常會(huì)慶，鄭彩杰，張建宇，鄧瓊

1. 河南科技大學(xué)資源環(huán)境科學(xué)系，河南 洛陽(yáng) 471003；2. 山西師范大學(xué)，山西 臨汾 041004

不同環(huán)境溫度條件對(duì)脫水污泥堆肥效果的影響研究

常會(huì)慶1*，鄭彩杰1，張建宇1，鄧瓊2

1. 河南科技大學(xué)資源環(huán)境科學(xué)系，河南 洛陽(yáng) 471003；2. 山西師范大學(xué)，山西 臨汾 041004

為明確不同環(huán)境溫度對(duì)脫水污泥堆肥效果的影響，試驗(yàn)采用雙層反應(yīng)器進(jìn)行水浴保溫模擬不同環(huán)境溫度，分別設(shè)置10 ℃（CT10）和25 ℃（CT25）兩個(gè)處理并運(yùn)行30 d，通過(guò)分析污泥堆肥過(guò)程中溫度、pH、總氮、C/N比值、腐殖酸含量等指標(biāo)變化特征，比較兩個(gè)處理的污泥腐熟效果。結(jié)果表明：CT25堆肥處理進(jìn)入55 ℃高溫期并維持8 d，較CT10處理提前3 d達(dá)到高溫期并多維持3 d；兩個(gè)處理堆體的pH值變化范圍為7.10～7.91，呈先升后降趨勢(shì)，且CT25處理pH值的升高、降低幅度更大；兩種堆肥處理有機(jī)質(zhì)和總氮含量呈降低趨勢(shì)，且同一時(shí)期CT25處理低于CT10，其中18 d取樣時(shí)兩處理有機(jī)質(zhì)含量呈顯著性差異（P＜0.05），兩處理總氮在堆肥各時(shí)期沒有呈現(xiàn)顯著差異（P＜0.05）；整個(gè)運(yùn)行期間，堆體腐殖酸含量呈增加趨勢(shì)，堆肥結(jié)束時(shí)，CT25處理的腐殖質(zhì)含量達(dá)24.18%，較CT10處理提高5.52%；通過(guò)T值（T=(C/N)終/(C/N)始＜0.6）判斷兩處理的污泥腐熟程度，結(jié)果顯示，第18天時(shí)CT25處理的T值為0.59，堆體達(dá)到腐熟，CT10處理在第30天時(shí)才達(dá)到腐熟。上述結(jié)果表明，利用該反應(yīng)器進(jìn)行脫水污泥堆肥，較高溫度啟動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)污泥更快速、充分腐熟。通過(guò)對(duì)脫水污泥堆肥反應(yīng)器啟動(dòng)溫度的控制，可為低溫條件下脫水污泥的快速腐熟控制提供參考。

環(huán)境溫度；脫水污泥；堆肥；反應(yīng)器

隨著污水處理規(guī)模的不斷擴(kuò)大，污泥產(chǎn)量也隨之逐年劇增。截至 2016年底，中國(guó)年產(chǎn)脫水污泥量高達(dá)4000多萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)2020年污泥產(chǎn)量翻一番（余亞偉等，2017；韓鵬等，2017）。污泥被認(rèn)為是一種生物資源，其含有的大量有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等元素可以作為農(nóng)作物的養(yǎng)分資源。然而，不同國(guó)家污泥農(nóng)用比例差別較大，例如美國(guó)污泥農(nóng)用的比例超過(guò)40%，比利時(shí)、丹麥、西班牙、法國(guó)、愛爾蘭和英國(guó)的農(nóng)用比例也超過(guò)了 50%（Malgorzata et al.，2017；曹秀芹等，2013），中國(guó)目前污泥農(nóng)用比例約為 20%～30%。污泥農(nóng)用是一種消納污泥的有效途徑，隨著中國(guó)污泥農(nóng)用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)逐漸完善，污泥農(nóng)用的比例可能會(huì)逐漸提高。

污泥堆肥是污泥農(nóng)用的重要手段，通過(guò)好氧污泥發(fā)酵基本上可以殺死污泥中的有害細(xì)菌，增加和穩(wěn)定其中的腐殖質(zhì)，降低污泥中重金屬和有機(jī)污染物的毒害等作用（Nogueira et al.，2017；張盛華等，2014；Sadef et al.，2104）。污泥腐熟的快慢受到污泥堆體特征、反應(yīng)裝置運(yùn)行條件等的影響（先元華，2015），不同輔料及其配比對(duì)污泥堆肥效果也有明顯的影響（Meng et al.，2017；陳鎮(zhèn)新等，2017；Zhao et al.，2016），添加分離篩選的微生物發(fā)酵劑以提高污泥堆肥速率（萬(wàn)利利，2014），另外通過(guò)特殊的物理處理手段，如微波處理，也可以促使污泥快速腐熟（俞強(qiáng)，2010）。

