郭振勝,張可意,冀 薇,陳新懿,衛(wèi)佩行

1.河南師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,河南新鄉(xiāng) 453007;2.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201620;3.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院風(fēng)景園林學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212400)

園林廢棄物是指園林植物在生長或養(yǎng)護(hù)過程中產(chǎn)生的樹枝、落葉、枯草、花敗等有機(jī)廢棄物[1]。隨著城市綠化的發(fā)展,園林廢棄物數(shù)量急劇增多。根據(jù)城市綠地面積推算,2020年我國園林廢棄物產(chǎn)生量已達(dá)2 600萬t[2]。巨量園林廢棄物給城市垃圾消納帶來很大壓力,填埋成本高,焚燒污染環(huán)境[3]。利用園林廢棄物,變廢為寶,具有重要的現(xiàn)實意義。目前,堆肥化處理是園林廢棄物資源化、無害化和減量化處理的最經(jīng)濟(jì)環(huán)保方式[4-5]。但園林廢棄物具有含水率低、菌群較少的特點,進(jìn)行堆肥處理難度較大。此外,有研究者向園林廢棄物添加蚯蚓或是菌群含量較多的動物糞便等進(jìn)行堆肥研究[6-7],獲得較好的堆肥效果。

同樣,城市化也帶來了大量污水及污泥。數(shù)據(jù)顯示,預(yù)計2025年我國污泥年生產(chǎn)量將達(dá)到9 000萬t[8]。當(dāng)前的污泥主要通過污泥填埋、焚燒以及海洋排放等方式簡單拋棄處理,帶來了土地資源低效占用、土壤和海洋二次污染、焚燒產(chǎn)生的氣體污染等問題[9]。污泥堆肥是一種將有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的高溫發(fā)酵技術(shù)[10],可將污泥穩(wěn)定、減量、并且轉(zhuǎn)為資源,由于污泥中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)及微生物,可通過堆肥穩(wěn)定、減量并資源化[11]。但污泥高含水率、較小的孔隙率及低有機(jī)質(zhì)[12],使其很難達(dá)到好氧堆肥的技術(shù)要求。

將園林廢棄物與污泥以一定比例進(jìn)行堆肥,可達(dá)到優(yōu)勢互補、劣勢互堵的效果,更加有利于二者的資源化利用。針對不同的園林廢棄物種類、與污泥的混合比、好氧或缺氧堆肥方法,研究者開展了廣泛研究。研究發(fā)現(xiàn),綜合分析C/N與碳氮降解率指標(biāo),加入園林廢棄物的污泥堆肥會易腐熟[13]。污泥與園林廢棄物堆肥后,堆肥產(chǎn)物的C/N下降了10%,但仍在成熟度的范圍內(nèi)。堆肥完成后,產(chǎn)物中有機(jī)物的含量超過35%;施用堆肥后,種子的發(fā)芽指數(shù)大部分在70%～90%范圍內(nèi);有機(jī)物含量及發(fā)芽指數(shù)均符合我國堆肥產(chǎn)物的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[14],證明堆肥是成熟且無植物毒素的。污泥與園林廢棄物的共堆肥有助于消除固定于污泥上的一部分抗生素,消除率35%～46%[15]。當(dāng)污泥與園林廢棄物以不同比例堆肥施用于桑樹時,園林廢棄物含量的增加有益于植物的生長[16]。還有研究者發(fā)現(xiàn)堆肥的含水率、pH以及電導(dǎo)率等理化性質(zhì)指標(biāo)能直觀判斷是否適用于土地利用[12]。如好氧堆肥的產(chǎn)品適用于園林綠化土壤,消化堆肥的產(chǎn)品則不適于園林綠化土壤。通過以上研究發(fā)現(xiàn),污泥與園林廢棄物堆肥的最終性能和應(yīng)用場景均與堆肥過程中的各項理化性質(zhì)指標(biāo)的動態(tài)變化規(guī)律緊密相關(guān),變化規(guī)律的探明將有助于從機(jī)理上對肥效等性能進(jìn)行提升。

