Keywords: Mud compost  Compound fertilizer  Farmland testing

　　第一章　　　引言

　　随着我国社会经济和城市化的发展，城市污水处理厂的规模不断扩大，处理程度不断提高。到1998年为止，全国已建成和在建的城市污水处理厂已近200座，污水处理能力约为1000余万m3/d。与蓬勃发展的污水处理相比，污泥处理和处置技术在我国还刚刚起步，随着新建污水处理厂的陆续投产，污泥产量将会有大幅度的增加，所以对污泥的处理和处置必须予以充分的重视。

　　我国城市污水处理厂每年产生湿污泥约4.5×10⁶吨，每年以15%的速度增长。污泥的成分非常复杂，不仅含有较丰富的氮、磷及多种微量元素和大量有机质，同时还含有病原菌、寄生虫（卵）、重金属、盐分及某些难分解的有机毒物。因此，必须进行适当处理，才能二次利用，否则会引起二次污染。^[1-4]

　　处理污泥的方法主要有四种：填埋、投海、焚烧和土地利用^[2]。因环境压力与经济压力的日益增大,世界各国已减少或禁止前三种,而加大以土地利用为主的无害化、资源化处理力度。由于污水污泥处理的投资和运行费用巨大（分别占污水处理厂费用的12 ～30%和20～50%）^[2]，我国尤其是新疆的污水污泥基本没有正常的出路，给污水厂造成沉重负担。例如，乌鲁木齐市河东污水处理厂的污泥已堆积成山，任意堆放,造成严重的二次污染。研究探索一种适合新疆污水污泥的处理方法和技术，是很有必要的。另外，新疆是我国麻黄素生产基地之一，将麻黄素厂的麻黄废渣与污水污泥进行堆肥化研究，化害为利，变废为宝，服务于人类，实现可持续发展战略，具有显著的社会效益、经济效益和环境效益

　　因此，污水厂通常将污泥浓缩脱水后直接外运填埋，以节省厂内运行费用。这一现象随着《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的实施将被改变，该标准对污水厂污泥的处理提出了更高的要求，且提出了相应的标准，如下表1所示。对照此标准，目前大多数现有污水厂需增设污泥稳定化处理设施。

　　　表2 污水厂污泥稳定化控制指标

　　小河污水处理厂处理规模为8.0万m³/d，为典型的城市生活污水处理厂，为满足GB18918-2002的要求，污水厂将进行改造，在污泥处理与处置过程增设好氧堆肥设施，使污泥在厂内经处理后达到稳定化、资源化利用的目标。

　　城市污泥的利用和最终处置方法主要有焚烧、填埋、堆肥和投海等。焚烧法的技术和设备复杂、耗能大、费用较高，并且有大气污染问题；填埋法受到场地条件及环境的限制，在污泥运输距离的合理范围内已很难找到合适的地点；投海会污染海洋，对海洋生态系统和人类食物链已造成威胁，国际公约已明令禁止；堆肥处理不但可以达到稳定污泥的目的，同时制成肥料农业利用具有经济、简便、可资源化等优点，引起各国的重视，并进行大量的研究。　　贵阳市小河污水处理厂处理能力为８万立方米/天，日产污泥26吨（含水率80％）。在我们研究的基础上，建成了贵阳市第一条完整的生产性规模（年产复混肥5000吨）的污泥制肥生产线，生产线由污泥预处理、好氧动态堆肥装置和复混肥生产装置构成。我们着重研究污泥的稳定化和无害化处置工艺。　　 

　　第2章　 试验材料

　　2.1 污泥的来源及成分分析

　　本试验的污泥来自贵阳市小河污水处理厂。该厂的污水处理能力为８万立方米/天。污泥成分分析^[1-6]结果见表2。

　　 从表2可知，贵阳市小河污水处理厂污泥中的有机质含量较高，其堆肥产品的品质会好。由于对进入市政排污系统的污水缺少严格的质量控制，很难保证污泥中低的重金属含量。与国家标准 GB4284-84对照可以看出，贵阳市小河污水处理厂污泥中重金属均未超过国家标准。

