辅料配比对市政污泥堆肥效果的影响

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　　摘      要：以冀南地区某污水处理厂脱水污泥为原料，选用菌菇渣和玉米秸秆为辅料，按照不同比例混合后进行好氧堆肥。通过对温度、氧气百分含量、含水率、pH值、有机质、铵态氮、硝态氮等多项指标进行测定，考察不同辅料配比对堆肥效果的影响。结果表明，堆肥48 d之后4个堆体的温度在55 ℃以上的天数分别为6、9、8、5 d，均达到了国家无害化卫生标准，且均对植物的生长完全没有毒性（GI>80%），其中以堆体C效果最优。通过对辅料含量和多项指标进行相关性分析可知，辅料含量和含水率呈显著负相关（P<0.05），和有机质呈极显著负相关（P<0.01）。辅料含量的增加导致含水率和有机质呈明显下降趋势，硝态氮因铵态氮快速被硝化呈上升趋势，适当增加辅料有助于堆体的腐熟。
　　关  键  词：市政污泥;好氧堆肥;辅料配比
　　中图分类号： X705        文献标识码： A      文章编号： 1671-0460（2020）04-0564-04
　　Abstract： Taking the dewatered sludge of a sewage treatment plant in Southern Hebei as raw material， the mushroom residue and straw as additives， they were mixed in different proportions for aerobic composting. Through the determination of temperature， oxygen percentage， water content， pH value， organic matter， ammonium nitrogen， nitrate nitrogen and other indicators， the influence of different additives ratio on composting effect was investigated. The results showed that the time when the temperature of the four piles was above 55℃ after composting for 48 d was 6，9，8 and 5 d， respectively， which met the national sanitization standard. All the four piles were completely non-toxic to plant growth （GI>80%）， and the effect of the pile C was optimal. Correlation analysis of additive content and multiple indicators showed that there was a significant negative correlation between additive content and water content （P<0.05）， and a significant negative correlation between additive content and organic matter （P<0.01）. The increase of additive content led to a significant downward trend in water content and organic matter. Nitrate nitrogen rapidly increased because ammonium nitrogen was rapidly nitrated， and the appropriate addition of additives contributed to the maturity of the pile.
　　Key words： Municipal sludge; Aerobic composting; Additive ratio
　　
　　近年來，随着经济和城镇化进程的迅速发展，城市污水处理量和处理深度的日益增加必然产生大量污泥，如何妥善处置这些剩余污泥，制约着污水处理行业的持续发展。污水处理的主要副产物污泥中含有大量有机物、营养元素及植物必须微量元素等[1]，若进行适当的加工和综合利用会产生很大的资源化潜力。但同时具有的细菌、病毒、重金属和寄生虫卵等有害物质容易腐化发臭污染环境[2]。污泥堆肥技术已成为污泥资源化的重要绿色途径和研究方向。
