城市污泥好氧堆肥研究進展

耿曉灑，湯慶豐，邢美燕*，王 寅

(1.同濟大學長江水環(huán)境教育部重點實驗室，污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092；2.上海市青浦區(qū)水務(wù)局排水管理所，上海 201799)

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城市污泥好氧堆肥研究進展

耿曉灑1，湯慶豐2，邢美燕1*，王 寅1

(1.同濟大學長江水環(huán)境教育部重點實驗室，污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092；2.上海市青浦區(qū)水務(wù)局排水管理所，上海 201799)

好氧堆肥與其他常見污泥處理方式相比具有有機物降解快、徹底、無害化程度高、堆肥產(chǎn)品肥效好等優(yōu)點。根據(jù)國內(nèi)外污泥好氧堆肥研究現(xiàn)狀，從C/N、溫度、含水率、pH等方面，介紹了好氧堆肥過程的控制要點，總結(jié)了污泥好氧堆肥適宜的技術(shù)條件；分析了微生物菌劑在好氧堆肥中的重要作用。最后指出堆肥產(chǎn)品需依靠技術(shù)進步和完善相關(guān)行業(yè)標準來開拓市場。

好氧堆肥；污泥處理；堆肥影響參數(shù)；微生物菌劑

近幾年，隨著污水處理率的提高和處理程度的深化，由城市污水廠產(chǎn)生的大量污泥所帶來的環(huán)境污染問題日趨嚴重。好氧堆肥是城市污泥無害化和資源化的重要途徑之一，具有有機物分解徹底、無中間產(chǎn)物和臭味、無害化程度高的特點。研究表明，好氧堆肥腐熟的產(chǎn)品施用于土地后，可有效改善土壤的物理化學性質(zhì)，是一種良好的肥料和土壤改良劑。而好氧堆肥是一個復雜的生物化學過程，溫度、含水率、pH等因素直接影響微生物的生存狀況，進而關(guān)系到最終堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量。同時，堆肥原料中微生物的數(shù)量及多樣性也影響著堆肥的效率和周期的長短。因此，研究并控制合理的環(huán)境影響因素及發(fā)展微生物菌劑在堆肥中的作用，對于提高好氧堆肥的功效和促進其工業(yè)化進程具有重要意義。筆者綜述了城市污泥好氧堆肥的研究進展，以期為盡快實現(xiàn)污泥的土地資源化利用提供借鑒。

1　好氧堆肥原理

好氧堆肥是利用污泥中天然存在的細菌、放線菌、真菌等微生物，在有氧條件下，有控制地促進污泥中可降解的有機質(zhì)向穩(wěn)定的類腐殖質(zhì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的微生物學過程。在污泥好氧堆肥過程中，溶解性的有機質(zhì)可直接透過微生物的細胞壁和細胞膜為微生物所吸收利用；不溶性的固體和膠體有機物先附著在微生物體外，由微生物所分解的胞外水解酶分解成溶解性物質(zhì)，再深入到細胞內(nèi)部參與氧化、還原、合成等過程。好氧堆肥可使污泥穩(wěn)定化，并能在高溫發(fā)酵時將污泥中的病原菌、寄生蟲卵等殺滅，其最終的產(chǎn)物還能作為肥料和土壤的改良劑。但好氧堆肥的成敗和產(chǎn)品質(zhì)量的好壞受堆肥參數(shù)的設(shè)計與控制、堆體中有益微生物的數(shù)量及酶活性的大小等多方面因素的影響。

2　好氧堆肥影響參數(shù)

2.1碳氮比(C/N)碳氮元素對微生物的生長和活性具有至關(guān)重要的作用。合適的C/N，不僅能夠使堆體升溫快，加快有機物降解速率，縮短堆肥時間，提高堆肥產(chǎn)品的穩(wěn)定性[1-2]，還能使堆肥產(chǎn)品產(chǎn)生更多腐殖質(zhì)，由于這種腐殖質(zhì)具有較好的持水性，從而能增加施肥土壤的持水能力[3]。研究表明，在粉砂壤土中投加腐熟的堆肥產(chǎn)品，能夠增加土壤的團聚能力和整體的物理穩(wěn)定性[4]。不僅如此，堆肥產(chǎn)品中投加的腐殖質(zhì)能夠促進水溶性重金屬向結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)變，降低其遷移性[5]。最后，合理控制C/N的堆肥產(chǎn)品還能夠強化對土壤中殺蟲劑的吸附，穩(wěn)定土壤中的難降解有機物[6]。因此，為保證堆肥效率和產(chǎn)品質(zhì)量，堆肥物料的C/N應(yīng)控制在25～35[2，7]。且一般當物料C/N下降到20以下時，可認為堆肥達到腐熟[8]。

