菌菇渣和秸稈對(duì)生活污泥好氧堆肥的影響

王守紅， 葛 驍， 卞新智， 丁 敬， 寇祥明， 張家宏， 王小治

(1.江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 揚(yáng)州225007;2.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225127)

城市生活污泥是指處理城市污水所產(chǎn)生的固態(tài)、半固態(tài)及液態(tài)的廢棄物，成分比較復(fù)雜，其中含有豐富的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素及有機(jī)物質(zhì)和植物生長(zhǎng)所必須的微量元素［1-3］。污泥處置方式主要有焚燒、投海、填埋、農(nóng)業(yè)利用等，前3 種方法由于費(fèi)用昂貴、場(chǎng)地限制、容易造成二次污染等因素而難以為繼或被明令禁止。若將污泥直接施用于土壤，對(duì)土壤有一定的改良作用，但是污泥中含有大量的病原菌、重金屬和有機(jī)有害物質(zhì)［4］，對(duì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生直接或潛在的污染。對(duì)污泥進(jìn)行高溫堆肥，不僅可以殺滅病原菌和寄生蟲卵，還可以使?fàn)I養(yǎng)元素易被植物吸收，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，使土壤的理化性質(zhì)及生物學(xué)性質(zhì)得到改善［5-6］。獲得滿足農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)的堆肥產(chǎn)品并且縮短堆肥時(shí)間是污泥好氧堆肥處理的目標(biāo)。近年來(lái)，已有許多學(xué)者對(duì)污泥的好氧堆肥處理中的調(diào)理劑進(jìn)行過(guò)深入的研究，如添加豬糞［7］、生活垃圾［8］、竹炭［9］、生物質(zhì)炭［9］等，與污泥進(jìn)行高溫好氧堆肥，堆肥產(chǎn)品性質(zhì)穩(wěn)定，且符合農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)。本研究將選用菌菇渣和秸稈兩種有機(jī)固體廢棄物作為污泥高溫好氧堆肥的調(diào)理劑，研究不同調(diào)理劑配比對(duì)城市生活污泥高溫好氧堆肥效率和堆肥產(chǎn)品品質(zhì)的影響，旨在找到高效低耗的高溫好氧堆肥技術(shù)，并評(píng)價(jià)堆肥產(chǎn)品的農(nóng)用可能性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

脫水污泥取自揚(yáng)州市湯汪污水處理廠，菌菇渣試驗(yàn)前經(jīng)過(guò)粉碎機(jī)粉碎，秸稈粉碎成粉末狀。其基本性質(zhì)見表1。

表1 堆肥原料的基本性質(zhì)Table 1 The basic properties of materials for composting

1.2 試驗(yàn)方法

按照不同的物料濕重設(shè)置堆體A(污泥∶ 菌菇渣∶ 秸稈=1.000∶ 0.400∶ 0.025)、堆體B(污泥∶菌菇渣∶ 秸稈=1.000∶ 0.500∶ 0.025)和堆體C(污泥∶ 菌菇渣∶ 秸稈=1.000∶ 0.600∶ 0.025)3個(gè)處理。每處理的污泥量為11 t，同時(shí)添加2‰堆肥菌劑。各物料按比例均勻混合后，堆體高約1.2 m，截面呈半圓形，人工翻堆，堆肥的第一周每3 d 翻堆一次，之后每周翻堆一次，堆肥周期為49 d。

1.3 采樣及測(cè)定

每次翻堆時(shí)，多點(diǎn)采樣，每次采集不少于500 g樣品，采用常規(guī)分析方法測(cè)定溫度、含水率、pH、電導(dǎo)率、種子發(fā)芽指數(shù)、全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮，及Cu、Zn、Cr、Pb、Cd 等重金屬含量［10］。試驗(yàn)期間每天9∶ 00、12∶ 00及17∶ 00測(cè)定堆體溫度，其平均值為每天堆體溫度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS18.0 及Excel 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果

2.1 溫度的變化

溫度是堆肥過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)，堆體溫度變化是反映發(fā)酵是否正常的最直接、最敏感的指標(biāo)。圖1 顯示，3 個(gè)堆體在堆肥前期均達(dá)到最高溫度，其中堆體C 達(dá)到最高溫度時(shí)間最短且溫度最高，堆體B次之，堆體A 用時(shí)最長(zhǎng)、溫度最低。由此可見，調(diào)理劑多少對(duì)堆體溫度影響較大，調(diào)理劑多，升溫比較快，易實(shí)現(xiàn)較高的溫度。A、B、C 3 個(gè)堆體最高溫度分別為56 ℃、64 ℃、67 ℃，維持在55 ℃以上分別達(dá)到了4 d、9 d 和16 d，均符合《糞便無(wú)害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 7959—87)中規(guī)定的高溫滅菌標(biāo)準(zhǔn)。堆體C 能維持長(zhǎng)時(shí)間高溫的原因是堆體C 中調(diào)理劑添加較多，物料充氧充分，有機(jī)質(zhì)含量較多，微生物降解效率高。圖1 中有部分溫度呈現(xiàn)陡降趨勢(shì)是由于堆肥過(guò)程中人工翻堆使熱量散失所致。