　　目前，秸秆、木屑、锯末和堆肥返料等常用作堆肥调理剂，不同物理化学特性的辅料在污泥堆肥中所起的作用不同。中国作为农业大国，每年产生的秸秆和菌菇渣占农业废弃物的相当大一部分，秸秆的大量焚烧和菌菇渣的任意堆积都会造成资源的浪费。如果将其按一定比例与污泥进行混合，可以调节堆肥物料的水分、增加C/N和透气性，对堆肥产品腐熟度和质量有很大的提升。因此，本研究选取玉米秸秆和菌菇渣作为调理剂与污泥混合，探讨辅料配比对堆肥效果的影响，以期为三者的资源化利用提供理论依据。
　　1 实验部分
　　1.1 试验材料
　　试验所用的污泥取自某污水处理厂脱水机房产生的生污泥，所用的调理剂有两种，一是蘑菇种植产生的菌菇渣，一是农田玉米秸秆，菌菇渣和玉米秸秆都进行粉碎预处理，秸秆的粒径约1 cm。各原料的主要成分如表1。
　　1.2 试验方法 　　本研究设置了4个试验组，A（污泥∶菌菇渣∶秸秆=1∶0.5∶0.03）、B（污泥∶菌菇渣∶秸秆=1∶0.6∶0.04）、C（污泥∶菌菇渣∶秸秆=1∶0.75∶0.065）、D（污泥∶菌菇渣∶秸秆=1∶1∶0.1），污泥量均为30 kg，分别添加0.2%的菌剂。堆肥期间采用强制通风+人工翻堆的方式进行处理，前两周的翻堆频率为2次/周，随后为1次/周。通气方式采用间歇式供氧，每天在上、中、晚三个时间段进行通气，通风量为0.30 m3/h，通气时间为30 min，当达到70 ℃的高温时需要加大通风量来防止微生物的死亡，堆肥周期为48 d。
　　1.3 采样与测定
　　在堆肥过程的第1、3、5、7、10、13、16、19、24、29、34、41、48 d进行采样，每次采集的样品为多点混合样，采集量不少于100 g。测定样品的含水率、pH值、有机质、铵态氮、硝态氮、种子发芽指数（GI）。含水率、有机质通过总量法测定;pH值按固液比1∶10（w/v）加入去离子水，密封震荡4h，离心过滤之后用pH计进行测定;铵态氮、硝态氮参照《土壤农化分析》测定;种子发芽指数（GI）通过吸取5 mL的浸提液于铺有滤纸的培养皿中，每个培养皿中放20粒白菜种子，进行25 ℃的恒温培养，48 h后测定种子发芽率和根长，并做空白对照。堆肥过程中，在堆体的不同深度放置温度计，于每天上、中、晚三个时间段记录堆体温度及环境温度并取其平均值，同时通过便携式气体检测仪对氧气百分含量进行测定。
　　2 结果与讨论
　　2.1 堆肥过程中温度和氧气百分含量的变化
　　温度是堆肥过程中的一项基本指标，一般堆肥都会经历快速升温、持续高温、缓慢降温3个时期[3]。A堆体相比于其他三个堆体升温较快，在第2 d已经达到了59.28 ℃的高温，并在55 ℃以上持续了6 d，这是因为污泥作为包含大量微生物的絮凝体，占比越大升温越快[4]。堆体B、C分别在第3 d、4 d达到55 ℃以上，第7 d、8 d达到最高温度68.85 ℃、67.55 ℃，并分别在55 ℃以上持续了9 d、8 d。堆体D在第7 d达到55 ℃以上的高温并持续了5 d。根据《粪便无害化卫生标准（GB7959-87）》4个堆体均满足卫生要求。之后由于有机物含量降低，微生物新陈代谢减慢而产热量减少，经过48 d的堆肥周期，堆体温度接近室温不再明显变化。
　　通风是堆肥过程的重要调控手段，一般根据温度和水分含量调节通气量，从而使堆体含氧量保持在5%～15%的范围内。通过对温度和氧气百分含量进行偏相关分析，两者呈极显著负相关（R=-0.806，P<0.01）。4个堆体的氧气百分含量在高温期急剧下降，降温期逐渐上升，在温度达到室温时与外界空气含量基本保持一致。
　　2.2 堆肥过程中含水率的变化
　　污泥含水率是影响堆肥周期长短、堆肥质量的关键性因素[5]。堆体A、B、C、D含水率总体表现为下降趋势，但不同配比的堆体含水率下降幅度有所差异。4个堆体相比初始分别减少了29.47%、31.74%、38.55%、43.10%。辅料配比高的堆体C、D由于菌菇渣量多而孔隙度高，与外界空气接触面积大而导致水分散失快，所以含水率下降更为明显，减量化效果好。
　　2.3 堆肥过程中pH值的变化
　　pH值是评估微生物生存环境的重要参数，合适的pH值不仅可以保证微生物良好的生存环境，而且可以减少氨气的挥发，从而降低铵态氮损失[6]。在堆肥前期由于含水率较高，供氧不足，堆体积累乙酸、丁酸等大量有机酸，导致了pH值出现短期的下降。随着有机氮矿化形成的氨气在堆体中不断积累致使pH值逐渐升高，堆体A、B、C在第10 d达到的最大pH值分别为8.71、8.68、8.48，堆体D在第19 d达到最大pH值8.57，都在适于操作的pH值（5.2～8.8）范围内[7]。堆肥后期由于氨气挥发，硝化作用增强，同时有机物分解产生有机酸，致使pH值又逐漸下降。随着辅料配比的增加，堆体中难降解有机物的增多使微生物分解速度相对缓慢，致使达到pH最大值的时间有所延长。
