李玉和 ，胡 偉 ，秦端端 ，房瑜靜 ，王小兵 ，2，王小治 ，2，封 克 ，2*

利用保水劑調(diào)節(jié)污泥發(fā)酵起始水分的研究

李玉和1，胡 偉1，秦端端1，房瑜靜1，王小兵1，2，王小治1，2，封 克1，2*

（1.江蘇?。〒P(yáng)州）農(nóng)業(yè)環(huán)境安全技術(shù)服務(wù)中心，揚(yáng)州 225127；2.江蘇省有機(jī)固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210095）

為解決生活污泥資源化利用中好氧堆肥的水分過高問題，采用添加保水劑的方法對堆體的初始水分進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗將生活污泥和木屑按C/N為16∶1混合后，通過添加不同量的保水劑，設(shè)置成理論初始含水率分別為46%、54%、56%、58%和68%的5個處理。在堆肥過程中，對堆體溫度、pH值、EC值、有機(jī)質(zhì)、總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及產(chǎn)物的腐熟度指數(shù)（GI）等指標(biāo)進(jìn)行了測定。實驗結(jié)果表明：通過添加保水劑調(diào)節(jié)污泥堆肥的起始水分含量對促進(jìn)堆肥的好氧發(fā)酵過程是完全可行的；適宜的起始堆體含水率有利于發(fā)酵過程溫度的升高和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，也有利于產(chǎn)品各項理化指標(biāo)和養(yǎng)分指標(biāo)的實現(xiàn)；根據(jù)原料和輔料的碳氮比確定混合配比后，可依據(jù)擬采用的保水劑在污泥中的吸水倍率，通過理論計算得到將混合原料起始含水率調(diào)整到適宜值時所需添加的保水劑量。根據(jù)本試驗結(jié)果得出，在利用保水劑調(diào)節(jié)污泥堆肥起始水分時，將理論初始含水率設(shè)定在54%左右是較為合適的。

生活污泥；好氧堆肥；保水劑；水分調(diào)節(jié)

生活污水處理廠的生活污泥中含有大量的氮、磷、有機(jī)質(zhì)和多種植物必需微量元素，是一種良好的肥料資源，但因其同時含有大量的病原菌、有毒有害物質(zhì)、寄生蟲卵、難降解的有機(jī)物及重金屬等，若處理處置不當(dāng)會影響生態(tài)環(huán)境甚至危害人體健康[1－2]。生活污泥的資源化利用方式中，通過堆肥發(fā)酵將其轉(zhuǎn)變成肥料或植物生長基質(zhì)是一種重要的途徑。但用污泥進(jìn)行堆肥的最大困難是其含水率過高。普通生活污水處理廠的污泥含水量通常在80%以上，遠(yuǎn)超堆肥最佳初始含水率50%～60%的范圍[3]，因此必須加以調(diào)節(jié)。然而，利用添加大量干燥輔料的方法來調(diào)節(jié)堆體水分，不僅可能造成堆肥原料的碳氮比不符合好氧發(fā)酵的基本需求從而影響發(fā)酵過程的順利進(jìn)行，也會因摻入的輔料過多增加成本。因此，尋找一種簡易廉價的水分調(diào)節(jié)方法對利用生活污泥進(jìn)行好氧堆肥具有實際意義。

農(nóng)用保水劑（WRA）是一種吸水能力極強(qiáng)的高分子樹脂[4]，能吸收自身重量幾百甚至上千倍的水分，即使在加壓和受熱條件下所吸收的水分也不易散失[5]。保水劑對熱、酸堿、光的穩(wěn)定性好，能緩慢釋放水分并被植物所吸收利用[6]，因此已在農(nóng)、林等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。使用效果表明，其具有保持土壤水分、增加造林成活率、保肥增效增產(chǎn)[7－9]等多種改善土壤功能的作用，成為繼農(nóng)藥、化肥、地膜之后的又一大農(nóng)用化學(xué)制品[10－11]。本試驗所采用的聚丙烯酰胺屬于保水劑中的一種，可在化學(xué)、物理和生物學(xué)作用下降解，其最初產(chǎn)物是丙烯酰胺。雖然其對動物神經(jīng)具有較大毒性，但土壤微生物可將其迅速降解為CO2、H2O及硝酸鹽，為自身繁殖提供氮源和碳源。由于堆肥的條件類似于土壤，故丙烯酰胺不會在堆肥中大量積累。加之堆肥的使用對象是土壤，因此在堆肥中添加該物質(zhì)，不會對環(huán)境造成風(fēng)險[12]。

