陳桂華，曾環(huán)木，林芷君

(生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學研究所，廣州 510655)

近年來，國民經濟和城鎮(zhèn)化進程的快速發(fā)展導致生活污泥的產量急劇增加，中國生活污泥年產量高達2.68×108t[1]。污泥的處理與處置約占污水廠總運行成本的20%～50%。因此污泥的處置直接關系到污水廠運行狀況。此外，污泥中含有多種有害成分如重金屬，有機污染物等，若處置不當會造成水體，土壤及農作物的二次污染[2]。研究表明污泥中含有有機質和礦物元素，合理開發(fā)利用污泥能夠實現(xiàn)廢物資源化與減量化[3]。

污泥堆肥被認為是污泥資源化利用的一個重要途徑，污泥堆肥主要依賴污泥中的好氧微生物對污泥中易降解的有機質分解轉化為腐殖質的過程[4]。傳統(tǒng)好氧堆肥過程中由于含氮物質的釋放而產生氮損失，據(jù)報道但損失約為初始物料總氮的16%～76%，而氨揮發(fā)是主要的氮損失的主要貢獻者，此外，堆肥過程中會產生大量的溫室氣體(greenhouse gases，GHG)，這不僅造成了氮元素損失，堆肥產品質量下降，而且加劇溫室效應等問題[5]。如何有效減少污泥堆肥過程GHG(CH4及N2O)排放引起研究者的關注。N2O是痕量溫室氣體，期增溫勢約為甲烷的300倍。之前研究N2O的釋放多集中于土壤、農田、污水處理廠等方面，而對微生物群落復雜的污泥堆肥過程中N2O的釋放研究較少[6]。這其中由于污泥堆肥過程中原料組成及工藝運行參數(shù)均對N2O的釋放產生影響。N2O的產生可以發(fā)生含氮化合物的硝化及反硝化過程。在硝化過程中，當溶解氧含量受限時，硝化過程不徹底，硝化菌可以亞硝酸鹽為底物，氨氧化過程中產生的電子，通過異養(yǎng)還原的方式產生N2O或N2。在反硝化過程中，反硝化關鍵酶一氧化氮還原酶受pH或者溶解氧(dissolved oxygen, DO)等條件影響而受到抑制時會導致反硝化不完全，進而積累N2O。堆肥過程中某些運行工藝下，污泥堆肥釋放的N2O含量可超過NH3從而導致N2O排放量達到堆料總氮含量的6%，并成為主要的氮損失形式[7]。對含水率而言，當含水率維持在60%～70%時，堆體反應過程中產物多為N2從而較好地抑制N2O的產生。因此，在優(yōu)化堆肥工藝參數(shù)的同時開發(fā)減少氮元素損失的新技術已是研究的熱點。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

研究所采用的污泥取自廣州第一污水處理廠二沉池的脫水污泥。所采用的簡易堆箱為聚氯乙烯(PVC)材質外殼及泡沫箱構成，其有效尺寸為1.0 m(長)×1.0 m(寬)×1.0 m(高)，有效體積約為0.8 m3。在堆箱底部設有篩板，其開孔率為12%，篩板之下鋪設石子以增加孔隙率。實驗過程中采用鼓風曝氣，曝氣速率約為80 L/min，通氣管采用分流模式，實驗期間采用強制通風和人工翻動的方式，前三周每周翻動兩次，隨后每周翻動一次。

實驗中所用的小麥秸稈取自當?shù)啬侈r場，取回后的小麥秸稈經粉碎機粉碎后2 cm左右的秸稈段。堆體選用80%的脫水污泥和20%的小麥秸稈(均按質量分數(shù)計算)混合，混合后的基本性質：pH為 7.8±0.34，C/N為12.31±0.13，電導率(EC)為(1.35±0.12)mS/cm，密度為(562 ±26)kg/m3，含水率為75%±3.5%。

1.2 實驗設置

實驗在有效體積為50 L的高溫好氧發(fā)酵罐中進行，發(fā)酵罐的上方設有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，洗氣瓶，集氣裝置。堆肥實驗設置4個反應罐，反應罐1#不添加CS為對照組(空白)，反應罐2#～4#添加不同劑量的CS以控制其質量分數(shù)分別為1%(CS1)、3%(CS3)和5%(CS5)。實驗周期控制在30 d，實驗過程中進行定期翻堆，采用流量計控制通風，流量約為0.3 m3/h。

