摘 要：采用5种调理剂(木片、麦壳、玉米芯、稻壳和回流堆肥)进行了中试规模的污泥堆肥，对含水率、有机质、总氮、氨氮、硝态氮、BOD5和比耗氧速率(SOUR)等参数的变化进行了监测。研究结果表明，BOD5和SOUR指标适于评价采用不同调理剂的堆肥污泥稳定度。当BOD5＜50mgO2/gVS和SOUR＜0.5mgO2/(gVS·h)时，可认为堆肥污泥达到了稳定和腐熟。?
关键词：污泥堆肥；调理剂；稳定度
中图分类号：X703
文献标识码：A
文章编号：1000-4602(2002)02-0005-05
Study on Stability of Sludge Composting by Using Various Kinds of?Conditioner
WEI Yuan?song,LI Cheng?qiang,FAN Yao?bo,WANG Min?jian?
(State Key Lab of Environment and Aquatic Chemistry,Research Center for Eco-envi ronmental Science,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100085,China)
Abstract：Pilot scale test was carried out on the sludge composting by using 5 kinds of conditioner (wood chips,wheat hulls,rice hulls,corn cores,and recycled sludge comp ost) and monitoring was made on moisture content,organic matters,total nitrogen, NH3-N,NO3-N,BOD5,and specific oxygen uptake rate (SOUR).The result s showed thatBOD5 and SOUR are suitable for evaluation of composted s ludge stability by using various kinds of conditioner.The composted sludge is considered stable and mature if BOD5 is less than 50 mg O2/gVS and ?SOUR is less than 0.5 mg O2/(gVS·h).?
Keywords:sludge composting;conditioner;stability
污泥堆肥的土地利用有两个优点：避免污泥在环境中的堆积和为土壤提供有机质和养分［1］。然而，不腐熟的堆肥会对作物的生长产生危害，故堆肥稳定度(Stability)和 腐熟度的评价(Maturity)(包括堆肥过程和堆肥产品)对堆肥过程控制和堆肥产品的应用都非常重要［2］。腐熟度与植物毒性有关，稳定度与堆肥的微生物活性有关，二者是相互关联的(因为微生物在不稳定的堆肥中产生了植物毒性物质［3、4］)。测定和评价堆肥稳定度的方法和指标很多，如物理、化学和生物方法，但目前尚没有一种指标和方法能广泛地应用于不同原料、不同工艺的堆肥稳定度判定。本研究对采用不同调理剂污泥堆肥过程的理化指标进行监测，并采用BOD连续测定仪测定堆肥样品悬浮液的BOD5和比耗氧速率(SOUR)，并对以BOD5和SOUR值作为堆肥稳定度指标的可行性进行了研究和探讨，试图提出一种适于不同原料的污泥堆肥稳定度评价指标。?
1 材料与方法
1.1 污泥堆肥试验系统
根据污泥堆肥系统的技术经济分析，选择、设计和建造了强制通风静态仓污泥堆肥试验系统，即由1个静态仓(长×宽×高=2.8 m×1.4 m×1.5 m，有效容积为4.2m3)、5个后腐熟仓 和贮存仓(长×宽×高=1.5 m×1.2 m×1.5 m)组成，其主要特点是：强制通风静态仓采用了风室结构，风室内安装有一定排列方式的折流板，风室上铺一层预制混凝土穿孔板(孔隙率为6%，孔截面为梯形)，折流板和穿孔板的作用在于使空气均匀通过堆体(见图1)。采用了离心通风机，功率小、风量大、投资和运行费用低；采用了时间—温度反馈的通风控制方式［5］，实现了通风的自动控制(见图2)。
试验系统选用的主要设备：①时间控制器为ZN48SS-1双设定双数显四位时间继电器，范围为1～9999s；②温度控制器为XS智能巡检仪(9通道)，温度传感器为JWB温度变送器；③4-72型离心通风机，流量为1131m3/h，传动方式为A，电动机型号为Y90S-2(B-35)，功率为1.5 kW。?
