城市污泥與稻草混合堆肥氧氣消耗的通風量優化研究

安玉亭，劉 彬，薛丹丹，王立波，賈媛媛，吳永波，原寶東

（1. 江蘇大豐麋鹿國家級自然保護區，江蘇 鹽城 224136；2. 南京林業大學，江蘇 南京 210037；3. 商丘師范學院生物與食品學院，河南 商丘 476000）

隨著我國城市化進程的加快，城鎮污泥產量也在不斷增加。據調查，2016年我國城鎮生活污泥產量為3.95×107t，預計2020年末污泥產量將超過4.6×107t。與污泥產量連續遞增趨勢相背，我國污泥無害化處理率依然低下，大量污水廠采取簡單填埋處置，甚至直接傾倒排放，造成了嚴重的二次污染，污泥的處理問題愈加突出。由于污泥中含有大量N、P和有機質，因此污泥減量化的最好途徑是好氧堆肥處理［1］。在好氧堆肥過程中，氧氣供給和消耗對微生物的活性、堆體溫度、有機物的降解速率有重要影響［2-3］，能夠決定污泥堆肥發酵的進程和肥料的質量［4］。國內外已有學者對溫度、水分和氧氣含量的變化特征進行研究［5-6］，研究結果闡明了氧氣含量的變化規律，但對堆肥過程中氧氣濃度與耗氧速率的變化和其他堆肥因子之間內在聯系的研究鮮有報道。

本研究以稻草秸稈作為調理劑，在不同通風量控制條件下，研究污泥好氧堆肥過程中溫度、含水率的變化特征，探討不同時期氧氣濃度變化特征和差異性，分析好氧速率和溫度與含水率之間的關系，以期為優化通風策略，提高堆肥效率提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 堆肥裝置

堆肥箱由PVC板和保溫泡沫箱制成（圖1），箱體內部尺寸為 45 cm×40 cm，高 47 cm，箱體底部安放一個高度為5 cm的PVC篩孔板，篩孔直徑為10 mm。進行試驗時，裝置底部墊厚塑料布，密封，保留進風口，以小型鼓風機供氣，通風時間由時間繼電器控制。

圖1 堆肥箱構造圖

1.2 試驗材料

以污泥為堆肥的基本材料，水稻秸稈為堆肥調理劑。污泥取自鹽城市城南污水處理廠；水稻秸稈來源于鹽城近郊農村，農民田地廢棄的秸稈，經粉碎機進行粉碎、研磨，長度小于2 cm。堆肥原料的基本性質見表1。

表1 堆肥物料特性

污泥中的重金屬可能對生態系統造成潛在危害。根據現行國家標準和行業標準［7-8］，對有機肥中鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、汞（Hg）、砷（As）5種重金屬的最高含量作了明確規定。本文對污泥中重金屬含量進行測定，烘干城市污泥中5種重金屬總量范圍為51.39～58.35 mg/kg，各重金屬的含量也遠遠低于國家標準和行業標準，滿足污泥發酵制作有機肥的要求，具體指標見表2。

表2 城市污泥與肥料產品重金屬無害化指標 （mg/kg）

1.3 試驗設計

試驗分4個處理進行，1、2、3、4號箱設計通風量分別為0.25、0.50、1.00和1.50 m3/h，每個處理3個重復，取3個重復的平均值作為每個處理最后的結果，每個堆肥箱堆料重約40 kg，其中污泥30 kg，稻草秸稈10 kg。采用時間繼電器控制離心風機鼓風的間歇時間（設定風機開20 min，關40 min），對堆體進行間歇通風供氧。鼓風停止后0～40 min內，每隔5 min測定氧氣濃度，每天測定2次。本試驗室內平均溫度在30.7～33.37范圍內。

試驗過程中，利用溫度記錄儀每30 h自動記錄堆體溫度，將溫度傳感器插入表層以下15 cm處，實時測量堆體溫度，同時記錄室內溫度。在堆肥發酵過程中，每天取一次樣，發酵期定為第1～16 d。采樣時間定在每天9：00，采樣點為堆肥溫度控制點附近范圍，每次均在表層以下15 cm處，每次采樣約300 g。新鮮樣品保存在4℃冰箱內，24 h內分析完畢；剩余的平鋪于小鋁盒中在烘箱中烘干后磨細備用。

1.4 檢測及計算方法

采用RC-30B溫度記錄儀測定堆體溫度，梅特勒-托利多精密pH計測定pH值，重鉻酸鉀法測定堆肥有機質含量，凱氏定氮法測定全氮含量，CY-12C測氧儀測定氧氣濃度，HNO3-HF-HClO4電熱板消解、PE Optima 4300DV ICP 測定污泥中重金屬含量，耗氧速率為耗氧周期中氧氣濃度的減少量和耗氧周期所耗時間的比值。

1.5 數據處理與分析

采 用 Excel 2013 進 行 數 據 整 理， 采 用 SPSS 21.0對各指標數據進行單因素方差分析（One-way ANOVA），相關性分析采用Pearson 相關系數，雙側檢驗相關性，P＜0.05為顯著相關，P＜0.01為極顯著相關。

