生活污泥营养基质配方优化研究

王云龙， 苏瑶， 喻曼

(浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

随着我国城镇污水处理率的不断提高，城镇污水处理厂污泥产量也急剧增加，至2020年，全国污泥产生量已超7 000万t，其中，生活污泥近3 600万t。土地利用一直是污泥资源化利用较理想的方式，主要包括作为农作物、牧场草地肥料的农用，作为林地、园林绿化肥料的林用以及作为沙荒地、盐碱地、废弃矿区改良基质的土壤改良。一方面土地利用投资少、能耗低、运行费用低，另一方面污泥中的营养成分和微量元素可促进作物生长，符合可持续发展战略。尤其是工业废水被严格管控后，生活污泥的重金属污染问题得到很大程度的解决。但是，生活污泥直接土地利用仍存在短板，比如养分不均衡，容重偏大易造成土壤板结等。近年来，不少研究者开展过污泥基质筛选，主要集中在污泥营养基质单一特性的评价，大多以营养基质的物理、化学或生物性状显著性差异分析作为评价方法，相对单一、不够深入。综合隶属度评估方法可以将多个性状综合考虑，全面客观地量化分析营养基质的综合表现，克服以往单一因素为主、其他性状凭主观判断来评判基质的局限性。但从原料复混设计到配方模型优化的研究较少。本研究通过顶点极端设计，初筛污泥基质的主要材料，并结合综合隶属度和曲面优化法对基质原料比例进行优化，以期为生活污泥营养基质开发提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在浙江省农业科学院桑园科研基地温室进行。城市生活污泥取自义乌水处理公司大成运营部，选取有机质含量较高的菇渣、麦壳、草炭用于调节污泥配方基质的有机质含量，选取蛭石+珍珠岩、砂子用于调节污泥配方基质的物理结构和性质。菇渣、麦壳来自浙江省农科院园艺所食用菌课题组，草炭、蛭石、珍珠岩、沙子均为市售常规材料。试验材料的基本理化性质见表1。

表1 供试材料的基本性质

1.2 试验设计

采用混料设计中的极端顶点设计(表2)，共设计基质配方30个，配方中的各标号X1、X2、X3-1、X3-2、X4-1和X4-2分别代表污泥、菇渣、麦壳、草炭、蛭石-珍珠岩(体积比1∶1)和沙子的体积分数。

表2 污泥混合基质配方设计

1.3 测试参数和方法

基质的容重和孔隙度采用环刀法(NY/T 2118—2012)，含水率采用质量法(CJ/T 221—2005)。pH、有机物、总氮磷钾参考《CJ/T 221—2005》标准中相关方法，电导率(EC)采用电极法(NY/T 2118—2012)。种子发芽指数测定参考《GB/T 23486—2009》标准中的方法测定。

1.4 数据分析

数据采用Excel 2020 整理，采用SPSS 22.0进行方差和统计分析。相关性采用皮尔逊相关性分析，基质配方综合评价采用模糊综合评判法，应用软件Design Expert中的Box-Behnken法进行优化分析。其中，若某一指标与综合评判结果为正相关，则采用正隶属函数进行定量转换，如公式1所示；若某一指标与综合评判结果为负相关，则采用反隶属函数进行定量转换，如公式2所示。

U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)；

(1)

U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

(2)

式中，U(Xi) 为隶属函数值；Xi为某指标的测定值；Xmax和Xmin分别指某一指标内的最大值与最小值。

2 结果与讨论

2.1 物理性质分析

2.1.1 容重

不同配方之间容重的差异显著(P<0.01)(表3)，其中，配方2容重最小，为0.37 g·m-3，对应配方为：污泥50%，麦壳50%；配方5容重最大为1.19 g·m-3，对应配方为：污泥50%，沙子50%。容重能反映基质的疏松、紧实程度，在0.1～0.8 g·m-33较佳，直接影响着基质的蓄水和通气性，并间接影响基质的肥力和后续植物的生长状况。配方2在较佳的容重范围内，配方5容重大于0.8 g·m-3，说明该配方下可能会因基质过于紧实，通气透水性差，不利于根系伸展和植物后期生长，不宜选择。