已有研究表明，露天堆肥過(guò)程中的環(huán)境溫度是影響污泥快速穩(wěn)定化的主要影響因素之一（易建婷等，2016；Margesin et al.，2006），環(huán)境溫度低，堆肥高溫持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短且溫度低（楊朝暉等，2007），另外堆體溫度較低時(shí)，堆體內(nèi)外空氣流動(dòng)壓差，不利于氧氣擴(kuò)散導(dǎo)致升溫較慢（趙晨陽(yáng)等，2014），在20～30 ℃下開展堆肥是較為合適的環(huán)境溫度（Tiquia et al.，2002）。利用密閉反應(yīng)器進(jìn)行污泥堆肥的研究主要集中在填料配比對(duì)污泥腐熟效果的影響（袁京等，2016；居玉坤等，2014）。另外，在反應(yīng)器中添加微生物制劑也可以起到快速腐熟作用（張晶等，2015）。能否通過(guò)控制環(huán)境溫度影響污泥堆肥效果值得研究。因此，本研究在保持其他堆肥條件一致情況下，通過(guò)控制反應(yīng)器的啟動(dòng)溫度，比較不同啟動(dòng)溫度反應(yīng)器污泥堆肥效果，旨在為低溫條件下污泥快速腐熟反應(yīng)器控制提供參考方案。

1 材料與方法

1.1 供試污泥和秸稈

供試污泥取自洛陽(yáng)市某縣郊污水處理廠，該污水處理廠采用 A2/O處理工藝，污泥主要理化特征見表 1。秸稈為小麥秸稈，由于小麥秸稈的碳氮比較高，可以用于改善污泥的碳氮比和通氣性，其中秸稈N含量為0.86%，C含量為44.15%。污泥和秸稈配比比例為1∶1（體積比）。

表1 污泥的主要理化特征Table 1 The main physical and chemical characteristics of sludge

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在自制的污泥堆肥反應(yīng)器中進(jìn)行，該反應(yīng)器分為內(nèi)外兩層，夾層通過(guò)水浴進(jìn)行環(huán)境溫度控制。裝置底部設(shè)置有通風(fēng)口和循環(huán)水進(jìn)口，側(cè)面設(shè)置3個(gè)取樣口，所取樣品作為3次重復(fù)。裝置頂部為設(shè)置溫度、水分和 pH傳感器和氣體溢流口，裝置的有效直徑為50 cm，高度為40 cm（圖1）。

1.3 啟動(dòng)堆肥反應(yīng)器

堆肥污泥混合基質(zhì)水分調(diào)節(jié)至60%，然后將上述基質(zhì)裝入反應(yīng)器，連接水浴鍋、水泵、氣體流量計(jì)、溫度計(jì)和pH計(jì)等。采用間歇曝氣方式，曝氣量為60 mL?min-1，曝氣持續(xù)時(shí)間為1 h，前10 d間歇期為1 h，后20 d的間歇期為2 h。試驗(yàn)共設(shè)置10 ℃處理（CT10）和 25 ℃處理（CT25）兩個(gè)控制溫度，當(dāng)堆體溫度與環(huán)境溫度相當(dāng)時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，周期為30 d，堆肥階段每天9:00、16:00、22:00 3次記錄反應(yīng)室內(nèi)的溫度，取平均值作為其每日的堆體溫度，采樣時(shí)間為試驗(yàn)開始后第 1、5、8、18、30天，分別在堆體的上中下3個(gè)位置取樣后自然風(fēng)干，研磨過(guò)篩后進(jìn)行樣品測(cè)定。

1.4 取樣測(cè)定

所取樣品的有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)、總氮、pH值等指標(biāo)測(cè)定方法參照鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》，運(yùn)用SPSS 11.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆體溫度變化