基于保水劑對水分的強(qiáng)烈吸持特點(diǎn)，我們設(shè)想利用保水劑來調(diào)節(jié)污泥好氧堆肥起始階段的水分含量。通過對添加不同保水劑用量的堆肥過程有關(guān)參數(shù)的獲取和比較，為污泥含水率過高而在起始堆肥階段無法快速升溫問題的解決提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

試驗采用的保水劑為陰離子型聚丙烯酰胺，由北京漢力淼新技術(shù)有限公司提供，外觀為白色小顆粒，粒徑20～80目，分子量為500萬～600萬。

污泥取自揚(yáng)州市湯汪污水處理廠，輔料木屑取自揚(yáng)州漆器廠，其基本性質(zhì)見表1。

表1 原料基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of raw materials

1.2 實驗方法

在將生活污泥通過發(fā)酵轉(zhuǎn)變成肥料或植物生長基質(zhì)過程中，如何在保證合適的原料碳氮比前提下將初始堆體的水分含量調(diào)節(jié)至發(fā)酵所需的最適范圍是解決問題的關(guān)鍵。本試驗的目的在于，借助保水劑的高吸水性，在理論計算的基礎(chǔ)上，通過添加適量的保水劑，將原料中過多的水分暫時轉(zhuǎn)移儲存到保水劑中，從而使原料中的水分適合最初發(fā)酵所需的含水率范疇。

1.2.1 保水劑添加量的確定

（1）保水劑在蒸餾水中的吸水倍率測定

稱取干燥的保水劑0.500 g放入燒杯，加入300 mL蒸餾水，蓋上保鮮膜，在室溫靜置2 h，讓保水劑充分吸水后形成凝膠。用100目尼龍網(wǎng)過濾獲取保水劑凝膠，稱取保水劑凝膠質(zhì)量m。保水劑的吸水倍率計算公式：K1=（m/0.5）－1。測定重復(fù) 3 次，取平均值，得到保水劑在蒸餾水中的吸水倍率K1≈393.5。

（2）保水劑在污泥中的吸水倍率測定

在培養(yǎng)皿中均勻放置干燥并稱重的大小接近的保水劑50粒，加污泥攪拌后靜置3 h，待保水劑充分吸水后，挑出已成為凝膠狀的保水劑顆粒置于濾網(wǎng)上，迅速沖洗去除粘在保水劑上的污泥。將保水劑凝膠顆粒放入已稱重過的鋁盒，稱取保水劑顆粒和鋁盒總重。將裝有保水劑的鋁盒放入烘箱，于105℃下烘24 h至恒重，記錄冷卻后的鋁盒+保水劑的總重量，計算出保水劑在污泥中的吸水倍數(shù)K2≈75.3。

（3）保水劑添加量的確定

研究發(fā)現(xiàn)，好氧堆肥原料的最佳初始含水率范圍為50%～60%[2]。試驗首先按照有利于發(fā)酵的堆肥原料所需的合適C/N確定添加輔料的量。據(jù)報道，低碳氮比（15∶1）較之中碳氮比（25∶1）和高碳氮比（35∶1）處理在堆肥結(jié)束后，其中多糖、脂肪類成分減少，芳香結(jié)構(gòu)成分增加，胡敏酸的腐殖化程度更高，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定[13]。因此為減少輔料的用量和有利于堆肥過程中腐殖化的進(jìn)行，本試驗將原料的初始C/N設(shè)定為16∶1，并據(jù)此計算出輔料（木屑）的添加量為污泥濕重的16.7%，高效纖維素降解菌（選用Bacillus stratosphericus KC172060）的添加量為污泥濕重的0.23%。此時混合原料初始的含水率為68%。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)保水劑在污泥中的吸水倍率，計算出將混合原料中的含水率調(diào)整到所需值（理論含水率）時所應(yīng)加入的保水劑量。

保水劑吸收水分=K2·保水劑添加量

試驗共設(shè)置5個理論含水率處理，其中1個未添加保水劑，其混合原料的初始含水率高于60%（處理E），1個初始含水率低于50%（處理A），其余3個處理的混合原料初始的理論含水率位于50%～60%之間，具體的保水劑添加量和理論含水率見表2。

表2 混合原料理論含水率的調(diào)節(jié)Table 2 Adjustment of theoretical moisture content of mixed raw materials

