調(diào)理劑配比對(duì)污泥堆肥過(guò)程中理化參數(shù)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(zhǎng)明

摘要：選用鋸末作為污泥調(diào)理劑，研究了不同配比的鋸末對(duì)污泥堆肥過(guò)程中理化參數(shù)變化的影響。結(jié)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(dá)到的最高溫度、高溫持續(xù)時(shí)間以及降解揮發(fā)性固體含量（VS）要優(yōu)于采用3.0∶1.0和5.0∶1.0的比例，而氮損失較為嚴(yán)重，分別達(dá)到了63.25%和53.05%。硝態(tài)氮含量均呈現(xiàn)先下降后逐漸上升的趨勢(shì)，與銨態(tài)氮的含量變化相反；堆肥結(jié)束時(shí)各處理pH、EC和GI均符合無(wú)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(guò)程中推薦采用4.0∶1.0的比例。

關(guān)鍵詞：污泥；堆肥；調(diào)理劑配比；理化參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：S141.4；X705 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）10-2339-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.08.009

隨著城市化進(jìn)程的加快和污水處理量的大幅增加，污水廠的污泥產(chǎn)生量也急劇增加，由此引起的污泥二次污染事件時(shí)有發(fā)生。如何安全經(jīng)濟(jì)地處理污水處理廠產(chǎn)生的剩余污泥，實(shí)現(xiàn)污泥的無(wú)害化、減量化、資源化成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者所面對(duì)的共同問(wèn)題[1]。污泥含有豐富的有機(jī)質(zhì)、氮、磷和其他植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素[2]，堆肥后作為有機(jī)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(chǎn)量和品質(zhì)[3]。

由于污泥含水率較高（80%）、結(jié)構(gòu)性差、通風(fēng)供氧困難等原因，污泥自身很難升溫發(fā)酵，需要對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理。在預(yù)處理過(guò)程中，一般采用加入鋸末、秸稈等調(diào)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(zhǎng)繁殖的需求。調(diào)理劑在堆肥中主要起到調(diào)節(jié)物料C/N比、含水率、自由空域、孔隙性的作用，保證微生物發(fā)酵快速高效的進(jìn)行[6]。合適的調(diào)理劑配比不但可以促進(jìn)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(chǎn)品質(zhì)量[9，10]。因此，篩選合適的調(diào)理劑配比不但需要考慮促進(jìn)污泥堆肥過(guò)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(diào)理劑的用量，達(dá)到堆肥質(zhì)量和效益的統(tǒng)一。本研究選用鋸末作為堆肥調(diào)理劑，研究了不同配比條件下污泥堆肥過(guò)程中理化參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化， 以期為篩選出合理的調(diào)理劑配比，優(yōu)化堆肥效果提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(jī)質(zhì)含量為52.56%，總氮含量為2.05%。所選用的調(diào)理劑鋸末來(lái)源于處理廠周邊木料加工廠，其含水率為8.23%，有機(jī)碳含量為52.80%，總氮含量為0.40%。

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，按照污泥/鋸末的質(zhì)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(yàn)方法

將混合后待發(fā)酵物料堆積于發(fā)酵罐中，發(fā)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(fēng)機(jī)和高效布?xì)?、曝氣系統(tǒng)，頂部留有可以插溫度、氧氣探頭和采樣的孔隙。堆肥發(fā)酵過(guò)程采用自控系統(tǒng)溫度反饋控制鼓風(fēng)過(guò)程，采用溫度探桿、氧氣探桿自動(dòng)監(jiān)測(cè)發(fā)酵過(guò)程的溫度和氧氣相關(guān)數(shù)據(jù)。

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

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥堆肥過(guò)程中堆體溫度的變化特征

堆肥過(guò)程中微生物分解有機(jī)物進(jìn)行代謝，同時(shí)釋放出熱量，堆體溫度發(fā)生改變，隨之微生物的種群結(jié)構(gòu)與代謝活力也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，因此，溫度是堆肥系統(tǒng)微生物活性和有機(jī)質(zhì)降解速度的反映，也是堆肥是否成功的重要標(biāo)志[5]。調(diào)理劑配比對(duì)堆體的溫度和產(chǎn)品的質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生影響，合適的調(diào)理劑配比能夠促進(jìn)堆體升溫并延長(zhǎng)高溫持續(xù)期[7]。由表2可知，處理1升溫速率較高但達(dá)到的最高溫度和高溫持續(xù)時(shí)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(xù)時(shí)間均最低。各處理均從0.1 d就開(kāi)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(dá)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(xù)時(shí)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(wú)害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB-7959-87）所規(guī)定的50 ℃以上持續(xù)5～7 d的要求，處理4為完成無(wú)害化過(guò)程。

2.2 污泥堆肥過(guò)程中降解揮發(fā)性固體含量的動(dòng)態(tài)變化

堆肥過(guò)程中物料體積和質(zhì)量的減少主要是微生物活動(dòng)降解揮發(fā)性固體（VS）和物料脫水引起。由圖1可知，四個(gè)處理的VS含量在堆肥過(guò)程中均呈明顯的下降趨勢(shì)，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(qiáng)，易降解的有機(jī)物分解速率較快，而中后期隨著易降解物質(zhì)的減少，微生物需利用較難降解的纖維素等有機(jī)物質(zhì)作為碳源，分解相對(duì)緩慢有關(guān)。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(gè)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(xù)時(shí)間最長(zhǎng)（表1），微生物活性更大，降解有機(jī)物的能力更強(qiáng)，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(nèi)部擴(kuò)散，不利于微生物對(duì)有機(jī)物的降解[12]。endprint

