金 芬，孫先鋒，高自文，周秋丹，邵瑞華，周曉毅

（1.西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安710048；2.陜西迪隆生態(tài)環(huán)保科技有限公司，陜西 西安710016）

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市人口的增加，工業(yè)廢水和城市生活污水的排放量日益增加，城市污水處理率逐年升高，同時(shí)，污泥的排放量也隨之增多，城市污泥的可再生處理已經(jīng)勢(shì)在必行［1］.

污泥堆肥法處理成本低廉，能夠除臭和有效地殺滅病原菌，且腐熟的堆肥產(chǎn)品可以提高作物的產(chǎn)量，改善農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)，因此已成當(dāng)前污泥無(wú)害化和資源化的重要途徑之一［2］.而在堆肥過(guò)程中，調(diào)理劑是加入堆肥化物料中的有機(jī)物，因其能增加物料中可降解的有機(jī)物數(shù)量，改善物料結(jié)構(gòu)，增加與空氣接觸的面積.故可調(diào)節(jié)整個(gè)堆肥過(guò)程的碳氮比及水分含量，也可以起到除臭、保氮和提高堆肥效率的作用，所以成為調(diào)節(jié)及影響好氧發(fā)酵的主要因素之一［3-4］.目前國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者進(jìn)行了研究，Miguel等［5］以鋸末為調(diào)理劑對(duì)人糞渣進(jìn)行堆肥試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于Biotoilet系統(tǒng)，混合物料的含水率被調(diào)節(jié)至65%時(shí)，有機(jī)物降解速率最大.Eklind等［6］分別添加秸稈、樹(shù)葉、硬木片等調(diào)理劑與有機(jī)生活垃圾混合堆肥，結(jié)果表明，加入調(diào)理劑后，物料的w（C）／w（N）從13調(diào)節(jié)至22～34，有機(jī)質(zhì)降解速率常數(shù)從0.025提高到0.039～0.126.張建華等［7］進(jìn)行了不同調(diào)理劑對(duì)豬糞好氧堆肥效果的影響研究，結(jié)果表明藥渣和礱糠灰為調(diào)理劑時(shí)，堆肥效果較理想.顧文杰［8］等也研究了不同調(diào)理劑對(duì)造紙污泥好氧堆肥的影響，以水稻秸稈作為調(diào)理劑無(wú)法達(dá)到高溫，添加米糠作為調(diào)理劑升溫最快，溫度最高；添加蘑菇渣作為調(diào)理劑，溫度偏低.

本文以城市污泥為原料，以藥渣、木屑、水稻、玉米及小麥秸稈為調(diào)理劑，與污泥混合進(jìn)行好氧堆肥，研究5種不同調(diào)理劑對(duì)城市污泥好氧堆肥的影響，為西安城市污泥堆肥化處理提供技術(shù)支撐.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料

研究所用的城市污泥為西安市第二污水處理廠的脫水鮮污泥（SS）；作為調(diào)理劑的藥渣取自西安利君藥業(yè)股份有限公司的藥渣儲(chǔ)存車間；水稻秸稈取自廣東省農(nóng)科院；玉米秸稈與小麥秸稈取自陜西迪隆生態(tài)環(huán)?？萍加邢薰驹囼?yàn)田；木屑取自西安市城東木材加工廠，主要成分為松木；蘿卜種子取自金種子商場(chǎng)，品種為秋白65.將水稻、玉米、小麥秸稈粉碎處理，藥渣、木屑進(jìn)行晾干處理.各堆肥實(shí)驗(yàn)材料測(cè)定成分的參數(shù)如表1所示.

表1 污泥堆肥實(shí)驗(yàn)材料基本參數(shù)Table 1 Experimental material properties of sludge composting

1.2 方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理組，編號(hào)分別為處理Ⅰ、處理Ⅱ、處理Ⅲ、處理Ⅳ和處理Ⅴ.各處理組物料組合見(jiàn)表2.各處理組調(diào)理劑與堆肥物料充分混勻，堆制成長(zhǎng)寬高為2m×1m×0.5m的堆體.在堆體表面覆蓋一層約5cm厚的油菜秸稈覆蓋層，以減少堆肥過(guò)程中水分的散失，并吸收部分揮發(fā)的臭氣.