　　2.4 堆肥过程中有机质的变化
　　有机质的含量对堆体温度和通风供氧都有一定的影响，最适范围为20%～80%[8]。有机质含量的改变原因主要为降解和腐殖化，致使有机质含量逐渐降低[9]。堆体A、B、C、D的有机质均呈下降趋势，与Fialho等[10]的研究保持一致。4个堆体在堆肥前10 d有机质迅速下降，10 d之后开始趋于平缓。相比于堆体A、B，堆体C、D中辅料含量较多并且秸秆比例大，堆肥后期由于存在大量纤维素、木质素等难降解的有机物使降解时间延长。由于配比的不同，起始所含有的有机质含量也不尽相同，4个堆体相比于堆肥前分别下降了13.27%、14.59%、15.43%、16.23%，辅料的掺量越多堆体质地越疏松，变化更为明显。
　　2.5 堆肥过程中铵态氮和硝态氮的变化
　　堆肥过程中铵态氮含量变化的影响因素有温度、pH值和氨化微生物活性[11]，各堆体铵态氨含量的变化都为先上升，然后逐渐下降的趋势。堆体A的铵态氮含量在第5 d达到最大值，堆体B、C、D在第7 d达到最大值，由于堆体A升温迅速降解有机物的速率快，铵态氮含量最高。铵态氮含量的下降，标志着堆肥开始腐熟，随着堆肥进入到降温期，积累的铵态氮一部分转化为氨气排入到环境中，一部分被硝化转化成硝态氮，两者同时作用使得铵态氮含量减少。4个堆体在48 d的堆肥周期之后分别稳定在1 745.16 mg/kg、1 568.59 mg/kg、1 212.28 mg/kg、1 289.73 mg/kg。
　　硝态氮的含量变化是硝化和反硝化综合作用的结果。堆肥初期温度快速升高造成供氧不足，反硝化作用占据优势，造成氮素的损失。到达高温期时，硝化细菌的活性在大于40℃的条件下被抑制，同时大量的铵态氮在高温条件下转变成氨气挥发，使得硝态氮含量进一步降低，在第7d达到最低。随着堆肥过程的进行，温度下降并且堆体透气性有所提高，充足的氧气环境使得硝化作用逐渐增强，大量的铵态氮转化为硝态氮使得硝态氮含量逐渐回升。堆体A、B、C、D 相比于堆肥前分别增加了854.78 mg/kg、918.80 mg/kg、936.73 mg/kg、946.27 mg/kg，辅料配比的增加会加快铵态氮向硝态氮的转化。 　　2.6 堆肥过程中种子发芽指数的变化
　　种子发芽指数（GI）是一种通过检测堆肥浸出液，从而对植物种子发芽抑制作用强弱进行评价的指标。堆体A、B、C、D初始的GI值在20%～35%之间，在堆肥初期出现了短期的下降，最后又继续上升。这是因为初期的堆体中产生了大量的有机酸、多酚、醛类等有害物质对植物的生长产生了阻碍。随着堆肥进程的进行，有机酸等物质分解转化，氨气的挥发及重金属的固定使得对植物生长的抑制作用减弱，促进作用增强。当堆肥结束时，4个堆体的GI值分别为83.12%、86.56%、90.81%、92.51%，已经全部大于80%对植物无毒害作用[12]。
　　2.7 辅料配比和测定指标的相关性分析
　　基于SPSS对辅料含量和多个指标进行相关性分析，根据相关系数来确定彼此之间的相关性。由表2可知，辅料含量和含水率的相关性关系为显著负相关（R=-0.977，P<0.05）。辅料含量越高，菌菇渣疏松多孔的结构增大了与空气的接触面积，堆体内部的自由空域（FAS）加大，水分通过高温水汽的蒸发而减少，实现了污泥减量化的目的。辅料含量和有机质呈极显著负相关（R=-0.994，P<0.01）。辅料含量高的含水率下降快，微生物在合适的水分、氧气条件下新陈代谢旺盛，对有机物进行降解的速率增加，导致有机质含量下降。辅料含量和铵态氮呈负相关，但辅料含量的变化与铵态氮堆肥前后的减少量相关性不强（R=-0.400，P>0.05）。辅料含量和硝态氮呈正相关，但辅料含量的变化与硝态氮堆肥前后的增加量无显著关系（R=0.916，P>0.05）。
　　3 结论
　　（1）采用菌菇渣和秸秆作为调理剂，以一定比例与污泥混合进行好氧堆肥，4个堆体的温度全部满足了国家无害化卫生标准，堆肥结束时GI值均大于80%达到完全腐熟的要求。综合多项指标分析，堆体C（污泥∶菌菇渣∶秸秆=1∶0.75∶0.065）的堆肥效果最好。
　　（2）对辅料含量和测定指标进行相关性分析可知，辅料含量和铵态氮呈负相关，和硝态氮呈正相关（P>0.05）;辅料含量和含水率呈显著负相关（P<0.05）;辅料含量和有机质呈极显著负相关（P<0.01）。
　　（3）辅料含量越高，含水率、有机质下降越明显，适宜的水分及氧气环境加快了铵态氮向硝态氮的转化，使得硝态氮含量增加。所以适当增加辅料含量以维持在45%左右更有利于堆肥的腐熟。
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