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of experiment

一般認(rèn)為，堆體溫度在 55 ℃條件下保持 3 d以上（或50 ℃以上保持5～7 d），可以殺滅堆料中所含的病原菌，滿足堆肥衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)和堆肥腐熟的要求（吳珍珍等，2015）。當(dāng)反應(yīng)器在CT10條件下啟動(dòng)時(shí)，堆體的溫度變化范圍在 10.0～59.5 ℃之間（圖 2），第 6～10天堆體溫度超過(guò) 55 ℃，最高溫度出現(xiàn)在前8天，此后溫度開始降低。反應(yīng)器在CT25條件下啟動(dòng)時(shí)，同期溫度都高于CT10，堆體溫度維持在25.0～65.7 ℃之間，并且第3～10天溫度都超過(guò)55 ℃，在第5天其最高溫度為65.9 ℃，此后溫度開始降低，在降溫階段和腐熟階段溫度變化較小，而且接近環(huán)境溫度（Fialho et al.，2018）?？梢?，通過(guò)反應(yīng)器堆體啟動(dòng)溫度控制，可以影響堆體溫度的變化，而溫度直接反映堆肥中微生物的運(yùn)動(dòng)狀況（Wery et al.，2008），故本反應(yīng)器在較高的溫度條件下啟動(dòng)有利于微生物降解有機(jī)質(zhì)，加快污泥腐熟進(jìn)程。

圖2 堆體溫度變化Fig. 2 Temperature change of compost

2.2 堆體pH值變化

在整個(gè)堆肥過(guò)程中，pH值始終維持在7.0～8.0之間（圖3），堆體CT25處理pH值變化幅度較CT10大，這與高溫會(huì)加速微生物分解含氮化合物或氨化揮發(fā)有關(guān)。同一時(shí)期，兩個(gè)處理pH差異沒有達(dá)到顯著水平（P＜0.05），且均以第8天的pH值為最高。堆肥過(guò)程中pH值的變化趨勢(shì)與堆體溫度的變化趨勢(shì)較為相似（金芬等，2015）。堆肥初期CT10和CT25的pH值迅速增大，主要是由于微生物分解含氮化合物產(chǎn)生的大量氨氣使得pH值升高，而在堆肥后期由于氮的氨化揮發(fā)作用減弱而硝化作用增強(qiáng)使得pH值下降，同時(shí)有機(jī)物在分解過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸也是造成pH值下降的重要原因（蔣建國(guó)等，2010）。

圖3 堆體pH變化Fig. 3 pH change of compost

2.3 堆體有機(jī)質(zhì)變化

堆肥期間CT10和CT25處理有機(jī)質(zhì)含量都呈下降趨勢(shì)（圖4）。在堆肥結(jié)束時(shí)CT10和CT25有機(jī)質(zhì)的含量分別為(240.93±25.00) g?kg-1，(212.34±7.11) g?kg-1，降幅分別為57.51%和62.55%，主要由于微生物活性隨著堆肥溫度的增加而增加，高溫加快了有機(jī)質(zhì)的降解速度。除CT25最后兩個(gè)時(shí)期有機(jī)質(zhì)的含量差異不顯著外，各處理有機(jī)質(zhì)含量呈顯著差異（P＜0.05），并且兩個(gè)處理有機(jī)質(zhì)含量在第8天和第18天呈現(xiàn)顯著差異（P＜0.05）。在堆肥過(guò)程中，有機(jī)物的轉(zhuǎn)變包括降解和腐殖化兩個(gè)過(guò)程（Fornes et al.，2012），由于堆肥過(guò)程是放熱好氧過(guò)程，有機(jī)物所含的碳被微生物降解或碳化成CO2。因此，有機(jī)物通常在堆肥過(guò)程中呈降低趨勢(shì)（Fialho et al.，2010）。

圖4 堆體有機(jī)質(zhì)變化Fig. 4 Organic matter change of compost

2.4 堆體總氮變化

堆肥的 pH、溫度、供氧水平、調(diào)理劑的吸附性能以及微生物種類等，都會(huì)影響堆肥過(guò)程中氮素的轉(zhuǎn)化和遷移。CT10和CT25運(yùn)行下總氮含量都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)兩處理總氮含量分別為(12.21±2.00) g?kg-1和(11.41±1.70) g?kg-1。同一時(shí)期，兩處理總氮含量變化差異不顯著（P＜0.05）（圖5），但CT10總氮降幅小于CT25，堆肥中N含量是確定其農(nóng)用價(jià)值最重要的參數(shù)之一，然而，污泥堆肥化過(guò)程會(huì)造成氮素的損失（程紹明等，2009）。堆肥的氮素主要由于pH值升高和堆體溫度較高造成NH3揮發(fā)；另外在缺氧條件下，硝態(tài)氮反硝化會(huì)出現(xiàn)NOx揮發(fā)。有研究表明，污泥堆肥過(guò)程中氨態(tài)氮的揮發(fā)和硝態(tài)氮的反硝化造成的氮素?fù)p失達(dá)43%～70%（李云蓓等，2014）。