2.2 含水率和pH 值的變化

堆肥過(guò)程中需要保持適宜的水分含量，這是堆肥成功的首要條件。微生物對(duì)水分含量比較敏感，水分太多，會(huì)堵塞物料空隙;水分太少，微生物降解有機(jī)物的過(guò)程會(huì)完全停滯［11］。3 個(gè)堆肥處理的含水率變化如圖2 所示，菌體中產(chǎn)生的大量熱使得水分以蒸氣的形式散失，堆體B 與堆體C 的含水率從最初的70%左右降至40%以下，堆體A 中因堆肥初期混的菌菇渣比較少，通氣性相對(duì)較差，且堆體溫度低，因此水分散失略低于堆體B 和堆體C。水分的大量散失，能有效實(shí)現(xiàn)污泥減量化。

圖1 堆肥過(guò)程中溫度的變化Fig.1 Changes of the temperatures of three stacks during composting

圖2 堆肥過(guò)程中含水率的變化Fig. 2 Changes of the water contents in three stacks during composting

pH 值過(guò)高或者過(guò)低，會(huì)嚴(yán)重影響微生物活動(dòng)［8］。如圖3 所示，3 個(gè)堆體pH 值總體呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，但始終維持在7.0 至8.0 之間，保持微堿性，適宜微生物的生命活動(dòng)，有利于微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解。

圖3 堆肥過(guò)程中pH 的變化Fig.3 Changes of the pH values of three stacks during composting

2.3 有機(jī)質(zhì)和磷的變化

圖4 堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)的變化Fig. 4 Changes of the organic matter in three stacks during composting

有機(jī)物是微生物生長(zhǎng)繁殖的能源物質(zhì)，堆肥過(guò)程實(shí)際上是有機(jī)物降解的過(guò)程。隨著堆肥過(guò)程的進(jìn)行，有機(jī)質(zhì)不斷地降解，由圖4 可知，堆體A、堆體B和堆體C 有機(jī)質(zhì)分別降解了15.07%、16.44% 和22.23%，堆肥的前期有機(jī)物降解速度比較快，堆肥后期相對(duì)較慢。這是因?yàn)槎逊是捌谑巧郎氐倪^(guò)程，溫度適宜微生物的生長(zhǎng)，微生物大量繁殖，分泌大量的胞外酶，大分子有機(jī)物質(zhì)被分解為小分子物質(zhì)，小分子物質(zhì)被溶解為水溶性碳，進(jìn)入細(xì)胞被微生物利用，使有機(jī)物的降解速率較快。另外，堆體C 有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高，堆體疏松，通氣性比較好，微生物降解速率高。

由圖5 可見，總磷的含量隨著堆肥過(guò)程的進(jìn)行而增加。堆肥結(jié)束時(shí)，3 堆體總磷的含量分別增加了17.28%、23.33%、44.59%，堆體C 最多，堆體B次之，堆體A 最小。這是由于堆肥的“濃縮效應(yīng)”所致，即隨著有機(jī)物質(zhì)的降解，總磷含量增加。

圖5 堆肥過(guò)程中總磷的變化Fig.5 Changes of the total phosphorus in three stacks during composting

2.4 氮的變化

2.4.1 總氮的變化 在堆肥過(guò)程中，氮元素會(huì)大量損失，減少氮元素的損失對(duì)堆肥的品質(zhì)至關(guān)重要［12］。堆肥過(guò)程中總氮的變化見圖6a，堆肥5 d 左右，總氮的損失量較大，這主要由于有機(jī)氮化合物分解產(chǎn)生大量的氨氣散失所致。堆體A、B、C 在堆肥結(jié)束時(shí)，總氮的損失量分別為28.22%、31.70%、27.62%，堆體 C 最小。這相對(duì)于傳統(tǒng)堆肥30.00% ～50.00%氮的損失來(lái)說(shuō)，添加調(diào)理劑處理起到了保氮作用。堆肥過(guò)程中pH 穩(wěn)定在7.0 ～8.0，降低了銨態(tài)氮的損失，促進(jìn)了硝化作用，有利于氮元素的積累。

2.4.2 銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的變化 如圖6b 所示，在堆肥初期，堆體A、B、C 中銨態(tài)氮含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。主要原因是:堆肥初期有機(jī)氮大量礦化［13］，產(chǎn)生大量銨態(tài)氮，隨著堆肥的進(jìn)行，堆體溫度不斷升高，氨大量揮發(fā)，堆體pH 值升高，大量的銨態(tài)氮在硝化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，最終使銨態(tài)氮含量降低。堆體A 與堆體B 硝態(tài)氮含量在堆肥的前10 d 左右達(dá)到最高值，而堆體C 在堆肥的第7 d 達(dá)到最高值，這是由于堆體C 的溫度高于堆體A 和B，有機(jī)氮分解速率較快所致。