1.2.2 試驗方法

每個堆肥處理的污泥重量為30 kg，按不同的混合原料理論含水率分別加入不同量的保水劑后攪拌混勻并靜置3 h。然后按污泥濕重的16.7%添加木屑和0.23%加入高效纖維素降解菌并充分混勻，此時混合原料的C/N約為16∶1。將以上不同用量保水劑處理的混合原料分別裝入大小為55 cm×40 cm×40 cm的保溫泡沫箱中。為形成好氧發(fā)酵條件，在泡沫盒周邊中下部各開8個半徑為2.5 cm左右的小口通風(fēng)。在堆肥初期前2周每3 d翻堆1次，之后每周翻堆1次。由于試驗在冬季進(jìn)行，溫度較低，因此整個堆肥時間延長至52 d。分別在進(jìn)行堆肥發(fā)酵的第0、2、5、12、24、38 d和52 d，采用多點(diǎn)混合法進(jìn)行采樣。通過測定堆肥過程中堆體的溫度、pH值、EC值、有機(jī)質(zhì)、TN、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及最終產(chǎn)物的發(fā)芽指數(shù)（GI）等指標(biāo)，綜合評價不同用量保水劑處理對生活污泥堆肥的效果。其中pH值、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的測定采用新鮮樣品，有機(jī)質(zhì)、全氮的測定采用風(fēng)干樣品。

1.2.3 測定方法

堆體溫度測定采用在堆體的5個不同深度放置5支溫度計，在每天9：00 am和6：00 pm記錄溫度，取其算術(shù)平均值；pH采用水土比=5∶1浸提，pHS-3C型酸度計直接測定；EC采用水土比=5∶1浸提，DDS-11A型電導(dǎo)率儀直接測定；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定；全氮采用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮法測定；銨態(tài)氮采用KCl浸提-靛酚藍(lán)比色法測定；硝態(tài)氮采用KCl浸提-紫外分光光度法測定。

發(fā)芽指數(shù)（GI）：取第52 d的樣品，按照固液比=1∶10將堆肥與蒸餾水混合，振蕩4 h，將上清液用慢速濾紙過濾。在培養(yǎng)皿內(nèi)墊上一張濾紙，均勻放入20粒雪里蕻種子，加入浸提濾液10 mL，在25℃黑暗的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h后計算發(fā)芽率，同時測定根長。每個樣品重復(fù)3次，同時用去離子水作空白對照，根據(jù)以下公式計算種子的發(fā)芽指數(shù)：

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理與分析采用Excel和Origin 8.5軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度

圖1堆肥過程中溫度的變化Figure 1 Changes of temperature during the composting process

圖1 顯示，添加不同質(zhì)量保水劑的堆肥，它們的溫度變化趨勢總體呈現(xiàn)快速上升、緩慢下降、最后逐漸穩(wěn)定的過程。從達(dá)到各自最高溫度所需時間上看，不同處理堆肥升溫快慢排序：處理B≥處理C≥處理E≥處理D≥處理A。各處理所到達(dá)的最高溫度也與以上順序相同。27 d后，由于水分蒸發(fā)及翻堆散熱，易降解物質(zhì)逐漸耗盡，各堆體都接近室溫。處理A添加的保水劑最多，初始理論含水率僅為46%，升溫最慢，所能達(dá)到的最高溫度也最低。在第11 d時，對堆體進(jìn)行了補(bǔ)水，雖然其后溫度由降溫轉(zhuǎn)為升溫，但持續(xù)時間不長，升溫幅度也不大。說明起始階段的水分不足，其發(fā)酵過程明顯受阻。處理B在所有處理中的溫度上升最快，所達(dá)到的堆體溫度也最高，意味著該處理堆體54%的含水率最適宜微生物的活動。在達(dá)到最高溫度后，其降溫也最快，說明該條件最有利于易降解物質(zhì)的分解。處理C、D、E的情況較為相近，其所能到達(dá)的最高溫度均低于處理B。

2.2 pH值

圖2顯示，5個處理的pH值在堆肥發(fā)酵過程中均呈現(xiàn)“降低－升高－再降低”的趨勢。在最初2 d，各堆體的pH值均有所下降，2 d后堆體pH值上升，在5 d時到達(dá)最高值，并維持至12 d左右。

發(fā)酵過程中堆體的pH值變化和最終的堆體pH值受初始水分含量的影響程度很大。處理A的初始水分含量最低，堆體通氣條件最好，最有利于硝化微生物的作用，釋放的H+也可能是最多，因此其終值pH值僅在5.7左右。處理C的pH終值最高，達(dá)到7.2左右，其余處理的pH值在6.4～6.9之間。按照中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY 525—2012），有機(jī)肥的pH值要求為5.5～8.5，因此雖然本試驗中所有堆體發(fā)酵最終的pH值均符合要求，但其中處理B、C、D、E的終點(diǎn)pH值處于6.4～7.2之間，更接近中性。