2.1.2 孔隙度

总孔隙度为通气孔隙度与持水孔隙度之和。由表3可知，配方2的总孔隙度最大为70%左右，而配方5的总孔隙度最小仅为43%。一般而言，土壤容重较低，其总孔隙度则往往较大，这与容重的测定结果吻合。持水孔隙度超过50%的处理都是污泥含量较高而沙子含量较低的配方，其中持水孔隙度最大的为配方3，超过57%，持水孔隙度最小的为配方5，只有35%左右。在不同配方的基质通气孔隙度存在明显的差异。其中，配方2的通气孔隙度最大，为23.98%，而配方24的通气孔隙度最低，仅为5.98%，对应配方为污泥80%，菇渣6.7%，麦壳6.7%，沙子6.7%。总孔隙度反映了基质的孔隙状况，总孔隙度越大，基质容纳的空气和水越多，有利于根系生长，但是根锚定植物的效果越差。持水孔隙度指饱和土壤排除重力水后保持在土壤中的水分所占的空隙，其保持的水分也称田间持水量，是土壤保水能力或供水能力的度量。通气孔隙度指饱和土壤重力排水停止后的土壤空隙，是土壤排水的通道，也为植物根系延伸提供有利条件。污泥通气孔隙度较低，因此，在基质中的比例需严格控制。

表3 不同配方基质的物理和化学性质

2.2 化学性质分析

2.2.1 pH和电导率(EC)

基质中pH主要受基质材料组成及后期水肥管理的影响。基质电导率EC值反映基质中可溶性盐含量的高低，它直接影响营养液的平衡。为避免污泥土地利用时对植物造成损害，参考《城镇污水处理厂污泥处置 园林绿化用泥质》(GB/T 23486—2009)中的要求：酸性土壤，污泥pH需在6.5～8.5；中性和碱性土壤，其pH则需在5.5～7.8。针对盐分敏感地植物根系，其周围土壤的EC值宜小于1 mS·cm-1。如表3所示，不同处理的基质pH，变化范围在6.87～7.44，均符合标准《GB/T 23486—2009》中的要求。但不同处理之间电导率(EC)变化较大，除配方2外，其他配方基质的电导率在2.13～5.17 mS·cm-1范围，相较于污泥本身(5.18 mS·cm-1)，其EC值均得到了一定程度的降低，表明适当的辅料添加可有效降低污泥直接施用于土壤对植物生长造成的不良影响。

2.2.2 有机质和营养成分

不同处理的配方基质，其有机质含量存在明显差异，这主要是由于基质配方原料的有机质含量有较大差异引起。由表3可知，有机质含量较高的配方1(菇渣含量50%)和配方2(麦壳含量50%)，其菇渣或/和麦壳的含量均较高。有机质含量较低的配方组，则其沙子的含量较高，如配方5和配方10，有机质含量分别为6.46%和13.68%，其配方分别为污泥50%、沙子50%；污泥80%、沙子20%。表明在基质选配时，菇渣、麦壳、蛭石-珍珠岩和沙子的比重改变，将很大程度上影响基质有机质含量的改变，进而会影响基质的容重和孔隙度等物理性质。

氮、磷、钾是植物生长必需的营养组分。不同配方的基质中，总氮含量较高的组出现在配方组1、2、7、11、15和19，其总氮含量在1.34～1.68%，这些配方组的特点主要是均具有一定比例的污泥、菇渣或/和麦壳。相较而言，配方5的总氮含量最低，仅为0.34%，其配方为污泥50%，沙子50%。总磷含量较高的配方为1、6、7、11和23，含量均大于5.0%，这些配方均含有一定量的污泥、菇渣或/和麦壳，不含有沙子；与总氮结果相似，其最低含量也出现在配方5(污泥和沙子各50%)，仅为1.36%。总钾含量较高的配方是1、4、13、19和21，均在1.30%以上，这些配方中均不含有沙子。总氮、磷、钾含量最低的配方均出现在配方5(污泥和沙子各50%)。

