城市污泥堆肥發(fā)酵工藝研究

城市污泥堆肥發(fā)酵工藝研究

泥漿是廢水處理后的附屬品。這是一種極其復(fù)雜的非均質(zhì)體，由菌、無機、膠體等組成。其有機質(zhì)含量為50%~70%,氮為2%~5%,磷為1%~2%。據(jù)統(tǒng)計,2005年歐美國家年產(chǎn)量達(dá)到1814萬t。目前,我國城市污水處理廠每年排放干污泥大約130萬t,且每年以大于10%的速度增長。污泥堆肥是城市污泥在農(nóng)業(yè)上的資源化利用,是目前城市污泥處理方式中應(yīng)用較為廣泛的一種方式。其使用能提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì),與市售復(fù)合肥肥效相當(dāng),明顯優(yōu)于等養(yǎng)分的化肥。美國已有不少工廠以污泥為原材料進行堆肥,制成顆粒肥料,并以商品在市場上出售。如費城生產(chǎn)的“EARTHLIFE”,洛杉磯生產(chǎn)的“NITROHUMUS”等。在英國、法國、德國等發(fā)達(dá)國家也都有污泥復(fù)合肥出售。我國也正在發(fā)展污泥堆肥產(chǎn)品的商品化,深圳、石家莊、西安等地已經(jīng)出現(xiàn)了污泥堆肥產(chǎn)品。本試驗研究旨在尋求經(jīng)濟與環(huán)保的方式解決當(dāng)前城市污泥的排放出路,促進污泥無害化及資源化利用,解決農(nóng)業(yè)急需的有機肥料原料的來源問題。1北瓦苗圃區(qū)氣候條件堆肥試驗在北京凱茵生物肥有限責(zé)任公司進行,該公司位于北京市海淀區(qū)東北旺苗圃。北京海淀區(qū)氣候?qū)贉貛駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū),冬季寒冷干燥,盛行西北風(fēng),夏季高溫多雨,盛行東南風(fēng)。年均氣溫12.5℃,1月份平均氣溫-4.4℃,7月份平均氣溫為25.8℃,最高氣溫為41.6℃。2試驗材料和方法2.1改良高氏系列基試驗用細(xì)菌培養(yǎng)基為牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基,真菌培養(yǎng)基為馬丁-孟加拉紅培養(yǎng)基,放線菌培養(yǎng)基為改良高氏一號。試驗所用污泥來自北京市排水集團污泥處置分公司,其他原料如糠醛渣、草碳、生活垃圾、羊糞、雞糞、樹枝由北京凱茵生物肥有限責(zé)任公司提供,各原料理化性質(zhì)見表1。測試種子發(fā)芽率的白菜種子購于北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心,其品種為京春娃二號。2.2原料配比設(shè)計堆肥自2010年6月4日開始,于2010年7月16日結(jié)束。按污泥添加量的不同,設(shè)置5個處理,污泥含量分別為20%,30%,40%,50%,60%(鮮重計)。調(diào)節(jié)含水量為60%,按照表2的原料配比采用靜態(tài)堆置。堆體呈圓垛式結(jié)構(gòu),堆體底面直徑約1.5m,堆體高約1m,堆體重1t,每周進行一次人工翻堆。2.3發(fā)酵溫度、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)酵劑用量、培養(yǎng)條件在堆肥的當(dāng)天和第4天,從堆體的四周和中間深約20cm處,取相同量的樣品約1kg,將其混合均勻后,取出1kg裝入無菌袋帶回實驗室。在堆肥的第7,14,21,28,35,42天時,均在翻堆混勻后采樣約1kg裝入無菌袋帶回實驗室。每天下午2:00~3:00間測定堆體溫度,以堆體前后左右和中心5點溫度的平均值作為堆體的發(fā)酵溫度。測量時溫度計插入堆體表面25cm以下,同時測量環(huán)境溫度。C/N、腐植酸、pH采用常規(guī)理化分析方法。種子發(fā)芽指數(shù)(GI)測定參照國標(biāo)GB/T23486-2009附錄A執(zhí)行。細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量采用平皿菌落計數(shù)法,將含真菌的培養(yǎng)基放于28℃培養(yǎng),細(xì)菌、放線菌放于32℃下培養(yǎng)。數(shù)據(jù)處理采用MicrosoftExcelforWindows2010軟件進行分析。