摘 要：以冀南地区某污水处理厂脱水污泥为原料，选用菌菇渣和玉米秸秆为辅料，按照不同比例混合后进行好氧堆肥。通过对温度、氧气百分含量、含水率、pH值、有机质、铵态氮、硝态氮等多项指标进行测定，考察不同辅料配比对堆肥效果的影响。结果表明，堆肥48 d之后4个堆体的温度在55 ℃以上的天数分别为6、9、8、5 d，均达到了国家无害化卫生标准，且均对植物的生长完全没有毒性（GI>80%），其中以堆体C效果最优。通过对辅料含量和多项指标进行相关性分析可知，辅料含量和含水率呈显著负相关（P<0.05），和有机质呈极显著负相关（P<0.01）。辅料含量的增加导致含水率和有机质呈明显下降趋势，硝态氮因铵态氮快速被硝化呈上升趋势，适当增加辅料有助于堆体的腐熟。
关 键 词：市政污泥;好氧堆肥;辅料配比
近年來，随着经济和城镇化进程的迅速发展，城市污水处理量和处理深度的日益增加必然产生大量污泥，如何妥善处置这些剩余污泥，制约着污水处理行业的持续发展。污水处理的主要副产物污泥中含有大量有机物、营养元素及植物必须微量元素等[1]，若进行适当的加工和综合利用会产生很大的资源化潜力。但同时具有的细菌、病毒、重金属和寄生虫卵等有害物质容易腐化发臭污染环境[2]。污泥堆肥技术已成为污泥资源化的重要绿色途径和研究方向。
目前，秸秆、木屑、锯末和堆肥返料等常用作堆肥调理剂，不同物理化学特性的辅料在污泥堆肥中所起的作用不同。中国作为农业大国，每年产生的秸秆和菌菇渣占农业废弃物的相当大一部分，秸秆的大量焚烧和菌菇渣的任意堆积都会造成资源的浪费。如果将其按一定比例与污泥进行混合，可以调节堆肥物料的水分、增加C/N和透气性，对堆肥产品腐熟度和质量有很大的提升。因此，本研究选取玉米秸秆和菌菇渣作为调理剂与污泥混合，探讨辅料配比对堆肥效果的影响，以期为三者的资源化利用提供理论依据。
1 实验部分
1.1 试验材料
试验所用的污泥取自某污水处理厂脱水机房产生的生污泥，所用的调理剂有两种，一是蘑菇种植产生的菌菇渣，一是农田玉米秸秆，菌菇渣和玉米秸秆都进行粉碎预处理，秸秆的粒径约1 cm。各原料的主要成分如表1。
1.2 试验方法 本研究设置了4个试验组，A（污泥∶菌菇渣∶秸秆=1∶0.5∶0.03）、B（污泥∶菌菇渣∶秸秆=1∶0.6∶0.04）、C（污泥∶菌菇渣∶秸秆=1∶0.75∶0.065）、D（污泥∶菌菇渣∶秸秆=1∶1∶0.1），污泥量均为30 kg，分别添加0.2%的菌剂。堆肥期间采用强制通风+人工翻堆的方式进行处理，前两周的翻堆频率为2次/周，随后为1次/周。通气方式采用间歇式供氧，每天在上、中、晚三个时间段进行通气，通风量为0.30 m3/h，通气时间为30 min，当达到70 ℃的高温时需要加大通风量来防止微生物的死亡，堆肥周期为48 d。
1.3 采样与测定
在堆肥过程的第1、3、5、7、10、13、16、19、24、29、34、41、48 d进行采样，每次采集的样品为多点混合样，采集量不少于100 g。测定样品的含水率、pH值、有机质、铵态氮、硝态氮、种子发芽指数（GI）。含水率、有机质通过总量法测定;pH值按固液比1∶10（w/v）加入去离子水，密封震荡4h，离心过滤之后用pH计进行测定;铵态氮、硝态氮参照《土壤农化分析》测定;种子发芽指数（GI）通过吸取5 mL的浸提液于铺有滤纸的培养皿中，每个培养皿中放20粒白菜种子，进行25 ℃的恒温培养，48 h后测定种子发芽率和根长，并做空白对照。堆肥过程中，在堆体的不同深度放置温度计，于每天上、中、晚三个时间段记录堆体温度及环境温度并取其平均值，同时通过便携式气体检测仪对氧气百分含量进行测定。
