謝細竹　宋書巧　陳冠海

市政污泥好氧堆肥研究進展

謝細竹1宋書巧2陳冠海1

（1.南寧師范大學地理科學與規(guī)劃學院，廣西 南寧 530100； 2.南寧師范大學環(huán)境與生命科學學院，廣西 南寧 530100）

文章剖析了污泥堆肥的原理，對市政污泥堆肥的可行性以及局限性進行了分析，并就污泥堆肥工藝的主要影響因子，如調理劑、微生物等對污泥堆肥的影響規(guī)律進行了分析，闡述了污泥堆肥施用可能產生的重金屬危害?？傮w來說，出于安全性考慮，污泥堆肥用于園林綠化是比較合理的。

城市污泥；溫度；微生物；重金屬

引言

堆肥化（Composting），是指在微生物作用下，將有機物礦質化、腐殖化、無害化的一系列過程[1]。污泥好氧堆肥是在好氧條件下，將市政污泥與輔料混合進行堆肥，利用微生物作用使污泥最終滿足資源化、穩(wěn)定化、無害化、減量化的要求。傳統(tǒng)污泥好氧堆肥存在耗時長、占地面積大、有機物流失、重金屬殘留、氮素丟失、散發(fā)惡臭等問題[2]，因此研究污泥腐熟的機制及堆肥的各種影響因子，如調理劑、微生物及其他因素，如pH、含水率等，優(yōu)化堆肥參數，提升污泥堆肥的效果很有必要。

好氧堆肥主要依靠污泥中的微生物進行。在好氧情況下，微生物以污泥中的碳源為能源、氮源作為物質基礎合成體內的蛋白質、核酸等物質[3]。堆肥過程使得污泥變得松散，重金屬有效性降低、植物可利用成分增加，釋放的熱量能殺滅病原微生物，使污泥能達到衛(wèi)生學要求。同時微生物在發(fā)酵過程中，將小分子有機物分解之后，會產生類富里酸和類胡敏酸等大分子物質，使得污泥的腐殖化程度逐漸加強[4]，污泥的穩(wěn)定性也會逐漸增強。

通常認為溫度是堆肥過程中的一個重要參數，是堆肥無害化的基本要求和污泥堆肥進程的一個重要指征。文昊深[5]的研究表明，微生物生命化學反應釋放了熱量，且反應過程中對底物的利用改變了堆體的理化性質，而這種改變又對微生物的種類以及群落特征產生了影響。

溫度、輔料、微生物三者中復雜的影響機制，一直是污泥堆肥研究熱點，其工藝原理如圖1所示。本文在分析歸納前人研究的基礎上，對這三者的影響機制進行了探討。

圖1 污泥堆肥工藝原理圖

1 溫度

好氧堆肥堆體中的有機質是微生物代謝的基質，也是堆肥過程中熱量的來源。一般污泥堆肥會經歷升溫期、高溫期、降溫期，升溫期的熱量通常由簡單的小分子有機物分解提供，高溫期的熱量通常由纖維素、木質素等大分子有機物分解提供，降溫期通常是微生物利用已礦化的有機物合成富里酸、胡敏酸等腐殖質成分的過程[6,7]。第一次高溫期若是存在有機物分解不徹底的情況，便可能存在二次升溫。

《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理穩(wěn)定標準》CJ/T 510－2017[8]中規(guī)定，污泥高溫好氧發(fā)酵過程控制指標為：溫度達到55℃～65℃；持續(xù)時間達到3天以上；發(fā)酵時間達到20天以上。堆肥過程溫度的變化，引起耐高溫菌種和中、低溫菌種的交替變化，同時會使熱敏感的微生物如病原菌死亡，從而提高了污泥使用的衛(wèi)生安全性，又稱為污泥無害化[9]，Bian等[10]也贊同以溫度來確定污泥中微生物的活性及是否達到無害化要求。