圖2 堆肥過程中pH值的變化Figure 2 Changes of the pH during the composting process

2.3 EC值

圖3 顯示，5個處理的堆體EC值在最初2 d有小幅下降，總體上處于逐漸上升的狀態(tài)。5個處理堆體的最終 EC 值分別為處理 A：4.36 mS·cm－1，處理 B：2.66 mS·cm－1，處理 C：2.47 mS·cm－1，處理 D：4.01 mS·cm－1，處理 E：3.75 mS·cm－1。從初始堆體水分含量看，除未添加保水劑的處理E外，處理A添加的保水劑最多，水分含量最低（46%），處理D添加的保水劑最少，水分含量最高（58%），而這兩個處理恰恰是EC值最高的。水分含量位于中等的處理B（54%）與處理C（56%）的EC值較低。由此可見，水分含量過小或過大均會使產(chǎn)物的EC值增加，說明不合適的水分含量有可能增加產(chǎn)物中可解離的帶電離子數(shù)量。按照我國的肥料標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)EC≤4.3 mS·cm－1時可以安全施用，本試驗中處理A的EC值已經(jīng)輕微超標(biāo)。

圖3 堆肥過程中EC值的變化Figure 3 Changes of the EC during the composting process

2.4 有機(jī)質(zhì)

圖4堆肥過程中的有機(jī)質(zhì)變化Figure 4 Changes of the organic matter during the composting process

圖4 顯示，在起始階段各處理有機(jī)質(zhì)的降解速度較大，中后期趨于緩慢。前期有機(jī)質(zhì)降解率高，原因是起始階段堆體中含有的易分解有機(jī)物較多，微生物大量繁殖，有機(jī)質(zhì)被迅速分解[12]。而24 d后，各堆體有機(jī)質(zhì)降解減緩是因為后期堆體溫度降低，微生物活性減弱，大部分容易降解的有機(jī)質(zhì)都已被完全降解[15]。與發(fā)酵起始時相比，試驗結(jié)束時處理A、B、C、D、E 5個堆體的有機(jī)質(zhì)含量分別下降了30.3%、46.3%、42.1%、40.3%、32.5%。顯然，有機(jī)質(zhì)總降解率與混合原料的初始含水率密切相關(guān)。初始含水率最低的處理A與含水率最高的處理E，其有機(jī)質(zhì)的總降解率都僅為30%或略多，而含水率處于50%～60%之間的處理B、C、D的總有機(jī)質(zhì)降解率均高于40%，其中理論含水率為54%的處理B的有機(jī)質(zhì)降解率最高，達(dá)到46.3%。

2.5 總氮

圖5顯示，各處理的總氮含量前期下降快，中后期下降較慢并逐漸趨于平穩(wěn)。前24 d，各堆體的總氮含量降低較快，主要由于初期堆體內(nèi)的有機(jī)質(zhì)和氮源充沛，微生物繁殖迅速，大量含氮有機(jī)質(zhì)在微生物作用下發(fā)生氨化作用產(chǎn)生NH3[16]，從而通過揮發(fā)造成氮素的損失。至試驗結(jié)束時，處理A、B、C、D、E堆體的氮含量與堆肥起始時相比分別降低了43.9%、33.2%、36.7%、46.2%、39.6%，其中處理B的降低幅度最小，說明合適的初始原料含水率有利于發(fā)酵過程中氮素?fù)p失的減少。

圖5堆肥過程中總氮的變化Figure 5 Changes of the total nitrogen during the composting process

2.6 銨態(tài)氮

圖6 顯示，各處理的銨態(tài)氮濃度呈現(xiàn)先上升后下降的規(guī)律。前12 d，各堆體銨態(tài)氮逐漸增加，是由于含氮有機(jī)物的分解，通過氨化作用產(chǎn)生大量銨態(tài)氮，造成堆體內(nèi)銨態(tài)氮含量增高。除處理E的最大值出現(xiàn)在第5 d附近外，其余處理堆體銨態(tài)氮最大含量均出現(xiàn)在12 d左右，并隨后迅速下降。因為12 d后，積累的銨態(tài)氮一部分會以氨氣的形式釋放到大氣中，另一部分則被微生物同化或被硝化，從而使銨態(tài)氮急劇減少[17]。至試驗結(jié)束時，5個處理堆體的銨態(tài)氮濃度分別為 280、310、430、340 mg·kg-1和 260 mg·kg-1。

初始原料含水率對發(fā)酵期間銨氮濃度的影響也是顯而易見的。處理B的理論初始含水率為54%，堆體銨態(tài)氮達(dá)到的濃度也最高（2200 mg·kg-1），說明該處理條件最有利于初始堆體中有機(jī)氮的氨化作用。處理E的理論初始含水率最高，達(dá)到68%，其堆體的最高銨態(tài)氮濃度僅為1400 mg·kg-1，說明過多的起始水分含量不利于初始堆體有機(jī)氮的礦化作用進(jìn)行。

