孟國欣,查同剛*,鞏瀟,張曉霞,陳茜,劉崢,周金星
1. 北京林業(yè)大學水土保持學院/北京市水土保持工程技術(shù)研究中心,北京 100083;2. 北京圣海林生態(tài)環(huán)境科技股份有限公司,北京 100083
隨著中國城鎮(zhèn)污水處理率的不斷提高,污泥產(chǎn)量急劇增加,污泥處理已經(jīng)成為城市可持續(xù)發(fā)展有待解決的主要問題之一(孟國欣等,2017)。堆肥化處理可以有效減少污泥中有機質(zhì)和養(yǎng)分元素的流失,是污泥減量化、無害化、資源化的一種比較理想的處理方法,是實現(xiàn)污泥可持續(xù)利用的主要途徑(Lister et al.,2001)。污泥單獨堆肥周期長、效果差,容易導致大量氮損失,在污泥中添加一定比例的高碳低氮的物質(zhì)補充碳源,有利于提高微生物對有機碳的分解速率,促進微生物將更多的銨態(tài)氮固定為有機氮,以減少氮素損失(Xu et al.,2000;洪磊等,2016)。常見的碳源包括園林廢棄物、秸稈、稻草、鋸末及生活垃圾等。園林廢棄物來源充足、以廢治廢,可以取得一定經(jīng)濟效益、生態(tài)效益,并且能夠有效地減緩城市有機廢棄物的處理壓力(吳陽,2016)。園林廢棄物和城市污泥中含有的各類營養(yǎng)元素和有機物能夠改善土壤結(jié)構(gòu)和性能,增加土壤養(yǎng)分,從而促進植物的生長發(fā)育,提高作物的產(chǎn)量(Dowdy et al.,1978;Garcia et al.,2002;Sun et al.,2014;Viaene et al.,2016)。
堆肥后的物料是否達到了堆肥處理和利用的目的,其主要評價指標是腐熟度。如果將未腐熟的物料施入土壤環(huán)境中會提高土壤微生物的活性,在一段時間內(nèi)造成潛在的氧缺乏和間接毒性,并可能伴隨大量的臭味,污染空氣,不利于物料的大力推廣和可持續(xù)利用(Bernal et al.,1998;Gao et al.,2010;袁京等,2016)。保證堆肥的腐熟度是堆肥工藝和堆肥產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié),因此,堆肥腐熟度評價應該引起高度重視。
模糊綜合評價法、灰色聚類法、灰色關(guān)聯(lián)分析法等數(shù)學方法綜合考慮了評價指標,避免了單一指標只能從某一方面反映堆肥腐熟程度的片面性,使得評價結(jié)果更具有綜合性、科學性、可操作性,成為目前評價堆肥腐熟度的優(yōu)選方法(龐博等,2011;房琦等,2017)。模糊綜合評價法能較好地解決單個指標評價所帶來的偏差和片面性,綜合地量化堆肥的腐熟狀況(王敦球等,2005)。張永濤等(2009)利用模糊綜合評價法分析了污泥和生活垃圾的腐熟?;疑垲惙狭嘶疑碚摚軌虺浞掷糜邢扌畔⒉⑼ㄟ^數(shù)學定量手段確定聚類對象間親疏關(guān)系(江敏等,2012)。鄭歡等(2014)利用灰色聚類法研究城市污泥好氧堆肥腐熟度評價。
針對堆肥腐熟度評價方法和評價指標的選擇方面的研究已開展較多(Seal et al.,2012)。María et al.(2008)進行了牛糞堆肥過程中的穩(wěn)定性和成熟度評價;Gao et al.(2010)選取了碳氮比、種子發(fā)芽指數(shù)等指標,綜合評價了雞糞混合不同量木屑堆肥過程中的穩(wěn)定性和成熟度變化。Qian et al.(2014)選取溫度、濕度、pH值、總有機碳等指標,建立了畜禽糞便與稻草共堆肥成熟度評估體系。任春曉等(2012)選取含水率、碳氮降解率、種子發(fā)芽指數(shù)等5項評價指標,運用灰色關(guān)聯(lián)分析法、模糊綜合評價法、屬性識別法進行生活垃圾堆肥腐熟度評價,得出灰色關(guān)聯(lián)分析法較為優(yōu)選。目前,有關(guān)污泥添加園林廢棄物進行堆肥腐熟度評價鮮見報道。本研究在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上,選取了表觀指數(shù)、堆肥高溫期(≥55 ℃)持續(xù)時間、pH值、碳氮降解率、種子發(fā)芽指數(shù)等5項評價指標,運用模糊綜合評價法和灰色聚類法,綜合評價了7種不同工況堆肥樣品的腐熟程度,以期為研究北京市污泥處理處置、污泥與園林廢棄物的循環(huán)利用和污泥堆肥腐熟度的評價提供基礎(chǔ)資料。
