楊　陽，李　明，王　帥，單德臣,2,*

(1.黑龍江東方學(xué)院，哈爾濱 150066;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院城市水資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150090)

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活性污泥堆肥農(nóng)用效果的研究

楊陽1，李明1，王帥1，單德臣1,2,*

(1.黑龍江東方學(xué)院，哈爾濱 150066;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院城市水資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150090)

通過大量田間試驗(yàn)，以哈爾濱市城市污水處理廠的脫水污泥為原料，采用臥式旋轉(zhuǎn)式污泥好氧發(fā)酵裝置對脫水活性污泥進(jìn)行有氧發(fā)酵。同時(shí)將發(fā)酵后的活性污泥作為有機(jī)肥料進(jìn)行了田間試驗(yàn)效果研究。結(jié)果表明：(1)施用污泥的土壤pH有所下降；(2)污泥施肥的土壤速效磷含量要比化肥與空白對照高;(3)試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的化肥處理對土壤全氮影響很小，污泥處理較空白對照僅提高0.07%，各處理間差異不顯著；(4)各個處理對土壤有機(jī)質(zhì)、有效態(tài)氮含量影響不大；(5)全磷含量變化動態(tài)：污泥+化肥>污泥>化肥>空白，施用污泥有利于提高土壤的全磷含量；(6)施用污泥的土壤，速效鉀含量高于空白與化學(xué)施肥的土壤，施用化肥的土壤又高于空白對照；(7)城市污泥的含鹽量較高，會明顯提高土壤電導(dǎo)率；(8)通過試驗(yàn)可見，施用城市污泥堆肥能夠提高大豆的產(chǎn)量。污泥作為一種生物質(zhì)資源，是很好的有機(jī)肥料，有很好的農(nóng)用前景。

活性污泥；好氧發(fā)酵；污泥農(nóng)用

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市居民的生活質(zhì)量也有了很大的提高，隨之而來的城市生活垃圾和污水大量排放，處理生活污水便成為了一件大事。目前的處理方法都會產(chǎn)生大量的活性污泥，污泥的無害化、資源化的處置問題成為了新的研究熱點(diǎn)[1-4]。

脫水污泥中含有大量的可被植物直接吸收利用的養(yǎng)分，是非常寶貴的再生資源。當(dāng)前污泥資源化利用中，土壤施用是最安全且最具生態(tài)意義的[5-6]。從有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀在4組分中的分配狀況看，除無機(jī)氮外，它們的分布與污泥干物質(zhì)分配情況相一致：即生物絮凝體組分所含這些元素占總量的比例最大(61%～80%)，其次為顆粒態(tài)組分(12%～30%)，膠體+水溶性組分所占的比重(5%～18%)相對較小[7-12]。

污泥無害化處理己成為一個備受矚目的問題，污泥堆肥成為一種切實(shí)可行的處理方法。堆肥化技術(shù)是從20世紀(jì)60年代迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)新興生物處理技術(shù)。20世紀(jì)70年代以后，由于污泥產(chǎn)生的環(huán)境問題和填埋技術(shù)的缺點(diǎn)日益突出，污泥堆肥技術(shù)引起了各國的廣泛重視，并成為環(huán)保領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。可被生物降解的有機(jī)物在好氧微生物的作用下向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物過程稱為污泥好氧發(fā)酵，主要過程為升溫、高溫、降溫、腐熟4個階段，污泥穩(wěn)定化、無害化程度提高，是高效、環(huán)保、節(jié)約的污泥處理方法，在我國擁有廣闊的應(yīng)用前景[13-20]。

污泥堆肥的發(fā)展趨勢是：從厭氧堆肥發(fā)酵轉(zhuǎn)向好氧堆肥發(fā)酵；從露天敞開式轉(zhuǎn)向封閉式發(fā)酵；從半快速發(fā)酵轉(zhuǎn)向快速發(fā)酵；從人工控制的機(jī)械化轉(zhuǎn)向全自動化；最終解決二次污染問題。本文旨在研究污水處理廠的剩余活性污泥通過好氧堆肥施用農(nóng)田后，土壤中各理化指標(biāo)的變化以及對施用作物的產(chǎn)量影響，以期尋找到污泥無害化處理的最佳處理模式。

1　材料與方法

1.1材料與儀器設(shè)備

污泥來源于哈市生活污水處理廠。試驗(yàn)材料的基本性質(zhì)見表1。

儀器設(shè)備：電爐、電子天平、微量移液器、粉碎機(jī)、烘箱、恒溫恒濕培養(yǎng)箱、流動分析儀。AR852紅外測溫儀、pH計(jì)、磁力攪拌器、紅外消煮爐、冰箱、電導(dǎo)率儀、火焰光度計(jì)。

1.2方案設(shè)計(jì)

