通过控制石灰添加量来提高污泥-城市固体废物堆肥在容器系统中的结构稳定性和成熟度

《Results in Engineering》：Improving Structural Stability and Maturity of Sludge–MSW Compost via Controlled Lime Amendment in In-Vessel Systems

本研究通过容器系统评估了添加石灰（0%-3% w/w）对MSW-PS、MSW-SS和MSW-MS三种共堆肥体系的物理性质影响。结果表明，2%石灰显著降低最终含水量至45.1%-47.0%，提升湿密度至595.8-609.3 kg/m3，干密度达410-414.4 kg/m3，孔隙率和空气间隙分别稳定在50%和30%左右，持水能力提高至4.2 g水/g干物质。化学指标如pH、CEC和腐殖酸含量也同步优化，验证了石灰通过调节pH、加速有机质矿化及增强结构稳定性对堆肥质量提升的协同作用。

　　在当前城市化进程不断加快的背景下，城市废弃物的处理已成为一个严峻的环境挑战。特别是在发展中国家，由于土地资源有限、气味控制困难以及处理成本高昂，生活废弃物（MSW）和污水污泥的管理问题尤为突出。污水污泥，作为污水处理过程的副产品，虽然富含有机质，但也含有潜在的有害成分，如重金属、病原体和持久性有机污染物。而MSW中约有60%的成分是可生物降解的有机物质。因此，如何有效处理这两种废弃物，已成为环境科学和工程领域的重要课题。

针对这一问题，研究者们提出了多种解决方案，其中堆肥被认为是一种可持续的处理方式。堆肥不仅能够将有机废弃物转化为稳定的、富含养分的材料，还能够改善土壤质量，减少对环境的负面影响。然而，直接对污水污泥进行堆肥处理时，由于其碳氮比（C/N）较低、含水量较高以及物理结构不佳，往往难以实现理想的降解效果。为了克服这些障碍，研究者们开始探索将污水污泥与MSW的有机部分共同堆肥的策略，这种共堆肥方式不仅有助于平衡关键的物理化学参数，如C/N比和含水量，还能增强堆肥基质的结构稳定性，从而促进微生物活动和氧气流动。

在此基础上，研究者们进一步引入了控制式堆肥系统，如室内堆肥装置。这类系统通过精确控制温度、通风和湿度等关键环境因素，能够显著提高堆肥效率。室内堆肥系统的紧凑设计和封闭运行特性，使其特别适用于城市环境，特别是在空间有限且需要有效控制气味的区域。然而，尽管这些系统在技术层面具有优势，但其在实际应用中仍面临诸多挑战，例如如何优化堆肥基质的物理特性，以及如何确保最终产品的稳定性和适用性。

为了更全面地理解这些挑战，研究人员开展了一项实验，探讨了不同剂量的生石灰（CaO）对共堆肥产物物理特性的影响。研究对象包括MSW与初沉污泥（MSW-PS）、二沉污泥（MSW-SS）以及两者等量混合（MSW-MS）的组合。研究团队通过在实验室条件下进行实验，监测了堆肥过程中一系列关键参数的变化，包括含水量、堆肥密度、孔隙度、自由空气空间（FAS）、水保持能力（WHC）以及颜色和气味等指标。实验采用1%、2%和3%的生石灰添加比例，并在40天内持续监测这些参数的变化。

研究结果表明，添加生石灰，尤其是在2%的剂量下，显著改善了堆肥的物理特性。例如，最终的含水量在添加生石灰的组别中降低至45.3%（MSW-PS）、47.0%（MSW-SS）和45.1%（MSW-MS），而对照组的含水量则超过55%。湿密度在添加生石灰的组别中达到了595.8 kg/m3（MSW-PS）、592.7 kg/m3（MSW-SS）和609.3 kg/m3（MSW-MS），而干密度则在所有生石灰处理组中均超过了410 kg/m3。孔隙度和自由空气空间在1%至2%的处理组中趋于稳定，分别达到约50%和30%。此外，水保持能力在2%生石灰处理组中有所提高，达到4.2 g水/g干物质（MSW-PS）、3.8 g水/g干物质（MSW-SS）和4.05 g水/g干物质（MSW-MS）。腐殖酸含量也显著增加，分别达到6.0%（MSW-PS）、5.17%（MSW-SS）和5.1%（MSW-MS），表明堆肥过程中的腐殖化和成熟度得到了提升。