2 结果与讨论
2.1 堆肥过程中温度和氧气百分含量的变化
温度是堆肥过程中的一项基本指标，一般堆肥都会经历快速升温、持续高温、缓慢降温3个时期[3]。A堆体相比于其他三个堆体升温较快，在第2 d已经达到了59.28 ℃的高温，并在55 ℃以上持续了6 d，这是因为污泥作为包含大量微生物的絮凝体，占比越大升温越快[4]。堆体B、C分别在第3 d、4 d达到55 ℃以上，第7 d、8 d达到最高温度68.85 ℃、67.55 ℃，并分别在55 ℃以上持续了9 d、8 d。堆体D在第7 d达到55 ℃以上的高温并持续了5 d。根据《粪便无害化卫生标准（GB7959-87）》4个堆体均满足卫生要求。之后由于有机物含量降低，微生物新陈代谢减慢而产热量减少，经过48 d的堆肥周期，堆体温度接近室温不再明显变化。
通风是堆肥过程的重要调控手段，一般根据温度和水分含量调节通气量，从而使堆体含氧量保持在5%～15%的范围内。通过对温度和氧气百分含量进行偏相关分析，两者呈极显著负相关（R=-0.806，P<0.01）。4个堆体的氧气百分含量在高温期急剧下降，降温期逐渐上升，在温度达到室温时与外界空气含量基本保持一致。
2.2 堆肥过程中含水率的变化
污泥含水率是影响堆肥周期长短、堆肥质量的关键性因素[5]。堆体A、B、C、D含水率总体表现为下降趋势，但不同配比的堆体含水率下降幅度有所差异。4个堆体相比初始分别减少了29.47%、31.74%、38.55%、43.10%。辅料配比高的堆体C、D由于菌菇渣量多而孔隙度高，与外界空气接触面积大而导致水分散失快，所以含水率下降更为明显，减量化效果好。
2.3 堆肥过程中pH值的变化
pH值是评估微生物生存环境的重要参数，合适的pH值不仅可以保证微生物良好的生存环境，而且可以减少氨气的挥发，从而降低铵态氮损失[6]。在堆肥前期由于含水率较高，供氧不足，堆体积累乙酸、丁酸等大量有机酸，导致了pH值出现短期的下降。随着有机氮矿化形成的氨气在堆体中不断积累致使pH值逐渐升高，堆体A、B、C在第10 d达到的最大pH值分别为8.71、8.68、8.48，堆体D在第19 d达到最大pH值8.57，都在适于操作的pH值（5.2～8.8）范围内[7]。堆肥后期由于氨气挥发，硝化作用增强，同时有机物分解产生有机酸，致使pH值又逐漸下降。随着辅料配比的增加，堆体中难降解有机物的增多使微生物分解速度相对缓慢，致使达到pH最大值的时间有所延长。
2.4 堆肥过程中有机质的变化
有机质的含量对堆体温度和通风供氧都有一定的影响，最适范围为20%～80%[8]。有机质含量的改变原因主要为降解和腐殖化，致使有机质含量逐渐降低[9]。堆体A、B、C、D的有机质均呈下降趋势，与Fialho等[10]的研究保持一致。4个堆体在堆肥前10 d有机质迅速下降，10 d之后开始趋于平缓。相比于堆体A、B，堆体C、D中辅料含量较多并且秸秆比例大，堆肥后期由于存在大量纤维素、木质素等难降解的有机物使降解时间延长。由于配比的不同，起始所含有的有机质含量也不尽相同，4个堆体相比于堆肥前分别下降了13.27%、14.59%、15.43%、16.23%，辅料的掺量越多堆体质地越疏松，变化更为明显。
2.5 堆肥过程中铵态氮和硝态氮的变化
