不同填充料污泥好氧堆肥的性质变化及腐熟度

不同填充料污泥好氧堆肥的性质变化及腐熟度 李承强 ,魏源送 ,樊耀波 3 ,王敏健 (中国科学院生态环境研究中心环境水化学国家重点实验室 ,北京 100085 ,E2mail :lichengqiang @21cn1com) 摘要 :对脱水污泥与 4 种填充料进行了好氧堆肥试验 ,温度、含水率、有机质、pH 和电导率等参数的监测表明堆 肥过程能顺利进行. 通过研究化学指标水溶性有机碳、NO232N、NH+4 2N 及生物学指标 Cress 发芽指数 GI( Germina2 tion Index)随时间的变化规律 ,发现 NH +4 2N 是影响生物学参数 Cress 发芽结果的重要因素 ,其含量变化与 GI 间具 有较好的相关关系. 本文提出 NH +4 2N 作为本堆肥工艺的腐熟度评价指标 ,腐熟堆肥的 NH +4 - N 含量范围为 015 ～114mgΠg ,其变化与初始堆料有关. 关键词 :堆肥化 ;腐熟度 ;污泥处置 中图分类号 : 　X705 　文献标识码 :A 　文章编号 :025023301 (2001) 0320620060 基金项目 :国家“九五”重点科技攻关项目 (962909201205) 作者简介 :李承强 (1974～) ,男 ,贵州贵阳人 ,硕士 ,主要研究方 向为城市污水处理技术. 收稿日期 :20002112253 通讯联系人 The Character Changes and Maturity of Se wage Sludge Aerobic Co2com2 posting with Various Bulking Agents Chengqiang Li , Yuansong Wei , Yaobo Fan ,Minjian Wang ( SKLEAC , Research Center for Eco2Environmental Sci2 ence ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100085 ,China E2mail :lichengqiang @21cn1com) Abstract : In Aerobic co2composting of four bulking agents and de2watered sewage sludge ,the records of temperature、moisture、 organic matter、pH and conductivity with time showed the composting could be successfully processed 1The changes of chemical parameters , water soluble organic carbon ,nitrate ,ammonium and biological parameter Cress Germination Index( GI) with time during the composting process were investigated1 Ammonium concentration was found to be an important chemical factor affect2 ing Cress Germination Index and had significant negative correlation with GI which could be used as a good index of compost maturity in this study1 The value of ammonium which changed with the initial components in composting would be 015～114 mgΠg at the end of the processes in all composts1 Keywords :composting ; maturity ; sewage sludge disposal 　　腐熟度的评价与堆肥系统密切相关 ,受堆 肥原料、堆肥方式和所用填充料的影响. 腐熟度 作为衡量堆肥产品的质量指标 ,多年来国内外 学者进行了广泛研究 ,但至今仍未取得一个合 理统一的标准和方法. 本文针对所选用的污泥 好氧发酵仓式堆肥系统 ,研究了温度、含水率、 有机质、pH、电导率、水溶性有机碳 (Water Solu2 ble Organic Carbon ,WSOC) 、NO232N、NH+4 2N 及生 物学指标 Cress 发芽指数 GI在堆肥过程中的变 化情况 ,探讨污泥与不同填充料好氧堆肥的腐 熟度评价问题 ,以了解本堆肥工艺参数和堆料 性质的变化规律及为污泥堆肥腐熟度评价提供 合适的评价指标. 