1.2.1污泥好氧發(fā)酵

1.2.1.1污泥發(fā)酵試驗(yàn)裝置及判斷

采用自行設(shè)計(jì)的臥式旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器進(jìn)行污泥好氧發(fā)酵，體積2.65 m3，反應(yīng)器內(nèi)壁有螺旋線，其上有小孔供氧，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)交替進(jìn)行翻堆，750 W風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)。

表1　試驗(yàn)材料的基本性質(zhì)

1.2.1.2腐熟度判斷

添加調(diào)理劑后物料的通氣性得到了改善，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，污泥溫度升高，污泥中水分揮發(fā)出來，污泥也隨之松散，好氧發(fā)酵結(jié)束后，污泥本身的味道消失，顏色由原來的黑色變?yōu)樯詈稚?，無明顯水分，發(fā)酵后期物料溫度自然降低，逐漸接近環(huán)境溫度；發(fā)酵產(chǎn)物pH接近中性，有機(jī)質(zhì)含量低于65%，達(dá)到了污泥農(nóng)用的一般標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.2活性污泥農(nóng)用效果

1.2.2.1試驗(yàn)材料

活性污泥堆肥，稻殼(調(diào)理劑)，化學(xué)肥料。

1.2.2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)選在為香坊農(nóng)場。土壤肥力均勻，地勢平坦。供試肥料分為4個方案，隨機(jī)區(qū)組排列，5次重復(fù)：①空白；②城市污泥堆肥15 t/hm2；③N40P100(下標(biāo)為肥料折純量，kg/hm2)；④城市污泥堆肥15 t/hm2+ N40P100。其中，以尿素為氮肥，以過磷酸鈣為磷肥。

污泥中添加稻殼調(diào)節(jié)污泥物理、化學(xué)性狀，可以快速降解纖維素。

小區(qū)面積：2.8×6.5=18 m2，間設(shè)保護(hù)行。

在作物生長不同時(shí)期取耕層0～20 cm土樣，測得的數(shù)值進(jìn)行方差分析。

1.2.2.3分析指標(biāo)

分析土壤中化學(xué)指標(biāo)包括：土壤有機(jī)質(zhì)，土壤全氮，土壤全磷，土壤堿解氮，土壤速效磷，土壤速效鉀、土壤全鹽量、土壤pH。

1.2.2.4分析方法

1)全磷：取待測液10 mL于50 mL容量瓶中，加兩滴二硝基酚指示劑，用6 mol/L NaOH中和至呈微黃色，加入10 mL鉬酸銨溶液，定容。同時(shí)做空白，15 min后450 nm比色；標(biāo)準(zhǔn)曲線：吸取0、1、2.5、5、7.5、10、15、30 mL磷標(biāo)準(zhǔn)液定容至50 mL，比色，測定吸收值繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2)堿解氮：稱取過1 mm篩孔的樣品2 g于擴(kuò)散皿外室，再加0.2 g FeSO4，2 mL硼酸指示劑于內(nèi)室，封口，40 ℃處理24 h，0.01N的HCl滴定。

3)速效磷：稱取過1 mm篩孔的樣品5 g，加無磷活性碳2 g，蒸餾水50 mL，120 r/min搖床振蕩30 min，取濾液20 mL，以下步驟同全磷。

4)速效鉀：稱取過1 mm篩孔的樣品5 g，加1 mol/L乙酸銨50 mL，120 r/min搖床振蕩30 min，過濾液用火焰光度計(jì)測定。速效鉀標(biāo)準(zhǔn)曲線：KCl 0.190 7 g定容至 1 L，此為100×10-6儲備液，稀釋制備0、2×10-6、5×10-6、10×10-6、15×10-6、20×10-6、30×10-6濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

5)全鹽量：稱取過1 mm篩孔的樣品5 g，溶于50 mL水，震蕩30 min，靜止，澄清，用電導(dǎo)率儀直接測定。

6)有機(jī)質(zhì)采用K2Cr2O4容量法

7)土壤全氮測定采用凱氏定氮法；

8)pH采用pH計(jì)直接測定[6]。

1.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

SPSS V13.0，Blast程序，MEGA4軟件及Microsoft?Excel 2003分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2　結(jié)果與分析

2.1不同處理下土壤中pH 的變化

由圖1可見，在大豆生長的各個時(shí)期，處理1、3的土壤pH高于處理2、4的土壤pH，在大豆結(jié)莢期和苗期各處理的pH值在0.05水平下差異不顯著；花期、鼓粒期、成熟期各處理的pH差異顯著。由此可見，施用污泥堆肥的土壤pH有所下降，但相對于空白與化肥處理，pH值的波動范圍不大。污泥中的有機(jī)物成分在土壤微生物的作用下分解為有機(jī)酸，致使施用污泥的土壤pH下降。