　　2.2 粉煤灰来源及分析结果

　　粉煤灰取自贵阳电厂。用化学分析法测定粉煤灰的主要成分，结果见表2。 从表2可知，粉煤灰中SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃  3种成分占70%以上，CaO和MgO量较小，CaO和MgO的含量随原煤的组成和产出时代不同而变化，一般在0.2%～10%之间变动。粉煤灰主要由非晶态玻璃相构成，其中石英为主要结晶相。粉煤灰中矿物状态的构成比率受炭质和燃烧冷却条件控制，其pH值可从弱碱性向强碱性过渡。

　　第三章　　好氧堆肥工艺的原理及过程控制参数

　　（1）工艺原理

　　好氧堆肥是在有氧条件下，好氧细菌对废物进行吸收、氧化、分解。微生物通过自身的生命活动，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，同时释放出可供微生物生长活动所需的能量，而另一部分有机物则被合成新的细胞质，使微生物不断生长繁忙殖，产生出更多的生物体的过程。在有机物生化降解的同时，伴有热量产生，因堆肥工艺中该热能不会全部散发到环境中，就必然造成堆肥物料的温度升高，这样就会使一些不耐高温的微生物死亡，耐高温的细菌快速繁殖。生态动力学表明，好氧分解中发挥主要作用的是菌体硕大、性能活泼的嗜热细菌群。该菌群在大量氧分子存在下将有机物氧化分解，同时释放出大量的能量。据此好氧堆肥过程应伴随着两次升温，将其分成三个阶段：起始阶段、高温阶段和熟化阶段。

　　起始阶段：不耐高温的细菌分解有机物中易降解的碳水化合物、脂肪等，同时放出热量使温度上升，温度可达15~40℃。

　　高温阶段：耐高温细菌迅速繁殖，在有氧条件下，大部分较难降解的蛋白质、纤维等继续被氧化分解，同时放出大量热能，使温度上升至60~70℃。当有机物基本降解完，嗜热菌因缺乏养料而停止生长，产热随之停止。堆肥的温度逐渐下降，当温度稳定在40℃，堆肥基本达到稳定，形成腐植质。

　　熟化阶段：冷却后的堆肥，一些新的微生物借助残余有机物（包括死后的细菌残体）而生长，将堆肥过程最终完成。

　　（2）好氧堆肥的控制参数

　　机械化好氧堆肥过程的关键，就是如何选择和控制堆肥条件，促使微生物降解的过程能快速顺利进行，一般来说好氧堆肥要求控制的参数有：

　　①供氧量

　　对于好氧堆肥而言，氧气是微生物赖以生存的物质条件，供氧不足会造成大量微生物死亡，使分解速度减慢；但供冷空气量过大又会使温度降低，尤其不利于耐高温菌的氧化分解过程，因此供氧量要适当，一般为0.1~0.2m³/m³.min，供氧方式是靠强制通风，因此保持物料间一定的空隙率很重要，物料颗粒太大使空隙率减小，颗粒太小其结构强度小，一旦受压会发生倾塌压缩而导致实际空隙减小。因此颗粒大小要适当，可视物料组成性质而定。

　　②含水率

　　在堆肥工艺中，堆肥原料的含水率对发酵过程影响很大，水的作用一是溶解有机物，参与微生物的新陈代谢；二是可以调节堆肥温度，当温度过高时可通过水分的蒸发，带走一部分热量。水分太低妨碍微生物的繁殖，使分解速度缓慢，甚至导致分解反应停止。水分过高则会导致原料内部空隙被水充满，使空气量减少，造成向有机物供氧不足，形成厌氧状态。同时因过多的水分发，而带走大部分热量，使堆肥过程达不到要求的高温阶段，抑制了高温菌的降解活性，最终影响堆肥的效果。实践证明堆肥原料的水分在50~50％为宜。