污泥取自北京市某污水處理廠脫水車間,此污水處理廠主要處理生活污水,處理工藝采用延時曝氣的奧貝爾氧化溝工藝,具有生物除磷脫氮功能,經(jīng)自然風干至含水率為 40%~50%時供堆肥使用。園林廢棄物來自北京林業(yè)大學國家級園林實驗教學示范中心,經(jīng)粉碎機粉碎為粒徑約2 mm的顆粒,供試材料的基本性質(zhì)見表 1。堆肥分為兩個階段,一次發(fā)酵階段為期15 d,堆肥裝置為有效體積80 L的發(fā)酵箱組成的3個模擬裝置,箱底多孔篩板覆有兩層紗網(wǎng),將配制好的物料放置于通風良好、易于翻動的編織袋中,每個發(fā)酵箱放置3個堆料袋。采用強制通風好氧堆肥方式,使用熱風機由下部篩板向上通風供氧,通風速率為0.4 m3?h-1,堆肥期間最高溫度可達到50 ℃。二次發(fā)酵階段為期45 d,自然堆放、隔日翻堆進行通風(孟國欣等,2018)。堆肥物料配比詳見表2。
表2 堆肥物料配比Table 2 Composting material ratio
2017年5月24日開始堆肥,堆肥化過程中,前6 天每隔2天取樣1次,6 d后每隔3天取樣1次,15 d后每隔6天取樣1次,33 d后每隔9天取樣1次。每次取樣180 g左右,每個工況各采集3個重復,采集13次,共273個樣品。
采用堆肥裝置自帶的溫度計測定堆肥溫度。水土比5∶1測定pH值。黑麥草(Lolium perenne L.)種子發(fā)芽率(弓鳳蓮等,2014a):取新鮮堆肥樣品100 g,加500 mL蒸餾水,振蕩30 min后過濾,取濾液10 mL(對照組采用蒸餾水10 mL)置于鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中,將50粒黑麥草(冬牧70型)種子均勻撒于其上,在黑暗、常溫環(huán)境下培養(yǎng)24、48、72 h后,記錄種子發(fā)芽數(shù)及長勢,最后取3個平行的平均數(shù)計算發(fā)芽率。碳氮降解率:風干后堆肥樣品的全碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定,全氮含量采用凱氏定氮法測定。
污泥腐熟度評價指標主要包括物理指標、化學指標、生物指標。本研究選用1種物理指標(表觀指數(shù))、3種化學指標(堆肥高溫期(≥55 ℃)持續(xù)時間、pH值、碳氮降解速率)、1種生物指標(種子發(fā)芽指數(shù))作為評價依據(jù)。
表1 供試材料的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of the tested materials
1.3.1 表觀指數(shù)
表觀指數(shù)可以通過堆肥的顏色、手感、氣味、衛(wèi)生程度采用打分法來確定(弓鳳蓮等,2014b)。
Ⅰ級(完全腐熟):成品顏色呈深褐色,無臭味,團粒疏松;Ⅱ級(較好腐熟):成品顏色呈暗褐色,有輕微臭味,團粒較大;Ⅲ級(基本腐熟):成品顏色呈褐色,略有臭味,團粒較大;Ⅳ級(未腐熟):成品顏色呈淺褐色,有臭味,粒徑大,有結(jié)塊。
1.3.2 堆肥高溫期(≥55 ℃)持續(xù)時間
污泥堆肥過程中,中溫(45 ℃左右)有利于有機質(zhì)的分解,高溫(55~60 ℃)能夠殺死有害蟲卵,促進微生物分解有毒物質(zhì),降低堆肥毒性。一般需要維持6~7 d的高溫,以達到無害化目的(許效天等,2008)。