由于無害化對于堆體的溫度要求，保持堆體的高溫期和高溫持續(xù)時間十分重要。堆體的溫度變化通常受到堆體本身、環(huán)境溫度、堆體大小和通風方式的影響。在底物供給充分、通風量合適的情況下，微生物進行生命活動自然放出熱量，當微生物反應放熱大于堆體以熱輻射形式損失的熱量時，堆體溫度上升。因此小堆體的污泥堆肥受到環(huán)境影響很大，Julie Bachelart[11]建立的關于Aureilhan（法國）污水處理廠污泥/樹皮混合物堆肥過程中發(fā)酵步驟的二維建模，模擬自然通風狀態(tài)下堆體的升溫情況，在控制兩組外界天氣狀況不同的情況下，A排（冬季）的最高氣溫不超過35℃，B排（夏季）的最高氣溫在50℃左右；外環(huán)境溫度不僅影響升溫，對腐殖質含量也有影響，常會慶[12]分別在10℃和25℃環(huán)境溫度下設置堆肥實驗，在其他實驗條件相同的情況下，T25相比于T10，堆肥的高溫期由4天延長到9天，堆肥最高溫提高由59.5℃提高到65.9℃，T25中污泥中有機物分解的速度及腐殖質積累總量都比T10表現更好。除了增加腐殖質含量之外，好氧堆肥可以有效降低污泥中的污染物，如徐玉璐[13]認為，好氧堆肥中較高的溫度提高了微塑料的生物降解性，而在面對生物型污染物時，一方面高溫堆肥可以殺滅污泥中假單胞菌和沙門氏菌等常溫致病菌，實現微生物水平上的無害化；另一方面也可以有效削減ARGs的豐度，實現基因水平上的無害化。張愛生[14]在不同外環(huán)境溫度下，對污泥堆肥過程中ARG（抗生素抗性基因）的降解進行探究，發(fā)現外環(huán)境溫度從30℃升到50℃～55℃之后，ARG（抗生素抗性基因）的降解率從30%升高到66%～83%，且縮短了堆肥腐熟的時間。

區(qū)別于傳統(tǒng)的好氧堆肥（TC），超高溫好氧堆肥（HTC）也是近年的研究熱點，其中周普雄[15]嘗試使用極端嗜熱菌開展污泥的高溫好氧發(fā)酵工藝，取得了良好效果，80℃以上的高溫期達9 d以上，最高溫達93.4℃，超高溫堆肥由于其獨特嗜熱菌群，能加速堆肥腐殖化，加快堆肥腐熟，減少氮素流失，提高種子發(fā)芽率，展現出比傳統(tǒng)高溫堆肥更優(yōu)的效果，余震[16]的研究與之類似。

2 堆肥調理劑

由于原生污泥的碳氮比較低，有機質含量較低，透氣性差，含水率高，無法自然升溫，合理添加堆肥輔料能改善污泥碳氮比，調節(jié)含水率和孔隙率；外加碳源也可以減少氨氮損失。研究表明，污泥的碳氮比越低，堆肥過程中碳、氮含量損失越多，且微生物生物量碳、氮活性越低[17]，因此選擇合適的輔料就顯得非常重要。大多數研究人員進行堆肥時，在活性調理劑中常選擇木屑、秸稈、樹葉、蘑菇渣等園林廢棄物，惰性調理劑中選擇生物炭、活性炭、煤渣、輪胎碎片等。

調理劑最重要的一點便是幫助堆肥反應啟動，并通過控制調理劑的種類、比例及其它參數，優(yōu)化堆肥效果。研究表明，部分調理劑能對重金屬進行鈍化，減弱重金屬毒性。肖祖飛[18]使用木屑作為外加碳源與城市污泥混合堆肥，發(fā)現堆肥后期木屑形態(tài)未發(fā)生明顯變化，推論木屑在堆肥過程中未參與反應，只起到了改善堆體通透性的作用，但肖組飛的實驗周期短，污泥發(fā)酵溫度低，可能出現有機物未被分解的情況；安玉亭[19]以稻草秸稈為調理劑，取得了較好的堆肥效果；張旭蘭[20]以水葫蘆與城市污泥共堆肥，發(fā)現m（污泥）∶m（水葫蘆）配比為4∶1最優(yōu)，溫度最高，有機物降解率最高；陳鎮(zhèn)新[21]以污泥∶蘑菇渣∶廢白土＝12∶10∶3的配比處理，能得到較好的堆肥效果；孟云姣[22]用蘑菇渣、玉米秸稈、小麥秸稈、木屑四種輔料進行堆肥，發(fā)現蘑菇渣能使種子發(fā)芽率達到最高。熊穎[23]發(fā)現以綠化廢物及回流污泥產品代替綠化廢物為骨料，用靜態(tài)翻堆好氧堆肥工藝處理脫水市政污泥，基本能使得污泥達到無害化要求，但當污泥單純與回流污泥產品進行堆肥時比例過高，如5∶6時，將會導致污泥腐熟程度不夠，GI值不能達到園林綠化標準等情況發(fā)生。

