吳飛龍 葉美鋒 吳曉梅 林代炎

摘 要：【目的】研究不同配比豬糞渣/生活污泥堆肥過(guò)程養(yǎng)分及重金屬含量變化，開(kāi)發(fā)城市生活污泥堆肥化處置調(diào)理劑，實(shí)現(xiàn)豬糞渣資源化利用?！痉椒ā恳砸?guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)糞污經(jīng)固液分離后得到的渣滓為調(diào)理劑，與城市生活污泥進(jìn)行條垛式堆肥，分別設(shè)置豬糞渣、生活污泥質(zhì)量配比6∶10（ZW1處理，C/N=25）和6∶5（ZW2處理，C/N=30）兩組不同處理，研究不同物料配比處理堆肥過(guò)程溫度、C/N、養(yǎng)分含量（全氮、全磷、全鉀）、有機(jī)質(zhì)含量和重金屬（Cu、Zn、Cd和Pb）含量的變化。【結(jié)果】ZW2處理的堆體高溫期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于ZW1處理;兩個(gè)處理的C/N均逐漸下降并最終趨于一致，且堆肥結(jié)束后ZW2處理（C/N=30）的有機(jī)碳含量降幅達(dá)到28.6%，而ZW1處理（C/N=25）的降幅僅為2.1%，說(shuō)明豬糞渣中的碳源較容易被微生物分解和轉(zhuǎn)化;堆肥過(guò)程中全氮、全磷和全鉀隨有機(jī)碳含量的降低表現(xiàn)為增加的趨勢(shì);不同處理的堆肥產(chǎn)品的重金屬（Cu、Zn、Cd和Pb）含量在堆肥后均有所提高;堆制58 d后，各處理堆肥無(wú)害化程度、養(yǎng)分含量和重金屬Cd、Pb含量均達(dá)到NY525-2012的要求?！窘Y(jié)論】豬糞渣可以作為城市生活污泥堆肥的調(diào)理劑，且豬糞渣、生活污泥質(zhì)量配比為6∶5的堆肥效果更優(yōu)。

關(guān)鍵詞：堆肥;豬糞渣;污泥;C/N;重金屬

中圖分類(lèi)號(hào)：X 705文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008-0384（2019）03-352-06

Abstract： 【Objective】Waste from pig farms and municipal sewer were mixed and composted to evaluate its utilization as a safe，organic substrate for agricultural applications. 【Method】 Manure residue from large pig farms after solid-liquid separation was mixed with municipal sewage sludge for the composting. Two mixing ratios of manure residue∶sewage sludge，i.e.，a low C/N treatment of 6∶10 （ZW1） and a high C/N treatment of 6∶5 （ZW2），were applied for the experiment. The changes on temperature，C/N ratio as well as the nutrients （total nitrogen，total phosphorus，total potassium and organic matters） and heavy metals （Cu，Zn，Cd and Pb） contents of the mixtures during the fermentation process were monitored for evaluation. 【Result】The thermophilic phase of ZW2 lasted longer than that of ZW1. After composting，the organic carbon content of ZW2 （C/N=30） decreased by 28.6%，while that of ZW1 （C/N=25） merely 2.1%，indicating that the carbon source in pig manure was easily decomposed by microorganisms. As the fermentation progressed，the total nitrogen，phosphorus and potassium increased，and the heavy metals increased in the mixtures. After 58 d of composting，both resulting materials met the national standards for nutrients content and safety on heavy metals. 【Conclusion】 The mass ratio of 6：5 （C/N=30） between the pig manure residue and the sewage sludge was considered appropriate for composting to produce an applicable fertilizer.