2.2溫度溫度是反映堆肥過程是否正常最直接的指標，也是影響堆肥過程中微生物種類和數(shù)量的重要因素。堆肥過程中，微生物的分解利用物料中的有機質(zhì)，釋放出大量熱量使堆體溫度升高；反之，溫度的變化也影響著微生物的群落結(jié)構(gòu)。隨著堆肥過程的進行，占優(yōu)勢地位的細菌種類會發(fā)生很大變化[9-11]。腐熟穩(wěn)定階段，真菌群落的多樣性會出現(xiàn)急劇減少[12]。不同階段的溫度特征和優(yōu)勢菌種及其主要作用見表1。雖然高溫可以殺滅病原菌并減少氮素損失[13-15]，但是當溫度超過60 ℃，部分嗜熱微生物活動受到限制，有機質(zhì)的降解速率會有所下降[16]。因此，在堆肥的高溫階段，溫度最好控制在55～60 ℃[17]，這樣既能滿足無害化要求，又能達到穩(wěn)定化處理。

表1　不同堆肥階段的溫度特征和優(yōu)勢菌種及其主要作用

2.3含水率通常來說，溫度對微生物的活性至關(guān)重要，但Liang等[18]在以污泥為堆肥原料的研究中指出，水分含量比溫度對微生物活性的影響大，且可僅通過調(diào)節(jié)水分含量來提高微生物的活性。Makan等[19]認為，合適的初始含水率對好氧堆肥過程至關(guān)重要。水在微生物生長繁殖中必不可少，具有溶解有機物，參與微生物新陳代謝，并通過蒸發(fā)調(diào)節(jié)堆溫的作用。因此，保持適宜的水分含量，是堆肥成功的首要條件。水分含量也影響著物料粒徑大小和孔隙率。水分過多，堆層物料間空隙小，氧氣交換率低，易形成厭氧環(huán)境，產(chǎn)生臭氣；水分過少，微生物活動受限，使堆肥效率降低。堆肥原料最適合的含水率為50%～60%[20]，而城市污泥的含水率一般大于70%，因此，堆肥前需要加入調(diào)理劑，如木屑、作物秸稈、軋棉廢料、廢紙、煤灰等[21]，以調(diào)節(jié)污泥的理化性質(zhì)和改善污泥顆粒透氣性能，從而保證堆肥高效快速的進行。

2.4pHpH是反映微生物活性的重要指標之一。適宜的pH可使微生物有效發(fā)揮降解作用，保留堆料中的有效氮成分。堆肥過程中，pH變化范圍大約在6～9[11，22-23]。而多數(shù)堆肥微生物適合在中性或偏堿性環(huán)境中繁殖活動[24]。因此，根據(jù)大部分污泥的性質(zhì)，在堆肥過程中無需調(diào)節(jié)pH[25]。而堆肥結(jié)束后pH一般相比于原料會有所增加[26]。增加的pH會加大OH-配位基的數(shù)量，通過配位體交換，影響施作土壤的微量元素(K+、Ca2+、Mg2+)供給[27]。但若堆肥產(chǎn)品pH過低，會使施作土壤中的可提取態(tài)重金屬含量升高，增加堆肥產(chǎn)品農(nóng)用的風險[28]。