為了更好地探究園林廢棄物與污泥的堆肥過程中理化性質(zhì)變化規(guī)律,該研究選擇常見的園林植物如紫荊(Cercischinensis)和懸鈴木[Platanusacerifolia(Aiton) Willdenow],取紫荊枝葉、懸鈴木樹葉與污泥混合進(jìn)行堆肥試驗,同時取木材加工剩余木屑(樹種以松科木材為主,混有其他闊葉樹材)與污泥混合進(jìn)行堆肥作為對照。在相同比例拌和均勻形成堆肥混合物的條件下,對比研究3種物料在堆肥過程中溫度、pH及電導(dǎo)率等理化性質(zhì)的變化規(guī)律,以期為園林廢棄物與污泥的資源化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料使用了紫荊枝葉、懸鈴木樹葉、木屑等3種填料與污泥混合,分別記為SR、SP、SW。其中,紫荊枝葉取自江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園內(nèi)的紫荊綠化修剪廢棄物,懸鈴木樹葉取自河南師范大學(xué)校園內(nèi)的落葉,木屑則取自河南省新鄉(xiāng)市附近的木材加工廠,污泥取自河南省新鄉(xiāng)市小尚莊污水處理廠脫水車間。

在堆肥前,對3種填料進(jìn)行粉碎預(yù)處理,紫荊枝葉、懸鈴木樹葉、木屑的尺寸分別為2.0～20.0 mm、0.5～10.0 mm、2.0～35.0 mm,呈正態(tài)分布。3種填料的具體形態(tài)如圖1所示。3種填料含水率分別為6.04%、8.68%、8.51%,污泥的含水率為79.23%?；旌虾?3種物料的含水率分別為69.79%、68.25%、71.31%。3種堆體體積保持相近,入罐前拌和均勻,堆肥反應(yīng)器中具體物料配比如表 1所示。

表1 反應(yīng)器中物料配比

注:a.紫荊枝葉;b.懸鈴木樹葉;c.木屑。Note:a.Bauhinia branches and leaves; b.Cedar tree leaves; c.Wood chips.圖1 填料形態(tài)Fig.1 Filler form

1.2 反應(yīng)裝置如圖2所示,好氧發(fā)酵反應(yīng)罐由有機(jī)玻璃制成,其直徑為20 cm,高度58 cm,壁厚1 cm,并配有曝氣裝置及溫度監(jiān)測系統(tǒng)。3種堆肥物料分別裝入3個好氧發(fā)酵反應(yīng)罐進(jìn)行堆肥。該反應(yīng)裝置通過調(diào)節(jié)發(fā)酵罐外的循環(huán)水浴溫度,實現(xiàn)堆體環(huán)境溫度的控制。曝氣裝置使用電磁式空氣泵從發(fā)酵罐底部為堆肥反應(yīng)曝氣,曝氣強度為300 mL/min,每個發(fā)酵罐上部設(shè)有氣體排放口,使堆肥過程中產(chǎn)生的氣體可以順暢排出。試驗前期保證空氣泵持續(xù)工作,后期為避免長時間曝氣致使堆體內(nèi)水分大量流失,每天僅供氣12 h。溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要包括長度為44 cm的堆體溫度探針、長度為19 cm的水浴溫度探針和動態(tài)溫度監(jiān)控設(shè)備,每天9:00、12:00、15:00、18:00、21:00記錄溫度。

圖2 好氧發(fā)酵反應(yīng)器裝置Fig.2 Aerobic fermentation reactor device

1.3 取樣與測試

1.3.1取樣。整個堆肥過程持續(xù)21 d,堆肥過程中共取樣11次(堆肥1～7 d每天取樣1次;堆肥8～21 d,隔3 d取樣1次)并冷凍(-14 ℃)保存,進(jìn)行含水率、電導(dǎo)率、pH、有機(jī)質(zhì)、碳及氮元素等理化性質(zhì)測試。