Key words： composting; pig manure; sewage sludge; C/N; heavy metal

0 引言

【研究意義】近幾年隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保的不斷重視，我國(guó)的污水處理廠數(shù)量迅速增加，隨之而來(lái)的副產(chǎn)物污泥的處理和處置也成為當(dāng)前環(huán)保工作的重點(diǎn)。城市生活污泥含有大量的有機(jī)質(zhì)和豐富的營(yíng)養(yǎng)元素，可以經(jīng)過(guò)堆肥處理后生產(chǎn)有機(jī)肥和土壤改良劑 [1]。但是城市生活污泥存在黏度大，水分含量高，含有病原菌、重金屬等問(wèn)題[2]，需要添加合適的調(diào)理劑才能進(jìn)行高溫好氧堆肥發(fā)酵[3]。養(yǎng)殖場(chǎng)糞污經(jīng)固液分離處理后產(chǎn)生的豬糞渣，其主要成分含有豬飼料過(guò)腹后未分解的玉米皮、豬毛、粗纖維等物質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)是有機(jī)質(zhì)含量高、疏松度高、容重低，同時(shí)經(jīng)水洗后還具有鹽分含量及重金屬含量較低的特點(diǎn)[4]，因此開(kāi)發(fā)利用養(yǎng)殖場(chǎng)糞污作為城市生活污泥堆肥化處置調(diào)理劑，對(duì)降低生活污泥堆肥化利用成本、實(shí)現(xiàn)豬糞渣資源化利用具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】國(guó)內(nèi)外有關(guān)污泥與秸稈、菌菇渣等調(diào)理劑堆肥的研究比較多，Ozdemir等[5]研究了添加4種不同調(diào)理劑（鋸末、榛子殼、玉米秸稈、碎松木）與污泥的堆肥過(guò)程及發(fā)酵效果，表明榛子殼作為調(diào)理劑能夠促進(jìn)污泥的堆肥進(jìn)程;有學(xué)者研究了蘑菇渣鋸末與污泥堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)組分的變化[6]，稻殼、麥糠和菇渣與稻殼混合物作為有機(jī)調(diào)理劑對(duì)污泥堆肥效果及氨氣釋放規(guī)律的影響[7]。也有學(xué)者研究了以豬糞（非固液分離后的豬糞渣）作為調(diào)理劑與污泥堆肥的效果[8]及氧氣濃度的變化[9]，但是以固液分離后的豬糞渣作為生活污泥調(diào)理劑的研究不多?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本研究根據(jù)固液分離后的豬糞渣具有高有機(jī)質(zhì)、疏松度好、容重低和重金屬含量低的特點(diǎn)，以及規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)的豬糞渣產(chǎn)生量大、資源化利用率低、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，提出將豬糞渣作為調(diào)理劑與生活污泥共堆肥的工藝技術(shù)，以達(dá)到豬糞渣資源化利用和污泥堆肥化處置的目的，從而降低生活污泥堆肥化利用成本?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以城市生活污泥為研究對(duì)象，以豬糞渣作為調(diào)理劑設(shè)置不同物料配比進(jìn)行靜態(tài)高溫好氧堆肥試驗(yàn)，分析堆肥過(guò)程中溫度、氮、磷、鉀和重金屬含量等基本特征和組成的變化，以期為豬糞渣與生活污泥堆肥化處置技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

豬糞渣來(lái)自福清市某規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)，由豬場(chǎng)糞污經(jīng)過(guò)固液分離后得到的殘?jiān)?，含水?3.7%，有機(jī)碳574 g·kg-1，全氮12.5 g·kg-1，全磷（P2O5）13.1 g·kg-1，全鉀（K2O）2.7 g·kg-1。

污泥為福清市某市政污水處理廠的生活污泥，含水率84.5%，有機(jī)碳188 g·kg-1，全氮14.6 g·kg-1，全磷（P2O5）32.3 g·kg-1，全鉀（K2O） 6.6 g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)2個(gè)處理：ZW1和 ZW2（表1）。原料按配比混合均勻后，堆成長(zhǎng)1.2 m、下底寬1.5 m，上底寬1.0 m，高60 cm的條垛，總體積約為1 m3。根據(jù)堆肥過(guò)程中溫度、含水量等指標(biāo)變化情況，確定試驗(yàn)前期（堆肥處理1～16 d）、試驗(yàn)后期（堆肥第16 d之后）翻堆和灑水的次數(shù)及頻率，分別在10、20、30和40 d進(jìn)行翻堆。在堆肥開(kāi)始前、每次翻堆時(shí)和堆肥58 d結(jié)束時(shí)采用多點(diǎn)法取樣，每次取樣500 g，一部分用于含水率的測(cè)定，另一部分風(fēng)干后粉碎，過(guò)0.149 mm篩后保存，用于總有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀等指標(biāo)的測(cè)定。另外，在堆肥前和堆肥后分別取樣測(cè)定銅（Cu）、鋅（Zn）、鎘（Cd）和鉛（Pb）等重金屬含量。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）堆體溫度測(cè)定：每天上午9∶00用數(shù)顯探針式溫度計(jì)在堆體表面沿對(duì)角線等距離取3點(diǎn)測(cè)定溫度，測(cè)溫的深度距表面30 cm，取平均值;