1.3 檢測方法與計算

1.3.1 基本檢測手段

溫度采用數(shù)字溫度計測定，N2O的分析采用氣相色譜法，色譜儀型號為Shimaduz GC2010Plus，檢測器為ECD，色譜柱為PORAPAKQ(長度×內徑×膜厚=30 m×0.53 mm×20 μm)，載氣采用高純度氮氣。進樣量約為每隔2 h收集堆體釋放量，分流比設定為15，檢測器、柱溫及進樣口的溫度分別設定為340、70、120 ℃。堆肥過程中樣品經過固液為1/10的2 mol/L KCl浸提后測定氮類化合物(銨態(tài)，硝態(tài)及亞硝態(tài))。銨態(tài)氮采用納氏試劑法測定，硝態(tài)和亞硝態(tài)分別采用紫外分光光度法和可見光光度法測定。

1.3.2 微生物多樣性數(shù)據(jù)檢測

選取高溫期各工況下堆肥樣品進行微生物多樣品測定。微生物測定手段采用454高通量測序技術。

1.3.3 發(fā)芽指數(shù)(germination index，GI)測定

選用玉米種子。將購買的種子在10 mL水浸提液中于(25±1)℃震蕩培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)，并于48 h后測定發(fā)芽率及根長等指標。

2 結果與討論

2.1 各工況下溫度及氧氣含量變化

堆肥質量的一個重要指標為溫度，溫度能夠反映堆體有機物降解的情況[12]。溫度高低直接影響堆體中致病微生物和害蟲卵的含量。圖1所示為各工況中溫度隨時間的變化。在反應期間內室溫維持在10～13 ℃。在反應堆體中溫度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，溫度升高與堆體內有機物被嗜溫性細菌分解從而釋放出能量提高堆體的溫度，而堆肥反應后期由于堆體中可利用的有機物含量下降，嗜溫性細菌分解有機物產能下降導致堆體溫度降低，從而進入腐熟期。在空白組溫度由初始由12 ℃逐漸升高至第6 d的56.5 ℃，說明堆體已進入高溫發(fā)酵期，隨后堆體溫度進一步升高至第9 d的71.2 ℃，并在隨后的時間內逐漸下降，在12 d下降至 48.6 ℃?？瞻捉M堆體高溫期(大約50 ℃)約為6 d，在該時期內堆體內的致病蟲卵被殺死，以保證堆肥衛(wèi)生。而在CS添加組別中，堆體的溫度略有差異，并于CS的劑量有關。當CS為1%時，堆體在第5 d溫度升高至52.3 ℃，較空白組早1 d進入高溫期，此外，CS1組別中，堆體的最高溫度為72.3 ℃，較空白組最高溫度高，并且高溫期持續(xù)約7 d，當CS的劑量分別為2%和3%時，堆體進入高溫期的時間分別為第4、第6 d，高溫持續(xù)時間分別為7、6 d，說明污泥堆肥過中CS的存在提高了堆體溫度并延長了高溫時間。但當CS的劑量為5%時，高溫持續(xù)時間短于CS為3%的組別，這可能與CS的添加量增加導致堆體pH下降，從而降低了嗜溫微生物的活性。Luo等[13]研究表明豬糞堆肥過程中過磷酸鈣的存在提高了堆體的溫度。

圖1 污泥堆肥過程中溫度的變化

圖2所示為CS存在對污泥堆肥過程中氧氣含量的影響。由圖2可知，氧氣含量與堆體溫度的升高具有一定的負關聯(lián)性，各堆體中氧氣含量隨時間先下降后逐漸恢復至環(huán)境空氣含量?？瞻捉M中氧氣含量最低為8.5%，出現(xiàn)在高溫期。當CS添加至堆體中，氧氣含量較空白組略有下降，當CS的含量由1%增加至5%時，氧氣的最低含有由8.3%下降至8.1%，統(tǒng)計分析表明各組別中最低含氧量相差不顯著(P>0.05)。當堆體溫度低于50 ℃時，堆體中含氧量逐漸升高，在空白組中氧氣升高速率高于其他組別，這可能與CS存在組別中高溫期較長，微生物分解堆體有機物活動強烈從而導致氧氣含量低于空白組[14]。