1.3.3 pH值
污泥堆肥過程中,pH值不僅影響有機物質(zhì)分解、礦物質(zhì)的溶解、氧化還原及微生物活動強度,而且直接影響酶參與的生化反應速率(王川等,2011)。
1.3.4 碳氮降解率
采用碳氮降解率來表示堆肥的腐熟程度,公式為:
1.3.5 種子發(fā)芽指數(shù)
通過測定種子發(fā)芽指數(shù),可以了解堆肥產(chǎn)品是否對植物有毒害作用。種子發(fā)芽指數(shù)按下式計算:
式中,SG表示樣品的發(fā)芽率;CG表示對照的發(fā)芽率;SL表示樣品的根長;CL表示對照的根長。
根據(jù)堆肥原料特性和堆肥的實際情況,采用完全腐熟、較好腐熟、基本腐熟和未腐熟四級指數(shù)標度法確定各化學指標所對應的分級值。對于表觀指數(shù)指標,采用主觀賦值法(弓鳳蓮等,2014b)。堆肥腐熟度評價標準如表3。
1.5.1 模糊綜合評價法
模糊綜合評價法的原理與方法見參考文獻(王敦球等,2005;蔡華帥等,2006;張永濤等,2009)。
(1)隸屬度函數(shù)的建立
建立4個級別的隸屬度函數(shù),如下:
第一級堆肥質(zhì)量,即j=1時,隸屬函數(shù)為:
第二級堆肥質(zhì)量,即j=2時,隸屬函數(shù)為:
第三級堆肥質(zhì)量,即j=3時,隸屬函數(shù)為:
第四級堆肥質(zhì)量,即j=4時,隸屬函數(shù)為:
式中,xi為某項指標的實測值;Si為某項指標的標準值。
(2)權(quán)重確定
表3 堆肥腐熟度評價標準Table3 Stabilization degree standard of compost
因素的權(quán)數(shù)(ωi)的計算公式:
式中,ci為某指標的實測值;為某項指標的分級標準平均值。
(3)綜合評價
將各隸屬度與權(quán)重相乘得出綜合評價結(jié)果。
1.5.2 灰色聚類法
灰色聚類法的原理與方法見文獻(黃紅麗等,2005;龐博等,2011;鄭歡等,2014)。
(1)確定白化權(quán)函數(shù)
灰色聚類法中白化函數(shù)的建立與模糊數(shù)學中隸屬函數(shù)的建立類似。
(2)灰類值無量綱化處理
式中,Skj為第j個聚類指標第k個灰類的灰值(標準值);rij為第j個聚類指標第k個灰類的無量綱數(shù)。
(3)確定各個指標的聚類權(quán)
式中,ηkj為第j個聚類指標第k個灰類的權(quán)重。
(4)確定聚類系數(shù)
將各白化函數(shù)值與聚類權(quán)相乘得出綜合評價結(jié)果。每行數(shù)值最大的聚類系數(shù)對應的灰類就是該樣品腐熟度的級別。
2.1.1 溫度
如圖1所示,堆肥0 d,各工況污泥溫度均較低。隨著堆肥的進行,各工況污泥溫度整體呈現(xiàn)先增大后減小再穩(wěn)定的趨勢。工況S、G1S9的溫度較低,始終未達到高溫階段(≥55 ℃)。工況G1S4、G3S7溫度升高較慢,第15天達到高溫階段,高溫階段分別維持了7 d、13 d。工況G2S3溫度升高較快,第12天達到高溫階段,維持了16 d。工況G1S1、G3S2溫度升高最快,第9天達到高溫階段,分別維持了19 d、25 d。隨著園林廢棄物添加量的增大,堆肥溫度升高越快且堆肥高溫段保持時間越長。園林廢棄物可作為結(jié)構(gòu)物質(zhì)提高堆肥的通氣性,改善堆肥結(jié)構(gòu),解決污泥單獨堆肥微生物菌群移動性差的問題,避免微生物菌群附近的底物被分解,使微生物的活性降低,促進堆肥過程快速達到高溫階段;隨著翻堆的進行,微生物的分解底物重新分配,堆肥過程產(chǎn)生的臭氣等有毒物質(zhì)揮發(fā),微生物活性再次提高,溫度再次上升,堆肥高溫期持續(xù)時間較久;隨著不斷地翻堆,底物不斷消耗,溫度不再上升(呂子文等,2010)。
圖1 溫度隨堆肥時間的變化Fig. 1 Temperature changes with composting time n=273. The same below