2 結果與分析

2.1 氧氣對溫度變化的影響

氧氣的供給對堆肥過程中溫度控制和含水率的變化有重要的影響。不同通風條件下，堆體溫度和含水率的變化見圖2。堆體溫度從開始升溫到降至環境溫度（室溫）的堆肥過程共歷時16 d，過程中溫度的變化經歷了4個時期：升溫期、高溫期、降溫期和穩定期。堆肥初期，微生物利用氧氣迅速分解易分解的有機物，產生大量的熱量，導致溫度快速上升。1、2、3號箱堆體溫度上升明顯，在堆肥第2 d進入高溫期（>50℃），最高溫度分別達到61.03、74.20、63.13℃；4號箱溫度上升緩慢，在堆肥第4 d達到最高溫度55.70℃。2號箱堆體的最高溫度超過70℃，溫度過高使得大量好氧微生物死亡，導致堆肥速率變小，腐熟進程減緩。3號箱堆體溫度比1號箱高，高溫持續最長（6 d），表明3號箱的通風量更加適宜微生物活動對氧氣的需求，在此環境下能夠有效殺滅堆料所含致病微生物和害蟲卵，保證堆肥衛生指標合格。4號箱通風量過大，導致大量熱量散失，升溫效果較差。

圖2 堆肥過程中溫度的變化

2.2 氧氣對含水率變化的影響

含水率的變化能夠改變堆料的通氣狀況，間接對氧氣含量造成影響［9］。本研究中，各處理的初始含水率均為64.65%。由圖3可以看出，1、2、3、4號箱的含水率變化均呈現先升高后降低的趨勢，含水率升高的原因主要是由于微生物利用氧氣將有機物分解，產生大量水分。隨著堆肥的進行，2、3號箱的含水量因蒸發而很快下降，尤其是高溫期水分含量下降更為迅速，高溫結束時堆肥的含水率分別為46.51%、43.89%。1號箱通風量過小，堆體內氧氣濃度較低，微生物代謝微弱，有機物分解受限，故水分含量變化不明顯。3號箱中堆肥過程中的水分散失量最多，是由于通風引起的堆料高溫蒸發和合適通風帶走水分兩者共同作用。4號箱含水率下降至48.2%，下降趨勢沒有3號箱明顯。

圖3 堆肥過程中含水率的變化

2.3 氧氣濃度的動態變化

堆肥過程中充足的氧氣是保證好氧堆肥發酵的重要條件。由圖4可以看出，不同時期氧氣濃度的變化均表現為逐漸下降趨勢，這是由于堆體中好氧微生物的繁殖代謝需要消耗氧氣。在通風停止時，1～4號箱氧氣濃度分別達到11.5%、13.8%、17.8%、19.2%，只有3和4號箱中最高氧氣濃度均超過17%，可以保證堆體微生物生命活動對氧氣的需求［10］。1號箱在升溫期和高溫期氧氣濃度分別降至4%和4.3%，3號箱在高溫期氧氣濃度降至4.3%，均低于好氧堆肥最低氧氣濃度（5%），此時堆肥進入厭氧狀態［11］，說明鼓風機間歇時間較長，可通過縮短間歇時間來保證堆肥過程中氧氣的供應。

圖4 不同時期氧氣濃度變化

通風停止后0～40 min內，不同時期氧氣的消耗量有區別，表現為高溫期最大，升溫期和降溫期次之，穩定期最小。1～4號箱氧氣消耗量的最大值和最小值分別為7.5%和2.6%、7.3%和2.4%、13.5%和3%、8.3%和1.5%；其中3號箱氧氣消耗量最大，1號箱氧氣消耗量最小，表明通風量為1.00 m3/h微生物活動最旺盛，通風量為0.25 m3/h微生物活動最微弱。

將各處理在不同時期的氧氣濃度進行差異性分析，結果見表3。各處理的升溫期與穩定期、降溫期與穩定期的氧氣濃度差異性達到顯著水平（P＜0.05）；高溫期與穩定期差異性達到極顯著水平（P＜0.01）。1和3號箱的高溫期與降溫期差異性達到顯著水平（P＜0.05）；3號箱的升溫期與高溫期差異性也達到極顯著水平（P＜0.01）。其中3號箱各時期之間氧氣濃度的差異更為明顯，說明當通風量為1.00 m3/h時，微生物活性在好氧堆肥過程中波動較大，耗氧量差異顯著。

表3 不同時期氧氣濃度差異性分析

2.4 耗氧速率的動態變化特征

耗氧速率是指堆肥過程中微生物消耗氧氣的速率，是微生物分解和轉化有機物快慢的標志［9］。本研究中氧氣濃度在鼓風停止后15 min之內減少最多，占氧氣消耗量的57.3%～84.6%（圖5），所以用這段時間的耗氧速率來表達氧氣消耗的快慢程度。