圖6 堆肥過程中銨態(tài)氮的變化Figure 6 Changes of the NH+4-N during the composting process

2.7 硝態(tài)氮

在整個發(fā)酵期間，各堆體的硝態(tài)氮含量一直呈增加趨勢，但不同水分處理所導(dǎo)致的硝態(tài)氮積累情況差異很大（圖7）。其中，初始理論含水率最低的處理A，其硝態(tài)氮含量在最初幾天內(nèi)即明顯高于其他處理，并將該趨勢一直維持到試驗結(jié)束；初始理論含水率相對較高的處理D和處理E，其硝態(tài)氮含量開始增加較平緩，24 d后迅速增加；初始理論含水量中等的處理B和處理C，其硝態(tài)氮含量則始終保持一個平緩增加的狀態(tài)。至試驗結(jié)束時，A、B、C、D、E 5個初始水分不同的處理，其堆體的硝態(tài)氮含量分別為4268、804、846、3169 mg·kg-1和 3309 mg·kg-1，比起始原料堆體的硝態(tài) 氮分別增 加了 3842、540、591、2690 mg·kg-1和2992 mg·kg-1。其中，初始理論含水率為54%的處理B，硝態(tài)氮的增加量最少，而初始理論含水率最低的處理A（46%），硝態(tài)氮的增加量最多。

圖7 堆肥過程中硝態(tài)氮的變化Figure 7 Changes of the NO-3-N during the composting process

前 24 d，處理 B、C、D、E 的硝態(tài)氮增加很慢，這與溫度＞35℃時硝化菌受抑制有關(guān)。24 d后，處理A、D、E硝態(tài)氮含量急劇增加，而處理B、C的硝態(tài)氮含量則增加很少，變化平穩(wěn)，這可能與這兩個處理的水分較為適合，前期釋放的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮被重新同化進(jìn)入新合成的腐殖質(zhì)有關(guān)，因為從總氮量看，最終這兩個處理的總氮量是最高的（圖5）。

2.8 腐熟度

堆肥結(jié)束后產(chǎn)物的質(zhì)量可以采用國家對有機(jī)肥的腐熟標(biāo)準(zhǔn)加以衡量（表3）。從表3所匯總的數(shù)據(jù)看，除一般的感官指標(biāo)外，只有處理B符合＞50℃的高溫維持時間的標(biāo)準(zhǔn)。雖然所有產(chǎn)物的pH值都未超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，但處理B與處理C最接近中性。盡管處理B、C、D、E的產(chǎn)物EC值都未超標(biāo)，但其中處理B、C的EC值最低。從發(fā)芽指數(shù)看，處理B最高，即對植物生長效果最好。綜合以上所有指標(biāo)，處理B是最理想的起始水分含量。

表3 不同含水率處理的堆肥腐熟度比較Table 3 Maturity of compost treated with different moisture content

3 討論

對污泥發(fā)酵水分的調(diào)節(jié)是否合適，可通過對比不同水分處理在堆肥過程中的有關(guān)重要參數(shù)和最終產(chǎn)物的性質(zhì)是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來加以判斷。其中，溫度的升降和碳氮的變化最能反映堆體在發(fā)酵過程中的微生物的活動情況和有機(jī)物的轉(zhuǎn)化特點(diǎn)。

從本試驗結(jié)果看，初始理論水分含量為54%的處理B到達(dá)最高溫度的時間最早，且達(dá)到的溫度最高，持續(xù)時間也最長，說明該處理的含水率最適宜微生物的活動，即從溫度指標(biāo)上看，該處理是最理想的；添加保水劑最多、含水率最低的處理A（46%）在堆肥初期升溫最慢，所能達(dá)到的最高溫度也最低；沒有添加保水劑的處理E含水量最高（68%），其溫度的上升既慢且低。這些結(jié)果說明，過低和過高的起始堆體含水率都限制了微生物的活動。