1 　材料和方法 111 　试验装置 本试验采用时间2温度联合控制污泥好氧堆肥系统 ,试验装置如图 1 所示.112 　试验材料(1) 污泥 　采自北京市朝阳区方庄污水厂的脱水污泥 ,该厂所处理的污水主要为生活污水 ,因此脱水污泥的有机质含量较高. 经测定 ,含水率 80 %～85 % ,pH 中性 ,有机质含量在45 %以上.(2) 填充料 　本试验选 4 种填充料 :木片(北京市木材厂的下脚料) 、麦壳、玉米芯和稻壳(北京近郊农村的农业废弃物) . 第 22 卷第 3 期 2001 年 5 月 环 　　境 　　科 　　学ENVIRONMENTAL SCIENCE Vol. 22 ,No. 3 May ,2001 A1 温度控制器　B1 时间继电器　C1 温度传感器　D1 阀门 图 1 　污泥堆肥试验装置示意图 Fig. 1 　Test equipment of the sewage sludge aerobic co2composting 113 　试验方法 堆肥池的容积为 412m3 , 有效容积为 315m3 . 上堆前用填充料在通风板上垫上一层约 10cm的垫料层以使堆体的通气均匀. 各轮污泥与填充料的配比如表 1.将表 1 所述 4 种不同配比的堆料充分混匀后上堆 ,堆体表面覆盖一层约 10cm 厚的填充料 ,以防止堆肥过程中水分的散失和吸收堆肥过程中产生的臭气. 采用时间继电器和温度反馈控制系统 ,分别控制离心风机为堆体进行间歇通风供氧和堆体温度不致太高 ,控制点温度设为 60 ℃. 一次发酵完成后转入腐熟仓内进行熟化. 堆体温度由 XS 型智能温度巡检仪自动每 6h 记录一次. 表 1 　污泥与填充料的配比 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 Table 1 　Ratio of the sewage sludge and bulking agent 轮次 A B C D 填充料 麦壳Π回流堆肥Π污泥 木片Π污泥 稻壳Π污泥 玉米芯Π污泥 配比 ( V∶V) 1Π1Π1 2Π1 1Π1 1Π115 污泥 VSΠ% 4719 5816 7417 5716 114 　采样和 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 采样时间在堆肥试验的第 0、3、7、14、21、 35、49 和 80d. 采样点为堆肥温度控制点附近范 围内 ,每次采样约 5kg. 将采集的样品混匀 ,装 入干净的塑料袋中. 部分新鲜样品在 4 ℃冰箱 内保存 ,24h 内分析完毕 ;剩余样品平铺在托盘 中 ,在风室进行风干干燥. 样品各化学参数的分 析方法及条件见表 21 表 2 　堆肥过程分析参数及其分析方法 Table 2 　The prameters and analysis methods of aerobic co2composting process 参数 测试条件 仪器和分析方法 样品 含水率Π% 105 ℃下 24h 减重 (烘箱 DL109) 鲜样 有机质 VSΠ% 550 ℃下灼烧 4h 减重 (马弗炉 MFJ210T) 烘干样 pH 1∶10 的水提取液 玻璃电极 (pHS23) 鲜样 EC 1∶10 的水提取液 DDS211A 型电导率仪 风干样 WSOC 1∶10 的水提取液 TOC500 分析仪 风干样 NO32N 1∶10 的水提取液 离子色谱法 (HITACHI) 风干样 NH +4 2N 10 %NaCl 提取 土壤农化分析[1 ] 鲜样 115 　Cress 发芽实验[2 ] 新鲜样品与水按 1∶10 ( W∶V ) 比例混合振 荡 2h ,提取液在 5000rΠmin 下离心分离 20min , 上清液经滤纸过滤后待用. 把一张大小合适的 滤纸放入干净无菌的 9cm 培养皿中 ,滤纸上整 齐摆放 20 粒 Cress 种子 (Lepidium sativuml1) . 准 确吸取 3ml 滤液于培养皿中 ,在 25 ℃、黑暗条件 下的培养箱中培养 48h. GI(发芽指数 ,Germination Index)由下式计算 : GI = ( %Seed germination) ×( %Root length) Π100 % Seed germination = 样品发芽数Π对照发芽数 ×100 　　　　　　　% Root length = 样品根长度Π对照根长度 ×1002 　结果与分析211 　堆肥过程的一般工艺参数及性质变化(1)温度的变化 　温度的变化反映了堆体内微生物活性的变化 ,能很好的反映堆肥过程所达到的状态。