吴飞龙 叶美锋 吴晓梅 林代炎

摘 要：【目的】研究不同配比猪粪渣/生活污泥堆肥过程养分及重金属含量变化，开发城市生活污泥堆肥化处置调理剂，实现猪粪渣资源化利用。【方法】以规模化养猪场粪污经固液分离后得到的渣滓为调理剂，与城市生活污泥进行条垛式堆肥，分别设置猪粪渣、生活污泥质量配比6∶10（ZW1处理，C/N=25）和6∶5（ZW2处理，C/N=30）两组不同处理，研究不同物料配比处理堆肥过程温度、C/N、养分含量（全氮、全磷、全钾）、有机质含量和重金属（Cu、Zn、Cd和Pb）含量的变化。【结果】ZW2处理的堆体高温期持续时间长于ZW1处理;两个处理的C/N均逐渐下降并最终趋于一致，且堆肥结束后ZW2处理（C/N=30）的有机碳含量降幅达到28.6%，而ZW1处理（C/N=25）的降幅仅为2.1%，说明猪粪渣中的碳源较容易被微生物分解和转化;堆肥过程中全氮、全磷和全钾随有机碳含量的降低表现为增加的趋势;不同处理的堆肥产品的重金属（Cu、Zn、Cd和Pb）含量在堆肥后均有所提高;堆制58 d后，各处理堆肥无害化程度、养分含量和重金属Cd、Pb含量均达到NY525-2012的要求。【结论】猪粪渣可以作为城市生活污泥堆肥的调理剂，且猪粪渣、生活污泥质量配比为6∶5的堆肥效果更优。

关键词：堆肥;猪粪渣;污泥;C/N;重金属

中图分类号：X 705文献标识码：A文章编号：1008-0384（2019）03-352-06

Abstract： 【Objective】Waste from pig farms and municipal sewer were mixed and composted to evaluate its utilization as a safe，organic substrate for agricultural applications. 【Method】 Manure residue from large pig farms after solid-liquid separation was mixed with municipal sewage sludge for the composting. Two mixing ratios of manure residue∶sewage sludge，i.e.，a low C/N treatment of 6∶10 （ZW1） and a high C/N treatment of 6∶5 （ZW2），were applied for the experiment. The changes on temperature，C/N ratio as well as the nutrients （total nitrogen，total phosphorus，total potassium and organic matters） and heavy metals （Cu，Zn，Cd and Pb） contents of the mixtures during the fermentation process were monitored for evaluation. 【Result】The thermophilic phase of ZW2 lasted longer than that of ZW1. After composting，the organic carbon content of ZW2 （C/N=30） decreased by 28.6%，while that of ZW1 （C/N=25） merely 2.1%，indicating that the carbon source in pig manure was easily decomposed by microorganisms. As the fermentation progressed，the total nitrogen，phosphorus and potassium increased，and the heavy metals increased in the mixtures. After 58 d of composting，both resulting materials met the national standards for nutrients content and safety on heavy metals. 【Conclusion】 The mass ratio of 6：5 （C/N=30） between the pig manure residue and the sewage sludge was considered appropriate for composting to produce an applicable fertilizer.

Key words： composting; pig manure; sewage sludge; C/N; heavy metal

0 引言

【研究意義】近几年随着国家对环保的不断重视，我国的污水处理厂数量迅速增加，随之而来的副产物污泥的处理和处置也成为当前环保工作的重点。城市生活污泥含有大量的有机质和丰富的营养元素，可以经过堆肥处理后生产有机肥和土壤改良剂 [1]。但是城市生活污泥存在黏度大，水分含量高，含有病原菌、重金属等问题[2]，需要添加合适的调理剂才能进行高温好氧堆肥发酵[3]。养殖场粪污经固液分离处理后产生的猪粪渣，其主要成分含有猪饲料过腹后未分解的玉米皮、猪毛、粗纤维等物质，其优点是有机质含量高、疏松度高、容重低，同时经水洗后还具有盐分含量及重金属含量较低的特点[4]，因此开发利用养殖场粪污作为城市生活污泥堆肥化处置调理剂，对降低生活污泥堆肥化利用成本、实现猪粪渣资源化利用具有重要意义。【前人研究进展】国内外有关污泥与秸秆、菌菇渣等调理剂堆肥的研究比较多，Ozdemir等[5]研究了添加4种不同调理剂（锯末、榛子壳、玉米秸秆、碎松木）与污泥的堆肥过程及发酵效果，表明榛子壳作为调理剂能够促进污泥的堆肥进程;有学者研究了蘑菇渣锯末与污泥堆肥过程中有机质组分的变化[6]，稻壳、麦糠和菇渣与稻壳混合物作为有机调理剂对污泥堆肥效果及氨气释放规律的影响[7]。也有学者研究了以猪粪（非固液分离后的猪粪渣）作为调理剂与污泥堆肥的效果[8]及氧气浓度的变化[9]，但是以固液分离后的猪粪渣作为生活污泥调理剂的研究不多。【本研究切入点】本研究根据固液分离后的猪粪渣具有高有机质、疏松度好、容重低和重金属含量低的特点，以及规模化养猪场的猪粪渣产生量大、资源化利用率低、价格低廉等优势，提出将猪粪渣作为调理剂与生活污泥共堆肥的工艺技术，以达到猪粪渣资源化利用和污泥堆肥化处置的目的，从而降低生活污泥堆肥化利用成本。【拟解决的关键问题】本研究以城市生活污泥为研究对象，以猪粪渣作为调理剂设置不同物料配比进行静态高温好氧堆肥试验，分析堆肥过程中温度、氮、磷、钾和重金属含量等基本特征和组成的变化，以期为猪粪渣与生活污泥堆肥化处置技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