2.2不同處理下土壤中速效磷含量變化

由圖2可見，不同處理方式下土壤的速效磷含量各不相同，施用污泥堆肥的土壤(處理2與4)速效磷含量明顯高于另外兩個處理，苗期1處理比空白對照含量高18%、比3處理高8%；4處理比空白對照含量高17%、比3處理高8%?；ㄆ?處理比空白對照含量高31%，比3處理高25%；4處理速效磷含量比空白對照高34.2%、比3處理高28.5%。鼓粒期1、2處理的速效磷含量比3、4處理的含量高。在大豆成熟期和結(jié)莢期，土壤中速效磷含量在0.05水平下沒有顯著差異。由此可得出結(jié)論：土壤中的速效磷含量在不同處理下不同，城市污泥在堆肥過程中提高了速效磷的含量，導(dǎo)致施用城市污泥堆肥及與化肥配施的處理土壤速效磷含量比化肥與對照高。隨著大豆的生長，對速效磷的利用程度不同，其數(shù)值會出現(xiàn)波動。

圖1　不同處理下土壤pH變化Fig.1　Change of pH under different treatment in the soil

圖2　不同處理下土壤速效磷含量變化Fig.2　Change of available phosphorus under different treatment in the soil

2.3不同處理下土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量變化

圖3　不同處理下土壤全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)含量比較Fig.3　Comparison of total nitrogen and phosphorus、organic matter content under different treatment in the soil

土壤肥力的重要指標(biāo)之一是土壤有機(jī)質(zhì)含量，它在提供作物生長所需的完全養(yǎng)分、改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤保水保肥以及緩沖性能等方面發(fā)揮著重要作用。由圖3可見，本試驗(yàn)土壤中有機(jī)質(zhì)含量各處理方差分析0.05水平下沒有顯著差異。

各處理的全氮含量差異不顯著，說明土壤基礎(chǔ)肥力比較好，短時(shí)間內(nèi)土壤全氮含量不會因?yàn)槭┓识@著改變。污泥堆肥處理較空白對照僅提高0.07%。

各處理的全磷含量變化動態(tài)：處理4>處理2>處理3>處理1，說明施用污泥堆肥有利于提高土壤的全磷含量。

2.4不同處理下土壤中堿解氮含量變化

堿解氮的含量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量、土壤水熱環(huán)境條件有關(guān)。通常情況下，這部分N能夠判斷出土壤近期內(nèi)氮素變化，又能看出N的釋放速率。因此它與作物生長和產(chǎn)量有一定的相關(guān)性。

土壤的堿解氮含量是反映土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度的主要指標(biāo)，其水平的高低在很大程度上決定著作物對氮素的吸收情況，以至作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

由圖4可見，各處理土壤的堿解氮含量在花期達(dá)到了最大值，在大豆鼓粒期和結(jié)莢期各處理間差異顯著，該時(shí)期各處理對土壤堿解氮含量的影響：處理4>處理2>處理3>處理1，土壤培肥效果以城市污泥與化肥配施好于相應(yīng)的單施化肥或城市污泥。苗期、花期、成熟期在0.05水平下差異不顯著。

2.5不同處理下土壤中速效鉀含量變化

由圖5可見，在鼓粒期，處理4對土壤速效鉀含量高于其它各處理，在成熟期處理2和處理4之間對土壤中速效鉀含量差異不顯著。分析原因，施肥增加了土壤中速效鉀的含量，提高了土壤有效態(tài)鉀的釋放。

圖4　不同處理下土壤堿解氮含量變化Fig.4　Change of available nitrogen under different treatment in the soil

圖5　不同處理下土壤速效鉀含量變化Fig.5　Change of available K under different treatment in the soil

2.6不同處理下土壤中全鹽量變化

由表2可見，施用污泥堆肥的土壤全鹽量明顯高于化肥與空白對照。苗期、成熟期差異不顯著，花期和結(jié)莢期以及鼓粒期的差異顯著。結(jié)果表明，脫水活性污泥的含鹽量較高，會明顯提高土壤電導(dǎo)率，與前人研究結(jié)果相符。

表2　不同處理下土壤全鹽量變化(μs/cm)

注：表中a,b分別表示同行平均數(shù)之間的差異顯著性。

2.7不同處理下對大豆產(chǎn)量的影響

不同處理對大豆產(chǎn)量的影響見表3。對照的植株莢數(shù)、莢粒數(shù)顯著低于其它3個處理。施用污泥堆肥的大豆顯著高于空白處理。各處理對大豆產(chǎn)量變化的影響依次為：污泥堆肥+化肥>污泥堆肥>化肥>空白，污泥堆肥施用量下可以提高大豆的產(chǎn)量。各處理對大豆百粒重的影響在0.05水平下差異不顯著。