堆料中的有机质在微生物的作用下用于微生物的细胞合成 ,同时分解为 CO2和水 ,在此过程中产生大量热量促使堆体温度上升。堆体温度在 55 ℃条件下保持 3d 以上 163 期 环 　　境 　　科 　　学 (或 50 ℃以上保持 5～7d) ,是杀灭堆料中所含 的致病微生物 ,保证堆肥的卫生学指标合格和 堆肥腐熟的重要条件[3 ,4 ] 。4 轮堆肥的温度变 化如图 2 所示 ,由图 2 可看出 ,4 种不同堆料的 堆温都达到了 55 ℃,并保持了 3d 以上。 (2) 含水率和有机质的变化 　堆肥中有机 图 2 　堆肥温度随时间的变化 Fig. 2 　Variation of the aerobic co2composting temperature with time 物的分解 ,微生物的生长繁殖 ,水是不可缺少的 条件. 污泥堆肥与城市垃圾堆肥在堆料水分控 制方面有所不同 ,城市垃圾由于水分含量低而 需加入水分 ;污泥因为含水率高而需调低水分 , 办法是加入含水率低的填充料如木片、煤灰、农 业废弃物等. 堆肥过程的含水率一方面由于有 机物的氧化分解产生水分而增加 ,另一方面由 于通风作用以水蒸气的形式挥发而降低 ,含水 率的变化是这 2 方面因素迭加的结果. 图 3 是 试验所得到的 4 轮堆肥含水率变化曲线 ,从图 中可看出 ,4 轮堆肥的含水率在初期为 5411 %、 6817 %、7311 % 和 7611 % , 堆肥结束时变为 5213 %、6113 %、7414 %和 6017 % ,与初始值相 比 ,含水率分别下降了 118 %、714 %、- 113 %和 1514 %. 前 3 轮堆肥含水率变化不明显 ,这可能 与当时环境温度变低、堆肥过程中产水及环境 对湿度的散失有不利影响有关. 图 3 　不同填料堆肥含水率随时间的变化 Fig. 3 　Variation of moisture efficiency in the aerobic co2composting piles added different bulking agents with time 　　在堆肥过程发生的生化反应中 ,有机质是 微生物赖以生存和繁殖的重要因素. 高温好氧 堆肥中适合堆肥的有机质含量变化范围为 20 %～80 % ,过高和过低都不利于堆肥过程的 正常进行[5 ] . 图 4 是本试验 4 轮堆肥 VS 的变化 26 环 　　境 　　科 　　学 22 卷 曲线. 从图 4 可看出 ,VS 一般随堆肥的进行而 逐渐下降 ,降解主要发生在高温期 ,而腐熟期 VS变化不大. 堆肥结束时与堆肥初期相比 ,4 轮堆肥的 VS 分别下降了 3135 %、6116 %、 9179 %和 10164 %. 堆肥A 的VS 下降较小 ,原因 是该轮试验中加入了回流堆肥 ,可降解的有机 质较其它 3 轮试验少. 图 4 　不同填料堆肥 VS随时间的变化 Fig. 4 　Variation of VS in the aerobic co2composting piles added different bulking agents with time 　　(3) pH 和电导率 CEC 的变化 　pH 值的变 化是揭示堆肥进行比较直观的参数. 适宜的 pH 值可使微生物有 效地发挥作用 ,保留堆料中有 效的氮成分 ,pH太高和太低都会影响堆肥的效 率.图 5 是本试验 4 轮堆肥 pH 的变化曲线 ,从 图 5 中可看出 ,初期 pH值随着堆肥的进行而升 高 ,4 轮堆肥的 pH值在高温期时分别从初始的 6190、6190、7144 和 7149、上升到 7195、8154、 8176 和 8115 ,在腐熟期内 pH 值逐步下降 ,有研 究指出这与 NH+4 的散失有关[6 ] . 本试验的 pH 值变化范围在 6～9 之间 ,在堆肥微生物的适应 范围内 ,不必进行调整. 电导率 CEC 的大小与堆肥的含盐量有关 , 对于用作土壤调理剂的堆肥产品 ,其 CEC 不宜 过大 ,否则会影响植物的正常生长[7 ] . 图 6 表示 了堆肥 CEC 随时间的变化情况 ,从图 6 中可看 出 ,由于堆料中有机质降解 ,CEC随堆肥的进行 呈上升趋势 ,堆肥结束后各轮的 CEC 分别为 314、411、312 和 313mSΠcm ,小于 Garcia 给出的腐 熟堆肥的电导率值 ,可以安全施用[8 ] . 