就物質(zhì)轉(zhuǎn)化來看，堆肥前期處理B的有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量下降最快，降低幅度也最大，說明處理B的含水率最適合物質(zhì)的分解。處理A的有機(jī)質(zhì)降解速率最低，其次為含水率最高的處理E，該結(jié)果與溫度的測量結(jié)果相一致，驗證了過低或過高的初期含水率均不利于有機(jī)質(zhì)的分解。在堆肥過程中，各處理的銨態(tài)氮濃度呈現(xiàn)先上升后下降的規(guī)律。前12 d的各堆體中有機(jī)氮分解時通過氨化作用產(chǎn)生大量銨態(tài)氮，隨后即迅速下降。造成下降的原因有幾個方面：一是易分解有機(jī)氮源減少，氨化作用減弱；二是存在氨的揮發(fā)作用[21]；三是硝化作用的加強(qiáng)減少了銨態(tài)氮[22]；四是無機(jī)氮在腐殖質(zhì)的形成過程中重新被同化形成有機(jī)氮。在發(fā)酵初期，處理B堆體銨態(tài)氮的濃度最高（圖6），但隨后的硝酸根積累并不多（圖7），但產(chǎn)物的全氮是最高的（圖5），說明該處理條件既有利于初始堆體中有機(jī)氮的分解，又有利于后期的腐殖化進(jìn)程，因此保存了較多的氮素營養(yǎng)；處理A堆體的初始含水率最低，堆肥初期銨態(tài)氮的濃度也較低（圖6），但硝態(tài)氮的濃度始終最高（圖7），產(chǎn)物全氮也相對較低（圖5），說明轉(zhuǎn)化慢，但損失多；處理E的初始水分含量最高，初期銨態(tài)氮濃度最低，但后期硝態(tài)氮累積并不少，而產(chǎn)物總氮量最低，說明有機(jī)氮化物的分解慢，轉(zhuǎn)化也慢，但氮的損失多；處理C的結(jié)果與處理B接近。由此可見，過低或過高的初始含水率既不利于初期有機(jī)氮的礦化，也不利于后期的腐殖化進(jìn)程。

綜合好氧堆肥過程的所有參數(shù)以及堆肥結(jié)束后產(chǎn)物的質(zhì)量可以看出，在各方面表現(xiàn)最佳的是理論初始水分含量為54%的處理B，其次是理論含水量為56%處理C，這符合已被普遍證實的好氧堆肥最佳含水率應(yīng)處于50%～60%之間的前人的研究結(jié)論[3]。由此可以證實，試驗初期的設(shè)想是可行的。即在確定原料和輔料的碳氮比后，根據(jù)擬采用的保水劑在污泥中的吸水倍率，計算出所希望的理論含水率下應(yīng)添加的保水劑量，從而將過多的水分暫時儲存到保水劑中，而將原料中的水分控制在適合發(fā)酵的范疇，這樣就解決了污泥含水量過多而影響發(fā)酵的問題。依據(jù)本試驗結(jié)果，建議在利用保水劑調(diào)節(jié)污泥堆肥起始水分含量時，將理論含水率定在54%左右。

4 結(jié)論

（1）通過添加保水劑調(diào)節(jié)污泥堆肥的起始水分含量對促進(jìn)好氧堆肥過程是可行的。

（2）適宜的起始堆體含水率有利于污泥堆體溫度的升高和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，也對產(chǎn)品的各項理化和養(yǎng)分指標(biāo)有更好的影響。

（3）根據(jù)保水劑在污泥中的吸水倍率和污泥與輔料的配比，可計算出達(dá)到某個理論含水率時所需添加的保水劑量。依據(jù)本試驗結(jié)果，建議在利用保水劑調(diào)節(jié)污泥堆肥起始水分時，將理論含水率設(shè)定在54%左右。

[1]魏 宏,李 妍,高賢彪,等．廢棄物與瀝浸污泥的好氧堆肥效果及效益分析[J].中國給水排水,2014,30（9）：134-137.

WEI Hong,LI Yan,GAO Xian-biao,et al.Efficiency and cost-benefit analysis of aerobic composting using different wastes and bioleaching sludge[J].China Water&Wastewater,2014,30（9）：134-137.

[2]薛紅波,丁 敬,張盛華,等.不同輔料及配比對生活污泥堆肥效果的影響[J].中國給水排水,2015,31（19）：72-74.

XUE Hong-bo,DING Jing,ZHANG Sheng-hua,et al.Influence of different additives and their ratios on aerobic composting of sewage sludge[J].China Water&Wastewater,2015,31（19）：72-74.

[3]羅 維,陳同斌.濕度對堆肥理化性質(zhì)的影響[J].生態(tài)學(xué)報,2004,24（11）：2656-2663.

LUO Wei,CHEN Tong-bin.Effects of moisture content of compost on its physical and chemical properties[J].Acta Ecologica Sinica,2004,24（11）：2656-2663.

[4]武繼承,管秀娟,楊永輝.地面覆蓋和保水劑對冬小麥生長和降水利用的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2011，22（1）：86-92.

WU Ji-cheng,GUAN Xiu-juan,YANG Yong-hui.Effects of ground and water-retaining agent on winter wheat growth and precipition utilization[J].Journal of Applied Ecology,2011,22（1）：86-92.

[5]楊靜靜,王秀峰,魏 珉,等.保水劑吸水、釋水及吸肥特性研究[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2016,47（5）：696-700.

