园林废弃物与污泥混合堆肥的理化性质变化规律研究

摘要 利用园林废弃物制备堆肥是废弃生物质利用的重要途径之一。为探究园林废弃物在堆肥过程中理化性质变化规律，采用紫荆枝叶、悬铃木树叶及木材加工剩余木屑3种材料作为填料，分别以相同比例与污泥混合，形成3种堆肥混合物（SR、SP、SW）并进行为期21 d的堆肥发酵试验。测试并分析了堆肥温度、pH、电导率、C/N、有机质及木质纤维素含量等理化性质变化规律。结果表明，SR的堆肥温度高于SW，SR的堆肥反应相比SW更加剧烈；综合比较三者的电导率曲线变化，SR的电导率较低且最先趋稳；SR的有机质及木质纤维素含量降解率较高且C/N较低，相比SW和SR的降解能力更强;根据SW及SR木质纤维素及粒径变化情况，可推断SR的堆肥效果优于SW。

关键词 园林废弃物；污泥；堆肥；理化性质

中图分类号 S141.4 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2023）20-0057-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.20.016

Study on Changes of Physicochemical Properties of Co-composting of Garden Waste and Sludge

GUO Zhen-sheng1，ZHANG Ke-yi2，JI Wei1 et al

（1. School of Environment，Henan Normal University，Xinxiang，Henan 453007;2.School of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620）

Abstract Composting from garden waste is one of the important ways to utilize waste biomass.To explore the changes of physicochemical properties of garden waste in the composting process，this paper uses three kinds of materials as fillers，namely，branches and leaves of redbud，leaves of plane tree and wood waste，to mix with sludge in the same proportion to form three compost mixtures （SR，SP，SW） and conduct a composting fermentation experiment for 21 days.The changes of physicochemical properties such as temperature，pH value，conductivity，C/N，organic matter and cellulose content of compost were tested and analyzed.The results showed that the composting temperature of SR was higher than that of SW，and the composting reaction of SR was more intense than that of SW;by comprehensive comparison of the conductivity curves，the conductivity of SR was lower and tended to be stable first; SR had a higher degradation rate of organic matter and cellulose content and lower C/N，which was stronger than SW and SR;according to the changes of cellulose and size of SW and SR，it can be inferred that the composting effect of SR was better than that of SW.

Key words Garden waste;Sludge;Compost;Physical and chemical properties

园林废弃物是指园林植物在生长或养护过程中产生的树枝、落叶、枯草、花败等有机废弃物［1］。随着城市绿化的发展，园林废弃物数量急剧增多。根据城市绿地面积推算，2020年我国园林废弃物产生量已达2 600万t［2］。巨量园林废弃物给城市垃圾消纳带来很大压力，填埋成本高，焚烧污染环境［3］。利用园林废弃物，变废为宝，具有重要的现实意义。目前，堆肥化处理是园林废弃物资源化、无害化和减量化处理的最经济环保方式［4-5］。但园林废弃物具有含水率低、菌群较少的特点，进行堆肥处理难度较大。此外，有研究者向园林废弃物添加蚯蚓或是菌群含量较多的动物粪便等进行堆肥研究［6-7］，获得较好的堆肥效果。

同样，城市化也带来了大量污水及污泥。数据显示，预计2025年我国污泥年生产量将达到9 000万t［8］。当前的污泥主要通过污泥填埋、焚烧以及海洋排放等方式简单抛弃处理，带来了土地资源低效占用、土壤和海洋二次污染、焚烧产生的气体污染等问题［9］。污泥堆肥是一种将有机废物转化为腐殖质的高温发酵技术［10］，可将污泥稳定、减量、并且转为资源，由于污泥中含有丰富的营养物质及微生物，可通过堆肥稳定、减量并资源化［11］。但污泥高含水率、较小的孔隙率及低有机质［12］，使其很难达到好氧堆肥的技术要求。

将园林废弃物与污泥以一定比例进行堆肥，可达到优势互补、劣势互堵的效果，更加有利于二者的资源化利用。针对不同的园林废弃物种类、与污泥的混合比、好氧或缺氧堆肥方法，研究者开展了广泛研究。研究发现，综合分析C/N与碳氮降解率指标，加入园林废弃物的污泥堆肥会易腐熟［13］。污泥与园林废弃物堆肥后，堆肥产物的C/N下降了10%，但仍在成熟度的范围内。堆肥完成后，产物中有机物的含量超过35%；施用堆肥后，种子的发芽指数大部分在70%～90%范围内；有机物含量及发芽指数均符合我国堆肥产物的质量标准［14］，证明堆肥是成熟且无植物毒素的。污泥与园林废弃物的共堆肥有助于消除固定于污泥上的一部分抗生素，消除率35%～46%［15］。当污泥与园林废弃物以不同比例堆肥施用于桑树时，园林废弃物含量的增加有益于植物的生长［16］。还有研究者发现堆肥的含水率、pH以及电导率等理化性质指标能直观判断是否适用于土地利用［12］。如好氧堆肥的产品适用于园林绿化土壤，消化堆肥的产品则不适于园林绿化土壤。通过以上研究发现，污泥与园林废弃物堆肥的最终性能和应用场景均与堆肥过程中的各项理化性质指标的动态变化规律紧密相关，变化规律的探明将有助于从机理上对肥效等性能进行提升。