采取鼓風(fēng)機(jī)從堆體下方5cm處進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，與人工翻堆方式相結(jié)合.鼓風(fēng)機(jī)功率為100W，風(fēng)壓0.04MPa，風(fēng)量為0.05m3·min-1.在升溫期溫度低于45℃時(shí)，不通風(fēng)；高于45℃時(shí)，每天記錄堆體溫度后每2h通風(fēng)1min，每天上下午各通風(fēng)2次；高溫期溫度超過(guò)50℃時(shí)，每1h通風(fēng)1min，每天上下午各通風(fēng)3次；降溫期溫度在45～50℃時(shí)，每2h通風(fēng)1min，每天上下午各通風(fēng)2次；低于40℃時(shí)停止通風(fēng).并于每次采樣后用鐵鍬來(lái)回翻堆20次.

堆肥過(guò)程中，用長(zhǎng)桿水銀溫度計(jì)于每天9∶00，15∶00和21∶00分別測(cè)定堆體上、中、下部溫度，取測(cè)定溫度的算數(shù)平均值來(lái)描述堆肥過(guò)程的溫度變化，同時(shí)測(cè)定環(huán)境溫度值.

表2 不同處理組堆肥實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Different treatment group of composting experiment design

1.3 采樣和分析

在堆肥的第0，4，8，12，16，21，28，35，45d，于當(dāng)天21∶30進(jìn)行采樣，共計(jì)9次.采樣點(diǎn)為堆體中心及附近四角范圍，每次采集約500g樣品，采用四分法將樣品混勻，裝入密封塑料袋中.將采集的鮮樣用于含水率、pH值、發(fā)芽率的測(cè)定，鮮樣經(jīng)烘干后用于有機(jī)質(zhì)的測(cè)定.剩余部分放在室內(nèi)風(fēng)干后過(guò)40目篩貯存?zhèn)溆?含水率的測(cè)定采用105℃烘箱法；pH值采用1∶10（W／V）的水提取液玻璃電極法測(cè)定［9］；有機(jī)質(zhì)采用550℃馬弗爐灼燒減重法測(cè)定［10］.

種子發(fā)芽率（GI）的測(cè)定方法［11-12］：取6g鮮樣加入50mL蒸餾水，震蕩1h，吸取6mL濾液于墊有2張濾紙的9cm直徑培養(yǎng)皿中，以等量蒸餾水對(duì)照，每個(gè)培養(yǎng)皿內(nèi)置20粒飽滿的蘿卜種子，在30℃，濕度為80%的黑暗條件下培養(yǎng)48h，計(jì)算種子發(fā)芽率（GI）值，計(jì)算公式為：

GI=（樣品發(fā)芽率×種子根長(zhǎng)）／（對(duì)照種子發(fā)芽率×種子根長(zhǎng)）.

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度的變化

溫度是影響堆肥過(guò)程中微生物活性和堆肥效率的重要因素與指標(biāo)，微生物通過(guò)生長(zhǎng)代謝產(chǎn)生大量的熱直接影響堆體溫度.

