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摘 要：采用高温好氧堆肥工艺，以菌渣、木屑等为辅料，研究城市污泥与辅料不同配比对堆肥过程中碳、氮含量的影响。结果表明：城市污泥与辅料不同配比在进行好氧堆肥情况下，均能在15d左右完成腐熟周期。各处理含水率随着堆肥时间的延长呈下降的趋势，pH值表现为先下降后上升，在堆肥进行到第19天时，达到7.67～8.36;有机质、全氮含量呈下降趋势，在第19天时，有机质、全氮含量分别下降6.72%～12.79%、0.54%～0.98%;不同处理堆体微生物量的碳、氮含量呈先上升后下降的趋势，在不同配比中，污泥比例越大，堆肥过程碳、氮含量损失越多，且微生物生物量碳、氮活性越低。
关键词：城市污泥;好氧堆肥;有机质;全氮;微生物量碳;微生物量氮
中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2019）21-0110-03
Abstract：In this paper，high temperature aerobic composting process was used to study the effects of different ratios of sewage sludge and auxiliary materials on carbon and nitrogen content in the composting process，using bacterial residue and sawdust as auxiliary materials. The results showed that the decomposition cycle of sewage sludge with different proportions of auxiliary materials could be completed in about 15 days when aerobic composting was carried out. The water content of each treatment decreased with the composting time prolonging，and the pH value decreased first and then increased. The pH value was 7.67-8.36 on the 19th day of composting. The contents of organic matter and total nitrogen decreased by 6.72%-12.79% and 0.54-0.98% on the 19th day of composting，respectively. The content of Microbial biomass carbon and Microbial biomass nitrogen increased first and then decreased. The larger the proportion of sludge，the more the loss of carbon and nitrogen in composting process，and the lower the activity of microbial biomass carbon and nitrogen.
Key words：Sewage sludge;Aerobic composting;Organic matter;Total nitrogen;Microbial biomass carbon;Microbial biomass nitrogen
近年來，随着中国城市的不断发展，城镇污水导致污泥产量急剧增加，污泥处置的问题已成为了城市可持续发展亟待解决的重要问题之一[1-2]。污泥中含有丰富的有机质及各类营养元素，可以作为有机肥料和土壤改良剂，增加土壤养分，从而促进植物的生长发育，提高作物产量[3-4]，但同时其也含有一定量的重金属、有毒有机物等有害成分，具恶臭味，不便于储存、运输和使用，因而在土地利用前对污泥进行稳定化处理是非常必要的[5]。堆肥化处理可以有效地减少污泥中有机质和养分元素的流失，是污泥减量化、无害化、资源化的一种比较理想的处理方法，也是实现污泥可持续利用的主要途径[6]。但污泥含水率高、C/N比低的性质使其单独堆肥周期长、效果差，易导致大量氮损失，不适宜直接堆肥，需要添加辅料调节含水率和C/N比[7]。研究表明[8]，在污泥中添加一定比例的高碳低氮物质来补充碳源，有利于提高微生物对有机碳的分解速率，促进微生物将更多的铵态氮固定为有机氮，以减少氮素损失。污泥经堆肥化处理后，可以考虑在园林绿化、高速公路绿化带、高尔夫球场等场所使用，这样既可以节约运输成本，也可合理利用污泥资源，同时为污泥的处置找到了出路[9]。本研究以福州市污水处理厂污泥为对象，研究城市污泥与农业废弃物进行堆肥化处理后的碳氮含量变化，为污泥的大规模堆肥化处理提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料 采用福州洋里污水厂干湿分离的污泥为试验材料，其余辅料有市售木屑、谷壳、谷糠、食用菌渣。各种原料主要成分见表1。
