李旺旺，刘燕，李国学，杨佳，杨燕，马若男，袁京*

（1.湖北孝环环境技术有限公司，湖北孝感432100；2.中国农业大学资源与环境学院农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室，北京 100193）

污泥作为城镇污水处理的副产物，其本质是一种半固体废弃物。据住建部统计，截至2017 年6 月底，全国城镇累计建成污水处理厂4 063 座，污水处理能力达1.78×10m·d，年产生含水率80%的污泥超过5 000 万t。但是，目前我国仍有大量污泥得不到规范化处理，随意抛弃、倾倒现象较为普遍，这不仅占用大量土地，而且直接造成“二次污染”，危害生态环境。污泥堆肥处理是利用污泥中的好氧微生物对污泥进行发酵的过程，是实现污泥稳定化、无害化和减量化的有效途经，可将污泥生物转化为稳定的土壤改良剂。腐熟的污泥堆肥产品在合适的施用量下，可以大幅提高农产品的产量和品质。我国作为农业大国，污泥的资源化利用是我们迫切需要的。

然而污泥含水率高、碳氮比（C/N）低的性质使其不适合直接堆肥，在实际堆肥过程中，通常需要以辅料与脱水污泥联合来启动堆肥。常见的辅料包括秸秆、稻草、锯末、园林废弃物等。玉米秸秆是一种来源广泛的农业废弃物，也是堆肥中常用的辅料。相关研究显示，玉米秸秆作为辅料与脱水污泥联合能成功启动堆肥，且堆肥产品可达到卫生标准和腐熟标准。以一定比例的菌菇渣和秸秆作为辅料，与污泥混合进行好氧堆肥，可满足国家无害化卫生标准，堆肥结束时也可达到完全腐熟的要求。

腐熟度是堆肥过程中需首要关注的问题，如果将未腐熟的物料施入土壤环境，则会在一段时间内造成潜在的氧缺乏和间接毒性，并可能伴随大量的臭味产生，从而影响堆肥产品的推广与可持续利用。其次是堆肥过程中污染气体和温室气体的排放问题。相关研究显示，传统堆肥过程中，氨气（NH）挥发对氮损失的贡献率为40%~80%，是氮损失的主要形式，NH也是一种污染严重的臭气。硫化氢（HS）的检测阈值较低，会产生强烈的恶臭气味，同时还是一种具有腐蚀性和剧毒的堆肥副产物，其在堆肥过程中的释放量占挥发性硫化合物总释放量的39.0%~43.0%。甲烷（CH）和一氧化二氮（NO）是重要的温室气体，其100 a 温室效应分别是CO的25 倍和298倍。传统污泥堆肥过程中CH和NO 的CO排放当量（以干污泥计）为133.13~170.11 kg∙t。这些气体的排放不仅降低了堆肥产品的营养价值，而且严重污染大气，加剧了全球温室效应。此外，还需关注污泥堆肥过程中各类营养元素和养分含量的变化情况。

基于有机肥产业的发展现状，为达到减少堆肥污染气体排放、提高堆肥产品品质的效果，使用来源广泛的经济型添加材料仍是有机肥生产企业的首选。其中，接种外源微生物已经成为加速堆肥腐熟的重要研究方向之一。VT菌剂是一种用于有机废弃物堆肥的复合微生物菌剂，其富含纤维素分解菌、固氮微生物等菌株。相关研究发现，向鸡粪或猪粪堆肥物料中添加VT菌剂可在一定程度上加快堆肥初期有机质降解速率和物料升温进程，同时有利于减少NH挥发，提高堆肥肥力。国内外一些学者对低成本含磷添加材料进行了研究。LUO等和YANG等研究认为，猪粪堆肥过程中添加10%（基于干质量）的磷石膏（PPG）可减少CH和NH的排放。可能是PPG 中的硫酸盐还原菌与产甲烷菌争夺相同的有机碳和其他能源，从而降低了CH的产生。PPG对NH的减排作用则与CaSO∙HO、游离磷酸对NH和 NH的吸收作用以及鸟粪石结晶的形成有关。在堆肥中加入过磷酸钙（SSP）可同时减少CH、NO和NH的释放。