如圖1所示，各處理組堆體溫度均經(jīng)歷了3個(gè)時(shí)期，即升溫期、高溫期和降溫期，并且都符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB795987）關(guān)于最高堆溫應(yīng)在50℃以上持續(xù)5～7d的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn).堆肥開(kāi)始后，各處理組溫度均上升，是由于堆料中的有機(jī)質(zhì)在微生物的作用下迅速分解成水、CO2、有機(jī)酸和氨氣，此過(guò)程產(chǎn)生大量的熱量促使堆體溫度上升，5個(gè)處理組溫度上升速率分別為2.05，1.42，2.43，2.06，2.24℃／d，分別在第16，21，16，17，17d達(dá)到最高溫度，最高溫度分別為60.4，61.3，68.4，64.4，67.5℃，即升溫速率為處理組Ⅲ＞處理組Ⅴ＞處理組Ⅳ＞處理組Ⅰ＞處理組Ⅱ.隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，5個(gè)處理組堆肥溫度逐漸下降，其下降速率為0.91，0.88，1.12，0.99，1.09℃／d，降溫速率為處理Ⅲ＞處理Ⅴ＞處理Ⅳ＞處理Ⅰ＞處理Ⅱ.42d后，堆肥開(kāi)始進(jìn)入冷卻和后熟階段，各處理溫度基本趨于一致.上述結(jié)果表明，堆肥溫度與調(diào)理劑類型密切相關(guān)，木質(zhì)素含量較低的調(diào)理劑，堆體升溫和降溫速率均較大，達(dá)到最高溫所需時(shí)間也較短，溫度較高并且高溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，這與參考文獻(xiàn)［13］研究的結(jié)果一致.5種調(diào)理劑中，水稻秸桿的木質(zhì)素含量最低，作為調(diào)理劑時(shí)升溫最快，溫度最高.相反，木屑和藥渣的木質(zhì)素含量較高，木屑和藥渣作為調(diào)理劑的升溫速率和降溫速率均最慢.

2.2 含水率的變化

水分是堆肥中有機(jī)物分解和微生物生長(zhǎng)繁殖所必需的，堆肥中含水率的變化是有機(jī)物氧化分解產(chǎn)生水及通風(fēng)時(shí)水蒸汽揮發(fā)散失等過(guò)程疊加的結(jié)果.堆肥含水率與堆體溫度堆制材料孔隙度以及翻堆次數(shù)有關(guān).大量研究表明，堆肥最佳含水率為50%～60%［14］.

如圖2所示，各處理含水率基本呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，在堆肥升溫期，含水率迅速下降，可能是有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生水的速率小于水分蒸發(fā)的速率，隨著溫度升高和堆肥含水率的降低，更加適合一些嗜熱菌的繁殖代謝，大量降解有機(jī)物產(chǎn)生水，即產(chǎn)生水的速率略小于水分散失的速率，致使含水率下降緩慢.堆肥結(jié)束時(shí)，各處理組含水率分別下降到30.13%，31.46%，28.78%，27.47%，24.78%，下降率分別為43.10%，41.08%，46.56%，42.85%，43.34%.處理組Ⅱ含水率下降最少，這與張建華等［7］研究結(jié)果一致.分析認(rèn)為木屑為調(diào)理劑時(shí)，由于木屑中易分解的有機(jī)碳較少，難分解的有機(jī)物較多，分解反應(yīng)速率較慢，即溫度上升速率也相應(yīng)較慢；其次木屑密度較大，透氣性差，吸水性強(qiáng)，以上兩者致使處理組Ⅱ水分蒸發(fā)的速率明顯下降.處理組Ⅲ含水率下降最多，這與其升溫速度最快，高溫時(shí)間持續(xù)最長(zhǎng)，水分蒸發(fā)較快有關(guān).說(shuō)明以水稻秸稈為調(diào)理劑時(shí)，有助于堆體中水分的散失，有效減少了后期成品烘干的能耗.

圖1 堆肥過(guò)程溫度變化Fig.1 Temperature changes in composting process

圖2 堆肥過(guò)程含水率變化Fig.2 Moisture content changes in the composting process

2.3 pH值的變化

pH值可以作為評(píng)價(jià)好氧發(fā)酵腐熟度的一個(gè)指標(biāo).適宜的pH值可使微生物有效地發(fā)揮降解作用.而過(guò)高或過(guò)低的pH值都會(huì)對(duì)微生物好氧發(fā)酵速率產(chǎn)生影響，一般認(rèn)為，堆肥pH值在7～9時(shí)，最適宜微生物生長(zhǎng)和繁殖，可獲得最大堆肥速率［15］.

