城市污水污泥堆肥腐熟度的评价

摘要:针对污泥的出路问题,提出用堆肥的方法解决。堆肥方法的成功必须要找到合适的腐熟度评价指标和方法。简介了各种现有的堆肥腐熟度评价指标,并提出要在大规模污泥堆肥操作中应用更加快速、简便的腐熟度测试方法。介绍了4种腐熟度的快速测试方法:明胶测试法、自热测试法、二氧化碳探测管法和水溶性有机碳测试法。

关键词:污水污泥 堆肥 腐熟度 快速测试

城市处理厂的污泥是指处理所产生的固态、半固态及液态的废弃物,含有大量的有机物、丰富的氮磷等营养物、重金属以及致病菌和病原菌等,不加处理的任意排放会对环境造成严重的污染[1]。随着城市化的进一步发展,新的处理厂将不断建立,必将产生更大量的污泥。尤其以上海市为例,新建或将要建设的石洞口、竹园、白龙港处理厂均为大型处理厂,一旦三大处理厂建成并投入满负荷运行,上海市城市处理厂的污泥总量(以含水率80%折算)的预测值见表1[2]。由此可见,解决如此大量的污泥的出路问题已成为上海市处理的当务之急。

表1上海市城市处理厂污泥产量估算

来源 量(万 m3/d) 污泥产量(含水率80% t/d)
中心城区处理厂(12座) 38 230
白龙港处理厂 120 1050
石洞口、竹园处理厂 300~400 2700~3600
小计 3980~4880

 

污泥堆肥化的方法是将污泥减量化、无害化、稳定化和资源化融为一体的比较理想的污泥处理方法。既消纳污泥,又充分利用了污泥中大量含有植物生长发育所需的氮、磷、钾及维持植物正常生长发育的多种微量元素和能改善土壤结构的有机质,并且有利于污泥的大规模处理。因此,结合我国的国情,对污泥进行堆肥的方法为解决污泥的处置问题提供了良好的前景。

1堆肥腐熟度的评价指标

1.1未腐熟堆肥产品的危害

堆肥腐熟度的评价是关系到堆肥的方法能否顺利进行的最为关键的问题之一。未腐熟的产品施用于土壤后,微生物还会利用土壤间隙中的氧气继续活动降解有机物,从而造成的环境,使植物根系缺氧,并产生H2S和NO等气体。未腐熟的产品中有很高的碳氮比(25∶1或更高) ,造成微生物的氮饥饿而去摄取土壤中的氮,使土壤产生缺氮现象。并且在微生物的持续降解活动中还会产生作为副产品的各种有机酸,对植物产生毒性,尤其是乙酸和酚类化合物会抑制植物种子发芽、根系的生长,减少作物的产量[3]。

1.2现有评价指标

虽然国内外在堆肥腐熟度的评价方面已经作了广泛而且很深入的研究,提出了众多的评价指标及方法,但仍没有形成一种公认的堆肥腐熟度指标。

李承强等[4]把堆肥腐熟度指标划分为三类:物理学指标、化学指标(包括腐殖质) 和生物学指标。李艳霞等[5]把堆肥腐熟度的评价方法分为表观分析法、化学分析法、波谱分析法及植物生长分析法4类,与前者的分类方法也比较相似。简介如下:

(1)物理学指标或表观分析指标是指堆肥过程中的一些变化比较直观的性质,如温度、气味和颜色等。具体有:①堆肥开始后堆体温度是逐渐升高再降低的变化过程,而堆体腐熟后堆体温度与环境温度一致,一般不明显变化,因此温度是堆肥过程中最重要的常规检测指标之一;②堆肥原料具有令人不快的气味,并在堆肥过程中会产生H2S,NO等难闻的气体,而良好的堆肥过程后这些气味逐渐减弱并在堆肥结束后消失,所以气味也可以作为堆肥腐熟的指标;③堆肥过程中堆料逐渐发黑,腐熟后的堆肥产品呈黑褐和黑色,颜色也可以作为一判断标准;④对不同时间的堆肥的水萃取物在波长280 nm,465 nm和665 nm的光学性质研究表明,由于个别有机成分的少量存在,抑制了对短波的吸收,而对665 nm波长的可见光影响较少,由此通过检测堆肥萃取物在波长665 nm下的吸光度变化可反映堆肥腐熟度。

