环境科学研究  2018, Vol. 31 Issue (1): 136-142  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.03.24

引用本文  

严兴, 侯毛宇, 李碧清, 等. 微生物发酵菌和生物质炭及蘑菇渣对污泥堆肥效果的影响[J]. 环境科学研究, 2018, 31(1): 136-142.
YAN Xing, HOU Maoyu, LI Biqing, et al. Effects of Microbial Inoculant, Biomass Charcoal and Mushroom Residue on Sludge Composting[J]. Research of Environmental Sciences, 2018, 31(1): 136-142.

基金项目

广州市科技计划重点项目(201710010007);广州市科技计划项目(2014Y2-00174);国家住房和城乡建设部科技计划项目(2011-k6-10)
Supported by Ministry Science and Technology Key Program of Guangzhou, China (No.201710010007); Ministry Science and Technology Program of Guangzhou, China (No.2014Y2-00174); Key Project of National Ministry of Housing, China (No.2011-K6-10)

责任作者

作者简介

严兴(1982-), 男, 湖南华容人, 高级工程师, 硕士, 主要从事污水处理和固体废弃物处理处置研究, yanxing82001@163.com

文章历史

收稿日期:2017-05-10
修订日期:2017-08-11
微生物发酵菌和生物质炭及蘑菇渣对污泥堆肥效果的影响
严兴 , 侯毛宇 , 李碧清 , 王双 , 梁毅成     
广州市净水有限公司, 广东 广州 510163
摘要:为解决污泥的处理处置难题,实现污泥减量化、无害化和资源化,在污泥中添加蘑菇渣、微生物发酵菌和生物质炭等辅料,进行共堆肥试验,设置T1(不添加辅料)、T2(添加30%的园林枯枝)、T3(添加20%的园林枯枝、9.9%的蘑菇渣和0.1%的微生物发酵菌)、T4(添加20%的园林枯枝和10%的生物质炭),以及T5(添加20%的园林枯枝、4.9%的蘑菇渣、0.1%的微生物发酵菌和5%的酸化生物质炭)5个好氧堆肥处理,考察各处理堆肥过程中温度变化、肥料的理化特性以及GI(发芽指数).结果显示:①T5处理的效果最好,堆肥至第3天,堆体温度达到70.5℃,并且温度不低于50℃的时间达到19 d. ②T5处理肥料的w(TKN)(TKN为总凯氏氮)、w(TP)和w(TK)均最高,分别达到3.88、0.64和1.10 g/kg,远高于其他4个处理;产品的GI随堆肥时间的延长逐渐增长,达到183%. ③T5处理的NH3排放最少,氮元素流失最低,能最大程度的转化成固化无机氮;残渣态重金属含量最高,不易浸出到环境中进入生态系统,生物毒性低.研究显示,蘑菇渣、微生物发酵菌和生物质炭能够促进污泥的腐熟,减少二次污染的产生,产品质量较好.
关键词污泥堆肥    微生物发酵菌    生物质炭    蘑菇渣    
Effects of Microbial Inoculant, Biomass Charcoal and Mushroom Residue on Sludge Composting
YAN Xing , HOU Maoyu , LI Biqing , WANG Shuang , LIANG Yicheng     
Guangzhou Sewage Purification Co. Ltd., Guangzhou 510163, China
Abstract: In order to realize the reduction and recycling of sludge and reduce its harmfulness, mushroom residue, microbial inoculant and biomass charcoal were added with sludge in co-composting. Five aerobic composting treatments were set up, including five groups: no auxiliary material (T1); 30% deadwood (T2); 20% deadwood, 9.9% mushroom residue and 0.1% microbial inoculant (T3); 20% deadwood and 10% biomass charcoal (T4); and 20% deadwood, 4.9% mushroom residue, 0.1% microbial inoculant and 5% biomass charcoal (T5). Temperature change, physicochemical properties of fertilizer and germination index (GI) during composting were investigated. The results showed that the composting treatment T5 had the best effect among the five groups. The composting temperature was up to 70.5 ℃ on the 3rd day from commencement of the experiment, and maintained no less than 50 ℃ for 19 days. The contents of TKN, TP and TK nutrients in composting treatment T5 were much higher than the other four composting treatments, reaching up to 3.88, 0.64 and 1.10 g/kg respectively. GI was gradually increased to 183% with progress of the composting treatments. Based on the least ammonia emission and nitrogen loss, solidification of inorganic nitrogen could form the maximum value in composting treatment T5. The level of residual heavy metal in composting treatment T5 was the highest, and had low biotoxicity, protecting the ecological environment. The study showed that mushroom residue, microbial inoculant and biomass charcoal can promote sludge maturity promotion, reduce secondary pollution and enhance product quality.
Keywords: sludge composting    microbial inoculant    biomass charcoal    mushroom residue    