圖2 污泥堆肥過程中含氧量的變化

2.2 污泥堆肥過程中甲烷、NH3及N2O的釋放規(guī)律比較

堆體中富集多功能的微生物，其中產甲烷古菌能利用酸化產物在輔酶F420的調控下合成溫室氣體甲烷[15]。圖3所示為不同工況下甲烷的排放速率，在污泥堆肥前期，有機物充足從而產甲烷古菌活性較強，甲烷釋放量大。在空白組中，高溫期微生物消耗了堆體中大量的氧氣，加上污泥顆粒致密，從而導致堆體內部呈現(xiàn)厭氧環(huán)境，產甲烷古菌消耗有機物產生甲烷，在堆肥的后期，有機物消耗殆盡，微生物活性減弱，從而甲烷產率下降，該實驗結果與羅一鳴等[16]的研究結果相一致。

圖3 污泥堆肥過程甲烷排放速率的歷時變化

在污泥堆肥過程中同樣會產生NH3及N2O，如圖4所示，NH3的釋放規(guī)律與甲烷相似，均發(fā)生在高溫期，在該時期微生物活性較強分解含氮類有機物(如蛋白質，核酸等)會釋放出大量的NH3。空白組中NH3的釋放周期為3～11 d，NH3的最大釋放速率出現(xiàn)在8 d，并且為0.74 g/(kg·d)，而當CS添加至污泥堆肥體系后，NH3的釋放量較空白組有所減少。例如，當CS的劑量為1%時，NH3的最大釋放量約為0.68 g/(kg·d)，而當CS的劑量進一步升高至3%和5%時，NH3的最大釋放速率則進一步下降至0.52和0.35 g/(kg·d)，表明CS的存在同樣能抑制NH3的釋放。CS對NH3釋放速率減緩的主要原因在于CS導致污泥堆肥過程pH的下降，而NH3屬于堿性物質極易溶解于酸化的環(huán)境。此外，研究表明CS中的磷酸鈣，石膏以及游離酸能將NH3轉化為結構及性能較穩(wěn)定的(NH4)2SO4和(NH4)3PO4。

圖4 CS添加對污泥堆肥過程中NH3及N2O釋放速率的影響

N2O在由有機物堆肥過程中氨態(tài)氮的硝化及反硝化過中產生，兩個生化反應過程對N2O的貢獻不一致。研究表明堆肥前期有機物充足，并且氧氣含量高，硝化細菌活性強從而導致N2O的釋放速率加快，該過程為N2O的主要貢獻[17]。CS對污泥堆肥過程中N2O的釋放速率影響如圖4(b)所示，空白組中，N2O的釋放主要出現(xiàn)在堆肥前6 d及腐熟期的15～19 d，該研究結果與陳是吏等[11]的研究結果相一致?？瞻捉M中兩個時期N2O的最大釋放速率分別為0.05、0.03 g/(kg·d)。當CS存在與污泥堆肥體系時，N2O的釋放較空白組有所下降，如當CS的劑量為1%時，污泥堆肥在前6 d的最大N2O釋放速率為0.03 g/(kg·d)，而在腐熟期最大N2O釋放速率為0.02 g/(kg·d)，兩者均顯著低于空白組同期的N2O釋放量。相似的實驗結果也在CS劑量為3%、5%的組別中發(fā)現(xiàn)。此外，在N2O的積累研究中發(fā)現(xiàn)，當CS的劑量為1%、3%和5%時，與空白組相較N2O的最終減排率約為42.3%、56.8%和68.5%。實驗結果清晰地揭示CS能夠抑制污泥堆肥過程中減少N2O的釋放。CS能抑制污泥堆肥過程N2O的釋放并CS的劑量越高，N2O的釋放量越低。何勝洲[18]研究表明豬糞堆肥過程中CS(劑量為初始物料干重的4%～24%)能夠抑制N2O的釋放約為25.6%～37.3%。此外，Jiang等[19]在豬糞堆肥過程中同樣調價固氮劑雙氰胺聯(lián)，N2O的釋放量同樣呈現(xiàn)不同程度下降。