　　③碳氮比

　　有机物被微生物分解的速度随碳氮比变化，微生物自身的碳氮比约为4~30，因此用作其营养的有机物的碳氮比最好也在该范围内，当碳氮比在10~25时，有机物被生物分解速度最大。如果碳氮比过高，堆肥成品的比值也过高，即出现“氮饥饿”状态，施于土壤后，会夺取土壤中的氮，而影响作物生长。堆肥过程适宜的碳氮比应为20~30。

　　④碳磷比

　　磷对微生物的生长也有很大影响，城市污水处理厂的污泥含有丰富的磷，可满足微生物生长的需要，堆肥原料适宜的碳磷比为75~150。

　　⑤PH值

　　PH值是微生物生长的重要条件，在堆肥初期，由于酸性细菌的作用，PH值降到5.5~6.0，使堆肥物料呈酸性，而后由于以酸性物为养料细菌的生长和繁殖，会使PH值上升，堆肥过程结束后物料的PH值上升到8.5~9.0。

　　第四章　　实验结果与讨论

　　堆肥过程是在一定的温度、湿度和pH条件下，利用微生物的作用使有机物发生生物化学降解，把废弃有机质转化为类腐殖质的生化过程。本试验考察了各因素在堆肥过程中的变化。

　　对数据分析如下：

　　当物料比为73：25：2时

　　K₁₁=19.25+14.59=33.84

　　K_11平均=33.84÷2=16.92

　　当物料比为84.5：12.5：3时

　　K₁₂=22.41+17.94=39.9

　　K_12平均=39.9÷2=19.95

　　所以极差R₁=K_11平均－K_12平均=19.95－16.92=3.03

　　同理:

　　R₂=4.79,        R₃=0.13

　　其中,R₁、R₂、R₃分别代表物料比、通风量、含水率的极差。

　　因为R₂值最大，所以得出通风量是最主要因素。

　　4.1 温度

　　温度是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素。对堆肥过程来讲，温度是其状态的表观体现。所有过程参数的控制都是为了使堆肥时堆体的温度最快上升、维持适当的堆腐温度及顺利地下降。因为堆体的高温才能杀死其中的病原菌，在堆体适当的温度范围内有机质降解最快，同时在适当的情况下进行水分的去除和堆肥温度的下降，结束堆肥。试验中堆肥的温度随堆肥时间的变化情况如规下图１所示。

　　堆肥经历了１８天的时间。

　　图１

　　从堆肥的温度变化情况看，堆肥都经历了完整的升温、恒温和降温阶段。从开始发酵，堆体温度持续升高，在1-7天，温度由17℃升至55℃；保持恒温 55～60℃，持续18天左右；随后堆体温度下降到30℃。24天以后，堆体温度保持平稳，继续监测温度，未见温度有上升。说明堆肥已达稳定。

　　堆肥过程中，寄生虫和病原菌被杀死，在12天测定细菌数，结果见表４。实验表明，污泥堆肥经过9、10、11三天的55℃高温，即可杀灭决大多数的病原菌符合堆肥的卫生学指标，可以安全施用。

　　4.2 水分

　　在堆肥生态系统中，水分含量是一个重要的物理因素。水分对于有机物的分解和微生物的生长繁殖是不可缺少的。堆肥中水分的主要作用在于：1.溶解有机物，参与微生物的新陈代谢；2.水分蒸发时带走热量，起调节堆肥温度的作用。堆肥原料水分的多少，直接影响好氧堆肥反应速度的快慢，影响堆肥的质量，甚至关系到好氧堆肥工艺过程的成败，因此堆肥中水分的控制十分重要。在堆肥过程中，取污泥样品，在105～110℃的烘箱中烘干4小时，称量以烘干损失重量作为水分含量^[1.2]。