为进一步验证微生物菌剂在堆肥过程中的促进作用，探究微生物菌剂与低成本含磷添加材料混合对堆肥氮素损失和温室气体排放的影响，本试验选用SSP、PPG和生产上常用的VT菌剂作为污染气体控制剂，研究添加剂对污泥堆肥过程碳、氮、硫素损失的影响，并确定最佳的添加剂使用方式。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验设计

试验所用脱水污泥取自北京市海淀区肖家河污水处理厂污泥脱水车间，该污泥为未经过厌氧消化的生污泥；玉米秸秆取自中国农业大学上庄试验站，经粉碎机切割为3 cm 左右的秸秆段。原材料的理化性质见表1。

表1 初始物料物理化学性质Table 1 Physical and chemical characteristics of the raw materials

试验使用的含磷添加材料SSP 和PPG 均购于肥料市场。SSP 产地为河北涿鹿，PO质量分数≥18%；PPG 产地为湖北宜昌，PO质量分数≤0.8%，CaSO·2HO 质量分数≥75%。VT 菌剂由北京沃土天地生物科技股份有限公司提供，VT菌剂为复合菌剂，内含酵母菌、侧孢芽孢杆菌、黑曲霉、细黄链霉菌、乳酸菌等。

污泥堆肥原料为85%的污泥和15%的玉米秸秆（占初始物料总质量的百分比，湿基）。试验共设计4个处理，其中，CK 作为对照组不添加任何添加剂，具体试验设计见表2。

表2 试验设计Table 2 Design of experiment

各处理的通风率均设定为0.2 L·kg·min（基于干质量），通风方式为连续通风。将污泥与玉米秸秆充分混合后，各处理分别添加对应的添加剂，再次进行混拌，直至物料与添加剂混合均匀。将混合物料堆置于容积为60 L 的圆柱型密闭式发酵罐中进行好氧发酵，为防止堆肥热量损失，发酵罐由两层不锈钢材料制成，内外壁之间设置5 cm 的绝热层。堆肥试验共持续35 d，每周翻堆1 次。发酵罐结构见图1。发酵罐底部设置通风口和渗滤液出口，顶部连接温度探头以在线连续记录堆体温度，发酵罐顶盖预留气孔，用于收集和测定堆肥过程中产生的气体。

图1 强制通风发酵装置Figure 1 Diagram of forced aeration composting reactor

1.2 测定指标和分析方法

温度通过连接反应器和电脑的温度传感器直接读取，每0.5 h自动记录一次。

氧气（O）利用便携式气体检测仪（BM2KEOOO，Geotech，英国）测定。

温室气体（CH和NO）和臭气（NH和HS）需每日监测1次，每次重复测定3次取平均值。CH和NO采用静态箱法采集气体样本，并使用安装有火焰电离检测器（Flame ionization detector，FID）、电子捕获检测器（Electron capture detector，ECD）的气相色谱仪（3420A，北京北分瑞利）测定；NH用质量分数为2%的硼酸将其捕获在洗涤瓶中，并用0.01 mol·LHSO溶液进行滴定，指示剂为甲基红溴甲酚绿；HS 用带三相阀门的注射器（德国）于每日的固定时间进行气体样品采集，随后连接气相色谱仪（GC-A90，Echrom，中国）进行测定。堆肥过程中气体的排放速率和累积排放量均基于物料的干质量进行计算。

