利用枯枝落葉對污水處理廠污泥進行堆肥處理的研究

官昭瑛+張安+陳曉蓉+遲國梁+徐國鋼+朱兆華

摘 要：城市污水處理廠污泥的處置是一個日趨緊迫的問題。本研究利用枯枝落葉對污水處理廠污泥進行堆肥處理。結(jié)果表明，枯枝落葉和污泥混合物作為堆肥原料品質(zhì)良好，能很好地腐熟，堆肥結(jié)束時有機質(zhì)損失率約42%。堆肥產(chǎn)物的理化性質(zhì)：pH值為7.5、電導率（EC，3.7 mS·cm-1）和重金屬鎘、砷、鉛、銅的含量均符合農(nóng)業(yè)土壤肥料的應(yīng)用標準。堆肥后物料中交換態(tài)重金屬含量降低了13%～70%，枯枝落葉對污泥中重金屬起到良好的鈍化作用。

關(guān)鍵詞：污泥；堆肥；枯枝落葉；有機肥

中圖分類號：S141.6 文獻標識碼：A 文章編號：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.09.004

Abstract： The disposal of sludge from wastewater treatment plants is an issue of growing importance. Here we tested the composting of sewage sludge with leaf-litter as bulking materials. Results shown good performance of both materials， and organic matter lost rate was estimated for about 42%. Physicochemical properties： pH （7.5）， electrical conductivity （EC， 3.7 ms·cm-1） and heavy metal contents （Cd， As， Pb and Cu） of the produced composts favored its utilization in agricultural soil as fertilizer. After composting， contents of exchangeable heavy metals decreased 13 to 70 percents， indicating that leaf-litter had a good passivation effect on the heavy metals from the sludge.

Key words： sewage sludge； composting； leaf-litter； fertilizer

在過去的20年中，城市人口的快速增長導致了有機廢物，特別是城市污水處理廠污泥的急劇增加。據(jù)報道，我國年均干污泥產(chǎn)量約1 120萬t，對居民健康和環(huán)境構(gòu)成了嚴重的威脅[1-3]。污水處理廠污泥所造成的環(huán)境污染已成為制約城市發(fā)展的一個重要問題[2， 4]。因此，迫切需要找到回收和再利用這些廢物的有利途徑，以減少其對生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境的負面影響[5-6]。

堆肥是一種有效、經(jīng)濟、簡單、環(huán)境友好的有機廢物穩(wěn)定化方法[7]。堆肥技術(shù)已被廣泛采納和應(yīng)用，它把城市有機廢棄物轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)可利用資源[7-10]。本研究利用枯枝落葉對污水處理廠污泥進行堆肥處理，通過堆肥過程，可使部分容易被植物吸收利用的交換態(tài)重金屬轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的形式。通過研究底泥—落葉堆肥過程中溫度、含水率、pH值、電導率、有機質(zhì)和C/N的動態(tài)變化，以及堆肥前后交換態(tài)重金屬含量變化，為大規(guī)模無害化處理及資源化利用城市污水處理廠污泥和綠地廢棄物（枯枝落葉）生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)有機肥料提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

從深圳濱河污水處理廠收集的污泥，以及市區(qū)內(nèi)綠地收集的枯枝落葉，曬干、粉碎為粒徑0.2～0.5 cm，并按一定比例混合為試驗材料，其基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗方法

堆肥試驗在室內(nèi)進行，采用自制的發(fā)酵裝置進行，如圖1所示，為半自動化控制（攪拌轉(zhuǎn)速20 r·min-1），含曝氣系統(tǒng)（曝氣量在25 L·h-1·kg-1）。堆肥物料10 kg（污泥：枯枝落葉=1：3）添加3‰的發(fā)酵菌劑，試驗設(shè)3 個重復，共發(fā)酵30 d，除了堆溫每天測定外，各理化指標測定分別在第1，5，10，15，20，25，30 d。

1.3 分析方法

堆肥溫度是通過距離發(fā)酵罐體底部中心20 cm處的溫度傳感器每天記錄堆溫。含水率在105 ℃下烘24 h 至恒質(zhì)量測定。pH值和電導率采用肥水比1∶10（W/V），用YSI6600多參數(shù)分析儀測定[11]。有機質(zhì)、全氮、灰分的測定采用國家標準方法[12]?？傆袡C碳和C/N比分別根據(jù)公式：總有機碳 =有機質(zhì)/1.8，C/N =有機質(zhì)/全氮計算[13]。有機物損失率=（X2-X1）/X1×100%，其中X1、X2為堆肥開始和結(jié)束時灰分含量。堆肥前后交換態(tài)重金屬（鎘Cd、砷As、鉛Pb和銅Cu）采用化學試劑分步提取分離法分離[14]，然后用ICP-MS測定含量[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

圖表制作用Sigmaplot 10.0軟件，數(shù)據(jù)分析采用SPSS 16.0軟件進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中溫度和含水率變化