硝態(tài)氮的變化與硝化細(xì)菌的生命活動(dòng)密切相關(guān)，這可以從圖6c 中得到反應(yīng)。在堆肥初期，硝態(tài)氮的含量變化緩慢，主要原因是堆肥初期氨化細(xì)菌起主導(dǎo)作用，硝化細(xì)菌受到抑制，而隨著堆肥的進(jìn)行，有機(jī)氮的礦化迅速降低，硝化細(xì)菌占主導(dǎo)作用，大量利用銨態(tài)氮，所以在堆肥后期，堆體的硝態(tài)氮迅速升高。

2.5 腐熟度指標(biāo)

2.5.1 感觀指標(biāo)及電導(dǎo)率 在污泥堆肥過(guò)程中，污泥的顏色逐漸變深，堆肥結(jié)束時(shí)，污泥顆粒松散，呈深褐色，并帶有泥土的氣味，從感官上看，堆體已經(jīng)腐熟。堆體A、B、C 在堆肥結(jié)束時(shí)的電導(dǎo)率分別為4.10 ms/cm、3.25 ms/cm、3.29 ms/cm，均小于4.30 ms/cm［14］，表明堆肥產(chǎn)品中的可溶性鹽對(duì)植物已沒有毒害作用。

2.5.2 種子發(fā)芽指數(shù)(GI) 種子發(fā)芽試驗(yàn)是評(píng)價(jià)堆肥腐熟度最有說(shuō)服力的方法，一般認(rèn)為，當(dāng)GI ＞50.0%，堆體已經(jīng)腐熟，對(duì)植物基本沒毒性。本試驗(yàn)用雪里蕻種子測(cè)定3 個(gè)堆體的種子發(fā)芽指數(shù)，GI 值分別為86.3%、95.8%、86.1%，表明堆體均已經(jīng)腐熟。

2.6 重金屬含量

圖6 堆肥過(guò)程中氮素的變化Fig.6 Changes of the total phosphorus，NH4+-N and NO3－-N during composting

重金屬含量及其生物有效性是限制污泥堆肥農(nóng)用的主要因素［15］，污泥堆肥產(chǎn)品中重金屬的總量和生物有效性重金屬含量如表3 和表4 所示。從中可見，3 個(gè)堆體中重金屬Cu、Zn、Cr、Pb 和Cd 總量均符合國(guó)家農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求;堆肥結(jié)束時(shí)各處理生物有效性重金屬含量總體比堆肥初始時(shí)有所降低。

3 討論

農(nóng)業(yè)廢棄物或生活垃圾中含有大量的有機(jī)質(zhì)和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如果能充分利用，不但可以減輕其對(duì)環(huán)境的污染，還可以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值。陶玉等［16］研究了污泥與稻草按不同比例混合進(jìn)行好氧堆肥，認(rèn)為稻草含量為9%時(shí)，多項(xiàng)指標(biāo)都能滿足堆肥相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，堆肥效果好;倪梅娣［17］研究豬糞好氧堆肥過(guò)程中氧氣濃度變化規(guī)律時(shí)，發(fā)現(xiàn)豬糞與木屑混合堆肥中全氮增幅較大，可以起到保氮的作用;周美紅［8］認(rèn)為生活垃圾∶ 污泥為7∶ 3 時(shí)，優(yōu)化一些工藝參數(shù)，可以縮短堆肥時(shí)間，減輕臭氣排放。好氧堆肥是實(shí)現(xiàn)城市污泥無(wú)害化、減量化、資源化的一種有效途徑。但是，堆肥過(guò)程普遍存在效率不高、堆肥產(chǎn)品不穩(wěn)定、品質(zhì)不高等問題，因此適宜的堆肥調(diào)理劑及其比例是堆肥成功的主要因素。本文選擇菌菇渣、秸稈作為堆肥的調(diào)理劑與城市生活污泥進(jìn)行好氧堆肥，堆體始終保持微堿性，含水量降至40%左右，最終堆肥產(chǎn)品種子發(fā)芽指數(shù)大于50%，符合堆肥產(chǎn)品的農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)。研究發(fā)現(xiàn)污泥、菌菇渣、秸稈按濕重比為1.000∶ 0.600∶ 0.025 時(shí)，含水率低，升溫快，氮素?fù)p失較少，磷含量增加，提高了堆肥效率和堆肥品質(zhì)，縮短了堆肥時(shí)間，為今后的污泥無(wú)害化處理提供了科學(xué)的理論依據(jù)。

表3 堆肥結(jié)束時(shí)堆體中重金屬的含量Table 3 Heavy metal contents in three stacks at the end of composting

表4 生物有效性重金屬含量Table 4 Contents of heavy metal with biological effectiveness in three stacks

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