3　討　論

由城市污泥農(nóng)用效果試驗(yàn)可見，施用城市污泥堆肥及堆肥與化學(xué)肥料配施的處理對土壤的化學(xué)指標(biāo)具有較好的影響。土壤的pH在各個處理中都低于對照處理，但差異不顯著，說明施用有機(jī)肥料的處理在土壤微生物的活動下還進(jìn)一步進(jìn)行有機(jī)物質(zhì)的降解。

表3　不同處理對大豆產(chǎn)量的影響

注：表中a,b分別表示同行平均數(shù)之間的差異顯著性。

對于土壤速效磷和全磷含量，城市污泥堆肥+化肥的處理最好。在作物生長后期土壤速效磷含量也保持較高水平，這是由于城市污泥在堆肥過程中提高了速效磷的含量，同時(shí)城市污泥堆肥對磷素進(jìn)行緩慢釋放，導(dǎo)致在后期施用城市污泥堆肥及與化肥配施的處理土壤速效磷含量比單獨(dú)施用化肥的高。

土壤中有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量的變化不大，差異不顯著。對于土壤的堿解氮，在結(jié)莢期和鼓粒期各處理間堿解氮含量差異顯著，污泥堆肥配施化肥的處理最好，主要是有機(jī)肥在后期起到對N素的緩釋效果。土壤中速效鉀的含量變化與此相同。由于城市污泥的含鹽量較高，導(dǎo)致土壤電導(dǎo)率增加。

4　結(jié)　論

施用污泥堆肥的土壤pH有所下降，相對于處理1與處理3，pH值變化差異不顯著;城市污泥堆肥配施化肥的處理導(dǎo)致土壤速效磷含量水平較高，好于化肥處理和對照，在大豆生長的各個時(shí)期對土壤中速效磷的吸收程度不同，其數(shù)值有所變化;各處理對土壤中全氮含量影響差異不顯著，說明各處理對當(dāng)年土壤全氮含量影響不大;各處理對土壤全磷和堿解氮的含量變化趨勢：處理4>處理2>處理3>處理1，說明施用污泥有利于提高土壤的全磷和堿解氮含量;城市污泥堆肥配施化肥的處理提高土壤速效鉀含量、全鹽量，高于化肥處理;產(chǎn)量變化趨勢為：污泥堆肥+化肥>污泥堆肥>化肥>空白，說明城市污泥堆肥農(nóng)用可以提高大豆的產(chǎn)量。

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Study on the land application effect of activated sludge compost

YANG Yang1, LI Ming1, WANG Shuai1, SHAN De-Chen1,2,*

(1.EastUniversityofHeilongjiang,Harbin150066,China;2.StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourcesandEnvironment,SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology，Harbin150066,China)

Through a large number of field experiments, raw material (dewatered sludge) was obtained from Harbin Sewage Rreatment Plant to process aerobic fermentation with horizontal rotary type sludge aerobic fermentation device, after fermentation, the activated sludge was used as organic fertilizer in the field experiment. The results showed that: (1) the pH of soil with application of sludge fertilizer decreased; (2) available phosphorus content in the soil with sludge fertilizer was higher than that using fertilizer and blank control. (3) the group with chemical fertilizer treatment had slightly effects on total nitrogen content in the soil, total nitrogen content in sludge treatment group increased by only 0.07% compared to the control group, the difference of total nitrogen content among each group was not significant; (4) the content of nitrogen did not show obvious effect in each group treatment; (5) the change trend of total phosphorus content in each group: sludge + fertilizer > sludge > chemical fertilizer > blank, adding sludge could improve total phosphorus content in the soil; (6) available potassium content in the soil with applying sludge was higher than applying chemical fertilization, available potassium content in the soil with applying fertilizer was higher than that in the control group; (7) the high salinity in city sludge would significantly improve the soil conductivity; sewage sludge compost could be as a type of biomass source, is a good organic fertilizer, has promising land application prospects； (8)from this experiment, the usage of municipal sewage sludge could increase soybean production.As a kind of biomass resource,sludge is a good organic fertilizer and has a good prospect in agriculture.

activated sludge;aerobic fermentation sewage;sludge land application

10.13524/j.2095-008x.2016.02.027

2016-04-30

國家環(huán)保公益項(xiàng)目(201009024);黑龍江省普通高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干支持計(jì)劃項(xiàng)目(1252G048)

楊陽(1986-)，女，黑龍江哈爾濱人，講師，碩士，研究方向:環(huán)境生態(tài)學(xué)，E-mail：okyangyang@yeah.net；*通訊作者：單德臣(1979-)，男，黑龍江哈爾濱人，講師，在讀博士，研究方向：環(huán)境科學(xué)與工程，E-mail：shandechen7@163.com。

X171;S158.3

A

2095-008X(2016)02-0058-06