1.2 堆肥原料及配比
脱水生污泥来自北京市方庄污水处理厂，稻壳、麦壳和玉米芯来源于北京近郊农村，木片来源于北京木材厂，回流堆肥来源于自制的腐熟堆肥，玉米芯粉碎成粒径约为3cm的颗粒，它们的特性见表1。根据物料衡算(以堆料含水率控制为依据)确定污泥与调理剂的体积比。堆料组成及特性见表2。
表1 堆肥原料特性 物料 含水率（%） 有机质含量（%） 体积质量（kg/m3） 脱水污泥 80.73～82.19(81.36) 61.19～66.52（64.26) 552.58～658.50(593.30) 木片 11.78～34.33(20.91) 83.19～98.83(91.26) 205.35～251.35(224.76) 稻壳 7.59～8.78(8.36) 83.99～85.40(85.00) 95.10～110.00(102.50) 玉米芯 7.41～11.40(8.75) 95.28～96.61(96.01) 83.33～125.00(105.83) 麦壳 6.02～6.36(6.19) 73.14～78.82(75.98) 50.00～55.00(52.50) 回流堆肥 37.35～38.94(38.15) 52.13～52.85(52.49) 466.67～500.00(483.34) 注：括号内为平均值。
表2 不同堆料的组成及特性 试验 时间 物料配比（体积比） 初始含水率（%） 初始有机质（%） Ⅰ 1999年10月13日—2000年1月20日共计100d其中堆肥期21d，后腐熟79d 麦壳：污泥：回流堆肥=1:1:1 54.13 47.85 Ⅱ 1999年11月5日——2000年1月20日共计76d 其中堆肥期21d，后腐熟55d 木片：污泥=2:1 68.17 58.59 Ⅲ 1999年11月30日—2000年2月24日共计86d，其中堆肥期21d，后腐熟65d 稻壳：污泥=1：1 73.06 74.68 Ⅳ 1999年12月28日—2000年2月24日共计58d 其中堆肥期28d，后腐熟30d 玉米芯：污泥=1：1.5 76.13 46.97
1.3 堆肥操作方法
将污泥与调理剂按一定的体积比混合均匀后装入强制通风静态仓，用调理剂分别在穿孔板上铺设一层厚度为10～20 cm的垫层，在堆体顶部铺设一层厚度为10～20 cm的覆盖层。?
堆体采用自然与强制通风相结合的方式。堆肥的第一阶段采用自然通风方式。在堆肥的第二阶段，根据堆料达到无害化的卫生要求设定堆体的控制温度为60 ℃，当堆体中心温度达到设定温度时，温度控制器控制离心风机对堆体进行强制通风；当堆体中心温度低于设定温度时，时间控制器控制离心风机，对堆体进行强制通风(离心风机开机10～90 s，关机20～60 min)，使堆体保持一段高温期，从而达到堆料无害化的卫生要求。当堆体堆置3～4周且堆体表面温度降至与周围环境温度相同时，堆料出仓进入后腐熟期。
1.4 分析方法
在堆肥过程的不同时期分别在堆体的上层(距离顶部20cm)、中层(距离顶部65cm)和下层( 距离底部20 cm)采集若干样品，细心除去木屑、石块等杂物，混合均匀后过筛(孔径为7mm) 。对一部分新鲜样品进行含水率、有机质、氨氮(NH3-N)、BOD5、SOU的测定；另一部分则均匀地平铺在干净托盘中，摊成薄薄一层置于通风室进行风干，之后用研钵研细，分别经2mm和100目的筛分后进行总氮(TN)、硝态氮(NO3-N)和水溶解碳(WSC)的测定。具体测定方法如下［6～10］：含水率，取2～5 g新鲜样品在105 ℃下烘24 h。有机质，烘干后的样品在550 ℃下灼烧4h。总氮，半微量凯氏法。NH3-N，蒸馏—滴定法。NO3-N，离子色谱测定。水溶性碳，取3.0g风干样品，加入30 mL去离子水振荡2h，然后离心10 min，上清液经0.45μm膜滤，取4 mL滤液依次加入0.167 mol/LK2Cr2O7溶液2 mL和5 mL浓硫酸，在180 ℃下保持15min，冷却至室温后加100 mL 蒸馏水，然后用0.25mol/L FeSO4溶液滴定，以邻菲罗啉为指示剂。BOD5、SOUR，称取2～5g新鲜样品，根据不同的BOD5范围加入定量的蒸馏水，在2 0 ℃下采用BOD连续测定仪进行测定。堆肥样品悬浮液在48 h内的需氧量(间隔2 h)可由下式计算：?