氮素流失也是長久以來影響污泥堆肥肥效的因素之一，通過選擇調理劑減少堆肥過程中的氮流失，也是很多研究人員關注的重點。宿程遠[24]的研究表明中藥渣具有固氮的效果，在堆肥初始投放，還能加快堆肥的速率。而生物炭、活性炭等新型調理劑在固氮方面也有出色表現。廖黎明[25]制備的夏威夷果生物炭吸附劑，能加快有機質的分解、提高污泥堆內的硝態(tài)氮含量，起到固氮的作用。岳建芝[26]發(fā)現，添加花生殼炭可以減少堆肥產品TN、NH4+-N、NO3--N損失率，增加TP含量，并且由于花生殼炭其本身富含鉀素較多，可以為污泥堆肥提供鉀元素；且花生殼炭添加可以降低堆肥產物重金屬Cu的生物可利用態(tài)并降低Zn的活化程度；王霄[27]的研究表明，生物炭的添加使得總氮、總鉀和總磷的損失率分別降低了23%、16%和23%，胡富比（H/F）增加率提高了50%，腐殖質的損失率降低了10%，有機質降解率提高了17%。

在堆肥前期添加小分子碳源有助于堆肥啟動和氮素保存，如吳傳棟[28]通過投加易降解碳源蔗糖，使得氨同化作用強化，有機氮含量增加了9.66%；投加蔗糖后，減少了氨化細菌受酸化影響，氨同化細菌數量增加了2.3倍。菌糠和糖蜜的聯合添加可以有效地控制污泥堆肥中含氮氣體的釋放和氮素損失[29]。

其他研究人員嘗試了添加化學藥劑的效果，如陳耀寧[30]以秸稈等農業(yè)廢物為主要原料，添加硝化抑制劑雙氰胺（dicyandiamide，DCD）進行靜態(tài)好氧堆肥實驗，在堆肥的不同階段2組樣品NH4+-N和NO3--N含量都有明顯的不同，且添加組優(yōu)于不添加組，說明添加DCD有利于硝態(tài)氮和氨態(tài)氮的保全。

本項目組的堆肥實驗表明，利用用蔗渣木屑作為調理劑，在控制含水率55%和通氣量0.5 m3/h，日通氣三次的條件下堆肥，能獲得較好的升溫速率，但是堆體最高溫停止在40℃左右，無法進入50℃以上的高溫期，這與肖祖飛的研究結果類似。推斷是因為填料木屑中的主要成分為纖維素和木質素，兩種有機物碳鏈過長，污泥中缺乏能分解纖維素和木質素的菌種。

3 微生物

進行污泥堆肥偶爾出現在C/N、調理劑與含水率合適的情況下，堆體仍然無法進入45℃以上的高溫發(fā)酵期的現象[31]。針對這個問題，要從體量、碳源和微生物三個方面思考解決方法。體量過小，受外環(huán)境影響大，堆體熱量損失多的時候不易升溫。堆肥常用的調理劑如木屑、秸稈等主要成分是纖維素、半纖維素、木質素，且其中半纖維素和木質素通過共價鍵和木質素連接成緊密的網絡結構，單一的纖維素酶很難進行分解[32]，因此在堆肥前期加入復合菌種制劑，可以幫助啟動堆肥。通過了解堆肥各時期不同微生物起到的不同作用，有助于了解堆肥機制，從而更好地對堆肥過程進行協(xié)調管理，提升堆肥肥效。

對于在堆肥反應中起到作用的各種微生物，目前主要的研究方式是通過從污泥中取樣，對其DNA進行提取，再用PCR法進行定量擴增之后進行分析測序。目前所獲得的微生物數據呈現出時間分異的特點：在中溫期和高溫期、以及降溫期存在不同的優(yōu)勢菌。現將部分研究論文數據整理如表1所示。

