低溫環境下消化污泥和玉米秸稈強制通風堆肥過程中物理化學和生物學指標的研究＊

高孟春，王子超，胡 波，王 敏，趙從從，楊慧心，田 穎，王步英

（1.中國海洋大學海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東青島266100；2.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東青島266100）

低溫環境下消化污泥和玉米秸稈強制通風堆肥過程中物理化學和生物學指標的研究＊

高孟春1，2，王子超2，胡 波2，王 敏2，趙從從2，楊慧心2，田 穎2，王步英2

（1.中國海洋大學海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東青島266100；2.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東青島266100）

在低溫環境下采用強制通風堆肥技術對消化污泥和玉米秸稈進行了堆肥化處理。在環境溫度為9～15℃和初始C／N比為19.61情況下，第4天堆體溫度達到最高溫度60℃，堆體溫度保持55℃以上時間為9 d。污泥堆肥過程中總有機碳和C／N比下降明顯，而NO－3－N和重金屬含量升高。p H值、電導率、NH＋4－N、纖維素酶和脲酶的活性呈先增加后降低的趨勢。種子發芽指數在第35天達到84.14%。研究結果表明，消化污泥和玉米秸稈強制通風堆肥在35 d達到了腐熟要求。

消化污泥；玉米秸稈；酶活性；種子發芽指數

隨著城市污水處理量和處理率的提高，我國的城市污泥產生量不斷增加。污泥中含有豐富的有機質和氮、磷、鉀等植物需要的營養元素，能夠改良土壤結構，增加土壤肥力。然而，如果未經處理的城市污泥直接用于農田，有機物分解將消耗土壤中的氧，形成厭氧環境并產生氨和某些低分子量有機酸，抑制作物種子發芽和幼苗根系生長［1］。大量研究表明［2－4］，污泥強制通風堆肥能夠有效地殺滅病原菌、改善污泥不良的物理性狀，是實現污泥穩定化、資源化、無害化和減量化的重要方法。目前，污泥強制通風堆肥的研究集中在C／N比、通風率、調理劑等對堆肥產品的物理、化學特征的影響，但是對冬季低溫環境下污泥強制通風堆肥的研究較少。本研究采用自制的強制通風堆肥反應器，以青島市麥島污水處理廠消化污泥為原料和玉米秸稈為調理劑在冬季低溫環境下進行堆肥，研究堆肥過程中堆體溫度、p H值、總有機碳、電導率、C／N比、、重金屬等物理化學指標的變化，并進行了種子發芽指數和酶活性的評價，為低溫環境下消化污泥好氧堆肥處理提供理論依據和技術支持。

1 試驗裝置與分析方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置由反應倉、時間－溫度聯合控制系統、鼓風機和布氣板等組成［5］。反應倉的長、寬和高分別為80、72和132 cm，有效堆肥容積0.6 m3。沿距反應倉的頂部33、55和底部30 cm的高度分別設置1＃，2＃，3＃取樣口。通過時間－溫度聯合控制系統控制鼓風機向反應倉通風供氧，設定最高控制溫度為60℃，當溫度低于60℃時，由時間控制器控制鼓風機的通斷，當溫度高于60℃時，自動轉為溫度控制器控制鼓風機的通斷，從而避免出現過高溫度影響堆肥過程。

1.2 試驗材料

堆肥污泥取自青島市麥島污水處理廠的消化污泥，玉米秸稈取自膠州市某農場。玉米秸稈粒徑約為0.5～1.5 cm。污泥與玉米秸稈按照濕重比6.5∶1混合，其初始C／N比為19.61，通風量為100 L／min。堆肥原料的性質如表1所示。

表1 堆肥原料的物化性質Table 1 Physical and chemical properties of composting material

1.3 采樣與分析方法

在反應倉1＃、2＃和3＃取樣口分別取相同質量的樣品混合均勻，并取部分新鮮樣品風干。酶的活性通過采用新鮮堆肥樣品測定，p H值、電導率（EC）、植物毒性等采用新鮮堆肥樣品的浸提液進行分析，風干樣品用于測定其總有機碳、總氮、重金屬的測定。

浸提液的制備方法如下：取一定質量的新鮮堆肥樣品按照其所含干樣質量與蒸餾水（按照1∶10的質量比）混合，在25℃條件下在恒溫振蕩器中以170 r／min振蕩頻率振蕩2 h，然后在轉速10 000 r／min下離心30 min，取上清液過0.45μm濾膜，濾液即為浸提液。p H值采用便攜式p H儀（Model 6010，德國WTW公司）測定，N測定采用水楊酸分光光度法［6］，N采用離子色譜法測定［6］，植物毒性測試采用種子發芽指數法［7］。纖維素酶用堆肥樣品和粉末狀微晶纖維素40℃培養16 h，用測定不穩定的還原糖的量表示纖維素酶的活性［8］。脲酶使堆肥樣品和尿素在37℃濕度下培養2 h，其后，用比色法測定釋放的氨的量表示脲酶的活性［9］。