2.3 种子发芽指数

不同基质配方的种子发芽指数测定结果如图1所示。结果显示，除配方组2、4、7、8、9、15和25的种子发芽指数低于70外，其他配方组均符合相应标准《GB/T 23486—2009》。其中，配方30、29和11种子发芽指数最高，为102.1～119.6，对应的基质分别为污泥65%，菇渣11.7%，草炭11.7%，沙子11.7%；污泥65%，菇渣11.7%，草炭11.7%，蛭石-珍珠岩11.7%；污泥65%，菇渣17.5%，麦壳17.5%。种子发芽指数是表征肥料或有机废物及有机废物本身或经一定处理后的生物学毒性的重要指标，也是一个极为重要的用于衡量堆肥腐熟度的参数，因此，配方组2、4、7、8、9、15和25可直接判定为不宜采用。

图1 不同配方基质的种子发芽指数

2.4 综合评价

2.4.1 综合隶属度分析

根据综合隶属度结果(表4)，处理1(污泥和菇渣各50%)的综合隶属度最高，达0.812，而处理5(污泥和沙子各50%)的综合隶属度最低，仅为0.19。综合隶属度在0.70以上的处理包括：处理11、12、19和21，其基质比例分别是：污泥65%、菇渣17.5%、麦壳17.5%；污泥65%、菇渣17.5%、草碳17.5%；污泥50%、菇渣16.7%、麦壳16.7%、蛭石-珍珠岩16.7%；污泥50%、菇渣16.7%、草碳16.7%、蛭石-珍珠岩16.7%。表明这些处理均具有一定的可用性。

综合以上分析和评价结果，菇渣的加入可有效改善污泥通气孔隙度，显著提高其有机质和营养组分速效钾的含量，同时对电导率和pH等不存在明显影响，可作为主要的基质配方原料。砂子的加入则会显著降低基质的综合性能，不宜作为配方原料。

2.4.2 基质配方优化分析

选择污泥、菇渣、草炭和蛭石-珍珠岩为基质原料的不同处理，进行深入分析。将各配方的含量作为x(污泥、菇渣、草炭和蛭石-珍珠岩分别对应x1、x2、x3和x4)，以综合隶属度作为y，模拟得到的回归方程为：y=0.61x1+0.81x2+0.68x3+0.62x4-0.11x1x2-0.063x1x3+0.037x1x4+0.18x2x3-0.23x2x4+0.020x3x4，模型的相关系数R2=0.882，P<0.01。

模型优化过程中，以0.01为步长，在0.50≤x1≤1.0，0 ≤x2≤0.50，0 ≤x3≤0.50，0 ≤x4≤0.50配方区间中进行计算，结果如图2所示，可见综合性状与污泥和蛭石-珍珠岩的比例呈负相关，而与菇渣呈正相关关系，草炭比例影响相对较为微弱。此外，菇渣比例在40%以上时，基质综合性状均较佳。配方比例为污泥50%，菇渣41.6%～44.5%，草炭5.5%～7.4%，蛭石-珍珠岩0.0%～1.0%时对应的综合隶属度均在0.80以上。

A，B，C和D分别表示污泥、菇渣、草炭和蛭石-珍珠岩的比例。(a)、(b)、(c)和(d)分别为污泥比例50%、菇渣比例43.3%、草炭比例6.7%和珍珠岩比例0.0%时，基质综合隶属度随其他3个组分比例变化的分布图。

3 小结

菇渣对改善污泥通气孔隙度，提高养分含量均有较好效果，可作为生活污泥营养基质的主要调理剂。砂子的加入会显著降低基质的综合性能，不宜作为配方原料。以污泥、菇渣、草炭和蛭石-珍珠岩为基质原料，优化配方比例为污泥50%，菇渣41.6%～44.5%，草炭5.5%～7.4%，蛭石-珍珠岩0.0%～1.0%，综合隶属度大于0.80。在生产应用过程中，可根据实际情况将配方比例控制在以上范围内。