1.3.2測試方法。

1.3.2.1電導(dǎo)率及pH。樣品各取5 g置于100 mL錐形瓶中,再用量筒量取50 mL去離子水倒入錐形瓶中,常溫下放入回旋搖床(160 r/min)中震蕩1 h,通過紗布過濾震蕩后的混合物,濾后使用FiveEasy Plus FE38臺式電導(dǎo)率儀[梅特勒托利多科技(中國)有限公司]測其電導(dǎo)率;使用雷磁PHBJ-260F便攜式pH計(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)測量pH。

1.3.2.2有機(jī)質(zhì)。采用灼燒減量法(HJ 761-2015),用鉛筆在坩堝底部注明標(biāo)記,坩堝在600 ℃馬弗爐內(nèi)燒至恒重,稱重記為m0;將0.5 g樣品平鋪于坩堝內(nèi),并放入105 ℃烘箱,烘干1 h后放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫,此時稱重記為m1;再將坩堝放入550 ℃馬弗爐內(nèi)灼燒3 h,灼燒完成后再次放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫,稱重記為m2,計算樣品有機(jī)質(zhì)含量。

1.3.2.3元素測量。根據(jù)元素分析儀測定法使用德國耶拿multiC/N2100stoc分析儀檢測樣品中碳元素、氮元素。

1.3.2.4木材三大素含量。根據(jù)《農(nóng)業(yè)生物質(zhì)原料 纖維素、半纖維素、木質(zhì)素測定》標(biāo)準(zhǔn)(NY/T 3494—2019),將樣品在65 ℃下烘干后過100目篩,再分別經(jīng)過水、乙醇抽提后將樣品烘干至恒重,兩步法濃酸及稀酸水解后使用安捷倫1260高效液相色譜儀測定并計算樣品中葡萄糖、木糖、半乳糖、阿拉伯糖及甘露糖含量。計算酸溶木質(zhì)素含量及酸不溶木質(zhì)素含量,二者加和即為總木質(zhì)素含量;根據(jù)高效液相色譜儀測定樣品中不同糖含量計算纖維素及半纖維素含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度堆體溫度是堆肥反應(yīng)的重要理化指標(biāo)之一。由圖3可知,溫度曲線總體呈現(xiàn)出先快速升高后緩慢階梯式下降的趨勢,大致可分為3個階段(Ⅰ,0～1.31 d;Ⅱ,1.31～14.00 d;Ⅲ,14.00～21.00 d)。第一階段內(nèi),SW、SP及SR的溫度迅速升至峰值,分別為63.6、66.8及66.6 ℃。第二階段內(nèi),溫度呈階梯狀緩慢下降,總體溫度SR>SP>SW。堆肥第14天,溫度驟降。之后隨著時間的推進(jìn),SW溫度穩(wěn)定在40 ℃左右,SR及SP穩(wěn)定在43 ℃左右。通過觀察曲線變化可以發(fā)現(xiàn),3種混合物堆肥過程中的溫度始終接近或高于環(huán)境設(shè)定溫度,說明環(huán)境溫度可以維持堆肥中熱量的產(chǎn)生,同時不限制堆肥溫度的增長。堆肥第一階段的升溫提高了混合物中的微生物活性,促進(jìn)了有機(jī)物的降解,同時釋放大量熱量[17],使堆肥溫度升高。

圖4 pH隨時間的變化曲線Fig.4 pH curve over time

圖5 電導(dǎo)率隨時間的變化曲線Fig.5 Change curve of conductivity over time

3種物料堆肥時溫度變化趨勢相近,除了環(huán)境溫度的促進(jìn)及影響外,應(yīng)與堆肥材料性質(zhì)相近有關(guān)。當(dāng)理化性質(zhì)相近時,微生物分解有機(jī)物時產(chǎn)生的熱量及引起溫度變化的時刻會相近,使得三者溫度變化趨勢相近。盡管如此,在第二階段,仍可以分辨出總體溫度SR>SP>SW,SR的整體溫度要高于SW,微生物反應(yīng)程度明顯要比SW劇烈。第三階段溫度驟降,可能是由于自第14天開始,為維持堆肥所需水分而間歇開泵,使堆肥中通氣量減少,供氧含量降低,不利于微生物繼續(xù)分解有機(jī)物。同時,有機(jī)物逐漸消耗,釋放的熱量也在減少,產(chǎn)熱速率低于熱損速率使堆肥溫度降低,并維持在40 ℃左右。

