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高温菌剂的添加时间对污泥堆肥指标影响研究 宫晓梅1张磊2孙嘉1王晓瑞1张树栋1李沁国1杨启霞1 1. 烟台大学环境与材料工程学院， 山东 烟台264000; 2. 烟台市辛安河污水处理有限公司， 山东 烟台 264670 摘要 为研究高温菌剂对堆肥指标的影响， 实验采用对照方法， 分别设计了不加菌剂 1 号 、 在堆肥开始时加入常温菌 2 号 和高温菌剂 3 号 、 在堆肥物料升温至 45 ℃左右加入高温菌剂 4 号 四种处理方式， 探讨发酵过程中堆肥温 度、 水分、 pH 值、 NH 4- N、 总氮和有机质含量变化。结果显示 4 号堆体升温是最快的， 且 4 号堆体在各项堆肥指标上 均明显优于其他三组。说明后加高温菌剂能够加快堆肥的升温速度， 更好地促进有机物的降解， 提高堆肥的最高温 度， 延长堆肥高温期， 且能在一定程度上控制高温阶段 pH， 减少氮素流失， 提高污泥堆肥效果。 关键词 污泥堆肥; 高温菌剂; 添加时间 DOI 10. 7617/j. issn. 1000 －8942. 2013. 04. 029 STUDY ON IMPACT OF DIFFERENT ADDING TIME OF THERMOPHILIC BACTERIA ON INDS OF SEWAGE SLUDGE COMPOSTING Gong Xiaomei1Zhang Lei2Sun Jia1Wang Xiaorui1Zhang Shudong1Li Qinguo1Yang Qixia1 1. College of Environmental and Material Engineering，Yantai University，Yantai 264000，China; 2. Yantai Xinanhe Wastewater Treatment Co． ，Ltd，Yantai 264670，China AbstractTo study the effects of thermophilic bacteria on sludge composting，contrast tests were implemented，in which four kinds of treatments were designed，i． e． no bacteria added 1 ，adding normal temperature bacteria 2and thermophilic bacteria 3at the beginning of composting respectively，and adding thermophilic bacteria when the fermentation temperature of composting material raised to about 45 ℃ 4 ，to investigate the changes in the fermentation temperature，compost water content，pH，NH 4- N，total nitrogen and organic matter at different fermentation time． The result showed that the elevated temperature was the fastest for 4， and each composting index of 4 was better than the others． It was indicated that thermophilic bacteria added later could speed up the temperature increasing rate， enhance the degradation of organic matter effectively，raise the highest temperature of composting，prolong the compost high- temperature period，and control pH during high- temperature period to some extent，as well as decrease the loss of nitrogen and improve effects of the sewage sludge composting． Keywordssewage sludge composting;thermophilic bacteria;adding time 目前， 污泥利用和处置的主要方法有焚烧、 填埋、 投海和堆肥等， 其中污泥堆肥是利用微生物， 人为促 进微生物降解的有机质向稳定的腐殖质生物转化过 程， 是一种将污泥无害化、 资源化的很有发展潜力的 方法。