表1 不同菌種優(yōu)勢期分布

從表1中可看出，甲烷菌在污泥堆肥的全時期都有分布；堆肥前中期都有芽孢桿菌的分布，而Chitinaphagaceae（噬幾丁質菌），假單胞菌、黃桿菌不具備分解大分子有機物的能力，只能分解葡萄糖等小分子有機物，且受到溫度影響較大，因此只存在于堆肥后期。

部分菌種呈現出特異性，在污泥堆肥中起到重要作用，但其影響的機制并不明確。將提取出來的菌種經過培養(yǎng)之后制成菌劑，添加進堆肥中進行功能性測試是鑒定菌種功能性的一種方式。張海霞[37]將菌糠腐熟物中提取出來的鏈霉菌培養(yǎng)之后，以0.5%、1.0%、1.5%的比例接種，其中0.5%對污泥堆肥效果最佳，能增長高溫持續(xù)時間和最高溫度，但濃度過高時會對堆肥產生抑制；Che等[38]利用傅里葉變換離子回旋共振質譜和16S rRNA測序分析DOM轉化過程，微生物群落結構在堆肥過程會發(fā)生劇烈變化，并且通過網絡分析發(fā)現，卡氏桿菌、芽孢桿菌屬和脫氯單胞菌屬與DOM亞類最相關，鈣細菌能降解碳水化合物，芽孢桿菌通過轉化含氮化合物加速腐殖化，脫氯單胞菌能降解低多環(huán)芳烴的含量；Zhao等[39]從堆肥樣品中獲得了耐溫硝化菌（TNB），并將其接種到污泥堆肥中，測定了接種對氮轉化所涉及的理化參數、氮素損失和細菌種群的影響。結果表明，接種TNB提高了堆肥的溫度，以及pH、有機質降解、C/N比和發(fā)芽指數等品質。與對照處理相比，接種處理還降低了29.7%的氨排放，使更多的NH4+-N轉化為NO3--N，減少了氮素損失；陳莉[36]用含硫化物的選擇性培養(yǎng)基從污泥堆肥物料中篩選純化耐高溫菌株，從表觀形態(tài)觀察、生理生化分析和16S rRNA基因序列分析的角度確定其種屬地位，鑒定為愛媛類芽孢桿菌（Paenibacillus ehimensis），具有較強的硫氧化能力和環(huán)境抗逆性，為生物脫硫研究領域提供了新的菌種資源，并為污泥堆肥高溫期的含硫臭氣控制提供了一定的理論支持。

Zhao等[40]將優(yōu)勢菌種Bordetella sp. M05，Ochrobactrum Sp和特異性菌種M06、枯草芽孢桿菌M07和科里葡萄球菌M09制成微生物菌劑，有效地促進了污泥堆肥，使得堆體進入高溫期（50℃）的時間比對照提前了3天，高溫期持續(xù)了12 d，有機質、氮、磷、鉀含量分別提高44.1%、125.9%、311.1%、269.2%。

部分微生物對環(huán)境毒性也有響應，由于PFCAs對環(huán)境和人體健康具有毒性，Qiao等[41]在堆肥中添加全氟烷基羧酸鹽（PFCAs），與未添加6∶2FTOH的堆肥相比，隨著6∶2FTOH濃度的增加，Proteobacteria比例增加，Firmicutes比例降低。

Hayany[42]對堆體中3種不同比例的污泥與綠色廢棄物混合堆肥過程中病原菌（糞大腸菌群、糞鏈球菌、志賀氏菌和沙門氏菌）的演變進行了研究，結果表明堆體中大腸菌群、糞便鏈霉菌減少99%，志賀菌和沙門氏菌減少100%。

4 污泥的重金屬危害

污泥中的重金屬毒性已成為限制污泥使用的主要因素之一，污泥使用的風險表現在重金屬可能通過污泥轉移，從而在土壤中累積，經由食物鏈危害人體健康，可能通過下滲作用進入地下，污染地下水，也可能通過手、口、皮膚接觸直接進入人體，危害人體健康。污泥施用可能帶來的生態(tài)危險已引起廣泛關注。