2.5其他物料粒徑、有機質(zhì)含量及C/P等對堆肥發(fā)酵的成敗也至關(guān)重要。物料的分解是發(fā)生在固體顆粒表面的化學過程，較小的粒徑可以增加微生物附著的表面積，也有利于維持堆體中最適的溫度。但粒徑過小會導致通氣孔隙減小，不利于堆肥的進行。一般推薦的顆粒粒徑為1.3～7.6 mm，這個區(qū)間的下限適用于通風或者連續(xù)翻堆的堆肥系統(tǒng)，上限適用于靜態(tài)堆垛或其他靜態(tài)通風堆肥系統(tǒng)[24]。當堆肥結(jié)束后，物料粒徑為0.5～2.0 mm時，持水能力較好[29]。微生物是在有氧條件下分解轉(zhuǎn)化有機物，一般情況下，堆體中氧含量應(yīng)該保持在5%～15%。同時，堆肥微生物的活性受有機質(zhì)含量的影響，因此，堆肥中的有機物一般以20%～80%為宜。而磷是構(gòu)成微生物生命的重要元素，城市污水廠污泥中含有豐富的磷，可以滿足微生物生長的需求，一般合適的C/P為75～150。

綜上所述，堆肥過程相當復雜，影響堆肥進程的各個因素決定著微生物的活性，關(guān)系著堆肥的成效和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，合理控制這些技術(shù)參數(shù)，才能保證堆肥過程順利進行。污泥堆肥適宜的技術(shù)條件：C/N 20∶1～35∶1；pH 6～9(一般無需調(diào)節(jié))；溫度55～60 ℃維持5～7 d；堆料粒徑1.3～7.6 mm；含水率50%～60%；有機質(zhì)20%～80%；氧含量5%～15%；C/P 75～150。

3　接種微生物菌劑對好氧堆肥的影響

傳統(tǒng)的好氧堆肥利用原料中土著微生物降解有機物以達到穩(wěn)定化效果，但是堆肥初期有益微生物含量相對少，需要一定時間才能繁殖，這大大降低了堆肥效率，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的需求。而人工加入微生物菌劑可以調(diào)節(jié)微生物菌群結(jié)構(gòu)，提高微生物活性，從而加快有機物降解速率，縮短腐熟時間，并提高堆肥產(chǎn)品中腐殖質(zhì)含量[30]。因此，為促進堆肥的工業(yè)化進程，國內(nèi)外學者相繼開展了接種功能微生物菌劑的研究(表2)。

3.1對堆肥過程參數(shù)的影響堆肥過程中，溫度是微生物生命活動的重要標志。由表2可知，大多數(shù)研究表明，堆肥中添加微生物菌劑，可以加速有機物的分解，促進堆體快速升溫，從而提前實現(xiàn)高溫期。但許曉英等[42]研究表明，接種復合微生物菌劑對縮短達到高溫時間的效果不明顯。這可能是由于接種的復合微生物菌劑與原料中的土著微生物產(chǎn)生了競爭，未起到起爆的作用，未能使發(fā)酵溫度迅速升高。一般，環(huán)境溫度較低時不利于堆肥過程的啟動，因為中溫微生物在小于5 ℃時不能代謝外源有機物[43]。但在堆肥中接入低溫復合菌劑，不僅能促進堆體迅速起溫，快速進入高溫期，也保證了堆肥的腐熟質(zhì)量[44]。另外，含水率下降的快慢是有機肥工廠化生產(chǎn)的重要標志之一。由于接種復合微生物菌劑后使堆體溫度上升較快，從而也促進了水分的揮發(fā)，使得物料的含水率迅速下降[32，36，40]。堆體pH在堆肥過程中會有一定的變化，但最終穩(wěn)定在7.0～7.5，也達到了污泥堆肥腐熟的pH標準[40]。

3.2對堆肥微生物量的影響堆肥是有微生物參與的生物化學反應(yīng)過程，不同堆肥階段有相適應(yīng)的微生物發(fā)揮降解作用。由表2可知，接種微生物菌劑后可以提高微生物總數(shù)[33-35，39]。堆肥過程中，底物成分復雜，環(huán)境變化惡劣，這需要多種優(yōu)勢微生物相繼發(fā)揮作用，才能將底物徹底穩(wěn)定化、無害化。在堆肥初期投加復合微生物菌劑能夠激發(fā)微生物大量增殖，迅速啟動堆肥發(fā)酵。Wang 等[35]研究發(fā)現(xiàn)，接種微生物菌劑后，堆體中好氧異養(yǎng)細菌和真菌的數(shù)量比對照組中高出1～2個數(shù)量級。目前，已有新型復合微生物菌劑問世，它們不僅繁殖速度快，還可以通過競爭性的占位和排擠能力來阻止和排斥病原菌，產(chǎn)生的細菌素等可以殺死或者抑制病原菌的生長[45]。