近年来国内外学者尝试在污泥中加入微生物 菌剂， 不同程度地加快了污泥堆肥的腐熟进程［1- 3 ］ ， 但 也有研究结果表明 ［4- 5 ］ 外源微生物与堆肥土著微生 物之间存在竞争， 致使二者均不能充分发挥作用。如 何能更好地发挥所加微生物菌剂与土著微生物之间 的协同作用， 成为国内外学者研究的焦点［6- 7 ］。 为此， 本研究以烟台市某污水处理厂剩余污泥和玉 米秸秆为主要原料， 先从污泥中提取不同类型常温和高 温内源微生物， 按一定的要求复合制成微生物菌剂， 在 堆肥的不同阶段分别添加常温和高温菌剂， 探究高温菌 剂不同添加时间对堆肥相关指标的影响， 以期为城市污 泥资源化处置的商业化提供更多的可靠依据。 1实验部分 1. 1实验材料 实验所用堆肥材料为烟台某污水处理厂脱水污 泥与碎至约 2 cm 玉米秸秆和干树叶按体积比为1∶ 2 411 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 均匀混合。堆肥前污泥及调理剂等物料的营养学指 标见表 1。 表 1堆肥原料的主要成分 Table 1The main composition of composting raw material 有机碳/总氮/ 含水率/pHC/N 城市污泥33. 63. 17766. 310. 6 玉米秸秆44. 30. 67185. 666 同时， 对实验所用污泥的重金属等组分进行分析 测定， 结果符合 CJ/T 3092009城镇污水处理厂污 泥处置 农用泥质 中污染物安全指标要求［8 ］。 1. 2微生物菌剂培养和富集 常温微生物菌剂的制备 在常温下用合适的液体 培养基从污泥中分别提取和富集细菌、 酵母菌、 放线 菌、 乳酸菌等内源微生物［9 ］， 然后按 1∶ 1∶ 1∶ 1比例复 合为常温菌剂。 高温微生物 在高温 50 ℃左右 用同样的方法 得到高温细菌、 酵母菌、 放线菌、 乳酸菌和芽孢杆 菌 ［9， 10 ］， 然后按 1∶ 1∶ 1∶ 1复合为高温菌剂。 1. 3实验设计 设计1. 5 m 1. 2 m 1. 0 m 堆体 4 堆， 进行露天 好氧堆肥。1 号堆体为空白堆， 在堆肥开始时加入 1 的自来水， 2 号堆体在堆肥开始时加入 1 的常温菌 剂， 3 号堆体在开始堆肥时加入1的高温菌剂， 4 号堆 体在自然升温至45 ℃时加入1的高温菌剂。 采用人工翻堆的方法， 视温度上升情况进行翻 堆。每隔 1 d 取样测其 pH、 含水率、 有机质、 氨氮、 全 氮等指标。 温度的测定采用温度计法， 每天上午 9 00， 下午 3 00 各读 1 次上层 30 cm、 中层 50 ～ 70 cm 处的温 度， 然后求平均值; pH 测定方法用 pH 计测定; 含水 率采用重量法; 有机质测定采用在马弗炉中 600 ℃灼 烧 4 h 差重法测定挥发性固体， 结合含水率计算有机 质含量。NH 4 - N 测定采用 2 mol/L KCl 提取 － 凯氏 定氮法， 全氮测定方法用半微量开氏法， 以上方法均 参考鲍士旦的 土壤理化分析 ［11 ］。 2结果与分析 2. 1堆肥过程中堆体温度的变化与分析 堆体温度的升高是微生物代谢产热累积的结果， 堆体温度的变化反映了堆体中微生物活性的变化。 由图 1 可以看出 4 组堆肥处理温度变化趋势大致相 同， 都经过升温期高温期降温器， 但升温所需时 间和高温的维持时间不尽相同， 1 号4 号堆体分别 用了 18， 15， 17， 12 d 的时间升温至 50 ℃， 50 ℃以上 的持续时间分别是 6， 8， 10， 15 d， 最高温度分别为 53， 56， 58， 67 ℃。 图 1堆肥周期内温度的变化 Fig．1The change in temperature during composting period 本次实验时间是在北方五月初， 堆肥前期环境温 度太低 低于15 ℃ ， 影响了微生物的活性， 加之露天 堆肥堆体与环境的热交换太快， 致使各堆体升温所需 时间较长。但4 号堆体在温度上升至 45 ℃加入高温 菌剂后， 2 d 温度即上升到55 ℃以上， 且持续时间为11 d。开始就加入菌剂的 2 号、 3 号堆体由于堆料中较高 浓度的土著微生物的竞争， 抑制了接种微生物的生长 繁殖 ［ 6 ］， 导致 2 号、 3 号堆体物料的升温速度、 最高温 度和高温 ≥50 ℃ 持续时间都不如4 号堆体。 堆体高温持续时间长有利于消毒杀菌， 但在 pH 较高状态下持续高温时间太长， 会造成 NH3的挥发， 导致氮素的流失。 2. 2堆肥过程中 pH 的变化与分析 由图 2 可以看出 4 组堆体 pH 的变化呈现“上 升平稳下降” 的趋势。在堆肥初期， 由于有机物 分解产生的氨在堆体中以 NH 4 - N 形式积累， 导致 pH 上升， 同时微生物活动分解代谢产生有机酸使得 pH 下降， 这与 Bishop［12 ］一致。 图 2堆肥过程中 pH 变化 Fig． 