YANG Jing-jing,WANG Xiu-feng,WEI Min,et al.Study on characteristics of absorption,release and fertilizer absorption of water retaining agent[J].Journal of Shandong Agricultural University,2016,47（5）：696-700.

[6]尤 晶,李永勝,朱國鵬,等.保水劑農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究現(xiàn)狀與展望[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2012（12）：76-79.

YOU Jing,LI Yong-sheng,ZHU Guo-peng,et al.Research and application status and development of super absorbent polymers in agriculture[J].Guangdong Agricultural Sciences,2012（12）：76-79.

[7]茍春林,王新愛,李永勝,等.保水劑與氮肥的相互影響及節(jié)水保肥效果[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,44（19）：4015-4021.

GOU Chun-lin,WANG Xin-ai,LI Yong-sheng,et al.Interaction between water retaining agent and nitrogen fertilizers and the effect of water and fertilizer conservation[J].Scientia Agricultura Sinica,2011,44（19）：4015-4021.

[8]He X S,Liao Z W,Huang P Z,et al.Characteristics and performance of novel water-absorbent slow release nitrogen fertilizers[J].Agricultural Sciences in China,2007,6（3）：338-346.

[9]杜建軍,廖宗文,王新愛,等.高吸水性樹脂包膜尿素的結(jié)構(gòu)特征及養(yǎng)分控/緩釋性能[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,40（7）：1447-1455.

DU Jian-jun,LIAO Zong-wen,WANG Xin-ai,et al.Structure and nutrient controlled/slow release characteristics of super absorbent polymer coated urea[J].Agricultural Sciences in China,2007,40（7）：1447-1455.

[10]冉艷玲.化學(xué)保水劑對土壤水分及物理特性的作用效應(yīng)[D].楊凌：西北農(nóng)業(yè)科技大學(xué),2014：4-6.

RAN Yan-ling.Effects of super absorbent polymers on soil water moisture and physical properties[D].Yangling：Northwest A&F University,2014：4-6.

[11]黃占斌,辛小桂,寧榮昌,等.保水劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2003,21（3）：11-14.

HUANG Zhan-bin,XIN Xiao-gui,NING Rong-chang,et al.The application and development trend of aquasorb in agricultural production[J].Agricultural Research in the Arid Areas,2003,21（3）：11-14.

[12]張學(xué)佳,紀(jì) 巍,康志軍,等.聚丙烯酰胺降解的研究進(jìn)展[J].油氣田環(huán)境保護(hù),2008,18（2）：41-45.

ZHANG Xue-jia,JI Wei,KANG Zhi-jun,et al.Research progress of polyacrylamide degradation[J].Environmental Protection of Oil&Gas Fields,2008,18（2）：41-45.

[13]孫向平,李國學(xué),肖愛平,等.添加不同比例玉米秸稈對豬糞高溫堆肥過程中胡敏酸的結(jié)構(gòu)組成及紅外光譜特性影響分析[J].光譜學(xué)與光譜分析,2014,34（9）：2413-2418.

SUN Xiang-ping,LI Guo-xue,XIAO Ai-ping,et al.Analysis on the impact of composting with different proportions of corn stalks and pig manure on humic acid fractions and IR spectral feature[J].Spectroscopy and Spectral Analysis,2014,34（9）：2413-2418.

[14]Zhang X,Zhong Y H,Yang S D,et al.Diversity and dynamics of the microbial community on decomposing wheat straw during mushroom compost production[J].Bioresource Technology,2014,170：183-190.

[15]吳珍珍,舒增年,黃 健.以菇渣和豬糞為調(diào)理劑的城市污泥堆肥效果研究[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報,2015,27（12）：2171-2176.

WU Zhen-zhen,SHU Zeng-nian,HUANG Jian.Effect of mushroom residue and pig manure as conditioner on aerobic composting of sewage sludge[J].Acta Agriculturae Zhejiangensis,2015,27（12）：2171-2176.

[16]武一奇.污泥好氧堆肥工藝條件對氮素?fù)p失的影響研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2016：5-6.

WU Yi-qi.Study of effect processing condition on nitrogen loss during aerobic composting of sewage sludge[D].Harbin：Harbin Institute of Technology,2016：5-6.

[17]鄭國砥,高 定,陳同斌,等.污泥堆肥過程中氮素?fù)p失和氨氣釋放的動態(tài)與調(diào)控[J].中國給水排水,2009,25（11）：121-124.

ZHENG Guo-di,GAO Ding,CHEN Tong-bin,et al.Changes of nitrogen loss and ammonia emission during composting of municipal sludge and their control[J].China Water&Wastewater,2009,25（11）：121-124.