（2）含水率測(cè)定：105℃鼓風(fēng)干燥法;

（3）總有機(jī)碳測(cè)定：重鉻酸鉀容量法;

（4）全氮、全磷和全鉀測(cè)定：樣品用濃硫酸-過(guò)氧化氫消煮后，全氮采用凱氏定氮法，全磷采用釩鉬酸銨比色法，全鉀采用火焰光度法。本試驗(yàn)的全磷和全鉀分別以五氧化二磷和氧化鉀計(jì);

（5）銅（Cu）、鋅（Zn）、鎘（Cd）和鉛（Pb）測(cè)定：樣品用濃硝酸-濃鹽酸消煮后，采用原子吸收光譜法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆體溫度的變化

由圖1可見(jiàn)，不同C/N處理堆體溫度變化規(guī)律相對(duì)一致，升溫期為發(fā)酵后的0～3 d;高溫期為發(fā)酵后的4～21 d，并且溫度在第16～17 d時(shí)達(dá)到峰值;降溫期在發(fā)酵后的21～50 d，之后溫度逐漸趨于穩(wěn)定。由圖2可見(jiàn)，ZW1和ZW2的堆體溫度大于55℃的天數(shù)分別為16 d和18 d，大于60℃天數(shù)分別為5 d和14 d，總體上看，堆體溫度高于55℃和60℃的天數(shù)，ZW2（C/N30∶1）均比ZW1（C/N 25∶1）多，因此，物料C/N較高有利于促進(jìn)豬糞渣/污泥堆肥發(fā)酵升溫。

2.2 C/N的變化

由圖3可見(jiàn)，不同處理的C/N在發(fā)酵過(guò)程中總體呈下降趨勢(shì)，在0～10 d內(nèi)下降最快，10～40 d內(nèi)持續(xù)緩慢下降，40～58 d內(nèi)下降加快，最終兩個(gè)處理的C/N趨于一致。其中，ZW2處理的C/N降幅較大。

2.3 養(yǎng)分含量的變化

由圖4-A可見(jiàn)，在微生物作用下，ZW1處理的有機(jī)質(zhì)含量在堆肥過(guò)程中呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，而ZW2處理的有機(jī)質(zhì)含量則是先迅速下降后再上升最后下降;堆肥結(jié)束后，ZW2處理（C/N=30）的有機(jī)碳含量降幅在28.6%，而ZW1處理（C/N=25）的降幅僅為2.1%。

由圖4-B可見(jiàn)，在發(fā)酵過(guò)程中，堆肥物料全氮含量呈上升趨勢(shì)，在發(fā)酵過(guò)程的0～20 d內(nèi)，增長(zhǎng)較快;30～50 d內(nèi)增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸平緩;與堆肥初始樣品相比，ZW1處理的全氮含量增幅為58.5%，而ZW2處理的全氮含量增幅為44.6%。

由圖4-C可知，不同處理全磷含量在堆肥過(guò)程中基本呈上升趨勢(shì)，在0～30 d內(nèi)上升較快;處理組ZW1和ZW2的全磷初始含量比較接近，堆肥后成品全磷含量約增長(zhǎng)了26.1%～29.7%，其中ZW1處理的全磷含量為3.96%，ZW2處理的全磷含量為4.06%。

由圖4-D可知，不同處理全鉀含量在發(fā)酵過(guò)程中也基本呈上升趨勢(shì)，兩個(gè)處理ZW1和ZW2的全鉀初始含量較低，分別為0.51%和0.53%，堆肥成品全鉀含量與堆肥前相比增長(zhǎng)了41.5%～43.1%。

由圖5可見(jiàn)，不同處理堆肥成品養(yǎng)分含量均比較接近，全氮2.01%～2.06%，全磷含量3.96%～4.06%，全鉀含量較低0.73%～0.75%，有機(jī)質(zhì)含量45.68%～46.89%;總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）含量≥5.0%，有機(jī)質(zhì)含量≥45%，符合中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——有機(jī)肥料（NY 525-2012）的標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 重金屬含量的變化