2The change in pH during composting 511 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 对照图1 可以看出 高pH 的维持时间段与高温维 持时间段基本一致， 说明高温和高pH 值都是由于微生 物分解有机物造成的， 该时间段正值微生物， 尤其是嗜 热微生物的活跃期。但由图 2 可以看出 虽然后加高 温菌剂的4 号堆体高温期的温度最高， 高温持续的时 间比其他堆体长， 但 pH 并没有明显高出其他堆体， 这 有利于减少堆肥过程中 NH3的挥发， 保持肥效。 2. 3堆肥过程含水率的变化与分析 堆肥系统中水分对于有机物分解和微生物生长 繁殖是不可缺少的。含水率的变化如图 3 所示。堆 肥过程中含水率的变化一方面由于有机物的氧化分 解产生水分而增加， 另一方面由于通风作用依水蒸气 的形式挥发而降低， 含水率的变化是二者共同作用的 结果; 含水率过高， 则会堵塞堆料中的空隙， 影响通 风， 降低堆体含氧量， 甚至导致厌氧发酵。本次堆肥 实验由于受条件的限制， 污泥原料中含水率较高， 是 否是影响前期堆肥的一个因素， 有待于进一步探讨。 但物料中的水分也可以溶解有机物分解的小分子产 物 如 NH3 抑制氮的挥发。 图 3堆肥过程中含水率变化 Fig．3The change in water content during composting 2. 4堆肥过程有机质的变化与分析 挥发性固体 VS 包括生物挥发性固体 通常所说 的有机质 BVS 和非生物挥发性固体 生物难降解部分 NBVS 。由于堆肥过程中 NBVS 变化较小， 因而 VS 含 量的变化可反映堆肥有机物降解程度的变化 ［ 13 ］。 在堆肥系统中， 不稳定的有机质在微生物作用下 分解为 CO2、 水和矿物质， 同时分解的产物在微生物 作用下合成新的化合物 腐殖质。随着 CO2的释 放， 有机质总体含量减少， 但在进入高温期之前有一 定的波动 第 9 ～ 10 天 ， 分析其原因可能是这一阶 段温度不断上升， 污泥中微生物群落的演替及不同微 生物利用污泥中无机物等合成自身有机物， 使有机物 质的含量上浮。 从图 4 可以看出 后加高温菌的 4 号堆体有机质 的降解幅度最大， 且变化比较大， 正值高温期， 进一步 证明了后加的高温微生物在高温期更为活跃， 能够促 进有机质的分解和堆肥物料的腐熟。 图 4堆肥过程中有机质的变化 Fig．4The change in organic matter during composting 2. 5堆肥过程全氮的变化与分析 污泥中的总氮通常用于衡量污泥氮元素的基本 肥力， 是决定污泥农用价值的主要参数之一。氮素转 化主要包括二方面 氮素的固定和释放。通常在堆肥 结束后， 氮素有一定的损失， 总氮含量始终成降低趋 势。但是从图 5 可以看到 在堆肥初期的 2 d 都呈现 少许上升的现象， 分析这一现象的原因可能是 堆肥 初期， 含氮化合物的分解而产生 NH3的散失尚不明 显; 氮素主要存在于污泥中 见表 1 ， 秸秆中含量较 泥中少， 初期所取试样中秸秆的相对量较多， 导致干 样中全氮量较低。随着堆肥的进行， 在微生物作用 下， 秸秆开始腐烂， 所取试样中秸秆所占比例下降， 全 氮的含量有所上升。堆肥中后期随着含氮化合物分 解、 pH 值和温度的上升， 氨的散失起了主导作用， 即 出现预期的总氮明显下降的现象。 从堆肥过程中氮素的流失来看， 1 号4 号堆体 的氮损失率分别为 43. 3、 37. 3、 50. 1、 35. 1。 这主要是因为开始加高温菌剂的 3 号堆体虽升温效 果不甚理想， 但后期 pH 值下降速度比较慢， 造成 NH3的挥发所致。但即使 3 号堆体氮损失量高达 50. 1， 对于城市污泥为原料的生物堆肥来说， 由于 原料 污 泥 全 氮 含 量 普 遍 较 高 全 国 平 均 值 为 2. 7［14 ］ ， 最终堆肥产品也能达到我国堆肥产品质 量标准 GB 817287 的要求 全氮大于 0. 5 及 NY 5252002有机肥料标准 。本次实验所用污泥 611 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 图 5堆肥过程中全氨的变化 Fig．5The change in total nitrogen during composting 全氮含量较高 4. 4 ， 堆肥之初虽添加了玉米秸秆 进行调节， 但 C/N 很难调节到 20 以上， 所以本实验 只是从保证堆肥顺利升温的角度进行物料配比， 因此 堆肥初始 C/N 较低 15 左右 ， 这可能是造成堆肥氮 素损失较多的原因之一［15- 16 ］， 有待于进一步研究。 3结论 1对于城镇污水处理厂来说， 污水的来源、 水质 及产生的剩余污泥成分都相对稳定。所以， 本实验的 常温和高温菌剂均来自于堆肥污泥原料， 因属于内源 微生物， 避免了微生物对环境的适应， 有利于发挥接 种菌剂的优势作用。