈現逐漸降低的趨勢，其中處理2和處理3的氮損失較嚴重，分別達到63.25%、53.05%。硝態氮含量均呈現先下降后逐漸上升的趨勢，與銨態氮的含量變化正好相反；pH、EC和種子發芽指數（GI）均呈現逐漸上升的趨勢，堆肥結束時pH、EC和GI均符合無害化要求。考慮到輔料成本和氮損失問題，污泥和鋸末堆肥過程中推薦采用4.0∶1.0的比例。

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