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《西北农林科技大学》 2012年
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杨凌城市污泥高效好氧堆肥研究

康军  
【摘要】:好氧堆肥是实现城市污泥无害化、减量化和资源化的有效方法,处理后的污泥进行土地利用是很有前景的一种处置方式。目前,污泥堆肥处理存在很多问题,主要包括:调理剂添加过多、堆肥效率低、能耗较大、堆肥产品质量不稳定、污泥堆肥施用量确定不科学等。本文主要研究了污泥堆肥中有机质、植物养分和重金属的变化规律,探讨了污泥堆肥合理通风量和科学施用量,取得了以下研究成果: 1.以杨凌城市污泥为原料,以小麦秸秆和玉米秸秆为调理剂,设置4个处理,处理1调理剂为小麦秸秆糠(d<5mm),处理2调理剂为小麦秸秆段(3cm<d<5cm),处理3调理剂为玉米秸秆糠(d<5mm),处理4调理剂为玉米秸秆段(3cm<d<5cm),进行35d高温好氧堆肥。堆肥结束时,处理1~4有机质降解率分别达到31.30%、27.09%、54.87%和48.97%;DOC含量呈下降趋势;至堆肥结束时,处理1~4的DOC含量分别为9.48g·kg~(-1)、7.15g·kg~(-1)、9.10g·kg~(-1)和11.07g·kg~(-1);4个处理的腐殖质含量呈先下降后升高,之后趋于稳定,胡敏酸和富哩酸比值(H/F)逐渐升高,至堆肥结束时,处理1~4H/F分别为1.54、2.21、1.56和1.90;粗纤维降解缓慢,较难腐殖化。污泥和玉米秸秆糠混合堆肥效果最佳。 2.将城市污泥和玉米秸秆按照(W/W,以干重计)0.5∶1、1∶1和2∶1的比例进行35d高温好氧堆肥,研究了堆肥过程中温度、有机碳(TOC)、C/N、总氮(TN)、速效磷、速效钾、腐殖酸(HAs)和种子发芽指数(GI)的变化规律。结果表明:3个处理堆体温度都能达到国家无害化标准;随着堆肥进行,有机碳和C/N逐渐下降,下降幅度与初始物料有机碳和C/N呈正相关;堆肥结束时,总氮和速效钾都有所增加;速效磷开始略有波动,最后呈增加趋势;腐殖酸(HAs)总量没有大幅增加;3个处理种子发芽指数都不断提高,至堆肥结束时均达到60%以上;堆肥产品的氮、磷、钾和腐殖酸含量随着污泥比例升高而增加。 3.采用BCR连续提取法研究了玉米秸秆添加比例对污泥堆肥中Cu和Zn形态的影响。结果表明:重金属不同形态分配比例的变化能够准确反映重金属形态之间的转化规律;堆肥处理重金属总量不会变化,只是不稳定形态之间相互转化,Cu和Zn被大幅“浓缩”,玉米秸秆比例越大,“浓缩效应”越明显;玉米秸秆比例增加有助于酸溶态Cu向可氧化态转化,污泥堆肥中Cu主要以可还原态和可氧化态存在;堆肥处理可使Zn生物有效性和迁移性增加,Zn主要以酸溶态和可还原态存在;玉米秸秆添加比例越小,堆肥产品中Cu和Zn浓度越高,但对种子发芽指数没有明显影响,Cu和Zn对种子发芽指数不起决定作用。 4.采用污泥和玉米秸秆进行了120d堆肥,分析了污泥堆肥中腐殖酸变化对Cu和Zn有效性的影响。结果表明:在堆肥初期,随着有机质降解,污泥结合的Cu和Zn被释放出来,水溶态Cu和Zn大幅增加;堆肥21d之后,水溶态Cu(主要是FA-Cu)和FA含量均逐渐降低;水溶态Zn(主要是Zn2+)一直呈增加趋势;Cu和HA的结合能力较强,堆肥处理对Cu的钝化效果很明显,至堆肥结束时,HA-Cu分配比例达到27.50%;Zn和HA的结合能力较弱,堆肥处理对其钝化效果有限,至堆肥结束时,HA-Zn分配比例达到3.33%;HA-Cu/HA-Zn从初始的1.29增加到2.73;适当延长堆肥时间有助于HA形成和钝化重金属。 5.采用红外光谱、紫外—可见光谱、荧光光谱分析了120d污泥好氧堆肥过程中胡敏酸(HA)光谱特征变化。结果表明:随着堆肥进行,污泥堆肥中HA芳构化程度和稳定度明显提高,多糖、脂肪类成分减少,氧元素含量增加;HA荧光强度大幅减弱,主峰位置没有明显变化;HA紫外光谱比较简单,不适合作为污泥堆肥腐熟度的判断指标。堆肥63d之后,HA光谱特征变化较小,与堆体温度和GI变化趋势一致,可以将其作为堆肥腐熟度的辅助判断指标。 6.根据不同学者的研究结果,讨论了通风控制对污泥好氧堆肥堆体温度变化的影响,分析了堆体温度变化曲线与合理通风量之间的关系。提出污泥好氧堆肥合理通风量及控制方式,指出在污泥好氧堆肥“起爆阶段”采用微量通风(0.01m_3·m~(-3)·min~(-1)),缓慢升温阶段通风量为0.02m_3·m~(-3)·min~(-1),快速升温期通风量为0.04m_3·m~(-3)·min~(-1),高温维持期通风量为0.17m_3·m~(-3)·min~(-1),降温期通风量为0.04m_3·m~(-3)·min~(-1)。通风控制采用温度反馈—时间联合控制方式,通风间隔为20min。 7.根据重金属不同形态的环境风险引入毒性响应系数,确定污泥堆肥合理施用量。采用污染指数和地积累指数评价杨凌城市污泥堆肥受重金属污染的程度。初步确定杨凌城市污泥堆肥合理施用量为3.69t·hm-2·a~(-1),该方法突出了重金属形态的重要性,弥补了以往对重金属只进行总量控制的不足。评价结果显示,Cd是限制该地区污泥堆肥施用量的最主要元素。
【学位授予单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:X703

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