2.2 pH如圖 4所示,3種物料的pH在第3天快速上升至8.8左右,堆肥由中性變?yōu)閴A性并保持穩(wěn)定,在第6天開始緩慢下降,第19天SW及SR穩(wěn)定至8.3左右,而SP穩(wěn)定至8.0,呈現(xiàn)弱堿性。觀察發(fā)現(xiàn),pH變化曲線和溫度變化曲線總體變化趨勢相近,均為快速上升后再緩慢下降。溫度上升至峰值后微生物活性增強,加強氨化作用,釋放大量氨氣[18],產(chǎn)生大量NH4+-N,部分有機(jī)酸的氧化分解也會引起pH的上升。對比轉(zhuǎn)折點時間發(fā)現(xiàn),溫度上升后進(jìn)行的一系列增加pH的反應(yīng)需要時間,這使得pH的變化相對于溫度的變化具有滯后性。除此之外,可以觀察到3種堆肥混合物有不同的變化趨勢,這與堆肥過程中發(fā)生的相關(guān)生化反應(yīng)有關(guān),pH上升后,高溫促進(jìn)氨氣揮發(fā),硝化細(xì)菌通過氨化作用轉(zhuǎn)化氨為硝酸或亞硝酸以及淀粉等碳水化合物分解產(chǎn)生有機(jī)酸等反應(yīng)會減小pH,氨化作用及有機(jī)酸的消耗等反應(yīng)則會增加pH[19-21],這些反應(yīng)同時發(fā)生在3種堆肥中會不同程度地增加或減小pH,使其在波動中緩慢下降。對比前期的快速上升及后半部分的緩慢下降,可以發(fā)現(xiàn)在不同的堆肥階段有不同的反應(yīng)作為該階段的主導(dǎo)反應(yīng)。如:1～6 d的快速上升至穩(wěn)定時期,堆肥以氨化作用及分解有機(jī)酸為主要反應(yīng);7～21 d 的緩慢波動下降至穩(wěn)定時期則以氨流失及分解產(chǎn)生有機(jī)酸為主要反應(yīng)。觀察SR及SW的變化趨勢發(fā)現(xiàn),SR的pH先于SW下降,但SR在第11天低至SW的pH以下,但在第19天又上升至穩(wěn)定,表明堆肥趨于成熟。