3結(jié)果與分析3.1堆肥溫度隨時間的變化圖1表明,處理3升溫最快,第3天即達(dá)到50℃,并在50℃以上維持27d,且翻堆后升溫速度也是最快;處理1,2,4堆體溫度均在第4天達(dá)到50℃,處理1在50℃持續(xù)4d后,由于翻堆溫度下降,直到24d后再次升溫到50℃,并在50℃以上維持1周,這可能是由于處理1樹枝含量高,堆體孔隙率大,不宜溫度保持;處理2與處理1相似,但高溫階段稍比處理1持續(xù)時間短;處理4在50℃以上保持11d;處理5直到第6天溫度才達(dá)到50℃,在50~55℃維持8d,這可能是由于處理5污泥含量高,糠醛渣、樹枝等有機物含量低,可被微生物分解利用的底物少,導(dǎo)致微生物活性低,所以溫度較低。整個過程堆體溫度呈波浪形變化,這是因為:一方面,固體發(fā)酵微生物菌群的移動性差,當(dāng)微生物菌群附近的底物被分解,含量減少時,就使得微生物的活性降低;另一方面,堆肥過程中會釋放一些具有臭氣的化合物(脂肪酸、胺類、芳香烴和硫化物、萜烯及氨等)對微生物生長有抑制作用。翻堆后微生物的分解底物得到重新分配,臭氣得以揮發(fā),于是微生物活性提高,溫度再次上升。但后期翻堆,溫度不再有明顯的回升,主要由于經(jīng)過高溫階段后大量微生物的死亡、休眠,分解活動降低,另外,尚未腐解的原料比例也逐漸減少,因此繼續(xù)分解所產(chǎn)生的熱量不足以維持堆肥中的高溫。這與呂子文等的研究結(jié)果相同。3.2堆肥期ph值的變化圖2反映了5個處理在堆肥過程中pH的變化情況。整個堆肥過程pH變化不大,基本穩(wěn)定在中性上下波動,與呂子文等研究結(jié)果略有不同,堆肥初期pH略有上升;黃國峰等將豬糞與污泥混合堆肥中pH起初則呈下降趨勢,這可能是由于含氮有機物在微生物的作用下分解為小分子有機酸。3.3堆肥熟化率tC/N比是總碳與總氮的比值。由圖3可知,各處理的C/N比均有明顯降低,處理1和處理2由起初的20.85,23.82分別降到15.64,15.90,這是因為隨著好氧堆肥的進行,碳和氮同時在減少,而碳的損失比氮要高,因此導(dǎo)致體系中C/N比不斷減少。有研究建議用T=(終點C/N)/(初始C/N)作為堆肥腐熟指標(biāo),當(dāng)T值在0.5~0.7時堆肥已腐熟。本試驗堆肥結(jié)束時,處理1,2,3,4,5的T值分別為0.70,0.66,0.85,0.97,0.70。結(jié)果表明,處理1,2和處理5均已經(jīng)腐熟,而處理3和處理4的T值略高,這是由于處理3和處理4中添加的糠醛渣、樹枝、草碳比例較高,勢必對堆肥的固相C/N比產(chǎn)生影響。3.4不同處理的腐植酸含量圖4反映了堆肥過程中腐植酸含量的變化。腐植酸是一種含有酚基、醌基等官能團及芳香族多元酸的復(fù)合物,有很強的絡(luò)合作用,可使很多的有害物質(zhì)有機螯合化。由圖4可知,污泥堆肥發(fā)酵初期,處理2,3,4和處理5的腐植酸含量均降低,隨后有所增加。而處理1的腐植酸含量先呈上升趨勢,隨后下降,這是因為處理1中未添加雞糞所致。研究表明,雞糞可以加快堆肥的腐熟。堆肥結(jié)束時,處理1,2腐植酸含量分別比發(fā)酵初期高22.2,9.8g/kg,這與周少奇和國洪艷等的研究結(jié)果不同,可能是由于這2個處理污泥添加量少,微生物礦化速度小于新形成的腐植酸所致。處理3,4,5腐植酸含量分別降低1.4,2.4,2.21g/kg,與呂子文等研究結(jié)果一致。堆肥結(jié)束時,各處理腐植酸含量大小為處理1>處理2>處理3>處理4>處理5,表明隨著污泥量的增加腐植酸含量逐漸降低。3.5堆肥產(chǎn)品的生物毒性與種子發(fā)芽指數(shù)種子發(fā)芽指數(shù)是一種通過檢驗堆肥對植物是否產(chǎn)生生長抑制來評價堆肥無害化的生物學(xué)指標(biāo)。未腐熟的堆肥含有植物毒性物質(zhì),對植物的生長產(chǎn)生抑制作用,其生物毒性主要來源于堆料中高濃度的氨、小分子有機酸及醛類等不完全降解產(chǎn)物。一般情況下,當(dāng)堆肥產(chǎn)品的GI超過50%,就認(rèn)為堆肥產(chǎn)品基本腐熟;當(dāng)發(fā)芽指數(shù)達(dá)到80%~85%時,就可以認(rèn)為這種堆肥沒有了植物毒性或者堆肥產(chǎn)品已經(jīng)完全腐熟。由圖5可知,本試驗所選堆肥原料沒有生物毒性,整個堆肥過程各處理種子發(fā)芽指數(shù)均在90%以上。堆肥初期,由于有機物分解過程中產(chǎn)生的NH3和一些小分子的有機酸、醛類物質(zhì)使得種子發(fā)芽指數(shù)降低。堆肥結(jié)束時,各處理種子發(fā)芽指數(shù)大小為處理3>處理2>處理1>處理5>處理4。