除了这些物理参数，研究还发现，生石灰的添加显著改善了其他化学指标，如pH值、C/N比、电导率、灰分和阳离子交换容量（CEC）。这些化学参数的改善进一步证实了堆肥的稳定性得到了增强。研究结果表明，适度添加生石灰不仅有助于提升堆肥的物理结构和化学成熟度，还为生产高质量、稳定的堆肥提供了科学依据，这种堆肥材料适合用于土地应用。

研究团队采用重复测量方差分析（Repeated Measures ANOVA）对实验数据进行了统计分析，以评估时间、生石灰剂量和污泥类型对堆肥物理特性的影响。结果表明，时间、生石灰剂量和污泥类型均对含水量、堆肥密度和孔隙度等参数产生了显著影响。此外，生石灰剂量与污泥类型之间的交互作用也具有统计学意义，表明不同类型的污泥对生石灰的影响存在差异。研究还发现，不同处理组之间的参数变化存在显著差异，进一步强调了优化生石灰添加比例的重要性。

在研究过程中，团队特别关注了生石灰对堆肥过程中关键物理和化学指标的协同作用。例如，生石灰的添加不仅加速了堆肥过程中的热反应，还促进了有机物的降解和结构的稳定。这些变化直接导致了含水量的减少、堆肥密度的增加以及孔隙度和自由空气空间的稳定。同时，生石灰的碱性特性有助于缓冲早期堆肥过程中的酸化现象，从而抑制微生物的生长抑制和延缓嗜热阶段的转化过程。

研究团队还分析了堆肥的颜色和气味变化，作为评估堆肥成熟度的直观指标。在共堆肥过程中，颜色从初始的黄绿色（表示未分解的有机物和氮挥发性物质的存在）逐渐转变为深棕色或黑色（表示成熟的堆肥），而气味则从强烈的不愉快气味逐渐转变为温和的泥土味，这表明堆肥的结构和化学特性得到了显著改善。颜色和气味的变化与腐殖酸含量的增加以及物理特性的改善密切相关，进一步支持了这些指标作为评估堆肥质量的实用工具。

此外，研究还探讨了腐殖酸与堆肥物理特性之间的关系。腐殖酸的积累是堆肥成熟度的重要标志，因为它反映了有机物的深度转化和结构的稳定。研究发现，腐殖酸含量与堆肥密度和水保持能力呈正相关，而与含水量、孔隙度和自由空气空间呈负相关。这表明，随着堆肥的成熟，其结构变得更加致密，水保持能力增强，同时含水量和空气空间减少。这些趋势为堆肥成熟度的评估提供了重要的参考依据。

研究团队还发现，生石灰的添加显著提高了电导率和灰分含量，这与有机物的矿化过程和钙离子的释放有关。钙离子的释放不仅有助于提高堆肥的稳定性，还促进了腐殖酸的形成。C/N比的下降则反映了氮的保留和碳的损失，这是堆肥成熟的重要标志。研究还发现，阳离子交换容量（CEC）在生石灰处理组中显著增加，这与腐殖酸的积累和钙离子的释放密切相关。

通过这些研究，团队发现生石灰的添加不仅能够改善堆肥的物理结构和化学特性，还能提高堆肥的稳定性和成熟度。这些发现对于开发高效、高质量的堆肥系统具有重要意义，尤其是在资源有限的地区，这些系统能够有效处理城市废弃物并减少对环境的负面影响。此外，研究还强调了在实际应用中，综合考虑物理和化学指标的重要性，以确保堆肥产品的稳定性和适用性。

研究的局限性在于，实验主要在实验室规模的控制条件下进行，可能无法完全反映大规模堆肥系统的实际运行情况。此外，研究主要关注了短期的物理和化学特性，而未涉及微生物动态、温室气体排放或长期的农业表现。因此，未来的研究应进一步探索这些因素，以全面评估堆肥产品的性能和环境影响。同时，开发基于物理化学指标的预测模型，以及整合实时监测和控制技术，有助于提高大规模堆肥系统的效率和标准化水平。

总体而言，这项研究为共堆肥技术的优化提供了重要的科学依据。通过适度添加生石灰，可以有效改善堆肥的物理结构和化学特性，提高其稳定性和成熟度，从而为可持续的城市废弃物管理提供了新的思路。这些发现不仅有助于提升堆肥的质量，还为相关技术的推广和应用提供了理论支持。