堆肥过程中铵态氮含量变化的影响因素有温度、pH值和氨化微生物活性[11]，各堆体铵态氨含量的变化都为先上升，然后逐渐下降的趋势。堆体A的铵态氮含量在第5 d达到最大值，堆体B、C、D在第7 d达到最大值，由于堆体A升温迅速降解有机物的速率快，铵态氮含量最高。铵态氮含量的下降，标志着堆肥开始腐熟，随着堆肥进入到降温期，积累的铵态氮一部分转化为氨气排入到环境中，一部分被硝化转化成硝态氮，两者同时作用使得铵态氮含量减少。4个堆体在48 d的堆肥周期之后分别稳定在1 745.16 mg/kg、1 568.59 mg/kg、1 212.28 mg/kg、1 289.73 mg/kg。
硝态氮的含量变化是硝化和反硝化综合作用的结果。堆肥初期温度快速升高造成供氧不足，反硝化作用占据优势，造成氮素的损失。到达高温期时，硝化细菌的活性在大于40℃的条件下被抑制，同时大量的铵态氮在高温条件下转变成氨气挥发，使得硝态氮含量进一步降低，在第7d达到最低。随着堆肥过程的进行，温度下降并且堆体透气性有所提高，充足的氧气环境使得硝化作用逐渐增强，大量的铵态氮转化为硝态氮使得硝态氮含量逐渐回升。堆体A、B、C、D 相比于堆肥前分别增加了854.78 mg/kg、918.80 mg/kg、936.73 mg/kg、946.27 mg/kg，辅料配比的增加会加快铵态氮向硝态氮的转化。 2.6 堆肥过程中种子发芽指数的变化
种子发芽指数（GI）是一种通过检测堆肥浸出液，从而对植物种子发芽抑制作用强弱进行评价的指标。堆体A、B、C、D初始的GI值在20%～35%之间，在堆肥初期出现了短期的下降，最后又继续上升。这是因为初期的堆体中产生了大量的有机酸、多酚、醛类等有害物质对植物的生长产生了阻碍。随着堆肥进程的进行，有机酸等物质分解转化，氨气的挥发及重金属的固定使得对植物生长的抑制作用减弱，促进作用增强。当堆肥结束时，4个堆体的GI值分别为83.12%、86.56%、90.81%、92.51%，已经全部大于80%对植物无毒害作用[12]。
2.7 辅料配比和测定指标的相关性分析
基于SPSS对辅料含量和多个指标进行相关性分析，根据相关系数来确定彼此之间的相关性。由表2可知，辅料含量和含水率的相关性关系为显著负相关（R=-0.977，P<0.05）。辅料含量越高，菌菇渣疏松多孔的结构增大了与空气的接触面积，堆体内部的自由空域（FAS）加大，水分通过高温水汽的蒸发而减少，实现了污泥减量化的目的。辅料含量和有机质呈极显著负相关（R=-0.994，P<0.01）。辅料含量高的含水率下降快，微生物在合适的水分、氧气条件下新陈代谢旺盛，对有机物进行降解的速率增加，导致有机质含量下降。辅料含量和铵态氮呈负相关，但辅料含量的变化与铵态氮堆肥前后的减少量相关性不强（R=-0.400，P>0.05）。辅料含量和硝态氮呈正相关，但辅料含量的变化与硝态氮堆肥前后的增加量无显著关系（R=0.916，P>0.05）。
3 结论
（1）采用菌菇渣和秸秆作为调理剂，以一定比例与污泥混合进行好氧堆肥，4个堆体的温度全部满足了国家无害化卫生标准，堆肥结束时GI值均大于80%达到完全腐熟的要求。综合多项指标分析，堆体C（污泥∶菌菇渣∶秸秆=1∶0.75∶0.065）的堆肥效果最好。
（2）对辅料含量和测定指标进行相关性分析可知，辅料含量和铵态氮呈负相关，和硝态氮呈正相关（P>0.05）;辅料含量和含水率呈显著负相关（P<0.05）;辅料含量和有机质呈极显著负相关（P<0.01）。
（3）辅料含量越高，含水率、有机质下降越明显，适宜的水分及氧气环境加快了铵态氮向硝态氮的转化，使得硝态氮含量增加。所以适当增加辅料含量以维持在45%左右更有利于堆肥的腐熟。
参考文献：
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