2.1.2 pH值
堆肥中含碳有機物產(chǎn)生的有機酸與含氮有機物產(chǎn)生的氨共同作用引起pH值的變化(寧尚曉,2012)。如圖2所示,pH值整體呈現(xiàn)先上升(0~12 d)后略有下降(12~42 d)最后保持穩(wěn)定不變(42~60 d)的趨勢。堆肥0 d,隨著園林廢棄物添加量增大,堆肥樣品pH值基本呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢,表現(xiàn)為G3S2(8.0)>G2S3(7.7)>G1S1(7.6)>G1S9(7.5) =G3S7(7.4)=G1S4(7.4)>S(7.2)。堆肥初期,隨著微生物快速繁殖,所產(chǎn)生的有機酸使得pH值略下降,但一些易于分解的含氮有機物在微生物的作用下發(fā)生氨化反應,釋放出氨氣,pH值增大。所以,堆肥初期pH值整體呈現(xiàn)增大的趨勢,但增幅緩慢。第12天,各工況均達到較大值,表現(xiàn)為 G2S3(9.2)>G3S2(8.9)=G1S1(8.9)>G3S7(8.6)>G1S9(8.5)>G1S4(8.4)=S(8.4)。主要是由于小分子有機酸的揮發(fā),同時在微生物對含氮有機物進行分解所產(chǎn)生的氨的作用下,pH值升高較快。最后,隨著氨氣釋放和硝化作用轉(zhuǎn)化,氨氣含量減少,pH值又下降。堆肥結(jié)束后,各工況pH值均較低。
圖2 pH值隨堆肥時間的變化Fig. 2 pH changes with composting time
2.1.3 ω(C)/ω(N)降解率
如圖 3所示,堆肥初期(0~6 d),各工況ω(C)/ω(N)降解率都較低(<12%)。隨著堆肥的進行,ω(C)/ω(N)降解率逐漸增大。工況S,第21天達到12%以上,第33天達到21%以上,始終未超過30%;工況G1S9,第15天達到12%以上,第27天達到21%以上,始終未超過45%;工況G1S4、G3S7,第12天達到12%以上,第15天達到21%以上,分別在第42天、第33天達到45%以上,始終未超過60%;工況G2S3、G1S1、G3S2,第9天達到12%以上,第12天達到21%以上,分別在第33天、第21天、第15天達到45%以上,第33天、第42天、第42天達到60%以上。
圖3 碳氮降解率隨堆肥時間的變化Fig. 3 Carbon and nitrogen degradation rate changeswith composting time
2.1.4 種子發(fā)芽指數(shù)
種子發(fā)芽指數(shù)是堆肥腐熟的一個非常重要的生物指標,GI是植物對于堆肥低毒性(植物根長)和高毒性(發(fā)芽率)的綜合反映(Bernai et al.,1998)。如圖4所示,黑麥草在前6天的發(fā)芽指數(shù)均為零,說明在堆肥過程中產(chǎn)生了對黑麥草生長有高毒害作用的物質(zhì),主要包含一些對種子發(fā)芽有抑制作用的激素或有機污染物質(zhì)(余杰等,2011),且污泥中的重金屬含量較高,對種子的發(fā)芽也具有抑制作用(司莉青等,2016)。工況S、G1S9的種子發(fā)芽指數(shù)在第9天后開始增大,分別在51 d、42 d后達到最大值(32.8%、60.4%);工況 G1S4、G3S7在第 12天后開始增大,33 d后分別達到最大值(64.3%、70.7%);工況 G2S3、G1S1、G3S2在第15天后開始增大,分別在第33天、第42天、第33天達到最大值(91.3%、77.1%、88.6%)。
圖4 種子發(fā)芽指數(shù)隨堆肥時間的變化Fig. 4 Seed germination index changeswith composting time