總有機碳（TOC）測定采用水合熱重鉻酸鉀氧化－比色法［10］，總氮采用開氏消煮法［10］，重金屬采用原子吸收分光光度計測定［11］。

2 試驗結果與討論

2.1 堆肥過程中溫度變化

堆體溫度變化與微生物的活性密切有關的，是評價堆肥質量的重要指標［12］。由圖1可知，當環境溫度在9～15℃范圍內變化時，堆體中心溫度經歷了升溫、高溫、降溫3個階段。在堆肥1～4 d內屬于升溫階段，堆體中心溫度達到了最大值60℃，在5～11 d內屬于持續高溫階段，12 d以后屬于降溫階段。堆體中心溫度在55℃以上維持9 d，滿足我國《糞便無害化衛生指標》（GB7959－87）中規定的堆體溫度在50～55℃以上維持5～7 d的要求。

圖1 溫度在堆肥過程中的變化Fig.1 Change of temperature during the composting

2.2 堆肥過程中總有機碳和C／N比變化

由圖2可知，在堆肥過程中微生物降解有機物，導致總有機碳（TOC）和C／N比均隨著堆肥時間增加而逐漸降低。TOC從最初的331.35 g／kg降至結束時的252.81g／kg，下降了23.70%；C／N比從最初值19.61降至12.81。其中，在升溫期和高溫期，微生物活性強，TOC生物降解作用效果明顯，導致C／N降低幅度較大。隨著可生物降解有機物的減少，降溫期微生物活性降低，TOC含量和C／N比趨于穩定。

圖2 總有機碳和C／N在堆肥過程中的變化Fig.2 Change of TOC and C／N during the composting

2.3 堆肥過程中p H值和電導率變化

由圖3可知，由于在升溫期和高溫期有機氮的氨化作用，使p H逐漸上升。在0～5 d的堆肥時間內，p H值由最初的7.63上升到最大值8.13。隨著堆體溫度的下降，硝化作用逐漸起到主導作用，氨態氮被硝化細菌氧化成硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮，堆體p H下降。試驗的p H值在6～9之間變化，在堆肥微生物適應范圍。

電導率可以反映堆肥產品中含鹽量的多少，含鹽量的多少可以指示出堆肥產品對植物生長是否有毒害或抑制作用。在0～5 d內電導率呈上升趨勢，從初始值3 470μS／cm迅速增加至最大值5 160μS／cm。隨后電導率下降，在堆肥結束時降至2 793μS／cm，未超過3 000μS／cm的限值要求，不會對植物生長產生不良影響［13］。

圖3 堆肥過程中p H和EC的變化Fig.3 Change of p H and EC during the composting

2.4 堆肥過程中和的變化

圖4 堆肥過程中和的變化Fig.4 Change of and during the composting

2.5 堆肥過程中種子發芽指數變化

種子發芽指數是檢驗堆肥產品對植物是否產生生長抑制的評價指標，一般情況下發芽指數達到了80%～85%時，可以認為堆肥產品植物毒性較小或者說堆肥已經腐熟。由圖5可知，種子發芽指數呈現先降低再升高的趨勢。在堆肥升溫和高溫期，由于含氮有機物的氨化作用，產生大量游離氨，對植物種子具有毒害作用抑制種子發芽，在第5天種子發芽指數達到最低14.43%。除了部分游離氨揮發外，在降溫期隨著溫度的降低，亞硝化菌和硝化菌對氮的轉化起主要作用，部分NH＋4－N通過硝化作用轉化為NO－3－N，種子發芽指數逐漸升高，第35天種子發芽指數達到84.14%，表明堆肥產品已經達到了腐熟的要求［15］。

圖5 堆肥過程中發芽指數的變化Fig.5 Change of germination index during the composting

2.6 堆肥過程中纖維素酶和脲酶活性變化

堆肥過程中的生物化學變化是在各種酶的參與下進行的，多種氧化還原酶和水解酶都與碳、氮、磷等物質代謝密切相關。纖維素酶是主要參與纖維素的降解，纖維素酶活性的變化可以反應堆肥過程中碳素物質的降解情況。由圖6a可知，在升溫階段纖維素酶活性隨著堆肥時間的增加而增大，在第8天其活性達到最大值461μg／（g·16h）。在降溫階段，纖維素酶活性隨著堆體溫度下降而降低，在第35天纖維素酶活性為71μg／（g·16h）。堆肥過程中氮的代謝與脲酶活性是密切相關的，脲酶可促進含氮物質降解作為植物生長所需的氮營養物質；同時，脲酶活性的變化也是反映堆肥腐熟程度的1個重要指標。由圖6b可知，脲酶活性在堆肥初期呈明顯上升的趨勢，在第5天達到最大值804μg／（g·2h）。隨著水溶性含氮物質的減少，脲酶活性也逐漸降低，在第35天達到70.73μg／（g·2h）。