利用Microsoft Excel 2019 计算数据的平均值和标准偏差，使用Origin Lab 2019 做图，相关性分析采用SPSS 26完成。

2 结果与讨论

2.1 温度和O2含量

温度是反映堆肥过程中微生物活性及有机物降解情况的重要指标。如图2a 所示，所有处理均经历了升温期、高温期、降温期和腐熟期4 个阶段。堆肥初期，适宜的含水率、C/N 和通风量为微生物降解有机质提供了适宜的条件，降解过程释放大量热量，因此温度不断升高至高温阶段（>50 ℃）。随后，伴随着可生物降解有机质的减少，堆肥进入降温阶段直至腐熟。堆肥结束时，各处理温度均降至环境水平，环境温度始终介于7.4~16.4 ℃之间。CK 组在堆肥第6 d进入高温期，高温持续4 d，最高温度为72.2 ℃，达到了完全腐熟的要求（GB 7959—2012）。而VT 组的最高温度仅为52.9 ℃，并且高温期的持续时间缩短为2 d，未达到完全腐熟的要求，与CK 组差异显著（<0.05）。已有研究表明，猪粪或鸡粪堆肥过程中添加VT 菌剂不会对堆肥温度产生负面影响。本研究中的差异可能是污泥特殊的物理性状所致，脱水污泥因大量絮凝剂的使用而呈现胶体状，这使得VT 菌剂添加到污泥中后不能直接发挥作用，另外也可能与VT 菌剂较低的添加量有关。与VT 组相比，SSP+VT组和PPG+VT 组均提高了升温速率。SSP+VT 组还缩短了进入高温期的时间（5 d），提高了峰值温度（67.8 ℃）。但PPG+VT 组由于高温持续时间较短（2 d）而未达到堆肥卫生标准的要求。

堆肥过程中的O含量可以反映微生物活动和有机物生物降解率。如图2b 所示，由于好氧微生物的降解作用消耗了大量O，导致所有处理的O含量均在堆肥初期迅速下降。CK 组的O含量下降最快，堆肥第2 d 从19.4%下降到4.3%，第6 d 再次下降到9.1%，表明此阶段微生物活动剧烈。与CK 相比，VT组的O下降速率较缓，O消耗量较少，堆肥第5 d 下降到最低值（12.2%），VT菌剂的添加可能抑制了土著微生物的活动。SSP+VT 组也在堆肥第5 d 达到最低值（5.6%），但其O消耗量比VT 组大得多，表明VT 菌剂和SSP 联合添加可以促进微生物的降解活动。PPG+VT 组的O含量略低于VT 组，但始终保持在10%以上，为好氧微生物代谢繁殖提供了充足的O。堆肥两周后，各处理的O含量开始回升，但PPG+VT 组仍有明显的下降，这与温度结果一致，表明该时期微生物仍然有较剧烈的活动，这可能是堆肥前期降解速率低导致了降解时间的延长。

图2 污泥堆肥温度和O2含量变化Figure 2 Changes of temperature and O2 content in different treatments of sludge composting

2.2 腐熟度指标

污泥堆肥过程中各处理的EC 值变化趋势相似，见图3b。升温和高温阶段，堆体产生浓缩效应，同时有机质快速降解积累了大量水溶性矿物离子，如磷酸盐、硫酸盐、铵、钠和钾等，因此EC 值呈上升趋势。随后，水溶性矿物离子逐渐被吸收利用，EC 值略有下降，最终稳定在0.97~2.26 mS·cm，满足堆肥产品对EC 值的要求（<4 mS·cm）。VT 和 CK 组的 EC 值没有显著差异（>0.05），而SSP+VT 和PPG+VT 组的EC值明显高于 VT 和 CK 组，这与 YANG 等的研究结果相一致，是与额外离子的引入有关。SSP 主要成分是Ca（HPO）·HO，其还含有一些游离酸和铁、铝等金属元素，PPG 则主要由CaSO·2HO 和少量游离磷酸组成，因此SSP 和PPG 的添加是影响堆肥EC 值变化的重要因素。相较而言，添加PPG 的EC 值高于添加SSP 的处理，但是两处理均在安全施用的规定范围内，不影响堆肥产品的农用。