2.3 銨態(tài)氮與硝態(tài)氮轉化比較

圖5 污泥堆肥過程中及含量的變化

2.4 CS對腐熟指標的影響

表1所示為CS影響下污泥堆肥前后物理化學及腐熟指標的影響。污泥堆肥前期由于和小麥秸稈共堆肥使得初始C/N為12.31/1，在堆肥末期各工況C/N均下降至8.12～9.54，并且CS的劑量越高C/N下降越明顯，產生這種現(xiàn)象的原因在于CS促進了污泥堆肥過程中有機質的分解但同時起到保氮作用。CS劑量越高，有機物分解越徹底且保氮性越好。發(fā)芽指數(shù)是污泥腐熟的重要指標也是評價腐熟污泥毒害性的重要參數(shù)，腐熟污泥用作農田對植物無害需要GI大于80%。在四個組別中堆肥末期GI均大于80%，因此CS處理污泥堆肥后可用于農田。當CS含量為3%時，GI達到最大值123.6%，而空白組僅為102.5%，需要注意的是當CS劑量為5%時，GI為108.9%，該指數(shù)高于空白組卻低于CS為3%的組別，過量CS的投加會致使部分磷酸鹽存在污泥堆肥體系從而降低pH。

表1 CS對污泥堆肥腐熟指標的影響

污泥堆肥末期pH均呈現(xiàn)弱堿性，且CS存在組別中pH顯著高于空白組(P<0.05)。此外，電導率也是影響堆肥產品后續(xù)使用的重要指標，一般而言，電導率低于4.0 mS/cm，說明CS存在組別中污泥堆肥樣品可用于農田。各工況條件下E4/E6呈現(xiàn)下降趨勢，并且CS添加量越大，E4/E6下降越顯著，說明CS能有效提高污泥堆肥的腐殖化。

2.5 CS劑量對污泥堆肥過程中氮元素損失情況的影響

圖6 CS添加對污泥堆肥過程中氮元素損失和磷元素增加的影響

圖6為CS存在對污泥堆肥過程中氮元素損失及磷元素增加的影響。由圖6可知，CS的存在減少了氮元素的損失，并且CS的劑量越高，氮元素損失越小，卻當CS劑量為5%時，氮元素損失為33.6%，約為空白組的79.4%。此外，CS中含有磷元素，CS的添加同樣會導致磷元素在堆體中的含量。如圖6所示，CS的添加提高了污泥堆肥樣品中磷含量。在空白組中，磷酸鹽的含量約占0.98%，當CS的劑量由1%提高至5%時，磷元素的含量則由1.13%提高至1.89%。因此添加CS促進污泥堆肥過程中氮元素損失，同時還提高了磷元素的含量，最終提高堆肥樣品的肥效品質。

2.6 CS對污泥堆肥過程中微生物

圖7 CS對脫水污泥堆肥過程中微生物群落豐度的影響

污泥堆肥過程主要由微生物調控(降解大分子有機物及硝化，反硝化過程)，在中選取不同CS劑量影響下堆肥樣品進行微生物生態(tài)學分析。如圖7所示，不動桿菌(Acinertobacter)和甲殼菌(Chitinophagaceae)是各工況下主要的微生物種群。Acinertobacter和Chitinophagaceae具有分解大分子有機物并轉化為小分子有機質的功能。在空白組中，Acinertobacter和Chitinophagaceae的相對豐度分別為10.2%和21.3%。而CS添加組別中，Acinertobacter和Chitinophagaceae的相對分度顯著升高，例如當CS劑量為3%時Acinertobacter和Chitinophagaceae的相對豐度分別升高至15.6%和26.5%。沃特氏菌(Wautersiella)能夠利用硝態(tài)氮轉化為氮氣，在空白組中Wautersiella的相對豐度為5.4%，而CS添加組別，Wautersiella的相對豐度卻下降，并且CS的劑量為3%時，Wautersiella的相對豐度為3.1%，顯著低于空白組(P>0.05)。CS的存在能夠促進Acinertobacter和Chitinophagaceae的相對豐度，而降低Wautersiella的相對豐度是導致脫水污泥堆肥加速分解但減少氮損失的重要原因。

3 結論

(1)脫水污泥堆肥過程中添加CS能夠有效提高堆肥腐熟，當CS的劑量為3%時，甲烷，NH3的最大排放速率分別為0.05 和0.52 g/(kg·d)，顯著低于空白組。

(2)添加CS能提高脫水污泥堆肥品質，當CS的劑量為1%、3%、5%時，污泥堆肥發(fā)芽指數(shù)分別為112.3%、123.6%、108.9%，較高于空白組。CS存在減少了污泥堆肥過程中氮損失但同時增加了磷含量。

(3)當CS劑量為3%時，分解大分子物質有關的功能微生物Acinertobacter和Chitinophagaceae的相對豐度為15.6%和26.5%，而與氮損失有關的微生物Wautersiella的相對豐度為3.1%。