近年来,随着我国城市经济的高速发展,城镇污水处理量不断增大,截至2016年3月底,全国污水处理能力达到1.67×108 m3/d,实际污水处理量为1.41×108 m3/d[1].我国平均日产污泥约10×104 t,并且产量逐年递增.作为污水处理过程中的副产物,污泥中含有大量重金属、有机污染物和病原菌之类的有害物质,如不经处理,将产生二次污染,严重污染生态环境[2-3].目前,污泥堆肥资源化利用已经成为污泥处理处置的主流,堆肥处理可有效地杀灭其中病原菌和寄生虫卵[4-5],而污泥中含有大量的有机质、N、P、K等营养元素,堆肥后的土地利用将是城市剩余污泥减量化、无害化和资源化最有效的手段[6-7].然而,堆肥处理不能去除污泥中的重金属,施用过程中重金属易在土壤和作物体内积累,从而成为其土地利用最主要的限制因素,并且污泥堆肥过程中也会产生大量的臭气(如NH3和H2S等),不经处理,将严重污染大气环境,影响周边工作及居住人群[8-10].目前,如何实现城市污泥的堆肥减量,如何降低堆肥产品中重金属的生物有效性,确保产生的臭气能被有效去除等,都是污泥堆肥资源化研究的重点和热点,技术人员开展了大量的基础性研究[11-13],如采用添加辅料,如蘑菇渣、锯末等有机质及其他无机质进行常规共堆肥,能够实现污泥的减量化和稳定化,有利于城市污泥的土地利用[14-16].闫金龙等[17]在常规共堆肥基础上,采用添加生物质炭进行共堆肥,污泥中难降解的大分子量芳香烃化合物逐渐向直链小分子化合物转化,有利于污泥堆肥的腐熟.张陇利等[18-20]采用不同的复合微生物菌剂对污泥进行堆肥研究,得出微生物菌剂可以进一步加快污泥腐熟,提高污泥堆肥效果.

大量研究表明,污泥堆肥特别是添加辅料共堆肥技术,可以高效去除病原菌、寄生虫卵等有害微生物,有效降低重金属有效态的含量,大量降解有毒有机污染物.然而,目前各研究团队往往只是基于几种辅料,简单的影响因子及现象进行统计分析,未能系统、全面地结合堆肥产品的肥效、重金属的潜在危害以及堆肥过程中产生的二次污染物的情况进行优化堆肥工艺研究.如何优化污泥共堆肥工艺,在保持堆肥肥效的同时,利用微生物的高温好氧发酵,将污泥中的有机物不断向稳定的腐殖质转变,并杀死污泥中的寄生虫卵和病原菌,降解有毒有机污染物,钝化重金属,这将是今后污泥共堆肥研究方向.该研究采用污泥混合园林枯枝、微生物发酵菌、生物质炭和蘑菇渣等进行共堆肥试验,通过测定重金属生物有效性、种子GI(发芽指数)和NH3排放情况等,找到最佳的堆肥工艺,以期为下一步研发污泥制备高肥效、无毒化土壤改良剂技术提供有效技术和理论支持.

1 材料与方法 1.1 试验材料

城市污泥取自广州市大坦沙污水处理厂,污泥pH为6.02,含水率为79.2%,w(有机质)为45.1%,w(Cr)、w(Cu)、w(Ni)、w(Pd)、w(Zn)和w(Cd)分别为126、226、70.1、40.5、71.2和4.08 mg/kg;蘑菇渣从中山市巴斯德农业科技有限公司采购,蘑菇渣pH为6.05、w(有机质)为25.6 g/kg,w(TP)、w(TN)和w(TK)分别为1.55、1.53和1.20 g/kg;生物质炭(10目,2.0 mm)从江门市广林生物质能源有限公司采购,w(固定炭)为80%,w(灰分)5%,强度为95%,w(P)和w(K)分别为3.10和9.90 g/kg;微生物发酵菌从广州微立旺生物科技有限公司采购,菌含量200×108 CFU/g;园林枯枝从帽峰山森林公园中收集,含水率为20%~30%,w(有机质)为4.80×102 g/kg,w(N)、w(P)和w(K)分别为8.90、0.50和4.10 g/kg.