綜上所述,堆肥過程中,溫度、pH值、種子發(fā)芽指數(shù)整體呈現(xiàn)先增大后減小再穩(wěn)定的過程,ω(C)/ω(N)降解率呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的規(guī)律。以第60天各工況污泥為例進行堆肥腐熟度綜合評價,結(jié)果如表4所示。
表4 各堆肥樣品在60 d時的實際測定值Table 4 Measured values of various compost samples determining in 60 days
2.2.1 隸屬度的確定
根據(jù)4個級別的隸屬度函數(shù),將評價因子的實測值代入隸屬度函數(shù)求出各指標的隸屬度(表5)。
2.2.2 權(quán)重確定
將各指標實測值和分級標準平均值代入公式中,計算各因素的權(quán)重(表6)。
2.2.3 綜合評價結(jié)果
根據(jù)最大隸屬度原則,各工況最大隸屬度分別為1.278、1.272、2.519、2.903、6.775、7.109、7.885(表7),根據(jù)各最大隸屬度所在等級可推出工況S、G1S9、G1S4、G3S7、G2S3、G1S1、G3S2 分別屬于基本腐熟、基本腐熟、較好腐熟、較好腐熟、完全腐熟、完全腐熟、完全腐熟等級。
表5 模糊綜合評價各指標的隸屬度Table 5 Membership of maturity indices
表6 模糊綜合評價指標權(quán)重的計算結(jié)果Table 6 Categorization weight of maturity indices
2.3.1 確定白化權(quán)函數(shù)
將評價因子的實測值代入白化權(quán)函數(shù)求出各指標的白化函數(shù)值,結(jié)果與隸屬度函數(shù)求出的各指標的隸屬度相同(表5)。
2.3.2 灰類值無量綱化處理
聚類權(quán)是衡量各個指標對同一灰類的權(quán)重。由于腐熟度分級數(shù)據(jù)量級不一樣,單位也不同,如果直接進行計算,會導致實測值小的指標失去評價作用。因此,對灰類值進行無量綱化處理,結(jié)果如表8所示。
2.3.3 確定各個指標的聚類權(quán)
利用無量綱化處理的灰類值計算各個指標的權(quán)重,結(jié)果如表9所示。
2.3.4 確定聚類系數(shù)及樣品屬于的灰類
由表10可知,工況S、G1S9、G1S4、G3S7、G2S3、G1S1、G3S2最大聚類系數(shù)分別為 0.328、0.299、0.626、0.730、1.433、1.433、1.433,分別屬于未腐熟、未腐熟、較好腐熟、較好腐熟、完全腐熟、完全腐熟、完全腐熟等級。
利用模糊綜合評價法、灰色聚類法分別對7個不同工況 0~60 d的堆肥樣品腐熟度進行了綜合評價(表 11)。比較兩種方法得到的評價結(jié)果可知,0~12 d、21 d兩種評價結(jié)果一致;第15天,除工況G3S7外,其余工況評價結(jié)果一致;第27天,工況S、G3S7、G2S3、G1S1、G3S2的評價結(jié)果一致,分別為Ⅳ級、Ⅱ級、Ⅰ級、Ⅰ級、Ⅰ級,工況G1S9、G1S4模糊綜合評價法的結(jié)果均為Ⅲ級,灰色聚類法評價結(jié)果分別為Ⅳ級、Ⅱ級;第 33天,除工況G1S4外,其余工況評價結(jié)果一致;第42天,除工況G1S9外,其余工況評價結(jié)果一致;51~60 d,工況G1S4、G3S7、G2S3、G1S1、G3S2的評價結(jié)果一致,分別為Ⅱ級、Ⅱ級、Ⅰ級、Ⅰ級、Ⅰ級,工況S、G1S9模糊綜合評價法的結(jié)果均為Ⅲ級,灰色聚類法均為Ⅳ級。
表7 模糊綜合評價結(jié)果Table 7 Results of the fuzzy mathematics evaluation
表8 無量綱灰類值Table 8 Dimensionless values of evaluation indexes