3.6堆肥過程中的微生物變化3.6.1堆肥的細(xì)菌總數(shù)在堆肥的第1~4天,各處理細(xì)菌大量繁殖,堆體溫度迅速上升,處理1細(xì)菌數(shù)量最多,達(dá)到1.51×1010個/g,處理4由最初的3.2×109/g增加到8.8×109個/g,如圖6所示。這可能是細(xì)菌憑借著自己強大的比表面積快速將可溶性底物吸收到細(xì)胞中,使得細(xì)菌快速生長繁殖并分解有機質(zhì),釋放出大量的熱量,使堆體的溫度迅速上升,堆肥很快進入高溫期。當(dāng)溫度升到40℃(第4天左右),嗜溫菌開始受到抑制,嗜熱細(xì)菌逐漸變?yōu)閮?yōu)勢菌,堆肥第7天,細(xì)菌總數(shù)開始下降,這是由于高溫殺死了大部分嗜溫菌。當(dāng)堆肥進行到第14天時,處理1,4的細(xì)菌總數(shù)與堆肥初期數(shù)量相當(dāng),而其他3個處理均有明顯降低。堆肥進行第14~28天時,處理1,5細(xì)菌數(shù)量又有明顯增多,這可能是由于翻堆技術(shù)缺陷使得有機質(zhì)分布不均,造成二次發(fā)酵。當(dāng)堆肥結(jié)束時細(xì)菌總數(shù)基本維持在108的數(shù)量級。3.6.2不同堆體溫度對放線菌的影響圖7是污泥堆肥過程中放線菌的數(shù)量變化規(guī)律。由圖可知,整個堆肥過程中,放線菌總數(shù)的變化和細(xì)菌總數(shù)的變化規(guī)律相似,但放線菌的數(shù)量比細(xì)菌數(shù)量低約2~3個數(shù)量級,比真菌數(shù)量略高1~2個數(shù)量級。在第1~7天,隨著堆體溫度上升,放線菌大量繁殖,數(shù)量迅速增加,處理1,2,5均在第7天達(dá)到峰值,分別為5.6×107,5.3×107,3.18×107個/g。處理3和處理4分別在第21天和第28天達(dá)到峰值,這可能與2個處理高溫持續(xù)時間較長有關(guān)。研究表明,在堆肥高溫期,有機氮的分解會產(chǎn)生大量的銨態(tài)氮,從而抑制放線菌生長。3.6.3堆肥初始數(shù)量和堆肥結(jié)束時真菌數(shù)量的變化圖8表明,處理1,4,5在第7天真菌數(shù)量達(dá)到最大,分別為1.38×107,4.2×107,4.8×107個/g,較堆肥初期增加2~3個數(shù)量級。處理2在第4天時真菌數(shù)量最大,為1.13×107個/g,而處理3在第7天由初期4.3×104個/g增加到7.7×105個/g,之后數(shù)量有所下降,當(dāng)堆肥進入第28天時真菌數(shù)量又增加到8.6×106個/g,可能是由于初期發(fā)酵不完全而導(dǎo)致二次發(fā)酵。堆肥結(jié)束時真菌數(shù)量無較大變化。整個堆肥過程中,真菌數(shù)量的變化規(guī)律呈先增高后降低的趨勢,這與秦超的研究結(jié)果相似。3.7堆肥過程微生物與腐植酸相關(guān)性分析表3反映了堆肥過程中各指標(biāo)間的相關(guān)性。堆肥過程中的pH對細(xì)菌、真菌和放線菌的生長影響不大,說明大多數(shù)微生物適合在此pH環(huán)境中生長;細(xì)菌的生長與C/N比呈正相關(guān),而真菌和放線菌呈負(fù)相關(guān);堆肥過程中的總微生物與腐植酸呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性,其中細(xì)菌呈低度相關(guān),相關(guān)系數(shù)r=-0.418;細(xì)菌、真菌和放線菌之間呈現(xiàn)正的微相關(guān),說明堆肥過程中各微生物之間相互影響,相互促進。4堆肥微生物數(shù)量(1)經(jīng)過42d的堆肥發(fā)酵,5個處理均達(dá)到腐熟。堆肥腐熟后,堆體溫度接近環(huán)境溫度。且均無臭味,有泥香味,手感疏松、顆粒均勻,外觀呈深褐色,蚊蠅等不再繁殖。(2)堆肥過程中細(xì)菌數(shù)量較放線菌和真菌的高出2~3個數(shù)量級,且細(xì)菌增殖速度較另外2種菌快,細(xì)菌總數(shù)在第3天達(dá)到最高,真菌和放線菌相對滯后,在第7天總數(shù)達(dá)到最高。微生物數(shù)量的變化也反映著污泥堆肥的腐熟度。Sabine等和樸哲研究結(jié)果表明,堆肥過程中細(xì)菌數(shù)量遠(yuǎn)大于放線菌和真菌數(shù)量,細(xì)菌是降解有機物和產(chǎn)熱的主要微生物類群,這與本研究結(jié)果相同。堆肥過程的一切變化都與微生物的活動密切相關(guān),微生物種群結(jié)構(gòu)的持續(xù)變化直接影響著堆肥產(chǎn)品的理化特征的持續(xù)變化,這種變化