　　堆肥过程中平均水分含量变化见图2。

　　从图中总的水分变化趋势可以看出，水分的变化不大，在69—75%之间变化，这也是微生物活动的适宜条件。从图2可以看出，在达到高温44℃后，即第5天，大量微生物开始进行有机质的降解，出现了水分含量升高的现象，这一现象完全符合有机质的好氧分解会有水分产生的原理。  C₁₀H₁₉O₃N+12.5O₂→10CO₂+8H₂O+NH₃ 随后堆肥达到高温55℃，水分含量基本保持不变。这说明，好氧微生物在适宜条件下，能迅速繁殖，进行有机物的降解，放出热量，以维持堆体高温，同时也分解生成水分。到第17天，堆肥温度开始下降，堆体的水分也略有降低，堆肥过程结束。

　　4.3 pH值

　　对堆肥体系进行pH值的测定。在堆肥过程中，pH值变化不大，均在6～８之间变化。说明堆肥在接近中性条件下进行。

　　4.4 有机成分

　　快速高温堆肥，首要的是热量平衡问题。低的有机质含量产生的热量不足以维持堆肥所需的温度，并且堆肥产品由于肥效低而影响使用。有机质含量过高，又会给通风供氧带来影响，可能造成部分厌氧状态和产生恶臭。堆肥原料适宜的有机质含量为20～80%。本试验的堆肥污泥有机质含量在30～40%之间，因此适宜堆肥。

　　4.5细菌菌落总数及大肠菌群

　　4.6堆肥腐熟度的初步探讨

　　本次试验堆肥产品的腐熟度从以下几个方面分析：

　　1.堆肥的物理性状：

　　（1）本次试验的堆腐污泥，后期温度自然下降，不再上升；

　　（2）堆肥后的污泥含水率下降，呈现疏松的团粒结构，臭味消失。

　　2.堆肥的化学性状：

　　（1）.腐殖质、蛋白质的降解。堆肥过程中，腐殖质和蛋白质的含量均呈现下降趋势；

　　（2）脂肪的降解。脂肪的降解随堆肥的进行逐渐平缓，呈较强的规律性。当脂肪降解平缓时，堆体中降解的主要是腐殖质和纤维素，它们不会产生太多的热量使堆体升温，因此堆体的温度保持平缓。因此，使用脂肪作为腐熟度的指标是合理及可行的。只要处于正常的堆肥状态下，当其中的脂肪降解达到平缓时，说明堆体中的易降解有机物已经降解完全，堆体的温度不会再次上升，堆肥已达稳定。

　　参考文献

　　[1] 中科院南京土壤研究所.土壤理化分析.上海：上海科学技术出版社，1983

　　[2] 南京农学院.土壤农化分析.北京：农业出版社，1985

　　[3]  国家环境保护局.环境监测标准分析方法.环境科学出版社，1983

　　[4] 北京大学.仪器分析教程.北京大学出版社，1992

　　[5] 李国学、张福锁.固体废物堆肥化与有机复混肥生产.北京：化学工业出版社，2000

　　[6] 食品卫生检疫技术手册.北京：化学工业出版社，1997

　　[7] 中华人民共和国国家标准.食品营养成分测定方法，GB12394-90

　　[8] 静态好氧堆肥处理城市垃圾的工艺特性  环境科学与技术，200

　　[9]L Wu，L Q Ma,G A Martinez. Comparison of methods for evaluating stability and maturity of biosolids compost. Journal of Environmental Quality, 2000, 29(2):424～432

　　[10]Chanyansak V,Kubota H.Carbon/organic nitrogen ration in water extracts as a measure of compost degradation. J Ferment Technol, 1981,59:215～221

　　[11]Bernal M P,C Paredes M A,J Cegarra.Maturity and stability parameters of composts prepared with a wide?range of organic wastes.Bioresour Technol, 1998,63: 91～99

　　[12]Hue N V,J Liu. Predicting compost stability. Compost Sci & Utiliz,1995,3: 8～15