圖6 堆肥過程中纖維素酶和脲酶的變化Fig.6 Change of cellulose and urease during the composting

2.7 堆肥過程中含水率變化

含水率是影響堆肥效果的重要因素，直接影響堆料的結構特性、熱特性和生物降解速率。對于不同的原料，堆料的含水率通常在45%～75%之間，但適宜的含水率應在50%～65%之間。當堆料的含水率低于30%～40%時，將抑制微生物的活性。由圖7可知，堆肥產品的含水率總體呈先上升后下降的趨勢，在第0～2天內含水率呈上升趨勢，從初始值60.08%上升到63.07%，這主要是由于部分有機物由于微生物分解作用產生二氧化碳和水造成。隨后，堆體溫度升高導致部分水分蒸發，含水率開始降低，堆肥結束是堆肥產品中含水率為51.93%。在整個堆肥過程中，堆肥產品中含水率均在適宜范圍內，不需要調節含水率。

圖7 堆肥過程中含水率變化Fig.7 Change of MC during the composting

2.8 堆肥過程中重金屬含量變化

堆肥過程是1個腐殖化的過程，堆肥原料中有機質在微生物的作用下進行礦化分解，使堆肥原料中有機質降低，引起了重金屬在堆肥產品中積累，使重金屬含量升高，表現為“相對濃縮效應”。由圖8可知，盡管堆肥產品中Cu、Zn、Ni、Cd、Cr和Pb的含量從堆肥開始到堆肥結束分別增加了39.72%、31.53%、8.29%、101.94%、18.98%和37.06%，但其含量低于《農用污泥中污染控制標準》（GB4284－84）中規定Cu、Zn、Ni、Cd、Cr和Pb最高允許含量500、1 000、200、20、1 000和1 000 mg／kg的要求。

圖8 堆肥過程中重金屬總量變化Fig.8 Change of total concentrations of heavy metals during the composting

3 結語

在環境溫度為9～15℃和初始C／N比為19.61情況下，采用強制通風堆肥技術對消化污泥和玉米秸稈進行了堆肥化處理結果表明，第4天堆體中心溫度已達到了控制溫度60℃，堆體保持了55℃以上溫度9 d，滿足我國《糞便無害化衛生標準》（GB7959－87）的規定。污泥堆肥過程中總有機碳和C／N比下降明顯，而和重金屬含量升高，但重金屬含量未超過污泥農用標準的要求。p H值、電導率、、纖維素酶活性和脲酶活性呈先增加后降低的趨勢。種子發芽指數在第35天達到84.14%，已經消除了植物毒性。綜合堆肥過程中物理、化學和生物學指標變化特點，表明消化污泥和玉米秸稈強制通風堆肥在35 d達到了腐熟要求。

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Study on Index of Physicochemical and Biological Properties During Forced Aeration Composting of Digested Sludge and Maize Straw Under Low Ambient Temperature

GAO Meng－Chun1，2，WANG Zi－Chao2，HU Bo2，WANG Min2，ZHAO Cong－Cong2，YANG Hui－Xin2，TIAN Ying2，WANG Bu－Ying2
（1.The Key Laboratory of Marine Environmental Science and Ecology，Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

The forced aeration composting technique was used for composting of digested sludge and maize straw under low ambient temperature.When the initial C／N ratio of composting material was 19.61 accompanying with the ambient temperature between 9 and 15℃，the maximal temperature of composting mixture in the centre arrived at 60℃on 4th day.Above 55℃in the composting mixture kept for 9 d during the whole composting.Total organic（TOC）and C／N ratio obviously declined with the increase of composting time，but the content of NO－3－N and heavy metals increased.p H，electrical conductivity（EC），NH＋4－N，cellulose and urease activities originally increased and then declined.The seed germination index was 84.14%on day 35，which indicated that the phytotoxicity has been removed.The research results shows that forced aeration composting of digested sludge and maize straw can meet the demand of mature on day 35.

digested sludge；maize straw；enzymic activity；germination index

X131.2

A

1672－5174（2011）11－013－05

國家自然科學基金項目（20507016）；中國海洋大學本科生研究發展計劃項目（1012011001）；中國宋慶齡基金會星巴克大學生環保踐行者項目資助

2011－03－21；

2011－04－30

高孟春（1973－），男，博士，教授。E－mail：mengchun＠ouc.edu.cn

責任編輯 龐 旻