重金屬的危害與其形態(tài)密切相關。Tessier將重金屬按提取的難易程度分為五種形態(tài)，分別是交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化結合態(tài)、有機結合態(tài)、殘渣態(tài)[43]。不同形態(tài)重金屬對環(huán)境的毒性不同，其中交換態(tài)在可溶于水，代表重金屬極易轉移；碳酸鹽結合態(tài)易溶于弱酸，在酸性條件下水解；鐵錳氧化結合態(tài)，在堿性條件下易反應，有機結合態(tài)和殘渣態(tài)相對穩(wěn)定，不容易進入食物鏈[44]。王晶[45]認為重金屬酸溶態(tài)是最容易發(fā)生遷移的形態(tài)，比較容易危害環(huán)境。重金屬的生物可用態(tài)和可遷移態(tài)所釋放的方式相近，并且重金屬提取量大體相同。鄭西朋[46]用聯合超聲波破解技術、好氧堆肥技術及蚯蚓處理技術，對污水處理廠剩余污泥進行處理，發(fā)現超聲預處理雖然能增加堆肥腐殖化，也能減緩重金屬累積，但對重金屬形態(tài)影響不明顯。

朱秀紅[47]使用龍葵作為研究對象，發(fā)現隨著污泥堆肥的施用量增加，植物體內的重金屬也隨之累積。但也有研究結果表明重金屬的生態(tài)危害不像紙面數據那么嚴重，Anushya等[48]通過田間小區(qū)試驗，研究了造紙污泥堆肥和造紙廢水灌溉對嫁接茄子的生長和產量的影響。實驗結果表明，果實的花青素含量、總酚含量、抗壞血酸含量、可滴定酸度和蛋白質含量等品質屬性沒有受到影響。Toribio和Romanyà[49]按6 kg/m2的施用量將污泥與不同類型的地中海森林土壤混合后，Cu、Ni和Zn總量均有所增加，但重金屬含量遠低于西班牙的飲用水質量標準；考慮到污泥堆肥對于污泥的穩(wěn)定化作用，且污泥堆肥有助于污泥中的腐殖質增長[50]，受污泥堆肥中的微生物、腐殖質以及其它物質影響，或稱污泥中重金屬的穩(wěn)定化，使得污泥堆肥的生態(tài)風險可能遠低于紙面數據。查金[51]也認為污泥堆肥能削弱植物對重金屬的富集能力；程焱[52]認為污泥堆肥的施加不是造成土壤中汞釋放的主要因素，且污泥堆肥中添加生物炭可以減少土壤中的汞釋放。由于機制復雜，對污泥中重金屬對環(huán)境和人體健康的影響還需要進一步深入研究。

5 結束語

污泥堆肥過程中的溫度變化是堆肥時期變化的一個重要指征，主要受到微生物活動的影響，溫度是影響堆肥品質的重要因素，較高的溫度可以使堆肥達到無害化要求，同時促進堆肥的腐殖化，但是較長的高溫期也可能導致氮素流失。改變調理劑種類和配比可以有效改善污泥堆體升溫過程，并同時減少氮素流失。微生物根據生存的優(yōu)勢期劃分，可以分為前期和后期，前期嗜熱微生物起到分解有機物、加快啟動堆肥、提高升溫速率等作用，后期嗜溫微生物能促進腐殖質合成，提高堆體中腐殖質的含量。污泥堆肥受到污泥本身和輔料的影響很大，重金屬生態(tài)危害又受到污泥施用和土壤本底值的影響，因此對于污泥堆肥的利用不能一棒打死，也不能盲目推崇。關于污泥堆肥的利用，還需要更廣泛、更系統(tǒng)地探索和研究。

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Research Progress of Municipal Sludge Aerobic Composting

This paper analyses the principle of sludge composting, analyzes the feasibility and limitations of municipal sludge composting, and analyzes the main influencing factors of sludge composting process, such as conditioner and microorganism, on the influence law of sludge composting, and expounds the possible harm of heavy metals caused by sludge composting. Generally speaking, for the sake of safety, it is reasonable to use sludge compost for landscaping.

municipal sludge; temperature; microorganism; heavy metal

X7

A

1008-1151(2022)10-0040-05

2022-07-23

廣西重大科技創(chuàng)新驅動專項（AA18118013-4）。

謝細竹（1997－），女，南寧師范大學地理科學與規(guī)劃學院在讀碩士研究生，研究方向為城市污泥處理處置。

宋書巧（1964－），南寧師范大學環(huán)境與生命科學學院教授，研究方向為資源與環(huán)境。