同时， 从实际应用出发， 提取、 富 集方法简单， 实用， 成本低， 作用效果明显。 2高温菌剂的加入时间是决定其能否有效发挥 作用的关键。从堆肥原料中提取的高温菌剂， 在接近 高温 45 ℃ 左右添加到堆肥物料中， 避免了所接种 的高温微生物在升温过程中对温度的适应， 降低了与 土著微生物之间的竞争， 保证其活性， 充分发挥高温 菌的优势作用， 加速堆肥的腐熟化进程。各项指标优 于在堆肥开始时就加入常温菌剂。 3后加的内源高温微生物菌剂能够抑制氮素的 释放， 减少堆肥过程中营养成分的流失， 保证堆肥产 品的肥效。 4露天堆肥受环境温度影响很大， 环境温度低 于 15 ℃， 堆肥升温速度太慢， 影响堆肥顺利进行。 参考文献 ［1］Vandergheynst J S，Vandergheynst G B，Walker L P． Measuring oxygen in composting piles［J］ ． Biocycle， 1997， 38 10 72- 84. ［2］Xi B D， Liu H L， Zeng G M， et al． Composting MSW and sewage sludge with effective complex microorganisms［J］ ．Journal of Environmental Sciences， 2002， 14 2 264- 268. ［3］潘顺秋， 孙先锋， 钟海风， 等． 复合生物菌剂对城市污泥堆肥发 酵的效果［ J］． 热带作物学报， 2010， 31 1 93- 97. ［4］徐智， 张陇利， 张发宝， 等． 接种内外源微生物菌剂对堆肥效果 的影响［ J］ ． 中国环境科学， 2009， 29 8 856- 860. ［5］席北斗， 孟伟， 刘洪亮， 等． 三阶段控温堆肥过程中接种复合微 生物菌群的变化规律研究［J］． 环境科学， 2003，24 2 152- 155． ［6］Mitali D， Todd V R， Laura G L． Diversity of fungi， bacteria， and actinomycetes on leaves decomposing in a stream［J］ ． Applied and Environmental Microbiology， 2007， 73 3 756- 767． ［7］党秋玲， 李鸣晓， 席北斗， 等． 堆肥过程多阶段强化接种对细菌 群落多样性的影响［J］． 环境科学， 2011， 32 9 2689- 2695. ［8］CJ/T 3092009 城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质［S］． 北 京 中国标准出版社， 2009 2- 4. ［9］黄秀梨． 微生物学实验指导［ M］． 北京 高等教育出版社， 1999 114- 115. ［ 10］王春明， 雷恒毅， 王国惠， 等． 城市污泥模拟堆肥过程中高温菌 群的筛选、 鉴定及降解效果［J］． 环境科学学报， 2007，27 6 979- 986. ［ 11］鲍士旦． 土壤农化分析［M］． 3 版． 北京 中国农业出版社， 2005. ［ 12］Bishop P L，Godfrey C.Nitrogen transations during sludge composting［J］ ． Biocycle， 1983， 24 4 ， 34- 39. ［ 13］Naytor L M． Composting［J］． Enviromental Science and Pollution Series， 1996， 69 18 193- 289. ［ 14］李艳霞， 陈同斌， 罗维， 等． 中国城市污泥有机质及养分含量与 土地利用［ J］． 生态学报， 2003， 23 11 2464- 2474. ［ 15］李必琼， 贺亮， 赵秀兰． 微生物菌剂对城市污泥堆肥过程中氮素 转化的影响研究［J］ ． 西南师范大学学报． 自然科学版， 2009， 34 6 61- 66. ［ 16］Ekinci K，Keener H M，Elwell D L． Composting short paper fiber with broiler litter and additives- uation of decomposition rate vs mixing ratio［J］ ． Compost Science and Utilization， 2002， 10 1 16- 28. 作者通信处杨启霞264005山东烟台市莱山区清泉路 30 号烟台 大学环境与材料工程学院 电话 0535 6706038 E- mailyqx815126. com 2012 －10 －12 收稿 711 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期