1.2 试验设计 试验设4个处理，分别为T1：45%污泥+42%食用菌渣+8%木屑+5%谷壳;T2：50%污泥+37%食用菌渣+8%木屑+5%谷壳;T3：55%污泥+32%食用菌渣+8%木屑+5%谷壳;T4：60%污泥+27%食用菌渣+8%木屑+5%谷壳。堆肥原辅料充分混匀后堆置成圆锥形堆体，堆肥高度0.8m，底部直径1m。 1.3 采样与测试 于每天早上10：00用温度计插入堆体表层下100cm处，采用多点测量取平均值的方法测定堆体温度，并于堆肥第7天和14天进行翻堆。堆肥化过程中，从4月3日开始，每隔2d取样1次，采样深度在物料的中心位置，每次取样200g左右，分以下2个部分保存：一部分为新鲜样品，用于测定含水量、微生物碳、氮，另一部分自然风干，粉粹后用于测定pH值、总有机碳和总氮。测定分析方法参照鲁如坤土壤农化分析方法，采用Excel 2003进行数据处理和作图。
2 结果与分析
2.1 不同物料配比对堆肥过程温度变化的影响 由图1可知，在堆肥过程中，不同物料配比处理堆体温度的变化规律相一致，均经历了升温期、高温期以及降温期。在第1次翻堆前，不同配比的堆体温度均可达到60℃以上。其中，污泥比例越少，堆体的温度越高，T1处理堆体的高温可达到70℃，而T3、T4处理高温维持在60℃左右。第1次翻堆后，各处理堆体温度降至50℃左右，随后又上升，表明发酵还未完成;在第2次翻堆后，各处理的堆体温度开始下降，并趋于稳定，表明好氧发酵已基本完成，堆肥达到腐熟阶段。
2.2 不同物料配比对堆肥过程含水率、pH值的影响 由图2可知：试验前堆肥含水率在55.27%～62.22%，随着堆肥时间的延长，堆体的水分以水蒸气的形式散失到环境中，以及堆体内微生物活跃期间消耗水分，导致各处理含水量下降。在堆肥进行到第19天，试验堆肥的含水率在43.08%～48.20%，其中以T4处理含水率最高。不同物料配比堆体pH变化如图3所示。由图3可知，在堆肥过程中，各处理pH值呈现先下降后上升的趋势。随着堆肥的进行，在升温时期，堆体有机物量大分解产生小分子有机酸和各种离子，较大的酸性物质产生导致pH值下降;之后随着有机酸的分解，含氮物质在微生物作用下分解产生大量的氨气，在堆体内积累使pH值上升;在堆肥进行到第19天时，pH值在7.67～8.36，pH值越高，则意味着氮损失的可能性越大。
2.3 不同物料配比对堆体有机质、全氮含量的影响 由图4可知：随着堆肥时间的延长，各处理的有机质含量总体呈现下降的趋势。有机质含量降低主要是因为堆肥前微生物活性较高，代谢活动较强，堆体中容易降解有機物被大量分解，使堆体有机质含量下降，随着污泥用量的增加，有机碳下降幅度增大。在堆肥进行到第19天时，各处理有机质含量分别下降6.72%～12.79%，其中以T4处理下降最多。随着堆肥时间的延长，全氮含量总体呈现下降的趋势（图5），这与有机质的趋势相一致。堆肥过程中，在微生物代谢作用下，有机氮强烈分解，大量的氨产生并挥发，造成堆体全氮含量下降。在堆肥进行到第19天时，各处理全氮含量分别下降0.54～0.98%，其中T4处理全氮下降幅度最大，而菌渣能保持堆体的通透性，增大堆体填料对氮的吸附，因此菌渣比例越高，总氮含量损失越小。
2.4 不同物料配比对堆体微生物量碳、氮含量的影响 由图6、图7可知，在堆肥过程中，堆体微生物生物量碳、氮含量呈现先增加后降低的趋势，各处理在堆肥进行到第7天时，微生物生物量碳、氮均达到最大值，表明此时堆体微生物活性较强;翻堆后，随着堆体温度下降，各处理堆体的微生物生物量碳、氮含量开始降低，说明堆体内微生物活性开始减弱。在不同处理中，均以T1处理的微生物生物量碳、氮含量最高，这表明T1处理的配比更有利于微生物生长，从而更有利于有机物料的腐殖化。
3 结论
通过城市污泥与辅料不同配比在进行连续翻堆好氧发酵情况下，均能够在15d左右完成腐熟周期，但是在后期pH持续升高，易造成氨挥发，存在氮损失挥发到环境的风险。在不同配比中，污泥比例越大，堆肥过程碳、氮含量的损失就越多，且微生物生物量碳、氮活性越低。因此，在本研究中，以45%污泥+42%食用菌渣+8%木屑+5%谷壳配比的整体效果最佳。
参考文献
[1]孟国欣，查同刚，张晓霞，等.北京污水处理厂污泥重金属污染特征和生态风险评价[J].生态环境学报，2017，26（9）：1570-1576.
[2]张增强，孟昭福，孙西宁，等.我国城市污泥处理对策分析[M].北京：化学工业出版社，2011.
[3]SUN Q H，ZHANG J K，ZHANG H F. Research on Sewage Sludge Composting Experimental[J].Advanced Materials Research，2014，1030-1032：313-316.