猪粪渣来自福清市某规模化养猪场，由猪场粪污经过固液分离后得到的残渣，含水率63.7%，有机碳574 g·kg-1，全氮12.5 g·kg-1，全磷（P2O5）13.1 g·kg-1，全钾（K2O）2.7 g·kg-1。

污泥为福清市某市政污水处理厂的生活污泥，含水率84.5%，有机碳188 g·kg-1，全氮14.6 g·kg-1，全磷（P2O5）32.3 g·kg-1，全钾（K2O） 6.6 g·kg-1。

1.2 试验设计

试验设2个处理：ZW1和 ZW2（表1）。原料按配比混合均匀后，堆成长1.2 m、下底宽1.5 m，上底宽1.0 m，高60 cm的条垛，总体积约为1 m3。根据堆肥过程中温度、含水量等指标变化情况，确定试验前期（堆肥处理1～16 d）、试验后期（堆肥第16 d之后）翻堆和洒水的次数及频率，分别在10、20、30和40 d进行翻堆。在堆肥开始前、每次翻堆时和堆肥58 d结束时采用多点法取样，每次取样500 g，一部分用于含水率的测定，另一部分风干后粉碎，过0.149 mm筛后保存，用于总有机碳、全氮、全磷和全钾等指标的测定。另外，在堆肥前和堆肥后分别取样测定铜（Cu）、锌（Zn）、镉（Cd）和铅（Pb）等重金属含量。

1.3 试验方法

（1）堆体温度测定：每天上午9∶00用数显探针式温度计在堆体表面沿对角线等距离取3点测定溫度，测温的深度距表面30 cm，取平均值;

（2）含水率测定：105℃鼓风干燥法;

（3）总有机碳测定：重铬酸钾容量法;

（4）全氮、全磷和全钾测定：样品用浓硫酸-过氧化氢消煮后，全氮采用凯氏定氮法，全磷采用钒钼酸铵比色法，全钾采用火焰光度法。本试验的全磷和全钾分别以五氧化二磷和氧化钾计;

（5）铜（Cu）、锌（Zn）、镉（Cd）和铅（Pb）测定：样品用浓硝酸-浓盐酸消煮后，采用原子吸收光谱法。

1.4 数据处理

利用Excel进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 堆体温度的变化

由图1可见，不同C/N处理堆体温度变化规律相对一致，升温期为发酵后的0～3 d;高温期为发酵后的4～21 d，并且温度在第16～17 d时达到峰值;降温期在发酵后的21～50 d，之后温度逐渐趋于稳定。由图2可见，ZW1和ZW2的堆体温度大于55℃的天数分别为16 d和18 d，大于60℃天数分别为5 d和14 d，总体上看，堆体温度高于55℃和60℃的天数，ZW2（C/N30∶1）均比ZW1（C/N 25∶1）多，因此，物料C/N较高有利于促进猪粪渣/污泥堆肥发酵升温。

2.2 C/N的变化

由图3可见，不同处理的C/N在发酵过程中总体呈下降趋势，在0～10 d内下降最快，10～40 d内持续缓慢下降，40～58 d内下降加快，最终两个处理的C/N趋于一致。其中，ZW2处理的C/N降幅较大。

2.3 养分含量的变化

由图4-A可见，在微生物作用下，ZW1处理的有机质含量在堆肥过程中呈现先上升后下降趋势，而ZW2处理的有机质含量则是先迅速下降后再上升最后下降;堆肥结束后，ZW2处理（C/N=30）的有机碳含量降幅在28.6%，而ZW1处理（C/N=25）的降幅仅为2.1%。

由图4-B可见，在发酵过程中，堆肥物料全氮含量呈上升趋势，在发酵过程的0～20 d内，增长较快;30～50 d内增长趋势逐渐平缓;与堆肥初始样品相比，ZW1处理的全氮含量增幅为58.5%，而ZW2处理的全氮含量增幅为44.6%。