E/E是快速评价堆肥腐熟度的腐殖化参数，其反映了腐植酸品质和芳构化程度，通常随腐植酸分子量的增加或缩合度的增大而减小，而与腐植酸分子数量无关。堆肥腐植酸通常随着堆肥时间的延长和堆肥腐熟度的提高而发生变化，主要向着腐植酸分子越来越大或缩合度越来越高的方向转化。因此，随着堆肥进程的延长，E/E整体呈现降低的趋势。本研究各处理的E/E如图3c 所示，初始物料的E/E值介于2.00~2.33之间，差别较小。堆肥完成后，VT组的E/E值最低（1.68），下降幅度最大（27.7%），说明添加菌剂提高了堆体的腐殖化程度。由上述可知，添加VT 菌剂虽然降低了堆体的高温期持续时间，但并没有影响堆肥的腐殖化进程。

图3 污泥堆肥腐熟度指标变化情况Figure 3 Changes in maturity index in different treatments during composting of sludge

GI 值是评价堆肥植物毒性和腐熟度最直观的参数。如图3d 所示，各处理的初始GI 值为38.5%~50.3%，具有生物毒性，不宜直接还田利用。随着堆肥的进行，GI 值不断上升，这是堆体中小分子有机酸等植物毒性物质被分解利用，胡敏酸等大分子营养物质不断累积的结果。按照有机肥料标准的要求，GI值在70%以上即达到腐熟。据此，SSP+VT 和PPG+VT 组完全腐熟需要两周左右的时间，而CK 和VT 组则需要3 周的时间，因此SSP 和PPG 的添加提高了堆肥效率。最终堆肥产品的GI值为SSP+VT组（158%）>VT 组（142%）>PPG+VT 组（126%）>CK 组（103%），VT和PPG+VT 组虽然未达到高温期的卫生标准，但是其腐殖化进程和腐熟度并未受到影响，3 个添加VT 菌剂组的GI 值均明显高于CK 组，其中以SSP+VT 组的GI值最高。

2.3 铵态氮和硝态氮

2.4 污染气体排放

2.4.1 氨气和硫化氢

污泥堆肥过程中HS 排放速率和累积排放量如图5c 和图5d 所示。HS 的产生主要发生在升温和高温阶段，这与ZANG 等的研究结果一致。此阶段有机质快速降解消耗了大量的O，因此易形成局部厌氧环境，脱硫菌可在厌氧环境下将硫酸盐转化为HS，微生物在厌氧条件下分解蛋白质或其他含硫化合物也可产生HS 气体。相关性分析显示，HS 排放速率与O含量呈显著负相关（为-0.744~-0.516，<0.01）。从累积排放量来看，CK 处理的HS 排放量最高，为 0.38 mg·kg。与 CK 相比，VT 组减少了 35.9%的HS累积排放量，这与其高温阶段较高的O含量有关。SSP+VT 和PPG+VT 组则分别减少了42.8%和54.4%的HS排放量。与VT相比，含磷添加剂的使用进一步减少了 HS 的产生，SSP 或 PPG 中含有 Ca，可能是其在堆体中促进了CaS 沉淀的形成。NH和HS均为堆肥过程中重要的致臭气体，含磷添加剂的使用均可显著降低NH和HS的排放，其中以PPG+VT组更为适宜。

图5 污泥堆肥过程中NH3和H2S的排放速率和累积排放量Figure 5 The emission rate and cumulative emission of NH3 and H2S during sludge composting

2.4.2 甲烷和氧化亚氮

图6 污泥堆肥过程中CH4和N2O排放速率和累积排放量Figure 6 The emission rate and cumulative emission of CH4 and N2O during sludge composting

