本文是一篇工程硕士论文，本论文通过对污泥堆肥通风量和碳源量的调节进行堆肥实验。主要对堆肥的影响因素进行理化检测的同时使用电化学工作站确定不同通风量和碳源量的堆肥腐殖质的电子转移能力和电子还原能力，并通过三维荧光分析、紫外可见光分析和红外光谱分析对腐殖质结构变化情况进行初步的确定。在确保堆肥腐熟的前提下探究通风量调节和碳调节对腐殖质电子转移能力的影响。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
市政污泥是污水处理厂处理生活污水过程中的副产物，含有大量的氮、磷和微量元素[1]。随着国家对环境保护的重视程度不断上升，我国的污水处理厂数量不断增长，大量污泥无法得到及时处置。一般污泥含水率高，易腐烂且含有大量寄生虫卵及病原微生物，若无法及时处置或处置不当都会引起严重的二次污染[2]。因此污泥的高效安全处置已成为我国主要问题之一。目前，我国的污泥处置技术主要以土地利用和填埋为主。在土地利用需求饱和时，则采用填埋或焚烧。而在污泥处理方式的选择上，一般会采用堆肥、干化等方式。然而污泥填埋由于没有进行稳定化处理，通常难以达到无害化的要求，污泥干化和焚烧技术则存在臭味难控制的问题[3]。
堆肥是一种通过有机物腐殖化使产品毒性和病原微生物含量降低的技术[4]。污泥堆肥在处理污泥中的有机污染物的同时可以回收利用氮、磷、钾等营养元素，达到无害化、资源化标准。低成本、操作简单，运行费用低等优点使污泥堆肥成为市政污泥的有效处理手段之一[5]。在堆肥过程中，大分子有机物如糖类、蛋白质和脂肪经由微生物分解产生对农作物生长有促进作用的腐殖质物质，该物质具有电子转移能力，可将电子从微生物等供体转移到土壤的难降解污染物中，使其更易于转化和降解。此特性使得腐殖质不仅能增加土壤养分，提高土地肥力，而且在转化土壤中重金属和难降解有机物中发挥着重要作用[6, 7]。
腐殖质的形成受多种因素的综合影响，发酵堆体中温度、水分、C/N、pH值、通风量等物化条件影响着微生物群落的代谢，而微生物是腐殖化过程的执行者。调节这些参数在影响腐殖质生成的同时对腐殖质中的电子转移能力进行调整，提升堆肥产品品质。因此研究污泥堆肥腐殖质中有机物的电子转移能力在不同堆肥条件下的变化规律，能为污泥无害化和资源化利用提供理论基础和科学依据。
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1.2 污泥堆肥概述
1.2.1 污泥堆肥技术原理
现有的堆肥方式主要分为好氧堆肥和厌氧发酵，厌氧发酵是一种新兴的堆肥工艺，通过厌氧微生物分解有机物产生甲烷等能源，耗能和需氧量小。但厌氧堆肥存在堆肥周期长、产气不稳定、占地面积大等问题，而好氧堆肥能很好的解决这些问题[8, 9]。因此，本文主要进行好氧堆肥的介绍。
一般的好氧堆肥以好氧微生物的代谢周期可分为以下四个阶段：
(1) 升温期：这一阶段主要为嗜温菌将大分子易降解有机物和可溶有机物分解为小分子物质，由于堆体内温度不均匀，微生物产生的热量难以散失，造成堆体温度的升高，嗜热菌逐渐开始活跃。
(2) 高温期：这一阶段嗜热菌成为优势菌，堆体温度会迅速上升至 50 ℃ 以上。通常在高温期堆体会保持在 55 ℃~ 65 ℃，有利于蛋白质和复合糖类分解，同时由于嗜热菌种具有很强的分解纤维素和果胶的能力，因此大分子难降解物质开始被分解，腐殖质开始产生。在此阶段，90% 的病原体和微生物会被灭活[10]。
(3) 恒温期：这一阶段由于温度升高，嗜热菌的生长会受到抑制，堆体散失的热量与产生的热量达到动态平衡。在该阶段末期堆体中的有机物基本消耗完全，大部分微生物活性降低，温度开始下降。
(4) 降温期，该阶段有机物的矿化作用降低，腐殖化作用加强，腐殖酸含量增加，随着温度降至室温，堆体最终稳定化[11]。
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2 材料与方法
2.1 污泥堆肥样品采集和预处理