(2)由于物理学指标难于定量化表征堆肥过程中堆料成分的变化,所以通过分析堆肥过程中堆料的化学成分或化学性质的变化以评价堆肥腐熟度的方法更常用一些。这些化学指标有:有机质变化指标、氨氮指标、腐殖化指标、碳氮比和有机酸等。具体内容包括:①在堆肥过程中,堆料中的不稳定有机质分解转化为二氧化碳、水、矿物质和稳定化有机质,堆料的有机质含量变化显著,因此可以通过一些反映有机质变化的参数(如,BOD及VS等)的测量及某些有机质在堆肥过程中的变化规律来表征腐熟度;②在堆肥的生化降解过程中含氮的成分发生降解产生氨气,在堆肥后期部分氨气被氧化成亚硝酸盐和硝酸盐,所以可以用亚硝酸盐或硝酸盐的存在判断腐熟度,并且由于这两个指标的测定较为快速而简单,具有较好的实用价值;③堆肥过程中伴随着腐殖化的过程,研究各腐殖化参数的变化是评价腐熟度的重要方法,由此提出CEC(阳离子交换容量)、腐殖质HS、腐酸HA、富里酸FA 、富里部分FF及非腐殖质成分NHF等参数用以评价堆肥腐熟度;④碳源是微生物利用的能源,氮源是微生物的营养物质,碳和氮的变化是堆肥的基本特征之一,C/N(固相)是最常用于评价腐熟度的参数。而也有研究指出微生物在对堆肥原料的降解中代谢发生在水溶相,因此水溶性有机碳/有机氮的指标可以作为堆肥腐熟度的参数;⑤有机酸广泛存在于未腐熟的堆肥中,可通过研究有机酸的变化评价堆肥腐熟度。

(3)堆料中微生物的活性变化及堆肥对植物生长的影响常用于评价堆肥腐熟度。这些指标主要有呼吸作用、生物活性及种子发芽率等。具体有: ①堆肥是富含腐殖质的稳定产品,微生物处于休眠状态,此时腐殖质的生化降解速率及二氧化碳产生和氧气消耗都较慢,因此可以用二氧化碳的产生和微生物的耗氧速率作为反映腐熟度的指标;②同时也可以用反映微生物活性变化的参数如酶活性、ATP和微生物的数量、种类来表征堆肥的稳定和腐熟;③未腐熟的堆肥产品对植物的生长有抑制作用,因此可用堆肥和土壤的混合物中植物的生长状况来评价堆肥的腐熟度,考虑到堆肥腐熟度的实用意义,这是最终和最具说服力的评价方法。

(4)波谱分析法可以从物质结构的角度认识堆肥过程和腐熟度问题,迄今为止较多使用的是 13C-核磁共振法和红外光谱法,红外光谱法可以辨别化合物的特征官能团,核磁共振法可提供有机分子的骨架信息。

1.3堆肥腐熟度指标的应用

在这些评价腐熟度指标的方法中,比较常用的有碳氮比指标,耗氧速率的测定,NO3 -N 和NH4+-N的测定比较快速而简单,而用氢氧化钠溶液吸收堆料产生的CO2气体以确定其产生量的方法经常作为标准的实验室对比试验方法。但是应用这些评价方法经常会得到不同的结果,这是因为堆肥的腐熟度受很多因素的综合影响,单个指标的评价只能片面地反映某个阻碍因素的作用,不能最直接反映植物的生长特性。因此,不能用单一的指标评价堆肥的腐熟度。而堆肥产品最终要作为有机肥应用于作物的生产,种子发芽指数是一个很好的生物指标,综合反映了堆肥产品的植物毒性,所以目前较为认同的堆肥腐熟度的评价方法是将化学指标与生物指标结合起来,采用多种分析方法测定多个指标,然后根据这些指标综合分析堆肥的腐熟状况。

美国加利福尼亚堆肥质量委员会(CCQC)建议必须用两项以上的化学/生物指标来评价堆肥的腐熟度[6]。他们发展了自己的CCQC腐熟度评价指标,这个指标由三部分组成:① 碳氮比;②A组测试指标中的至少一项;③B组测试指标中的至少一项。在进行A组和B组的测试之前,C/N的测试必须要达到小于或等于25。A组测试指标主要是表征堆肥中有机物质的降解程度,内容有CO2的释放量、氧气的消耗速率和自热(selfheating)产生量。B组测试指标主要是表征堆肥产品可能会对植物产生的毒性的一些化学性质,内容有NH4+-N和NO 3-N的比例、氨浓度、挥发性有机酸的浓度及种子发芽或植物生长试验。