表9 各指標的聚類權(quán)Table 9 Clustering weights of evaluation indexes in corresponding grey classification
表10 聚類系數(shù)Table 10 Clustering coefficients of the grey category
表11 0~60 d堆肥腐熟度評價結(jié)果Table 11 Composting maturity evaluation results in 0~60 days
堆肥結(jié)束,結(jié)合腐熟實際情況,對兩種評價方法進行綜合比較。模糊綜合評價法和灰色聚類法都考慮各參數(shù)對腐熟度的影響,但側(cè)重點有所不同,主要體現(xiàn)在權(quán)重的計算方面(沈珍瑤等,1997;郭勁松等,2000)。模糊綜合評價法中權(quán)重主要根據(jù)實測值來確定,其原理是通過構(gòu)造等級模糊子集把反映被評事物的模糊指標進行量化,然后利用模糊變換原理綜合各指標,強調(diào)極值的作用,結(jié)果導致實測值小的指標失去評價的作用,只突出了主要因素,信息丟失量較大?;疑垲惙ㄖ械臋?quán)重主要根據(jù)評價標準值來確定。灰色聚類法認為腐熟度的權(quán)重隱含在變化幅度不同的各級標準值中,為反映同一堆肥處理在不同級別的差異和不同堆肥處理在同一級別的差異,采用標準值來確定權(quán)重,充分考慮各因素對腐熟度的影響,信息利用率較高(龐博等,2011)。所得的聚類系數(shù)反映了各評價對象與各腐熟級別之間的親疏關(guān)系,系數(shù)越大,腐熟越好(黃彩霞等,2009)。綜上所述,灰色聚類法更適合于污泥添加園林廢棄物堆肥腐熟度評價。
污泥中含有豐富的有機營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)元素,是非常有價值的資源(Kulling et al.,2001)。園林廢棄物的主要成分為木質(zhì)纖維素,肥性較低但可作為結(jié)構(gòu)物質(zhì)增強肥料的通氣性,利用其堆肥除了可以提高土壤肥力,還能提高雨水滲透性,減少土壤侵蝕和地表徑流等(司莉青等,2016)。兩者混合堆肥使得污泥中的營養(yǎng)物質(zhì)釋放規(guī)律發(fā)生變化,更有利于植物的長期吸收利用。純污泥利用對黑麥草的種子發(fā)芽率有明顯的抑制作用,加入園林廢棄物堆肥后抑制作用則有所改善,當添加量在一定范圍內(nèi)還能促進種子發(fā)芽。由于污泥中含有一些對種子發(fā)芽有抑制作用的激素類物質(zhì)和有機污染物質(zhì)等(余杰等,2011),對植物種子的發(fā)芽起到調(diào)控作用,但隨著堆肥時間的延長和園林廢棄物的作用,這些成分被逐漸分解,其抑制作用也逐漸減弱。本研究中,隨著堆肥時間的延長,所有工況黑麥草的發(fā)芽率都有所增加,當污泥與園林廢棄物堆肥的配比為2∶3時,黑麥草種子的發(fā)芽率達到最高,繼續(xù)增大園林廢棄物的添加量,種子發(fā)芽率有所下降,說明添加量不宜過高。
隨堆肥時間變化,溫度、pH值、種子發(fā)芽指數(shù)整體呈現(xiàn)先增大再減小后穩(wěn)定的過程,碳氮降解率呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的規(guī)律。
添加適量園林廢棄物,能夠有效促進堆肥腐熟。堆肥結(jié)束,模糊綜合評價法結(jié)果顯示工況S、G1S9均為基本腐熟,而灰色聚類法評價結(jié)果均為未腐熟。兩種評價方法均顯示工況G1S4、G5S7為較好腐熟;工況G2S3、G1S1、G3S2為完全腐熟。其中,工況G2S3使污泥與園林綠化廢棄物均得到最大化利用,且能促進堆肥腐熟度,取得較好的堆肥效果。
模糊綜合評價法和灰色聚類法都綜合考慮所有參數(shù)對腐熟度的影響,評價結(jié)果較為合理,但兩種方法的側(cè)重點有所不同,灰色聚類法更適用于污泥堆肥腐熟度評價。