212 　堆肥的腐熟度指标 图 5 　不同填料堆肥 pH随时间的变化 Fig. 5 　Variation of pH in the aerobic co2composting piles a dded different bulking agents with time 图 6 　不同填料堆肥电导率随时间的变化 Fig. 6 　Variation of CEC in the aerobic co2composting piles added different bulking agents with time 　　堆肥的腐熟度评价指标可分为 3 类 ,物理 学指标、化学指标和生物学指标 ,物理学指标用 于描述堆肥的表观变化 ,简单易于现场监测 ,但 不够准确. 物理学指标用于定性描述堆肥过程 所处状态 ,难以进行定量分析。本试验将堆肥 腐熟度的物理学指标变化归纳为 :堆肥后期温 度自然降低 ,不再吸引蚊蝇及令人不快的气味 ; 由于真菌的生长 ,堆肥出现白色菌丝 ;腐熟堆肥 应是深褐色的 ,具有泥土的气息。化学指标则 给出了堆肥变化的基本信息 ,考虑到腐熟度在 生物学上的含义 ,将化学指标结合生物学指标 对腐熟度进行评价是目前较为常用的方法. 本 文主要就 WSOC、NH+4 2N、NO232N 和生物学指标 GI 进行了研究. 碳源是微生物利用的能源 ,氮 是微生物利用的原料营养源。研究以表示碳、 氮成分的化学参数在堆肥过程中变化规律是一 种比较传统的和实用的腐熟度评价方法[9 ] (1)水溶性有机碳 (WSOC)的变化 　微生物 363 期 环 　　境 　　科 　　学 不能直接利用堆料中的固相成分 ,需通过微生 物分泌胞外酶将堆料中的可降解成分水解为水 溶性成分才能加以利用. 通过研究水溶性成分 随堆肥过程的变化 ,用以判断堆肥的腐熟度. 图 7 是本试验 4 轮堆肥过程中 WSOC 的变化情 况 ,从图中可看出 ,4 轮堆肥的 WSOC 随堆肥的 进行 ,微生物大量繁殖 ,堆料中的有机质在胞外 酶的作用下发生水解 ,水溶性有机碳含量升高 ; 随后由于有机质由微生物合成自身物质及转化 为 CO2 ,WSOC含量逐步降低. 堆肥结束后 ,4 轮 堆肥的 WSOC含量范围为 518～1414mgΠg. 图 7 　不同填料堆肥 WSOC随时间的变化 Fig. 7 　Variation of WSOC in the aerobic co2composting piles added different bulking agents with time 　　(2) NO232N 的变化 　堆肥氮素转化是微生 物过程的结果 ,主要包括氮素的固定和释放. 在 堆肥初期 ,由于堆体温度较高 ,硝化细菌的活动 受到抑制而使 NO -3 2N 含量出现下降或变化不 大的状况 ;堆肥后期 ,堆体温度下降 ,硝化细菌 活性增强 ,堆料中的 NH+4 2N 等氮素成分通过硝 化作用而转化为 NO -3 2N ,其含量出现上升的趋 势. 图 8 显示了 4 轮堆肥试验中 NO -3 2N 的变化 情况. 从图 8 中可看出 ,不同填充料堆肥的 NO -3 2N 的变化差别较大. 以木片和麦壳为填充 料的堆肥 ,由于可供利用碳源较少 ,实际 CΠN 值较低 ,在腐熟期发生了明显的硝化过程 ,腐熟 堆肥 NO -3 2N 含量与初期相比 ,分别上升了 1817 和 514 倍 ,达到 2085 和 5189mgΠkg. (3) NH+4 2N 的变化 　图 9 显示了 4 轮堆肥 试验 NH+4 2N 含量随堆肥过程的变化情况. 从图 9 中可看出 ,4 轮堆肥的 NH+4 2N 变化规律是一 图 8 　不同填料堆肥 NO -3 2N随时间的变化 Fig. 8 　Variation of NO -3 2N in the aerobic co2 composting piles added different bulking agents with time 致的. 在堆肥高温期 ,由于含氮有机物的降解 , NH+4 2N 大量产生 ,造成堆体内 NH+4 2N 含量增 高. 随着堆肥的进行 , 可降解氮成分减少 , NH+4 2N的产生量随之降低 ;同时 ,NH+4 2N 在堆 肥腐熟期随硝化作用的明显增强转化为NO -3 2N 及因通风作用而挥发掉 ,NH+4 2N 含量逐步减 少. 腐熟期内 ,各轮堆肥的NH+4 2N含量变化较小 , 图 9 　不同填料堆肥 NH+4 2N随时间的变化 Fig. 9 　Variation of NH+4 2N in the aerobic co2composting piles added different bulking agents with time 趋于稳定. 