圖5 堆體總氮變化Fig. 5 TN change of compost

2.5 堆體C/N比變化

堆體 C/N比的變化可以直接反映堆體腐熟程度，隨著堆肥的進(jìn)行，兩處理堆體的C/N比都有所降低，并且CT25處理有利于提高礦化效率并導(dǎo)致C/N比的快速降低。(C/N)終/(C/N)始比值可用來(lái)表示堆體的腐熟程度，用 T表示（趙建榮等，2011）。如圖6所示，除第5天外，其他時(shí)期CT25的T值均低于CT10，但兩個(gè)處理T值在相同時(shí)期沒有顯著差異（P＜0.05）。CT10和CT25的T值在第18天和第30天時(shí)分別為0.67和0.60，0.59和0.55，可見CT25條件下運(yùn)行堆肥反應(yīng)器更有利于堆體的腐熟，在第18天時(shí)達(dá)到腐熟的程度，而CT10處理第30天時(shí)才能達(dá)到腐熟。

圖6 反應(yīng)器堆體C/N變化Fig. 6 C/N change of compost

2.6 堆體腐殖質(zhì)變化

本研究CT25條件下腐殖質(zhì)的含量較CT10增加得快，說(shuō)明高溫期有利于腐殖質(zhì)的形成，后期堆體中腐殖質(zhì)含量增幅降低，新形成的腐殖質(zhì)的量較小，堆體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)（圖7）。運(yùn)行30 d時(shí)，兩處理腐殖質(zhì)由堆肥開始時(shí)的 15.67%±0.58%分別上升到22.91%±1.15%和24.18%±0.57%，但兩個(gè)處理同一時(shí)期腐殖質(zhì)含量沒有達(dá)到顯著差異（P＜0.05）。堆肥過(guò)程使腐殖質(zhì)分子量增大，并在腐熟過(guò)程中形成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)物質(zhì)，其中一部分腐殖質(zhì)是由堆肥原料中原有的腐殖質(zhì)逐漸演化形成的（Bernal et al.，2009）。關(guān)于堆肥過(guò)程中腐殖質(zhì)含量的變化存在不同的結(jié)論：研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)堆肥后的污泥，腐殖質(zhì)含量較原料增加了2倍多（張雪英等，2004），而將雞糞和牛糞混合堆腐后發(fā)現(xiàn)，腐殖質(zhì)總量呈下降趨勢(shì)（李吉進(jìn)等，2004）。

圖7 堆體腐殖酸變化Fig. 7 Humus change of compost

3 討論

本研究著重分析了不同啟動(dòng)溫度對(duì)脫水污泥堆肥過(guò)程中溫度、pH、總氮、有機(jī)質(zhì)，腐殖質(zhì)、T值等指標(biāo)變化的影響，上述指標(biāo)是判斷污泥堆肥效果和堆肥狀態(tài)的重要參考（Krystyna et al.，2014；孫先鋒等，2015）。其中，堆體的溫度變化決定污泥腐熟各階段的進(jìn)程，也是判斷堆肥是否達(dá)到無(wú)害化要求的重要指標(biāo)（Bustamante et al.，2008）。由于各研究條件不同，堆體達(dá)到高溫期的時(shí)間和持續(xù)時(shí)間并不相同。本研究中，CT25條件下堆體達(dá)到55 ℃高溫期的持續(xù)時(shí)間為8 d，張蔓等（2014）利用反應(yīng)器進(jìn)行污污泥堆肥的高溫持續(xù)時(shí)間為 7 d。利用反應(yīng)器堆肥與露天堆肥相比，露天堆肥由于堆體體積較大故高溫持續(xù)時(shí)間段可能更長(zhǎng)（岳波等，2005）。