[4]VIAENE J，VAN L J，VANDECASTEELE B，et al. Opportunities and barriers to on-farm composting and compost application：A case study from northwestern Europe[J].Waste Management，2016，48：181-192.
[5]张增强，殷宪强.污泥土地利用对环境的影响[J].农业环境科学学报，2004，23（6）：1182-1187.
[6]LISTER S K，LINE M A. Potential utilisation of sewage sludge and paper mill waste for biosorption of metals from polluted waterways [J].Bioresource Technology，2001，79（1）：35-39.
[7]袁京，何胜洲，李国学，等.添加不同辅料对污泥堆肥腐熟度及气体排放的影响[J].农业工程学报，2016，32（S2）：241-246
[8]洪磊，肖学贵.污泥堆肥过程中氮素损失及控制方法[J].河南农业，2016（11）：19-20.
[9]张增强，薛澄泽.城市污水污泥的堆肥化与资源化[J].环境保护，1997（7）：12-15.
（责编：张宏民）
关键词：城市污泥;好氧堆肥;有机质;全氮;微生物量碳;微生物量氮
中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2019）21-0110-03
Abstract：In this paper，high temperature aerobic composting process was used to study the effects of different ratios of sewage sludge and auxiliary materials on carbon and nitrogen content in the composting process，using bacterial residue and sawdust as auxiliary materials. The results showed that the decomposition cycle of sewage sludge with different proportions of auxiliary materials could be completed in about 15 days when aerobic composting was carried out. The water content of each treatment decreased with the composting time prolonging，and the pH value decreased first and then increased. The pH value was 7.67-8.36 on the 19th day of composting. The contents of organic matter and total nitrogen decreased by 6.72%-12.79% and 0.54-0.98% on the 19th day of composting，respectively. The content of Microbial biomass carbon and Microbial biomass nitrogen increased first and then decreased. The larger the proportion of sludge，the more the loss of carbon and nitrogen in composting process，and the lower the activity of microbial biomass carbon and nitrogen.
Key words：Sewage sludge;Aerobic composting;Organic matter;Total nitrogen;Microbial biomass carbon;Microbial biomass nitrogen