如圖3所示，在整個(gè)堆肥過(guò)程中，各處理組堆肥的pH值總體上呈現(xiàn)先下降再上升再下降的趨勢(shì).這與賈程等［16］研究結(jié)果不一致，賈程的研究認(rèn)為堆肥過(guò)程中pH值呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢(shì)，而本文中由于微生物代謝產(chǎn)生的次級(jí)代謝物影響堆肥pH值，可能是污泥原料存在差異，導(dǎo)致微生物種類與數(shù)量不同，因而試驗(yàn)結(jié)果與賈程研究結(jié)果不一致.在堆肥初期4d里，微生物分解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生有機(jī)酸的速率大于堆肥中銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化成氨氣的速率，致使pH值下降.然而隨著堆肥時(shí)間的進(jìn)行，產(chǎn)生的有機(jī)酸被大量分解，同時(shí)堆肥中的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化成氨氣的速率提高，導(dǎo)致pH值回升.在堆肥后期，由于氮的氨化作用減弱，硝化作用增強(qiáng)，同時(shí)剩余的有機(jī)物被分解產(chǎn)生有機(jī)酸，造成pH值下降.在整個(gè)過(guò)程中，處理組Ⅰ和Ⅱ均在堆肥第30d時(shí)，pH值達(dá)到最大，分別為8.43，8.01.處理組Ⅲ和Ⅳ在第25d時(shí)，pH值達(dá)到最大，分別為8.49，8.33.處理組Ⅴ在第20d時(shí)，pH值達(dá)到最大值8.31.其中以水稻秸稈為填料劑的堆肥pH值最大，其次為藥渣、玉米、小麥，以木屑為調(diào)理劑時(shí)，處理組的pH值最小.

圖3 堆肥過(guò)程中pH值的變化Fig.3 pH variation in the composting process

圖4 堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)含量的變化Fig.4 Organic content in the composting process

2.4 有機(jī)質(zhì)變化

堆肥中的有機(jī)質(zhì)是微生物賴以生存和繁殖的重要因素，在堆肥過(guò)程中，微生物通過(guò)自身活動(dòng)，把一部分有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化分解成簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物，為自身生長(zhǎng)代謝提供能量.

如圖4所示，在整個(gè)堆肥過(guò)程中，有機(jī)質(zhì)含量隨著堆肥過(guò)程的進(jìn)行呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，堆肥結(jié)束時(shí)，各處理組有機(jī)質(zhì)分別下降了22.53%，17.89%，28.32%，24.98%，25.45%.其中處理組Ⅲ有機(jī)質(zhì)下降最多，其次為處理組Ⅴ，Ⅳ，Ⅰ，處理組Ⅱ有機(jī)質(zhì)下降最少.即5種調(diào)理劑中，以水稻秸稈為調(diào)理劑時(shí)，有機(jī)質(zhì)減少量最大，以木屑為調(diào)理劑時(shí)，有機(jī)質(zhì)減少量最小.這與康軍［17］等的研究結(jié)果一致.分析認(rèn)為，由于水稻秸稈中半纖維素及纖維素含量較高，因此分解有機(jī)質(zhì)速率較快.在堆肥過(guò)程中，各處理組有機(jī)質(zhì)分解主要發(fā)生在升溫期和高溫期，在降溫期和腐熟期有機(jī)質(zhì)降解較緩慢，可能由于在升溫、高溫階段有機(jī)質(zhì)含量高，微生物生長(zhǎng)代謝旺盛，加快了有機(jī)質(zhì)的降解.

2.5 種子發(fā)芽指數(shù)（GI）的變化

種子發(fā)芽指數(shù)是通過(guò)檢測(cè)堆肥樣品中的生物毒性來(lái)評(píng)價(jià)污泥堆肥的腐熟程度和預(yù)測(cè)其毒性發(fā)展，是最可靠有效的指標(biāo)，且最能反映堆肥產(chǎn)品植物毒性，進(jìn)而判斷堆肥無(wú)害化和腐熟度的重要參數(shù).一般認(rèn)為當(dāng)GI＞50%時(shí)，堆肥產(chǎn)品基本無(wú)毒性，堆肥腐熟；GI＞80%時(shí)堆肥已完全腐熟［18］.