2.1.1 堆肥原料和辅料
本次堆肥的堆料选用采自桂林市上窑第四污水处理厂的市政污泥，作为堆肥辅料的米糠购自桂林市某米厂。调节碳源所用的葡萄糖和蔗糖为分析纯，购自西陇科学股份有限公司。污泥和米糠的基础理化性质见表 2.1。由表 2.1 中可以看出市政污泥和米糠的初始种子发芽指数都高于 40 %，因此堆料和辅料本身对种子无毒性，在堆肥完成后会达到更高的腐熟度。
表 2.1 堆肥原料基础理化性质一览
2.1.2 堆肥方案
本实验采用反应器进行堆肥，反应器主体为 50 L 的圆柱桶，使用玻璃棉和保温棉包裹桶的周围以期达到保温和隔温作用，在圆桶底部设置曝气装置，装置由真空泵、转子流量计和布气板组成，各部分通过四分管连接。为防止污泥堵塞，在堆肥前需要对布气板铺上两至三层纱布，堆肥产生的渗滤液通过桶底圆孔排出。
本次实验分为两批先后进行，实验方案如下：
(1) 不同通风量污泥堆肥样品采集和预处理
将污泥和米糠以 3:1 体积比分为三个堆体，在控制含水率为 60%后装入反应器中进行静态连续曝气堆肥。分别设置曝气量为 0.1、0.2 和 0.3 L/(min·kg)，三个堆体分别记为 VQ1、VQ2、VQ3。堆体每周进行一次翻堆。分别在第 0、3、6、9、12、15、21、30、40 天对堆体上、中、下采集各 100 g 样品后进行混合装样，混合后的样品分为两部分，一部分样品直接放入 -20℃冰柜中作基础理化指标的检测，另一部分经冷冻干燥后过 60 目筛，筛后样品保存在 -20℃冰柜中用于提取腐殖质。
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2.2 基础理化指标测定
对采集的堆肥样品进行基础理化性质的检测用于确定堆肥腐熟情况，具体的理化指标见表 2.2。
表 2.2 堆肥样品检测基本理化指标
对采集混合的污泥堆肥样品进行冷冻干燥和研磨后，过 60 目筛子进行辅料的分离，过筛后的样品使用自封袋保存并标记为前处理样品。腐殖质的初步提取采用碱液萃取法，使用的萃取碱液为 0.1 mol/L 焦磷酸钠和 0.1 mol/L NaOH 以 1:1 混合所得溶液。将该碱液和前处理样品以比例 1:10 (g/ml)装入离心管，混合均匀后放入卧式恒温振荡器中振荡 24h，振荡后的混合物使用 10000 r/min 离心机离心 20 min，将离心后的上清液过 0.45 μm 滤膜。过膜后的溶液需要用 6mol/L HCl 调节 pH 以使腐殖质沉淀，调节好 pH 后静置半小时即可用 4000 r/min 的离心机离心。本次离心得到沉淀物为胡敏酸(HA)粗品，可通过酸碱调节进行 HA 的提纯；上清液则为富里酸粗品，可通过树脂分离提取富里酸(FA)。
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3 不同通风量污泥堆肥的腐熟度及其腐殖质电子转移能力 ............................ 16
3.1 不同通风量污泥堆肥的基本指标 ................................ 16
3.1.1 堆肥过程中温度的变化 ....................................... 16
3.1.2 堆肥过程中 pH 的变化 ................................. 17
4 不同碳源量污泥堆肥的腐熟度及其腐殖质电子转移能力 ................................ 37
4.1 不同碳源量污泥堆肥的基本指标 ............................ 37
4.1.1 污泥堆肥过程中温度的变化 ........................................ 37
4.1.2 污泥堆肥过程中 pH 的变化 ................................. 38