1.2 堆肥

堆肥装置(见图 1)采用定制保温304不锈钢罐,外套直径为600 mm,高为800 mm,厚为3 mm;内胆直径为550 mm,高为700 mm,厚为2 mm.内置自动搅拌装置,加盖密封.采用鼓风机曝气,鼓风机风量控制在0.20 m3/(m3·h)左右.

注:1—手轮(可换成电机);2—外压盖内螺纹母;3—保温层(聚氨酯);4—快装法兰;5—双轴承;6—法兰;7—轴;8—螺旋桨;9—取样口;10—4分外牙;11—布气隔板;12—曝气. 图 1 堆肥装置 Fig.1 Device of composting

试验场地设置在大坦沙污水处理厂中试试验基地,自2017年3月初开始,至5月中旬完成,开展了两次有效堆肥,每次堆肥时长30 d,第2次堆肥作为重复性试验与第1次进行对比.每次试验均设5个处理(记为T1~T5),其中园林枯枝切割成0.50 cm的小块,蘑菇渣切割成0.50 cm的碎片,堆肥试验设计见表 1.

表 1 堆肥试验处理设计 Table 1 composting experiment treatment
1.3 采样和监测

将温度计插入罐体中心,每天记录罐体中心温度.其他理化性质的取样检测频率为1次/d,于每d下午4点取样100 g,其中20 g用于检测GI,80 g用于测定其他指标.

粒度依照GB/T 24891—2010《复混肥料粒度的测定》进行测定,粒径为0.25~2.00 mm的颗粒所占比例(A)计算公式

$ A = {m_1}/m \times 100\% $

式中:m1为粒径在0.25~2.00 mm之间的颗粒质量,g;m为颗粒总质量,g.粒径小于0.25 mm的颗粒很少,可忽略不计,研究中可取通过10目筛的颗粒质量计算.

w(TKN)采用靛酚兰比色法测定;w(TP)采用钼锑抗分光光度法测定;w(TK)采用火焰光度法测定. NH3排放量根据HJ 534—2009《次氯酸钠-水杨酸分光光度法》测定.

堆肥产品中各重金属的形态采用土壤重金属连续提取法[21]进行检测分析,详见表 2.

表 2 土壤中重金属形态的连续提取法 Table 2 Sequential extract method of heavy metal in soil
1.4 GI试验

选取不同处理和阶段的产品,按照GB/T 23486—2009《城镇污水处理厂污泥处置 园林绿化用泥质》附录A进行分析,计算公式:

$ {\rm{CI}} = \frac{{{\rm{堆肥浸提液的种子发芽率}} \times {\rm{种子根长}}}}{{{\rm{蒸馏水的种子发芽率}} \times {\rm{种子根长}}}} \times 100\% $

如果GI>50%,则可认为基本腐熟,当GI达到80%~85%时,这种堆肥就可以认为已经完全腐熟,对植物没有毒性.

2 结果与讨论 2.1 堆肥过程中的温度变化

温度是堆肥试验研究的通用指标,堆肥过程中,肥料腐熟的最佳温度为50~55 ℃以上,腐熟时间超过5~7 d[22].在好氧条件下,罐体中的微生物利用有机物和营养物质合成自身细胞生长繁殖,并产生CO2和H2O,同时释放大量的能量,使堆体温度迅速上升.好氧堆肥过程由4个阶段组成,即升温阶段、高温阶段、降温阶段和腐熟阶段,每个阶段的温度都不同.温度的变化反映堆体内部微生物活性的变化和堆肥各阶段的运行状态.由图 2可见,随着堆肥的进行,罐体内的温度逐渐升高后趋于稳定,在堆肥的第21天前后,罐体温度慢慢降低,27 d后逐渐稳定到环境水平.除T1处理外,其他处理罐体温度在50 ℃以上都维持了7 d以上,按照GB 7959—1987《粪便无害化卫生标准》,符合堆肥卫生学要求和腐熟度指标要求.

图 2 污泥堆肥温度变化曲线 Fig.2 Curve of temperature charge of sewage sludge composting

T2、T3和T4处理第3天温度达到50.0 ℃,特别是T5处理,第2天温度即达到65.0 ℃,第3天达到70.5 ℃,温度的快速上升是由于糖、蛋白质和脂肪等有机物降解过程中释放的能量.其中第一次发酵从开始到堆肥的第8天,T1、T2、T3、T4和T5处理的温度最高分别达到52.0、57.0、60.5、60.0和70.5 ℃,之后开始逐渐降至45.5~59.0 ℃;随后堆体进入第二次发酵,温度逐渐升至第二高温阶段,从第9天持续到第21天,T1、T2、T3、T4和T5处理的温度的最大值分别为48.5、56.0、58.0、60.0和67.0 ℃,第二次发酵结束后,温度逐渐下降,在第27天后基本达到环境温度水平.