SOUR=(│Smax│Vs)/m.DS.VS (1)?
式中?SOUR——比耗氧速率，mgO2/(gVS·h)?
｜Smax｜——最大耗氧速率，mgO2/(L·h)?
?VS——上清液容积，L
?m——堆肥样品鲜重，g?
?DS——堆肥样品的固体含量?
?VS——堆肥样品的挥发性固体含量?
2 结果与讨论
2.1 BOD5和SOUR
堆肥过程是一个复杂的生化过程，可通过监测堆肥过程和产品中的微生物呼吸活动对堆肥稳定度作出评价［7］。目前可用三种方法测定微生物的呼吸速率：①放热速率 ；②二氧化碳产生速率；③耗氧速率。
为了更好地研究堆肥稳定度，跟踪测定了试验(Ⅰ)～(Ⅳ)在后腐熟阶段的堆肥情况。结果表明，BOD5和SOUR在堆肥过程中呈现出相同的下降趋势。除试验Ⅰ外(BOD5值为71.87mgO2/gVS)，试验Ⅱ～Ⅳ的BOD5初始值(变化范围为126.10～143.55mgO2 /gVS)相差不大；但试验Ⅰ～Ⅳ的SOUR初始值差异很大，SOUR与堆肥原料密切相关。同初始BOD5和SOUR相比，试验Ⅰ～Ⅳ的BOD5和SOUR值在后腐熟阶段结束时分别下降了61.78%～87.20 %和52.27%～95.45%。然而，试验Ⅰ的BOD5和SOUR值在高温阶段的下降幅度远大于其在后腐熟阶段的下降幅度，试验Ⅱ～Ⅳ却与之相反。有趣的是，试验Ⅱ的BOD5值在高温阶段的下降幅度小于其在后腐熟阶段的下降幅度，但SOUR值在两阶段的下降幅度却相差不大。后腐熟阶段结束时，试验Ⅱ～Ⅳ的BOD5＜50mgO2/gVS，SOUR＜0.5mgO2/(gVS·h)。有研究认为，当SOUR＜1.0mgO2/(gVS·h)时，就可以认定堆肥达到了稳定和腐熟［7］。
2.2 含水率和有机质
同初始含水率和有机质含量相比，后腐熟结束时试验Ⅰ的含水率和有机质分别降低了2.11%和7.00%；试验Ⅱ分别降低了10.76%和10.51%；试验Ⅲ分别增加了1.81%和降低了13.11%；试验Ⅳ分别降低了20.27%和18.47%。采用木片和玉米芯为调理剂的污泥堆肥比采用麦壳和稻壳为调理剂的污泥堆肥水分去除更多，但有机质的降解相差不大。
2.3 水溶性碳
微生物的新陈代谢主要发生在水解阶段［1、9、10］，因此研究水溶性碳在堆肥过程的变化有助于评价堆肥腐熟度和稳定度。? 图3表明了采用各种调理剂的污泥堆肥水溶性碳变化情况。水溶性碳与堆肥原料密切相关，采用各种调理剂的堆料初始水溶性碳值相差较大，以稻壳为调理剂的堆料初始水溶性碳值最大。水溶性碳在堆肥过程中既有下降的趋势，又有增加的趋势。所有试验的水溶性碳最大值均出现在污泥堆肥的高温期，这是因为在高温期的有机质分解迅速，产生了大量的水溶性化合物所致。同初始水溶性碳相比，试验Ⅱ和Ⅲ分别下降了14.82%和35.88%，而试验Ⅰ和Ⅳ却分别增加了76.92%和29.65%，造成此现象的原因可能是在后腐熟阶段的堆体又出现了升温，使堆料有机质分解产生了大量的水溶性化合物。
2.4 总氮、氨氮和硝态氮
在堆肥结束后，总氮有一定的损失，主要是由于有机氮的矿化和持续性氨的挥发以及硝态氮的可能反硝化［10］。氨氮的变化趋势主要取决于温度、pH值和堆料中氨化菌的活性［10］，因此氨氮的转化或通过硝化菌转化为亚硝态氮和硝态氮或以NH3形式挥发 ，这主要取决于堆肥的环境条件。?