如圖5所示，在整個(gè)堆肥過(guò)程中，各處理組堆肥GI值總體上呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì).在堆肥初期的前4d時(shí)為抑制發(fā)芽階段，微生物強(qiáng)烈作用于堆肥，產(chǎn)生大量NH3等有毒的物質(zhì)，嚴(yán)重抑制種子發(fā)芽；在堆肥的4～12d時(shí)，隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)，污泥中的有機(jī)質(zhì)被微生物大量分解利用，污泥對(duì)種子發(fā)芽抑制作用降低，種子發(fā)芽指數(shù)迅速上升；在堆肥的12～35d后，微生物降解有機(jī)質(zhì)的速率減慢，種子發(fā)芽指數(shù)緩慢上升.在堆肥的35～45d，種子發(fā)芽指數(shù)趨勢(shì)基本趨于穩(wěn)定，這與顧文杰［8］研究結(jié)果不太一致，顧文杰的研究中GI值結(jié)果較高，原因主要有3方面，首先處理的污泥對(duì)象不同，他的研究對(duì)象為造紙污泥，本文研究對(duì)象為污水處理廠脫水污泥；其次，堆肥條件如堆體體積、通風(fēng)量、攪拌時(shí)間等因素均不同；最后蘿卜品種可能也存在差異.因此，3方面因素共同導(dǎo)致了堆肥結(jié)果存在差異.堆肥結(jié)束時(shí)，各處理組GI值分別為64.9%，62.8%，75.2%，70.3%，72.9%.處理組Ⅲ的發(fā)芽率最大，處理組Ⅱ最小，各處理組GI均大于50%，說(shuō)明各處理組在堆肥結(jié)束后，均已達(dá)到腐熟，堆肥產(chǎn)品對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)基本無(wú)毒性.

圖5 堆肥過(guò)程種子發(fā)芽指數(shù)變化Fig.5 Variation of germination index in the composting process

3 結(jié) 論

（1）各處理組堆體溫度均經(jīng)歷了3個(gè)時(shí)期，即升溫期、高溫期和降溫期.分別在第20，21，16，17，17d達(dá)到最高溫度，42d后，堆肥開(kāi)始進(jìn)入冷卻和后熟階段，各處理組溫度基本趨于一致.以水稻秸稈為調(diào)理劑時(shí)，堆體升溫和降溫速率均較快，達(dá)到最高溫所需時(shí)間較短，溫度最高且高溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，木屑作為調(diào)理劑時(shí)則相反.

（2）各處理組含水率均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，其中以木屑為調(diào)理劑時(shí)，含水率下降最少；以水稻秸稈為調(diào)理劑時(shí)，含水率下降最多，這有助于堆體中水分的散失，減少后期成品烘干能耗.

（3）各處理組堆肥的pH值總體上呈現(xiàn)先下降再上升后又下降的趨勢(shì).其中以水稻秸稈為調(diào)理劑時(shí)堆肥pH值最大，其次為藥渣、玉米、小麥，木屑的pH值最小.

（4）有機(jī)質(zhì)含量隨著堆肥過(guò)程的進(jìn)行呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，各處理組堆肥的GI值總體上呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)；各處理組在堆肥結(jié)束后，均已基本達(dá)到腐熟，堆肥產(chǎn)品對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)基本無(wú)毒性；在堆肥結(jié)束后，5種調(diào)理劑中，以水稻秸稈為調(diào)理劑時(shí)，有機(jī)質(zhì)減少量最大，發(fā)芽率最大；以木屑為調(diào)理劑時(shí)，有機(jī)質(zhì)減少量最小并且發(fā)芽率最小.

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