为了更好地探究园林废弃物与污泥的堆肥过程中理化性质变化规律，该研究选择常见的园林植物如紫荆（Cercis chinensis）和悬铃木［Platanus acerifolia （Aiton） Willdenow］，取紫荆枝叶、悬铃木树叶与污泥混合进行堆肥试验，同时取木材加工剩余木屑（树种以松科木材为主，混有其他阔叶树材）与污泥混合进行堆肥

作为对照。在相同比例拌和均匀形成堆肥混合物的条件下，对比研究3种物料在堆肥过程中温度、pH及电导率等理化性质的变化规律，以期为园林废弃物与污泥的资源化利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料 使用了紫荆枝叶、悬铃木树叶、木屑等3种填料与污泥混合，分别记为SR、SP、SW。其中，紫荆枝叶取自江苏农林职业技术学院校园内的紫荆绿化修剪废弃物，悬铃木树叶取自河南师范大学校园内的落叶，木屑则取自河南省新乡市附近的木材加工厂，污泥取自河南省新乡市小尚庄污水处理厂脱水车间。

在堆肥前，对3种填料进行粉碎预处理，紫荆枝叶、悬铃木树叶、木屑的尺寸分别为2.0～20.0 mm、0.5～10.0 mm、2.0～35.0 mm，呈正态分布。3种填料的具体形态如图1所示。3种填料含水率分别为6.04%、8.68%、8.51%，污泥的含水率为79.23%。混合后，3种物料的含水率分别为69.79%、68.25%、71.31%。3种堆体体积保持相近，入罐前拌和均匀，堆肥反应器中具体物料配比如表 1所示。

1.2 反应装置

如图2所示，好氧发酵反应罐由有机玻璃制成，其直径为20 cm，高度58 cm，壁厚1 cm，并配有曝气装置及温度监测系统。3种堆肥物料分别装入3个好氧发酵反应罐进行堆肥。该反应装置通过调节发酵罐外的循环水浴温度，实现堆体环境温度的控制。曝气装置使用电磁式空气泵从发酵罐底部为堆肥反应曝气，曝气强度为300 mL/min，每个发酵罐上部设有气体排放口，使堆肥过程中产生的气体可以顺畅排出。试验前期保证空气泵持续工作，后期为避免长时间曝气致使堆体内水分大量流失，每天仅供气12 h。温度监测系统主要包括长度为44 cm的堆体温度探针、长度为19 cm的水浴温度探针和动态温度监控设备，每天9：00、12：00、15：00、18：00、21：00记录温度。

1.3 取样与测试

1.3.1 取样。

整个堆肥过程持续21 d，堆肥过程中共取样11次（堆肥1～7 d每天取样1次；堆肥8～21 d，隔3 d取样1次）并冷冻（-14 ℃）保存，进行含水率、电导率、pH、有机质、碳及氮元素等理化性质测试。

1.3.2 测试方法。

1.3.2.1 电导率及pH。样品各取5 g置于100 mL锥形瓶中，再用量筒量取50 mL去离子水倒入锥形瓶中，常温下放入回旋摇床（160 r/min）中震荡1 h，通过纱布过滤震荡后的混合物，滤后使用FiveEasy Plus FE38台式电导率仪［梅特勒托利多科技（中国）有限公司］测其电导率；使用雷磁PHBJ-260F便携式pH计（上海仪电科学仪器股份有限公司）测量pH。

1.3.2.2 有机质。采用灼烧减量法（HJ 761-2015），用铅笔在坩埚底部注明标记，坩埚在600 ℃马弗炉内烧至恒重，称重记为m0；将0.5 g样品平铺于坩埚内，并放入105 ℃烘箱，烘干1 h后放入干燥器内冷却至室温，此时称重记为m1；再将坩埚放入550 ℃马弗炉内灼烧3 h，灼烧完成后再次放入干燥器内冷却至室温，称重记为m2，计算样品有机质含量。

1.3.2.3 元素测量。根据元素分析仪测定法使用德国耶拿multiC/N2100stoc分析仪检测样品中碳元素、氮元素。

1.3.2.4 木材三大素含量。根据《农业生物质原料 纤维素、半纤维素、木质素测定》标准（NY/T 3494—2019），将样品在65 ℃下烘干后过100目筛，再分别经过水、乙醇抽提后将样品烘干至恒重，两步法浓酸及稀酸水解后使用安捷伦1260高效液相色谱仪测定并计算样品中葡萄糖、木糖、半乳糖、阿拉伯糖及甘露糖含量。计算酸溶木质素含量及酸不溶木质素含量，二者加和即为总木质素含量；根据高效液相色谱仪测定样品中不同糖含量计算纤维素及半纤维素含量。

2 结果与分析

2.1 温度

堆体温度是堆肥反应的重要理化指标之一。由图3可知，温度曲线总体呈现出先快速升高后缓慢阶梯式下降的趋势，大致可分为3个阶段（Ⅰ，0～1.31 d；Ⅱ，1.31～14.00 d；Ⅲ，14.00～21.00 d）。第一阶段内，SW、SP及SR的温度迅速升至峰值，分别为63.6、66.8及66.6 ℃。第二阶段内，温度呈阶梯状缓慢下降，总体温度SR＞SP＞SW。堆肥第14天，温度骤降。之后随着时间的推进，SW温度稳定在40 ℃左右，SR及SP稳定在43 ℃左右。通过观察曲线变化可以发现，3种混合物堆肥过程中的温度始终接近或高于环境设定温度，说明环境温度可以维持堆肥中热量的产生，同时不限制堆肥温度的增长。堆肥第一阶段的升温提高了混合物中的微生物活性，促进了有机物的降解，同时释放大量热量［17］，使堆肥温度升高。