溫度是監(jiān)測堆肥過程的主要參數(shù)之一，亦是在堆肥過程中，影響氨釋放的重要因子[16]。隨著微生物的活躍，溫度迅速升高[17-20]。本研究中堆肥溫度變化在30～63.5 ℃，堆肥初期，原料中易分解有機質(zhì)在微生物作用下迅速分解，產(chǎn)生大量熱量，在發(fā)酵第3天達到50 ℃以上，第5天達60 ℃以上，進入堆肥的高溫階段，在第7天達到最大堆溫63.5 ℃，高溫階段持續(xù)了8 d（圖2）。高溫持續(xù)時間長可能是受枯枝落葉中難分解的高纖維素的量所致[20-21]。迅速升溫和較長的高溫持續(xù)時間，有利于嗜熱菌的繁殖，能促進生物降解，使堆肥更高效地腐熟[18-19]。含水率也是影響堆肥微生物活性的重要因子。堆肥過程中含水率變化如圖2所示，初始含水率為55%，隨著堆肥的進行，含水率很快下降，至試驗結(jié)束時，堆肥的含水率下降至28%左右。

2.2 堆肥過程中pH值和電導率的變化

堆肥過程中適宜的pH值可使微生物有效發(fā)揮作用，保留堆肥中的有效N，減少NH4+的損失，而pH值太高或太低都會影響堆肥效率和質(zhì)量[16， 22-23]。一般認為微生物（特別是細菌和放射菌）生長最合適的pH值為6.5～7.5，這也是發(fā)酵過程的適宜pH值[24-25]。本研究堆肥前5 d，pH值快速升高，穩(wěn)定后在第15天 后開始下降并趨于穩(wěn)定（圖3）。前期pH值快速上升是有機氮在微生物作用下發(fā)生強烈的礦化分解，并產(chǎn)生大量的NH3所致；后期溫度下降后NH3 揮發(fā)速率下降，受高溫抑制的硝化菌活性增強，硝化作用產(chǎn)生大量的H+，使pH值回落[22， 26-28]。本試驗pH值在6.6～7.8之間變化，至堆肥結(jié)束時呈弱堿性（pH值為7.5）。電導率是堆肥過程中衡量可溶性鹽濃度變化和有機、無機氮的相互轉(zhuǎn)化程度的關(guān)鍵因子[29-30]。高電導率表明堆肥中含有高濃度鹽離子和較多的水溶性物質(zhì)。研究中堆肥的電導率呈先升高后下降的趨勢（圖3），堆肥前20 d電導率從3.5升高至4.3，隨后逐漸下降至堆肥結(jié)束為3.7 mS·cm-1。電導率升高是堆肥中復雜有機物轉(zhuǎn)化為簡單化合物如礦物離子（磷酸鹽、銨、鉀等）的直接結(jié)果，堆肥后期電導率下降，可能是一部分離子沉淀和污泥堆肥逐步穩(wěn)定化的結(jié)果[30-31]。

2.3 堆肥過程中有機質(zhì)和C/N的變化

堆肥有機質(zhì)含量隨時間逐漸降低，至發(fā)酵結(jié)束有機質(zhì)損失率為42%（圖4）。堆肥前期有機質(zhì)變化迅速，20 d后有機質(zhì)下降逐漸平緩。這與堆肥前期的升溫和高溫期嗜熱菌的作用有關(guān)，有機質(zhì)的高速生物降解速率一般始于40 ℃[32-33]。C/N 是常用于評價堆肥腐熟度的參數(shù)，一般認為腐熟的堆肥C/N<20[34]。從圖4可以看出，C/N隨堆肥時間逐步降低，堆肥結(jié)束時C/N為15.8，達到腐熟的要求。C/N下降是由于微生物大量消耗碳源，一方面微生物生長消耗并以CO2的形式釋放，另一方面碳作為合成細胞的重要原料而減少；而氮雖然也是好氧堆肥微生物的主要營養(yǎng)元素，除卻一部分隨著氨氣的揮發(fā)而損失，另一部分用于微生物細胞的合成而留在堆肥產(chǎn)品中；因此C/N總體呈逐漸減小的趨勢[35]。堆肥中后期，微生物活動減弱，殘留下難降解的有機質(zhì)，降解減緩，堆肥C/N變化趨向緩和。

2.4 堆肥前后重金屬含量的變化

堆肥原料中的重金屬主要來源于污泥，堆肥前混合物料的交換態(tài)重金屬含量較高（表1）。堆肥前后交換態(tài)重金屬含量變化較大，堆肥30 d的產(chǎn)物各類交換態(tài)重金屬含量降低了13%～70%。堆肥產(chǎn)物重金屬Cd、As、Pb和Cu含量分別為：2.7，2.5，13.1，12.8 mg·kg-1。說明耗氧堆肥有利于重金屬的穩(wěn)定化，枯枝落葉也對污泥中可利用態(tài)重金屬起到良好的鈍化作用。

3 結(jié) 論

利用枯枝落葉對污水處理廠污泥進行堆肥效果理想。堆肥過程中有機質(zhì)得到很好地降解，堆肥產(chǎn)物的理化性質(zhì)穩(wěn)定，其pH值和重金屬含量均滿足國家農(nóng)用肥標準 [36]，C/N<20反映出較好的腐熟度，電導率符合土地利用的適宜范圍（< 4 mS·cm-1 [29]）。各項理化指標均表明污泥和枯枝落葉混合堆肥產(chǎn)物在作為農(nóng)業(yè)有機肥上的良好前景，還可作為土壤改良劑應(yīng)用于園林綠化、礦山修復、道路邊坡覆綠等。

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