5 结论与展望 .............................. 54
5.1 结论............................................ 54
5.2 研究展望 ................................. 55
4 不同碳源量污泥堆肥的腐熟度及其腐殖质电子转移能力
4.1 不同碳源量污泥堆肥的基本指标
4.1.1 污泥堆肥过程中温度的变化
由于市政污泥在用于生活污水的处理时其中的微生物会发生固氮反应，将大量的氮元素固定在污泥中。因此在调整污泥堆肥的 C/N 比时若是只调整辅料的种类，辅料中氮元素的变化可能加剧含氮气体的产生，对环境造成巨大负担。本文只对碳源量进行调整，通过向堆体中添加葡萄糖和蔗糖并检测其基础理化性质、电化学指标和光谱学指标，多方面探讨不同碳源对电子转移能力的影响情况。
堆体 CR1、CR2 在堆肥过程中温度的变化见图 4.1 。
图 4.1 不同碳源量污泥堆肥过程中的温度变化情况
堆体 CR1、CR2 在堆肥第 2 d 温度都高于 50℃，高温期维持在 8~9 d，基本达到堆肥腐熟所需温度和时间要求。在堆肥 10 d 后堆体温度快速下降，在 14 d和 21 d 翻堆后温度有明显上升趋势，并在 28 d 堆体温度接近环境温度直到堆肥结束。由于堆肥时正处冬季，室内温度低，堆体温度下降较快，可能对堆肥产物有影响。
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5 结论与展望
5.1 结论
在污泥堆肥的过程中，堆肥条件的改变对堆肥产品腐殖质的影响是非常显著的。其中尤其以能同时影响温度和含水率等指标的通风量为主，同时由于污泥本身含氮量高，最好通过单一碳源调节进行控制。本论文通过对污泥堆肥通风量和碳源量的调节进行堆肥实验。主要对堆肥的影响因素进行理化检测的同时使用电化学工作站确定不同通风量和碳源量的堆肥腐殖质的电子转移能力和电子还原能力，并通过三维荧光分析、紫外可见光分析和红外光谱分析对腐殖质结构变化情况进行初步的确定。在确保堆肥腐熟的前提下探究通风量调节和碳调节对腐殖质电子转移能力的影响。结论如下：
(1) 五组堆体的温度都在短期内上升至 55 ℃以上并在高温期保持了 8d 以上后降至常温，基本满足卫生标准，其中 VQ2 和 VQ3 保持在高温期长达 11d；五组堆体 pH 都呈先下降后上升的趋势，在堆肥结束时都保持在 7~9 的范围内；五组堆体含水率都随堆肥的进行逐渐降低，基本都由初始的 60 %降至 40~50 %；堆肥过程中 VS 会逐渐减小，各堆体在堆肥结束 VS 含量下降 12.5~18.5 %，其中投加蔗糖的堆体下降得更多；不同曝气量的三个堆体的 C/N 随着堆肥的进行呈现先上升后下降的趋势，而不同碳源量堆体的 C/N 不断下降，其原因为在堆肥前期含碳有机物不断分解的同时污泥中的氮素不断挥发，后期大分子有机物中碳含量基本固定而氮元素通过固氮作用会有回升。五个堆体在堆肥结束时 GI 值都高于营养肥要求的 80 %，其中中等通气量的堆体和投放蔗糖的堆体 GI 值分别达到了 132.3 %、128.9 %。各堆体的腐熟程度基本达到要求。
(2) 对五组堆体的电子转移机制研究发现，各堆体的 EDC、EAC 都呈现波动上升趋势，通气量和碳源量的增加会对 EDC 和 EAC 都起到显著的加强作用。ETC 也因此有着同样的趋势，但在添加葡萄糖的堆体中存在堆肥前期电子转移能力高于添加蔗糖的情况，其原因可能为葡萄糖被微生物吸收转化的速率高于蔗糖。各堆体 HA 在堆肥进程中还原能力逐渐增强，而 FA 的氧化能力略强氧还原能力，HA 的电子转移能力比 FA 更强。作为判断氧化还原能力的持久性方式，电子循环能力的强弱表示了可逆基团的数量，各堆体的电子循环能力不断增强， FA 的电子循环能力略强于 HA，其原因可能为 FA 作为不稳定的有机物，可逆基团含量较多，但由于 FA 含量较少，所以优势并不明显。
参考文献（略）