堆肥结束后 ,4 轮堆肥的 NH+4 2N 含 量在 015～114mgΠg 的范围内. (3)生物学指标 　用生物学的方法测定堆 肥的毒性 ,是检验正在堆肥的有机质腐熟度的 一种非常直接的和有效的方法[10 ] . 用草种 Cress (Lepidum Sativuml1) 检测堆肥植物毒性的一个 生物学指标称为发芽指数 ( Germination Index , GI) ,GI值不但能检测堆肥样品中的毒性 ,而能 预测堆肥毒性的发展[11 ,12 ] . 图 10 是 4 轮堆肥试 46 环 　　境 　　科 　　学 22 卷 验 GI的变化曲线. 从理论上说 GI < 100 % ,就可 判断堆肥中有毒性 ,但一般认为当 GI > 80 %时 可以判断堆肥腐熟. 本试验在堆肥结束时 GI 分 别达到了 8512 %、10017 %、11618 %和 12115 % , 可以认为堆肥已经腐熟. 图 10 　不同填料堆肥 GI随时间的变化 Fig. 10 　Variation of GI in the aerobic co2composting piles added different bulking agents with time 化学参数 NH+4 2N 是影响 Cress 发芽结果的一种 植物毒性物质. 根据图 11 所作的相关性分析可 知 ,NH+4 2N 的含量与 Cress 的 GI 间具有较好的 相关性. 考虑到腐熟度在化学和生物学上的含 义[10 ,11 ] ,将 NH+4 2N 作为评价堆肥腐熟度是比较 合理的 , 腐熟堆肥应该不含或含有少量的 NH+4 2N. 根据试验结果 ,污泥好氧堆肥过程可选 择NH+4 2N作为腐熟度的评价指标 . 其值因起始 堆料的不同而表现有差异 ,腐熟堆肥的 NH+4 2N 含量应在 015mgΠg～114mgΠg 范围内. 图 11 　NH+4 2N与 GI的相关性曲线 Fig. 11 　Relationship between NH+4 2N and GI 3 　结论 (1)通过对 4 种填充料麦壳、木片、稻壳、玉 米芯与污泥进行好氧高温堆肥实验 ,在本试验 条件下都可使堆肥过程正常进行 ,堆制出合格 的堆肥. (2)研究了评价堆肥腐熟度指标的种子 Cress 的 GI、WSOC、NO232N、NH+4 2N 等 ,结果表明 WSOC在不同填充料污泥堆肥过程中的变化具 有相似性 , 腐熟堆肥的 WSOC 在 518mgΠg～ 1414mgΠg 之间 ,变化范围较大. 不同填料污泥 堆肥的硝态氮变化差异较大 ,对于以麦壳和木 片为填充料的污泥好氧堆肥 ,腐熟堆肥的硝态 氮含量因硝化作用显著而大大增加 ,其含量分 别为 2085mgΠg 和 5189mgΠg ;而以稻壳和玉米芯 为填充料的污泥 ,腐熟堆肥的硝态氮含量增加 并不显著. (3)化学指标 NH+4 2N 在各轮试验中的变化 规律比较一致 ,并且与 GI具有明显的负相关关 系. 考虑到腐熟度在化学和生物学上的含义 ,将 NH+4 2N 推荐为本污泥堆肥系统的腐熟度评价 指标 , 试验得到腐熟堆肥的 NH+4 2N 含量在 015mgΠg～114 mgΠg 范围内. 参考文献 : 1 　南京农学院编. 土壤农化分析. 南京 :农业出版社 ,1985. 54 ～57. 2 　Tiquia S M , Tam N F. Elimination of Phytotoxicity during co2 composting of spent pig2manure sawdust litter and pig sludge. Bioresource Technology ,1998 ,65 :43～49. 3 　中华人民共和国标准 1 粪便无害化卫生标准 1GB7959～ 871 4 　USEPA. A plain English Guide to the EPA Part 503 Biosolids Rule. EPAΠ8322ΠR293Π003 ,19941 5 　陈世和 ,张所明. 城市垃圾堆肥原理与工艺. 上海 :复旦大 学出版社 ,1990. 221 6 　Emeterio iglesias Jimenez , Vicor Perez Garcia. Composting of domestic refuse and sewage sludge. I. Evolution of tempetature , pH ,CΠN ratio and cation2exchange capacity. 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