2.3 電導(dǎo)率如圖 5所示,3種物料的電導(dǎo)率總體上先快速上升,短時降低后再恢復(fù)上升。堆肥前10 d左右SW、SP、SR的電導(dǎo)率均到達(dá)峰值,SW及SP自達(dá)到峰值后到第15天短時下降,再上升回峰值水平;SR與二者不同,自第11天達(dá)到峰值后電導(dǎo)率保持穩(wěn)定。堆肥結(jié)束時SW及SP的電導(dǎo)率相近,且大于SR的電導(dǎo)率。觀察對比發(fā)現(xiàn),電導(dǎo)率趨勢與溫度及pH變化曲線具有一定的相似性,均為快速上升后緩慢下降并保持穩(wěn)定,但也有不同之處。pH變化相比溫度變化具有滯后性,而電導(dǎo)率變化相比pH變化也具有滯后性,pH在第3～6天內(nèi)達(dá)到峰值并開始下降,電導(dǎo)率在第5天左右經(jīng)歷微小波動后再到第10天左右才達(dá)到峰值,而此時的pH正處于下降階段,這說明從溫度升高增加微生物活性分解有機(jī)物質(zhì)釋放更多熱量,到微生物活性增加促進(jìn)氨化反應(yīng)及分解有機(jī)酸反應(yīng),再到微生物分解有機(jī)物釋放許多可溶性有機(jī)物和無機(jī)離子,這3種過程需要不同的時間,從而導(dǎo)致溫度、pH及電導(dǎo)率的變化節(jié)點不同。SW及SP的電導(dǎo)率在第8～15天下降,這可能與自第14天開始間歇開泵相關(guān),間歇開泵使溫度驟降,不利于微生物釋放更多的礦物鹽。分別觀察3種堆肥混合物,發(fā)現(xiàn)SR不止峰值及最終值小于SW及SP,且自到達(dá)峰值到堆肥結(jié)束,SR的電導(dǎo)率較穩(wěn)定,很明顯,SR的微生物釋放礦物鹽含量小于SP及SW,同時因間歇開泵而抑制SR微生物釋放礦物鹽的強度要小于其他2種堆肥混合物。研究表明[22],低電導(dǎo)率的堆肥應(yīng)用效果要優(yōu)于高電導(dǎo)率,且SR的電導(dǎo)率最先保持穩(wěn)定,表示SR最先進(jìn)入成熟階段,故在電導(dǎo)率變化方面,SR的堆肥應(yīng)用效果可能優(yōu)于SW。

2.4 碳氮比與有機(jī)質(zhì)含量堆肥的碳氮比(C/N)是評價堆肥過程成熟度的指標(biāo)之一[23]。表2列舉了3種堆體堆肥前后碳氮元素含量、C/N及堆肥前后的損失率,可以看到堆肥前后碳元素及氮元素?fù)p失率為SW>SP>SR,其中碳元素?fù)p失較大,為44.57%～51.04%。這與Yuan等[24]研究中的碳損失水平相當(dāng)。但堆肥前后C/N的損失率為SR>SP>SW。從碳、氮元素及C/N的損失數(shù)據(jù)可知,SW的碳、氮元素在堆肥過程中損失率最高,但相比其他2種堆肥混合物,C/N損失率較低,且堆肥結(jié)束時的C/N是三者中最高的。這可能由于SW中氮元素通過氨化反應(yīng)轉(zhuǎn)化量不高。相比之下,SR的氮元素?fù)p失率要小于碳元素,堆肥后的C/N也要低于SW。

表2 堆肥前后碳元素與氮元素含量變化

表3 各堆體有機(jī)質(zhì)對比

表4 木質(zhì)素、纖維素及半纖維素堆肥前后含量及降解率

有機(jī)質(zhì)主要包含糖類化合物、木質(zhì)纖維素和脂肪等五類有機(jī)化合物及灰分。如表 3所示,有機(jī)質(zhì)降解率為SR>SP>SW。SR堆肥前的有機(jī)質(zhì)含量最高,且堆肥過程中降解率也是最高的,說明SR中易降解有機(jī)質(zhì)含量較大或微生物活性較高,能夠分解更多的有機(jī)質(zhì)或微生物分解有機(jī)質(zhì)時間較長或速度較快。由表2可知,雖然SR堆肥前的碳含量不是最低的,但碳損失卻是最少的,說明有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生碳元素較多,能在堆肥過程中補充部分損失的碳元素。

2.5 木質(zhì)素、纖維素及半纖維素含量木質(zhì)原料由木質(zhì)素、纖維素及半纖維素構(gòu)成[25]。作為纖維素及半纖維素的保護(hù)結(jié)構(gòu)[26],木質(zhì)素不易降解,其含量與分解速率甚至呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)[27]。微生物分解木質(zhì)纖維素時,需要先打破木質(zhì)素的保護(hù)結(jié)構(gòu),再對纖維素及半纖維素進(jìn)行分解。對于堆肥混合物,纖維素及半纖維素含量高,且木質(zhì)素含量低更易于堆肥過程中微生物分解有機(jī)質(zhì),釋放熱量。但由表 4可知,在堆肥前,SR中較易分解的纖維素及半纖維含量均低于SW,較難分解的木質(zhì)素含量高于SW。盡管如此,堆肥結(jié)束后SR的降解率皆大于SW。究其根本,木質(zhì)纖維素的分解與微生物離不開關(guān)系,但木屑選自木材加工廠,而紫荊枝葉為綠化修剪廢棄物,木屑中微生物的生存環(huán)境及狀況不及紫荊枝葉,其種類數(shù)量及活性也遜于紫荊枝葉。