采用密閉反應(yīng)器進(jìn)行污泥堆肥雖然可以起到快速腐熟的作用，但同露天堆肥相比，啟動(dòng)溫度同樣會(huì)成為影響污泥快速穩(wěn)定化的主要因素（易建婷等，2016；Margesin et al.，2006；楊朝暉等，2007趙晨陽(yáng)等，2014）。由于該試驗(yàn)反應(yīng)器的容積相對(duì)較小，堆體表面積較大，散熱作用明顯。因此，通過(guò)溫度的控制啟動(dòng)會(huì)對(duì)污泥的腐熟產(chǎn)生相對(duì)較大的影響，較高的溫度可快速提高堆體的礦化效率，對(duì)較大反應(yīng)器開展上述研究能否得到類似的結(jié)論同樣值得驗(yàn)證。此外，污泥堆肥化過(guò)程中，堆體溫度受諸多因素的影響，如原料種類、水分和有機(jī)質(zhì)含量、pH值、C/N比、通氣量、容重、孔隙率、環(huán)境溫度、通（鼓）風(fēng)方式及時(shí)間、翻堆次數(shù)等（Rodríguez-Rodríguez et al.，2012；Wang et al.，2013；李承強(qiáng)等，2001）。本研究只設(shè)置了單一C/N比等堆肥條件，因此，環(huán)境溫度與其他堆肥條件的耦合效果仍需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）利用反應(yīng)器對(duì)脫水污泥進(jìn)行堆肥時(shí)，不同環(huán)境溫度啟動(dòng)對(duì)脫水污泥堆肥過(guò)程中各參數(shù)的影響不同，高溫環(huán)境啟動(dòng)可以使堆體快速進(jìn)入高溫期并維持較長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)在堆肥結(jié)束時(shí)可增加腐殖質(zhì)含量；低溫環(huán)境下啟動(dòng)堆肥反應(yīng)器，污泥腐熟時(shí)間較長(zhǎng)，但有利于脫水污泥有機(jī)質(zhì)和總氮等養(yǎng)分指標(biāo)的保持。

（2）本研究通過(guò)對(duì)脫水污泥堆肥反應(yīng)器啟動(dòng)溫度的控制，得出較高的啟動(dòng)溫度有利于實(shí)現(xiàn)污泥快速腐熟的結(jié)論。由于使用密閉反應(yīng)器可以更加容易地實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度控制，因此當(dāng)外界氣溫較低時(shí)可以通過(guò)反應(yīng)器溫度的控制實(shí)現(xiàn)污泥快速腐熟的目的。

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Effects of Different Environmental Temperature on Dewatered Sludge Composting

CHANG Huiqing1, ZHENG Caijie1, ZHANG Jianyu1, DENG Qiong2
1. Department of Environment and Resource Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China;
2. Shanxi Normal University, Linfen 041004, China

In order to clarify the effects of different ambient temperature conditions on dewatered sludge composting. Temperature of bioreactor was controlled by water bath, and experiment operated at 10 ℃ (CT10) and 25 ℃ (CT25) respectively for 30 days.Temperature, pH, TN, C/N and humic acid were analyzed during composting process. The results showed that temperature of compost achieved above 55 ℃ and maintained for 8 days at condition CT25, and temperature achieved to 55 ℃ for 3 days in advance and maintained more than 3 days compared with CT10; the range of variation of pH value between 7.10 to 7.91, and rised first and falled later, and the pH change of CT25 was faster than CT10 during the composting; organic matter and total nitrogen content was reduced during composting process, compared with CT10, the contents of above two indexs of CT25 were lower at the same sampling time, organic matter content showed a significant difference between the two treatments on 18th day sampling time(P＜0.05), but the total nitrogen content of different treatments showed no significant difference (P＜0.05). Humic acid content showed an increasing trend during composting process, although there was no significant difference between the two treatments at the same sampling time (P＜0.05), but by the end of operation, humic acid content of CT25 was 24.8%, and 5.52% more than CT10,Through the T value (T=[(C/N)end/(C/N)start＜0.6)] to determine the sludge maturity degree of two treatments showed that eighteenth days CT25 treatment T value was 0.59, the compost reached maturity, CT10 treatment in thirtieth day until maturity. These above results showed that the higher start-up temperature was in favour of sludge composting. Therefore, the control of start-up temperature can be used to speed the sludge composting, especially at low temperature.

environmental temperature; dehydrated sludge; compost; reactor

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.10.015

X52

A

1674-5906（2017）10-1755-06

常會(huì)慶, 鄭彩杰, 張建宇, 鄧瓊. 2017. 不同環(huán)境溫度條件對(duì)脫水污泥堆肥效果的影響研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),26(10): 1755-1760.

CHANG Huiqing, ZHENG Caijie, ZHANG Jianyu, DENG Qiong. 2017. Effects of different environmental temperature on dewatered sludge composting [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(10): 1755-1760.

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41571319）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0801300）；河南省科技公關(guān)項(xiàng)目（172102310181）

常會(huì)慶（1974年生），男，副教授，博士。E-mail: hqchang@126.com

*通信作者

2017-07-06