表2　好氧堆肥接種微生物菌劑的處理效果

3.3對堆肥中酶活性的影響堆肥中微生物對有機物的分解能力取決于酶的活性，酶活性的變化對堆肥的生物化學過程至關(guān)重要。多種氧化還原酶和水解酶都與堆肥的物質(zhì)代謝密切相關(guān)。顧文杰等[46]研究表明，加入外源菌劑后雖然對過氧化氫酶活性無影響，但可以提高脲酶和纖維素酶的活性，并可使轉(zhuǎn)化酶活性提前達到峰值。脲酶的活性與微生物的數(shù)量呈正相關(guān)[47]，脲酶活性的提高也說明了堆體中微生物數(shù)量的增加。徐智等[48]研究發(fā)現(xiàn)，添加內(nèi)源微生物有利于升溫期蛋白酶和脫氫酶的積累，且添加外源微生物后，蛋白酶和脫氫酶在高溫期最強，因而促進了堆肥的氧化還原反應(yīng)。4結(jié)語

好氧堆肥是城市污泥穩(wěn)定化、無害化和資源化的有效途徑，是一種符合可持續(xù)發(fā)展的污泥處理方式。但是要得到較好的處理效果，在處理城市污泥之前需要添加調(diào)理劑，以調(diào)節(jié)堆體結(jié)構(gòu)和物料的理化性質(zhì)。同時，還要控制堆肥過程中的通風量，最好能利用實時在線監(jiān)測系統(tǒng)控制堆體中的溫度及氧含量。為加快堆肥進程，提高堆肥效率，還可進行微生物菌劑的接種。目前，國內(nèi)外學者在堆肥過程優(yōu)化控制和微生物的選種與接種方面已經(jīng)取得了一定成果，但是如何真正實現(xiàn)堆肥的自動化和篩選開發(fā)出價格低廉且高效的微生物菌劑，還應(yīng)給予更多地關(guān)注。污泥處理后的出路是值得重視的問題。土地利用是堆肥產(chǎn)品很好的去向，但是由于污泥中含有重金屬等有毒有害物質(zhì)，極大地阻礙了堆肥產(chǎn)品進入田地。因此，除了革新技術(shù)方法來處理降低污泥中的重金屬外，還應(yīng)該通過政策管控，從源頭上制止和減少重金屬等有毒有害物質(zhì)進入污水污泥。技術(shù)和政策二者的結(jié)合，將會有效減輕污泥對城市環(huán)境的影響，同時可實現(xiàn)污泥的土地資源化利用。

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Research Progress of Aerobic Composting of Urban Sludge

GENG Xiao-sa1, TANG Qing-feng2, XING Mei-yan1*et al

(1. Key Laboratory of Yangtze River Water Environment, Ministry of Education, State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Tongji University, Shanghai 200092; 2. Qingpu Drainage Administration, Shanghai Qingpu Water Affairs Bureau, Shanghai 201799)

Compared with other common sludge treatment methods, aerobic composting has the advantages of quick and thorough degradation of organic matter, high degree of harmless, and good fertilizer efficiency from the compost. According to the current status of sludge aerobic composting at home and abroad, the controlling essentials of composting progress, such as C/N, temperature, moisture and pH, were introduced in this paper. We summarized the appropriate technical conditions of sludge aerobic composting and stressed the important role of microbial agents during composting. Finally, the suggestions were proposed that the final compost needed to rely on technological progress as well as the development and implementation of related industry standards to expand the market.

Aerobic composting; Sludge treatment; Compost parameters; Microbial agent

上海市科委項目技術(shù)服務(wù)項目。

耿曉灑(1992- )，男，河南安陽人，碩士研究生，研究方向：污泥資源化利用。 *通訊作者，副教授，碩士生導師，博士，從事污水與廢水處理與資源化利用技術(shù)研究。

2016-05-06

S 141.4;X 705

A

0517-6611(2016)18-107-04