由表2可知，總體上原料中除Zn外，其他3種重金屬含量均為污泥>豬糞渣。其中，原料中Cu含量最高，豬糞渣和污泥中Cu含量分別達(dá)230和240 ?mg·kg-1DM;Zn含量相近，為55 mg·kg-1 DM;兩種原料中的Cd含量最小，污泥的Cd含量為0.82 ?mg·kg-1DM，是豬糞渣中Cd含量的5.1倍;污泥中Pb含量為71.14 ?mg·kg-1DM，是豬糞渣中Pb含量的9.6倍。兩個(gè)堆肥產(chǎn)品中重金屬含量與堆肥前相比均有小幅上升。兩個(gè)處理的堆肥產(chǎn)品中Cd、Pb含量均符合NY 525-2012的要求，即Cd含量小于3 ?mg·kg-1DM，Pb含量小于50 ?mg·kg-1DM。

3 討 論

堆肥過(guò)程中，由于微生物不斷分解和利用有機(jī)物，有一部分有機(jī)物轉(zhuǎn)換成熱量，加之物料具有良好的保溫作用，溫度不斷上升，這對(duì)有機(jī)物的分解速率起著決定性作用。一般把堆肥過(guò)程分為升溫期、高溫持續(xù)期和降溫期3個(gè)階段[10]。高溫期（50℃以上）是堆肥過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)，此階段有機(jī)物在高溫下迅速分解并開(kāi)始轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)[11];同時(shí)，高溫能殺死寄生蟲(chóng)、病原菌和雜草種子等有害生物[12-13]。對(duì)此，我國(guó)在《糞便無(wú)害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 7959-1987）中有明確的規(guī)定，堆體溫度需在50～55℃維持5～7 d。由此可見(jiàn)，本試驗(yàn)各處理均達(dá)到了此標(biāo)準(zhǔn)。其中不同物料高C/N堆肥高溫期的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，說(shuō)明適當(dāng)添加含碳量高的豬糞渣，有助于污泥堆肥發(fā)酵，促進(jìn)污泥的無(wú)害化。

碳源和氮源是維持堆肥過(guò)程中微生物活性的兩大重要營(yíng)養(yǎng)源，物料C/N的變化也是反映堆肥達(dá)到腐熟的指標(biāo)之一[14]。一般認(rèn)為，C/N處于10～20，即堆肥達(dá)到腐熟[15]。由此可見(jiàn)，各處理堆肥結(jié)束時(shí)均達(dá)到腐熟，并且兩個(gè)處理的最終腐熟程度比較一致。說(shuō)明相同物料，不同C/N的堆肥處理最終堆肥的效果趨于一致，也進(jìn)一步說(shuō)明豬糞渣中的碳源較容易被微生物分解和轉(zhuǎn)化，可以作為污泥堆肥的調(diào)理劑來(lái)使用。

以豬糞渣、污泥為原料的堆肥，可避免城市生活垃圾因持水率差而在堆肥過(guò)程中產(chǎn)生滲濾液[16]，除有機(jī)質(zhì)會(huì)礦化損失、氮素會(huì)以氨氣和氧化亞氮的形式損失外[17-18]，其他營(yíng)養(yǎng)元素如磷和鉀都隨物料干重的降低，表現(xiàn)為含量升高。

堆肥過(guò)程主要對(duì)原料中重金屬起著鈍化的作用[19-20]，可利用態(tài)的重金屬含量會(huì)降低，也會(huì)由于有機(jī)質(zhì)含量的下降而表現(xiàn)出重金屬含量升高的“濃縮效應(yīng)”。兩個(gè)處理的堆肥產(chǎn)品中各重金屬含量與堆肥前相比出現(xiàn)增加，主要是因?yàn)槎逊蔬^(guò)程高溫期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，有機(jī)質(zhì)降解充分，導(dǎo)致重金屬在絕對(duì)量維持不變的基礎(chǔ)上表現(xiàn)出相對(duì)含量的增加。

4 結(jié) 論

（1）豬糞渣作為堆肥原料兼具調(diào)理劑的作用，可與生活污泥共堆肥。堆制58 d后，不同原料配比的堆肥均達(dá)到了無(wú)害化和腐熟化程度的要求，堆肥成品的養(yǎng)分含量和重金屬含量符合有機(jī)肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）高C/N堆肥的過(guò)程和結(jié)果優(yōu)于低C/N堆肥，可以將C/N=30作為豬糞渣/污泥物料配比的重要參數(shù)。

（3）下一步可對(duì)堆肥過(guò)程中的臭氣（如氨氣和硫化氫）和溫室氣體（如甲烷和氧化亞氮）的排放情況和重金屬的鈍化效果進(jìn)行研究，全面評(píng)估堆肥的效果，進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，減少堆肥過(guò)程中二次污染物的排放。

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（責(zé)任編輯：張 梅）