2.6 粒徑綜合溫度、電導(dǎo)率、C/N、有機(jī)質(zhì)及木質(zhì)纖維素降解可以推斷,相比SP,SR的堆肥效果會更明顯優(yōu)于SW,但在環(huán)境條件基本相同的情況下,推斷出現(xiàn)堆肥效果不同的原因與填料的性質(zhì)相關(guān)。因此僅選取木屑及紫荊枝葉,通過隨機(jī)取樣并測量二者的尺寸,并繪制粒徑分布圖(圖6)及二者的級配曲線圖(圖7)。觀察二者的級配曲線圖發(fā)現(xiàn),填料粒徑越大,含量越大且越相近,但紫荊枝葉粒徑小于5 mm的含量遠(yuǎn)低于木屑。觀察二者的粒徑分配圖進(jìn)行更深入地分析,紫荊枝葉的粒徑主要分布在5～10 mm,而木屑在0～10 mm均勻分布,紫荊枝葉的平均尺寸大于木屑的平均尺寸。堆肥中,較大的填料粒徑會使堆肥混合物中具有較大的空隙,利于堆肥過程中氧氣擴(kuò)散,氧氣流通利于好氧堆肥中微生物反應(yīng),這可能是SR的堆肥效果優(yōu)于SW的原因之一。因試驗中堆肥使用的好氧發(fā)酵罐具有由有機(jī)玻璃制成的1 cm厚管壁,同時,好氧發(fā)酵罐外使用循環(huán)水浴調(diào)節(jié)堆肥環(huán)境溫度。所以不會出現(xiàn)由于堆肥混合物空隙較大,空氣流通較好使堆體保溫效果不好等情況[28]。

圖6 木屑與紫荊枝葉的粒徑分布Fig.6 Particle size distribution of sawdust and Bauhinia branches and leaves

圖7 木屑與紫荊枝葉的級配曲線Fig.7 Grading curve of sawdust and Bauhinia branches and leaves

3 結(jié)論

通過檢測記錄3種堆肥混合物在堆肥過程中溫度、pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)、木質(zhì)纖維素及C/N等理化性質(zhì)數(shù)據(jù),多角度對比分析了理化性質(zhì)的變化情況,得出以下結(jié)論。

(1) 在可以設(shè)定并維持環(huán)境溫度的情況下,3種堆肥混合物的溫度變化與環(huán)境溫度趨勢高度相似,環(huán)境溫度可以穩(wěn)定熱量的產(chǎn)生,且不限制堆肥溫度增長的最大值;由于各種填料性質(zhì)不同,在溫度變化上推測SR的堆肥反應(yīng)比SW劇烈。

(2) pH及電導(dǎo)率變化曲線與溫度變化曲線相似,且具有一定的滯后性,這或許與堆肥內(nèi)不同的反應(yīng)所需時間不同相關(guān);SR的電導(dǎo)率最早保持穩(wěn)定且相比SP、SW較低,說明SR更適于堆肥的農(nóng)業(yè)應(yīng)用,堆肥效果較好。

(3) 對比3種堆肥混合物的C/N、有機(jī)質(zhì)及木質(zhì)纖維素堆肥前后變化,SR的降解能力較強。分析SW與SR的3種木質(zhì)纖維素堆肥前后的含量及粒徑,推測SR的堆肥反應(yīng)較為劇烈的原因同填料粒徑的大小及微生物種類數(shù)量和活性情況相關(guān)。