由表3可知，总氮、NH3-N和NO3--N与堆肥原料密切相关，它们的初始值差异较大。总氮在堆肥过程中呈下降趋势。在污泥堆肥初期，NH3-N呈增加趋势，并在高温期出现峰值。除试验Ⅰ外，其他试验的NH3-N在堆肥结束后都有 程度不同的增加。高温期硝化反应几乎不可能发生，因为当温度＞40℃，硝化菌就会受到严重抑制［4］。因此高温期的无机氮主要以NH3-N形式存在，NO3-N含量非常低，但硝态氮主要在堆肥的后腐熟阶段出现，所有试验的NO3-N在堆肥结束后增加显著，增加幅度均在1倍以上。有研究认为［4］，当NH3-N＜0.04%时，堆肥可认为是腐熟和稳定的。也有研究认为［1］，总氮和硝态氮不适宜作为堆肥腐熟和稳定的评价指标。本研究中NH3-N＞0.04%，且总氮和硝态氮的差异较大，不适宜用来评价采用不同调理剂的污泥堆肥稳定度。
表3 堆肥前后不同形态氮含量的变化特性 指标 阶段 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 总氮（mg/g) 初始 27.19 27.57 47.87 29.20 结束 18.64 24.24 35.82 27.76 变化率（%） -31.45 -12.08 -25.17 -4.93 NH3-N（mg/g) 初始 0.96 0.70 0.68 0.50 结束 0.60 1.14 0.79 2.01 变化率（%） -37.50 62.86 16.18 302.00 NO3-N(mg/g) 初始 0.97 0.11 0.12 0.05 结束 5.19 2.09 0.25 0.15 变化率（%） 435.05 1800.00 108.33 200.00
表4列出了BOD5和SOUR与其他参数的Pearson相关系数(α＜0.05)。对于同样的堆肥原料，有些指标显著相关，但对于不同的堆肥原料则相关性并不显著。对于不同原料的污泥堆肥试验，SOUR与BOD5和含水率、有机质与TN、WSC与NH3-N都 显著相关。试验结果表明，SOUR与BOD5适于评价不同原料的堆肥稳定度，当SOUR＜0.5mgO2/(gVS·h)和BOD5＜50mgO2/gVS时，采用不同调理剂的污泥堆肥产品是稳定和腐熟的。
表4 污泥堆肥试验不同参数的Pearson相关系数 参数 SOUR BOD5 MC OM WSC NH3-N NO3-N TN SOUR 1 0.91 0.76 0.59 0.39 0.05 -0.5 0.57 BOD5 1 0.77 0.65 0.29 -0.07 -0.52 0.55 MC 1 0.84 0.13 -0.18 -0.44 0.66 OM 1 0.06 -0.13 -0.41 0.80 WSC 1 0.71 -0.33 0.07 NH3-N 1 -0.43 -0.05 NH3-N 1 -0.43 TN 1 注MC=含水率，OM=有机质。
3 结论
①SOUR与BOD5值适于评价不同原料的堆肥稳定度。当SOUR＜0.5mgO2/( gVS·h)和BOD5＜50mgO2/gVS时，采用不同调理剂的污泥堆肥产品是稳定和腐熟的。
②含水率、有机质、总氮、氨氮和硝态氮不适于作为评价不同原料的污泥堆肥稳定度指标 。
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