2.5 堆肥过程及产品元素分析

堆肥过程中碳氮平衡及温室气体效应分析如表3 所示。各处理总碳（TC）损失占初始TC 的46.0%~56.0%。其中CO-C 损失最多，占初始TC 的29.3%~39.5%，这与陈是吏等的研究结果（30.39%~39.47%）一致，表明CO是碳损失的主要气体形式。各处理CH-C 损失占初始TC 的0.6%~1.1%，这与陈是吏等和袁京等对污泥堆肥的研究结果相近，而略高于LUO 等对猪粪堆肥和 YANG 等对厨余垃圾堆肥的研究结果。主要是因为污泥致密、含水率高且呈现胶体絮凝状的特性影响了O的扩散，从而导致较高的CH排放。总氮（TN）损失占初始TN 的22.0%~37.1%，其中NH-N占初始TN的14.3%~31.5%，NO-N占初始TN 的0.5%~0.9%，这一结果与以往的研究结果相近，表明NH-N 是N 损失的主要途径。与CK 相比，使用添加剂均可减少TN 的损失，VT、SSP+VT 和 PPG+VT 处理可分别减少 TN 损失 2.1、11.0 个和15.1 个百分点。各组的总GHG（CO当量）排放量为45.9~73.4 g·kg，与 CK 相比，VT、SSP+VT 和 PPG+VT处理分别减少了37.6%、10.9%和20.0%，其中单独添加VT 菌剂的温室气体减排效果最好。各组CH和NO 对温室气体排放的贡献率分别为3.8%~15.6%和84.4%~96.2%，二者占比相差较大，以NO为主。

表3 碳氮平衡及温室效应分析Table 3 Balance of carbon and nitrogen and total greenhouse gas emissions

堆肥产品的元素含量如表4 所示。经过35 d 堆肥，CK 组养分（TN+PO+KO）含量达到59.5 g·kg。与 CK 相比，VT、SSP+VT 和 PPG+VT 组分别提高了5.0%、18.3%和22.9%，均达到了对有机肥料的要求（养分含量≥4%）。添加剂处理可通过促进有机质降解以及减少NH和NO 等含N 气体排放来提升堆肥产品的养分含量。对于SSP+VT 和PPG+VT 组而言，含磷添加剂的使用可显著提高PO的含量，这是养分提升的主要原因。与CK 相比，添加剂处理均提高了堆肥产品中矿物元素Ca 和S 的含量，且以SSP+VT 和PPG+VT 组更为显著。如上所述，含磷添加剂中额外矿物元素的引入是提高Ca 和S 含量的主要原因。同时，添加剂处理减少了35.9%~54.4%的HS 累积排放量，使堆肥产品保留了更多的S，这是提高S含量的又一重要原因。此外，添加剂处理降低了堆肥产品的重金属含量，主要因为添加剂的使用减少了堆肥过程中的物质损失，从而起到了稀释作用，这与YUAN等的研究结果一致。因此可以消除含磷添加剂在堆肥应用中潜在的重金属污染风险。但下一步还需关注添加剂对重金属形态分布的影响，可通过提高pH值或促进重金属与胡敏酸的络合达到钝化重金属的效果。

表4 堆肥产品元素分析Table 4 Element analysis of compost products

3 结论

（1）VT 菌剂会影响堆体升温，但是堆肥产品仍能获得较好的腐熟度。含磷添加剂与VT 菌剂联合添加，不仅可促进堆体升温，还可促进堆肥腐殖化进程。各组堆肥产品的GI 值均达到100%以上，其中磷石膏+VT菌剂的GI值高达158%。

（2）菌剂和两种含磷添加剂联合添加，可有效降低污染气体的排放。菌剂和过磷酸钙联合添加降低了63.3%的NH和42.8%的HS 排放；而菌剂和磷石膏联合添加减少了97.6%的NH和54.4%的HS 排放，效果优于前者。所有添加剂处理均降低了CH的排放；单独添加菌剂或与磷石膏联合添加可分别减少30.7%和10.5%的NO 排放量以及37.6%和20.0%的总温室效应。总体而言，菌剂与磷石膏联合添加对减排臭气以及降低温室效应的效果最好。

（3）菌剂和两种含磷添加剂联合添加处理均可提高总养分含量（TN+PO+KO），同时可提高Ca和S等矿物元素的含量。综合考虑堆肥卫生标准、腐熟度以及污染气体减排效果，磷石膏和菌剂联合添加的效果最佳。