近年來，随着中国城市的不断发展，城镇污水导致污泥产量急剧增加，污泥处置的问题已成为了城市可持续发展亟待解决的重要问题之一[1-2]。污泥中含有丰富的有机质及各类营养元素，可以作为有机肥料和土壤改良剂，增加土壤养分，从而促进植物的生长发育，提高作物产量[3-4]，但同时其也含有一定量的重金属、有毒有机物等有害成分，具恶臭味，不便于储存、运输和使用，因而在土地利用前对污泥进行稳定化处理是非常必要的[5]。堆肥化处理可以有效地减少污泥中有机质和养分元素的流失，是污泥减量化、无害化、资源化的一种比较理想的处理方法，也是实现污泥可持续利用的主要途径[6]。但污泥含水率高、C/N比低的性质使其单独堆肥周期长、效果差，易导致大量氮损失，不适宜直接堆肥，需要添加辅料调节含水率和C/N比[7]。研究表明[8]，在污泥中添加一定比例的高碳低氮物质来补充碳源，有利于提高微生物对有机碳的分解速率，促进微生物将更多的铵态氮固定为有机氮，以减少氮素损失。污泥经堆肥化处理后，可以考虑在园林绿化、高速公路绿化带、高尔夫球场等场所使用，这样既可以节约运输成本，也可合理利用污泥资源，同时为污泥的处置找到了出路[9]。本研究以福州市污水处理厂污泥为对象，研究城市污泥与农业废弃物进行堆肥化处理后的碳氮含量变化，为污泥的大规模堆肥化处理提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料 采用福州洋里污水厂干湿分离的污泥为试验材料，其余辅料有市售木屑、谷壳、谷糠、食用菌渣。各种原料主要成分见表1。
1.2 试验设计 试验设4个处理，分别为T1：45%污泥+42%食用菌渣+8%木屑+5%谷壳;T2：50%污泥+37%食用菌渣+8%木屑+5%谷壳;T3：55%污泥+32%食用菌渣+8%木屑+5%谷壳;T4：60%污泥+27%食用菌渣+8%木屑+5%谷壳。堆肥原辅料充分混匀后堆置成圆锥形堆体，堆肥高度0.8m，底部直径1m。 1.3 采样与测试 于每天早上10：00用温度计插入堆体表层下100cm处，采用多点测量取平均值的方法测定堆体温度，并于堆肥第7天和14天进行翻堆。堆肥化过程中，从4月3日开始，每隔2d取样1次，采样深度在物料的中心位置，每次取样200g左右，分以下2个部分保存：一部分为新鲜样品，用于测定含水量、微生物碳、氮，另一部分自然风干，粉粹后用于测定pH值、总有机碳和总氮。测定分析方法参照鲁如坤土壤农化分析方法，采用Excel 2003进行数据处理和作图。
2 结果与分析
2.1 不同物料配比对堆肥过程温度变化的影响 由图1可知，在堆肥过程中，不同物料配比处理堆体温度的变化规律相一致，均经历了升温期、高温期以及降温期。在第1次翻堆前，不同配比的堆体温度均可达到60℃以上。其中，污泥比例越少，堆体的温度越高，T1处理堆体的高温可达到70℃，而T3、T4处理高温维持在60℃左右。第1次翻堆后，各处理堆体温度降至50℃左右，随后又上升，表明发酵还未完成;在第2次翻堆后，各处理的堆体温度开始下降，并趋于稳定，表明好氧发酵已基本完成，堆肥达到腐熟阶段。
2.2 不同物料配比对堆肥过程含水率、pH值的影响 由图2可知：试验前堆肥含水率在55.27%～62.22%，随着堆肥时间的延长，堆体的水分以水蒸气的形式散失到环境中，以及堆体内微生物活跃期间消耗水分，导致各处理含水量下降。在堆肥进行到第19天，试验堆肥的含水率在43.08%～48.20%，其中以T4处理含水率最高。不同物料配比堆体pH变化如图3所示。由图3可知，在堆肥过程中，各处理pH值呈现先下降后上升的趋势。随着堆肥的进行，在升温时期，堆体有机物量大分解产生小分子有机酸和各种离子，较大的酸性物质产生导致pH值下降;之后随着有机酸的分解，含氮物质在微生物作用下分解产生大量的氨气，在堆体内积累使pH值上升;在堆肥进行到第19天时，pH值在7.67～8.36，pH值越高，则意味着氮损失的可能性越大。
2.3 不同物料配比对堆体有机质、全氮含量的影响 由图4可知：随着堆肥时间的延长，各处理的有机质含量总体呈现下降的趋势。有机质含量降低主要是因为堆肥前微生物活性较高，代谢活动较强，堆体中容易降解有機物被大量分解，使堆体有机质含量下降，随着污泥用量的增加，有机碳下降幅度增大。在堆肥进行到第19天时，各处理有机质含量分别下降6.72%～12.79%，其中以T4处理下降最多。随着堆肥时间的延长，全氮含量总体呈现下降的趋势（图5），这与有机质的趋势相一致。堆肥过程中，在微生物代谢作用下，有机氮强烈分解，大量的氨产生并挥发，造成堆体全氮含量下降。在堆肥进行到第19天时，各处理全氮含量分别下降0.54～0.98%，其中T4处理全氮下降幅度最大，而菌渣能保持堆体的通透性，增大堆体填料对氮的吸附，因此菌渣比例越高，总氮含量损失越小。
2.4 不同物料配比对堆体微生物量碳、氮含量的影响 由图6、图7可知，在堆肥过程中，堆体微生物生物量碳、氮含量呈现先增加后降低的趋势，各处理在堆肥进行到第7天时，微生物生物量碳、氮均达到最大值，表明此时堆体微生物活性较强;翻堆后，随着堆体温度下降，各处理堆体的微生物生物量碳、氮含量开始降低，说明堆体内微生物活性开始减弱。在不同处理中，均以T1处理的微生物生物量碳、氮含量最高，这表明T1处理的配比更有利于微生物生长，从而更有利于有机物料的腐殖化。
3 结论
通过城市污泥与辅料不同配比在进行连续翻堆好氧发酵情况下，均能够在15d左右完成腐熟周期，但是在后期pH持续升高，易造成氨挥发，存在氮损失挥发到环境的风险。在不同配比中，污泥比例越大，堆肥过程碳、氮含量的损失就越多，且微生物生物量碳、氮活性越低。因此，在本研究中，以45%污泥+42%食用菌渣+8%木屑+5%谷壳配比的整体效果最佳。
参考文献
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[9]张增强，薛澄泽.城市污水污泥的堆肥化与资源化[J].环境保护，1997（7）：12-15.
（责编：张宏民）