圖5 不同時期氧氣的消耗量

由圖6可以看出，耗氧速率的變化均呈現先升高，后降低，然后趨于穩定，這與溫度變化（圖2）趨勢相一致。在堆肥初期，易降解的有機物含量豐富，微生物生長繁殖旺盛，耗氧速率較高，各處理耗氧速率的最大值均在堆肥高溫期（第5 d），1～4號箱耗氧速率最大值分別為0.42%/min、0.45%/min、0.75%/min、0.33%/min 。隨著堆肥的進行，由于高溫期的滅活效應和有機質能源物質逐漸減少，微生物活性降低，耗氧速率逐漸減小。堆肥過程中3號箱的耗氧速率最大，1號箱和2號箱次之，4號箱的耗氧速率最小。堆肥結束后，1～4號箱耗氧速率分別為0.10%/min、0.12%/min、0.11%/min、0.11%/min， 因 此， 本 研究提出耗氧速率為0.11%/min 可以作為堆肥腐熟指標。

圖6 堆肥過程中耗氧速率的變化

將各處理的好氧速率與溫度和含水率之間相關性進行分析，結果見表4。各處理耗氧速率與溫度之間呈正相關關系，說明耗氧速率變大促進堆體溫度升高。其中1、2和4號箱的相關性達到顯著水平（P＜0.05），3號箱的相關性達到極顯著水平（P＜0.01）。各處理耗氧速率與含水率之間也呈正相關關系，表明消耗速率變大，有利于含水率升高；消耗速率變小，有利于含水率降低，這與微生物代謝產生水分的多少有關。其中1號箱的相關性達到顯著水平（P＜0.05），2和3號箱達到極顯著水平（P＜0.01），4號箱的相關性未達到顯著水平。

表4 耗氧速率與溫度和含水率的Pearson相關系數

3 討論與結論

氧氣的供應和消耗可以改變堆料的微環境，對溫度的變化產生重要影響［12］。孔建松等［13］認為氧氣充足時，堆體溫度很快上升；氧氣不足時，堆體溫度上升緩慢。劉斌等［14］研究表明，通入氧氣體積分數不同，堆體升溫速度和最高溫度有所區別。筆者研究結果表明：堆肥初期，微生物快速消耗氧氣產生大量熱量，使得溫度迅速上升，進入高溫期并維持一段時間后，微生物活動減弱，堆體溫度逐漸降至室溫，這與以上的研究結果相一致。含水率先升高后降低，一方面是有機物氧化分解產生水分，含水率升高；另一方面是通風使得水分散失，含水率降低，因此含水率的調控是兩者共同作用的結果［15］。在通風量為1.00 m3/h時，堆體的高溫期達到6 d，含水率下降至45%以下，堆肥衛生指標和水分含量均符合有機肥質量標準［16］。

堆肥過程中充足的氧氣是保證好氧堆肥發酵的重要條件。蔡全英等［17］研究表明，當堆肥中氧氣濃度過低，水分含量較高時，堆肥從好氧狀態轉化為厭氧狀態。陳同斌等［18］認為，充足的氧氣供給可以保證微生物的活動，加快堆肥腐熟進程，氧氣供給不足可導致堆肥不穩定并產生生物毒性。本研究結果表明：不同時期氧氣濃度的變化均呈現逐漸下降趨勢，高溫期氧氣消耗量最大，穩定期氧氣消耗量最小，這與徐智等［19］的研究結果一致。氧氣濃度在高溫期與穩定期存在極顯著差異，這是由于微生物高溫期代謝旺盛，穩定期代謝微弱。堆肥過程中出現厭氧發酵，為保證好氧堆肥狀態持續進行，應制定合理的通風策略以保證氧氣的供應。

耗氧速率反映出有機物的降解程度和堆肥發酵的進程，是判斷堆肥是否腐熟的一個重要指標［20］。沈玉君等［21］研究通風量與好氧速率的結果表明，通氣速率能夠影響堆體氧氣消耗速率，進而影響堆肥的腐熟度。馬闖等［22］認為，耗氧速率的變化與溫度的變化有內在的關聯，耗氧速率的峰值出現的時間與溫度曲線的峰值相對應。筆者研究結果表明：耗氧速率的變化呈現先升高后降低，然后趨于穩定，本研究可以將耗氧速率達到0.11%/min作為堆肥腐熟的判斷依據。耗氧速率在高溫期出現最大值，表明微生物活性最高；穩定期出現最小值，表明微生物活性最低。耗氧速率與溫度和含水率呈正相關關系，表明在污泥好氧堆肥過程中，耗氧速率與溫度和含水率的變化趨勢相似，因此可以通過對溫度或含水率進行實時監測，來推斷耗氧速率的變化特征。

綜上所述，以稻草秸稈為調理劑，當通風量為1.00 m3/h時，堆體中氧氣濃度超過17%，高溫持續時間最長（6 d），耗氧速率最大（0.75%/min），最適合污泥好氧堆肥發酵。本研究提出耗氧速率為0.11%/min可以作為堆肥腐熟指標。該研究可通過縮短鼓風機在高溫期的間歇時間，延長升溫期、降溫期和穩定期的間歇時間來優化堆肥工藝，最終達到節約能源和提高堆肥質量的雙重目的。