研究[23]表明,堆肥过程中,高温阶段持续时间越长,越利于消除有害微生物,也能促进堆肥产品的生物性能,确保堆肥产品满足相关肥料的标准要求.该研究结果显示,T2、T3、T4和T5处理相比T1高温期更长、温度更高,说明添加20%~30%枯枝落叶能促进堆肥过程中温度持续在较高温度,从而更快速降解堆体中的有机物.可见添加辅料,不仅能增加罐体堆肥温度,也能减少肥料腐熟时间.特别是T5处理,高温持续时间长、温度高,不低于65 ℃的时间达到9 d,不低于50 ℃的时间达到19 d;T3和T4处理不低于50 ℃的时间也分别达到10和13 d,这是因为辅料蘑菇渣可以改进堆肥的C/N(质量比),符合污泥堆肥的成分要求,蘑菇渣中的微生物及微生物发酵菌能迅速利用易分解的有机物产生大量的热,从而延长高温期和缩短堆肥时间;生物质炭表面富含羧基、酚羟基、羰基、醌基等各种官能团[24],孔隙结构发达,并且颗粒表面带有大量负电荷,电荷密度高[25]能够聚集大量的微生物和吸附有机污染物,促进有机物的快速降解,从而达到堆肥的快速升温和缩短堆肥时间,这与闫金龙等[17-19]的研究结果基本相似,但也有区别,该研究最佳堆肥工艺T5处理的升温速度更快、高温时间更长,更易于肥料的腐熟和肥料产品的生成.通过差异显著性检验分析,T5处理与效果接近的T4处理的P值为4.22×10-6,差异性极大,由此可见,添加菌种和辅料,能够促进污泥堆体温度快速上升,升温幅度大且持续时间长,有利于高效杀灭有害病源菌,加速污泥堆体干化和腐熟的进程,从而提高堆肥效率与堆肥产品品质.

2.2 肥料的理化特性

粒度是肥料的重要指标,粒度大小能直接影响施肥植物气体和水分的交换.研究表明,肥料产品的粒径为0.25~2.00 mm之间时,产品肥效最好[26-27].从表 3可见,单独或复合添加蘑菇渣和生物质炭的污泥堆肥显著增加了粒径为0.25~2.00 mm的颗粒所占比例,特别是T5处理,通过添加20%园林枯枝,4.9%的蘑菇渣、0.1%的微生物发酵菌和5%酸化生物质炭,肥料粒径为0.25~2.00 mm的颗粒所占比例最高.

表 3 肥料的理化特性 Table 3 Physicochemical property of manure

T5处理的w(TKN)、w(TP)和w(TK)最高,分别达到3.88、0.64和1.10 g/kg,远高于其他处理,与Fytili等[8]的结论基本一致,这是因为蘑菇渣含有大量的营养成分,可以弥补堆肥产品各营养成分的不足,而酸化的生物质炭含有大的比表面积和孔隙,可以吸附更多的营养元素成分,减少流失量[28].

2.3 堆肥产品的GI

GI通常用来评价堆肥产品的毒性和成熟度[29].由图 3可见,T3、T4和T5处理从第堆肥第2天开始GI逐渐增加,而T1和T2处理在堆肥第4天GI才开始增加;T5处理的GI较其他4个处理相比较高,在堆肥第6天,GI出现极大值,而后逐渐降低,至第8天,出现较低值,这与完成第1次发酵过程有关.随后进入第2次发酵,GI也明显增长,并随着堆肥时间的延长,GI进一步增长.在堆肥第2次发酵完成时,T1、T2、T3、T4和T5处理的GI分别为60%、132%、80%、140%和183%,其中T5处理最高,通过差异显著性检验分析,T5与其他堆肥处理的P值均小于0.01,差异性大,这是因为蘑菇渣、微生物发酵菌和酸化生物质炭的添加促进了堆肥毒素的降解,并能够增强胚根的快速生长,进而促进种子对营养的吸收,较单一添加堆肥效果显著[30-31].这与WEI等[6-7]的研究论述基本相同,添加辅料进行共堆肥,有效降解了部分生物毒素,提高了堆肥产品肥效,GI明显提高.