[18]田 煬,柳麗芬,張興文,等.秸稈與污泥混合堆肥研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報,2003,43（6）：753-758.

TIAN Yang,LIU Li-fen,ZHANG Xing-wen,et al.Study of co-composting of sewage sludge and straw biomass[J].Journal of Dalian University of Technology,2003,43（6）：753-758.

[19]中華人民共和國衛(wèi)生部.GB 7957—1987糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1988.

Ministry of Health of the People′s Republic of China.GB 7957—1987 Sanitary Standard for the Non-hazardous Treatment of Night Soil[S].Beijing：China Standards Press,1988.

[20]中華人民共和國農(nóng)業(yè)部.NY 525—2012有機(jī)肥料[S].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2012.

Ministry of Agriculture of PRC.NY 525—2012 Organic fertilizer[S].Beijing：China Agriculture Press,2012.

[21]常瑞雪,甘晶晶,陳 清,等.碳源調(diào)理劑對黃瓜秧堆肥進(jìn)程和碳氮養(yǎng)分損失的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2016,32（增刊2）：254-258.

CHANG Rui-xue,GAN Jing-jing,CHEN Qing,et al.Effect of carbon resources conditioner on composting process and carbon and nitrogen loss during composting of cucumber stalk[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2016,32（Suppl 2）：254-258.

[22]鄭 溪,紀(jì)付元,吳喬龍,等.牛糞與稻草混合堆肥理化性質(zhì)轉(zhuǎn)變特征[J].工業(yè)用水與廢水,2013,44（2）：83-85,89.

ZHENG Xi,JI Fu-yuan,WU Qiao-long,et al.Conversion of physical and chemical characteristics of a mixture of dairy manure and rice straw during composting process[J].Industrial Water&Wastewater,2013,44（2）：83-85,89.

Study on regulation of sewage sludge water content by water retaining agent at the initial stage of composting

LI Yu-he1,HU Wei1,QIN Duan-duan1,FANG Yu-jing1,WANG Xiao-bing1,2,WANG Xiao-zhi1,2,FENG Ke1,2*
（1.Jiangsu Service Center for Agricultural Environment Security,Yangzhou 225127,China;2.Jiangsu Collaborative Innovation Center for Solid Organic Waste Resource Utilization,Nanjing 210095,China）

The high water content of sewage sludge could compromise temperature increases during the fermentation process,which is an obstacle for its recycling use.Water retaining agent（WRA）is a new type of functional polymer material,which could absorb up to a thousand times its own weight in water.In the present study,polyacrylamide,which can absorb as much as 75.3 times its own weight of water in the sewage sludge,was used as a common WRA to adjust the initial moisture content of compost piles.To implement the experiment,first,sewage sludge and sawdust were mixed to achieve a carbon（C）to nitrogen（N）ratio of 16∶1.WRA was then mixed with compound feedstock at 0.614%,0.456%,0.423%,0.377%,and 0%on a weight basis.In this way,the initial compost pile water contents of 46%,54%,56%,58%and 68%were obtained，respectively.In the composting process,the parameters measured include temperature,pH,electrical conductivity（EC）,maturity index（GI）and contents of organic matter,total nitrogen（TN）,ammonium-N（NH+4-N）,nitrate-N（NO-3-N）of the compost piles.The results showed that a suitable moisture condition for the aerobic fermentation of sewage sludge could be created using WRA in the composting.The most appropriate initial moisture content was 54%for optimum compositing,which promoted a temperature increase and the transformation of nutrients during fermentation,and facilitated the formation of good physical and chemical properties of products.Thus,for specific feedstock with known C/N ratios,the required dose of WRA could be calculated to obtain optimum theoretical moisture contents for the subsequent fermentation process.

sewage sludge;composting;water-retaining agent;moisture adjustment

2017－05－18 錄用日期：2017－09－19

李玉和（1991—），男，江蘇南京人，碩士研究生，主要從事固體廢棄物資源化研究。E-mail：2500710191@qq.com

*通信作者：封 克 E-mail：fengke@yzu.edu.cn

國家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2013CB127404）；國家自然科學(xué)基金項目（41301308，31272228，31000934）

Project supported：TheNationalBasicResearchProgramofChina（2013CB127404）；TheNational Natural ScienceFoundationof China（41301308，31272228，31000934）

S141.4

A

1672-2043（2017）12-2527-08

10.11654/jaes.2017-0724

李玉和，胡 偉，秦端端，等.利用保水劑調(diào)節(jié)污泥發(fā)酵起始水分的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2017,36（12）：2527-2534.

LI Yu-he,HU Wei,QIN Duan-duan,et al.Study on regulation of sewage sludge water content by water retaining agent at the initial stage of composting[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（12）:2527-2534.