由图4-C可知，不同处理全磷含量在堆肥过程中基本呈上升趋势，在0～30 d内上升较快;处理组ZW1和ZW2的全磷初始含量比较接近，堆肥后成品全磷含量约增长了26.1%～29.7%，其中ZW1处理的全磷含量为3.96%，ZW2处理的全磷含量为4.06%。

由图4-D可知，不同处理全钾含量在发酵过程中也基本呈上升趋势，两个处理ZW1和ZW2的全钾初始含量较低，分别为0.51%和0.53%，堆肥成品全钾含量与堆肥前相比增长了41.5%～43.1%。

由图5可见，不同处理堆肥成品养分含量均比较接近，全氮2.01%～2.06%，全磷含量3.96%～4.06%，全钾含量较低0.73%～0.75%，有机质含量45.68%～46.89%;总养分（N+P2O5+K2O）含量≥5.0%，有机质含量≥45%，符合中华人民共和国农业行业标准——有机肥料（NY 525-2012）的标准。

2.4 重金属含量的变化

由表2可知，总体上原料中除Zn外，其他3种重金属含量均为污泥>猪粪渣。其中，原料中Cu含量最高，猪粪渣和污泥中Cu含量分别达230和240  mg·kg-1DM;Zn含量相近，为55 mg·kg-1 DM;两种原料中的Cd含量最小，污泥的Cd含量为0.82  mg·kg-1DM，是猪粪渣中Cd含量的5.1倍;污泥中Pb含量为71.14  mg·kg-1DM，是猪粪渣中Pb含量的9.6倍。两个堆肥产品中重金属含量与堆肥前相比均有小幅上升。两个处理的堆肥产品中Cd、Pb含量均符合NY 525-2012的要求，即Cd含量小于3  mg·kg-1DM，Pb含量小于50  mg·kg-1DM。

3 讨 论

堆肥过程中，由于微生物不断分解和利用有机物，有一部分有机物转换成热量，加之物料具有良好的保温作用，温度不断上升，这对有机物的分解速率起着决定性作用。一般把堆肥过程分为升温期、高温持续期和降温期3个阶段[10]。高温期（50℃以上）是堆肥过程中最重要的环节，此阶段有机物在高温下迅速分解并开始转化为腐殖质[11];同时，高温能杀死寄生虫、病原菌和杂草种子等有害生物[12-13]。对此，我国在《粪便无害化卫生标准》（GB 7959-1987）中有明确的规定，堆体温度需在50～55℃维持5～7 d。由此可见，本试验各处理均达到了此标准。其中不同物料高C/N堆肥高温期的持续时间较长，说明适当添加含碳量高的猪粪渣，有助于污泥堆肥发酵，促进污泥的无害化。

碳源和氮源是维持堆肥过程中微生物活性的两大重要营养源，物料C/N的变化也是反映堆肥达到腐熟的指标之一[14]。一般认为，C/N处于10～20，即堆肥达到腐熟[15]。由此可见，各处理堆肥结束时均达到腐熟，并且两个处理的最终腐熟程度比较一致。说明相同物料，不同C/N的堆肥处理最终堆肥的效果趋于一致，也进一步说明猪粪渣中的碳源较容易被微生物分解和转化，可以作为污泥堆肥的调理剂来使用。

以猪粪渣、污泥为原料的堆肥，可避免城市生活垃圾因持水率差而在堆肥过程中产生渗滤液[16]，除有机质会矿化损失、氮素会以氨气和氧化亚氮的形式损失外[17-18]，其他营养元素如磷和钾都随物料干重的降低，表现为含量升高。

堆肥过程主要对原料中重金属起着钝化的作用[19-20]，可利用态的重金属含量会降低，也会由于有机质含量的下降而表现出重金属含量升高的“浓缩效应”。两个处理的堆肥产品中各重金属含量与堆肥前相比出现增加，主要是因为堆肥过程高温期持续时间较长，有机质降解充分，导致重金属在绝对量维持不变的基础上表现出相对含量的增加。

4 结 论

（1）猪粪渣作为堆肥原料兼具调理剂的作用，可与生活污泥共堆肥。堆制58 d后，不同原料配比的堆肥均达到了无害化和腐熟化程度的要求，堆肥成品的养分含量和重金属含量符合有机肥行业标准的要求。

（2）高C/N堆肥的过程和结果优于低C/N堆肥，可以将C/N=30作为猪粪渣/污泥物料配比的重要参数。

（3）下一步可对堆肥过程中的臭气（如氨气和硫化氢）和温室气体（如甲烷和氧化亚氮）的排放情况和重金属的钝化效果进行研究，全面评估堆肥的效果，进一步优化工艺参数，减少堆肥过程中二次污染物的排放。

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（责任编辑：张 梅）