图 3 各堆肥处理的GI Fig.3 Germination index of composting treatment
2.4 微生物发酵菌、生物质炭和蘑菇渣对NH3排放的影响

图 4可见,从堆肥开始时,NH3的排放量逐渐增加,在堆肥第6天达到最高值,之后逐渐降低,到第12~14天,NH3的排放量降到较低值,随后又逐渐升高,达到第2个峰值.这是因为发酵温度升高时,大量的有机氮通过微生物的作用氨化成NH3,NH3的排放量升高,与钟佳等[9]关于堆肥过程中NH3排放的研究结论相似.比较T1、T3和T5处理的NH3排放量发现,T5处理的NH3排放量最低,T3次之,T1最高,说明T5和T3较T1减少了堆肥中NH3的损失,这是因为微生物通过氨氧化等过程能将污泥中的有机氮逐渐转化成固化无机氮存于堆肥产品中,T5又比T3的NH3排放量更低,说明在污泥堆肥中添加生物质炭可以吸收部分铵态氮,提供适合氨化菌代谢的环境,进而进一步降解铵态氮,生成固化无机氮,如尿素和尿酸等[32].

图 4 不同处理NH3的排放量 Fig.4 Emission load of NH3 in composting treatment
2.5 微生物发酵菌、生物质炭和蘑菇渣对重金属各形态含量及生物有效性的影响

研究选取华南地区城市剩余污泥中危害较大、有代表性的重金属Cr、Pb、Ni和Cu进行过程分析,通过采用土壤中重金属的连续提取法[21],检测各阶段堆肥产品中Cr、Pb、Ni和Cu残渣态所占比例,检测结果如图 5所示.

图 5 各重金属残渣态占比的变化 Fig.5 Content change of residual heavy metal

图 5可见,污泥好氧堆肥过程中,各堆体重金属Cr、Pb、Ni和Cu均不同程度地向残渣态转化,从各重金属的残渣态占比来看,转化成残渣态的顺序依次为Cr>Pb>Ni>Cu,特别是Cr和Pb,残渣态占比分别达到约90%和70%,从堆肥过程中的各种金属的残渣态占比变化规律来看,重金属Cr、Pb、Ni和Cu均在堆肥初期前4 d迅速转化成残渣态,残渣态占比值维持到堆肥16 d.除重金属Cr外,其余3种重金属在之后均呈不同程度的逆向转化.重金属Cr转化成渣残态最稳定,不容易逆向转化,其次是Cu和Ni,而Pb容易逆向转化,其逆向转化难度顺序为Cr>Cu>Ni>Pb.

T5处理的残渣态重金属含量最高,其各形态重金属含量如表 4所示.

表 4 T5处理重金属的含量与形态分布 Table 4 Content and form of heavy metal in T5 composting treatment

图 5表 4可见,采用微生物发酵菌、生物质炭、蘑菇渣和园林枯枝作为辅助性材料共堆肥,可以促进重金属Cr、Pb、Ni和Cu转化形成稳定的残渣态和较难溶的结合态,同时也有效稀释了污泥重金属浓度,这与CAI等[12-13]关于堆肥产品中各重金属含量和形态分布及其质量评价结论相似.特别是添加生物质炭,对重金属向稳定态转化,提供了吸附空间,也为将重金属转化成残渣态的稀有微生物提供了生长环境,从而进一步降低重金属的生物毒性[33].

3 结论

a) 污泥添加菌种和辅料共堆肥,升温速度快、持续高温时间长. T5处理第3天温度达到70.5 ℃,一个堆肥周期内,不低于50 ℃的时间达到19 d,高温有利于高效杀灭有害病源菌,加速物料快速干化和腐熟;有利于提高产品质量,T5处理产品的w(TKN)、w(TP)和w(TK)最高,分别为3.88、0.64和1.10 g/kg.

b) 添加菌种和辅料共堆肥,能够促进污泥中毒素的降解,增强胚根的快速生长,进而促进种子对营养物质的吸收,T5处理的GI远高于同期其他堆肥处理,随着堆肥的进行,差别越来越明显,堆肥12 d后,GI一度达到其他堆肥处理的2倍,最终产品GI值为183%.

c) 微生物发酵菌能将污泥中的有机氮转化成固化无机氮(如尿素和尿酸等),生物质炭也可以吸收部分氨态氮,并提供适合氨化菌代谢的环境,进一步降解氨态氮,转换成固化的无机氮.

d) 添加菌种和辅料共堆肥,可以促进重金属Cr、Pb、Ni和Cu转化形成稳定的残渣态和较难溶的结合态,同时也有效稀释了污泥重金属浓度.特别是生物质炭,对重金属向稳定态的转化,提供了转化空隙环境,也为将重金属转化成残渣态的稀有功能性微生物提供了生长环境,从而进一步降低重金属的生物毒性.

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