2.3 污泥堆肥過(guò)程中總氮含量的動(dòng)態(tài)變化

由圖2可知，4個(gè)處理的總氮含量總體變化基本一致，均呈逐漸下降的趨勢(shì)，且表現(xiàn)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(fā)生氨化作用和氮素的轉(zhuǎn)化，大量的氨產(chǎn)生導(dǎo)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(kāi)始時(shí)的1.54、1.59、1.64和1.71 g/kg，降為堆肥結(jié)束時(shí)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(yán)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(xù)期較短（表1），從而抑制了微生物活性和有機(jī)質(zhì)礦化速度，降低了氨的揮發(fā)。

2.4 污泥堆肥過(guò)程中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的動(dòng)態(tài)變化

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

由圖3b可知，在堆肥過(guò)程中4個(gè)處理中硝態(tài)氮含量均呈現(xiàn)先下降后逐漸上升的趨勢(shì)，與銨態(tài)氮的含量變化相反。堆肥前期第4天硝態(tài)氮含量最低，由于氨化作用銨態(tài)氮快速積累，硝化作用受到抑制，硝態(tài)氮含量逐漸下降。隨著進(jìn)入降溫期，溫度逐漸下降，硝態(tài)氮含量逐漸增加。在堆肥中后期，硝態(tài)氮細(xì)菌活性增強(qiáng)，銨態(tài)氮不斷減少，硝態(tài)氮不斷增加。與最低值相比，堆肥結(jié)束時(shí)4個(gè)處理的硝態(tài)氮含量分別增加了14.58%、4.11%、44.11%和75.71%。處理4硝態(tài)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(guò)程中pH、EC動(dòng)態(tài)變化

在堆肥過(guò)程中，pH是重要過(guò)程參數(shù)，過(guò)高和過(guò)低都會(huì)影響堆肥效果。一般認(rèn)為，pH 7.5～8.5時(shí)，降解速率最大[13，14]。由圖4a可見(jiàn)，4個(gè)處理中，pH均呈現(xiàn)前期低后期高的變化趨勢(shì)。隨著堆肥的進(jìn)行，pH逐漸上升，由于微生物的強(qiáng)烈作用，有機(jī)質(zhì)被分解并產(chǎn)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(xiàn)在第4天，而處理3和處理4的 pH最大值分別出現(xiàn)在第10天和第13天，之后各個(gè)處理的pH逐漸下降，堆肥結(jié)束時(shí)各處理pH穩(wěn)定在7.9～8.5的范圍內(nèi)，基本滿足植物生長(zhǎng)的要求。

電導(dǎo)率（EC）反映了污泥中可溶性電解質(zhì)的含量，離子的強(qiáng)度決定了電導(dǎo)率的大小。一般情況下，堆肥產(chǎn)品的電導(dǎo)率要適中，否則會(huì)影響植物的正常生長(zhǎng)。由圖4b可知，4個(gè)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(wěn)定的變化趨勢(shì)。這可能是由于堆肥初期，由于微生物代謝旺盛、活動(dòng)加劇，分解大量的物料并產(chǎn)生大量的小分子有機(jī)酸和各種離子，電導(dǎo)率上升很明顯，隨著堆肥的進(jìn)行，小分子有機(jī)酸和離子交換量的變化以及NH3的揮發(fā)等，造成了EC值也隨之波動(dòng)變化[15，16]。在降溫期階段，有機(jī)質(zhì)基本被降解完全，EC值趨于穩(wěn)定，最終EC值維持在1.10～1.31 ms/cm范圍內(nèi)，且全過(guò)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(guò)程中種子發(fā)芽指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）是判斷堆肥腐熟度和植物毒性的極重要的指標(biāo)[18]，是一種直接和有效的檢測(cè)堆肥產(chǎn)品的毒性的方法。當(dāng)種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到50.00%時(shí)，表明堆肥已達(dá)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(gè)處理GI值均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。堆肥初期處理1種子發(fā)芽指數(shù)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(chǎn)生高濃度的氨氣和小分子有機(jī)酸有關(guān)，隨著堆肥的進(jìn)行，小分子有機(jī)酸被分解轉(zhuǎn)化和氨氣的揮發(fā)量減少，到堆肥結(jié)束時(shí)種子發(fā)芽指數(shù)分別達(dá)到了56.85%、74.37%、66.47%、50.31%。由此可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)堆肥過(guò)程4個(gè)處理的堆肥產(chǎn)品對(duì)植物均已無(wú)危害。

3 小結(jié)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(dá)到的最高溫度和高溫持續(xù)時(shí)間要優(yōu)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(wú)害化過(guò)程；各處理VS含量呈逐漸下降的趨勢(shì)，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(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，其中處理2和處理3的氮損失較嚴(yán)重，分別達(dá)到63.25%、53.05%。硝態(tài)氮含量均呈現(xiàn)先下降后逐漸上升的趨勢(shì)，與銨態(tài)氮的含量變化正好相反；pH、EC和種子發(fā)芽指數(shù)（GI）均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，堆肥結(jié)束時(shí)pH、EC和GI均符合無(wú)害化要求?？紤]到輔料成本和氮損失問(wèn)題，污泥和鋸末堆肥過(guò)程中推薦采用4.0∶1.0的比例。

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