表 1.堆体物料充分混合后, 放入课题组自制堆肥箱^[9], 堆肥箱有效尺寸为0.90 m × 0.45 m × 0.71 m(长×宽×高), CK、S1、S2和S3处理堆体初始体积相差不大, 分别约为0.273、0.275、0.277、0.282 m³.整个试验过程中采取强制通风+人工翻堆的方式进行好氧堆肥.通风系统采用时间控制, 设置通风/关闭为20 min·h^-1, 通风量为0.1 m³·(min·m³)^-1.前2周每周翻堆2次, 随后每周翻堆1次.整个堆肥过程持续44 d, 期间不额外补充水分.城市污泥取自于重庆市某污水处理厂的脱水污泥, 稻草来源于西南大学试验农场(剪碎至2~3 cm), 竹炭为市面贩售.

表 1 不同调理剂堆肥混合体的基本性质Table 1 Basic properties of the composts mixed with different conditioners

气体样品采集采用静态暗箱法, 堆肥第1周每天采样, 此后分别在堆肥第9、10、14、20、25、30、37、44 d采集样品.采样时间固定在采样日上午08:00~09:00.采样箱由箱体和底座两部分组成, 箱体为不透明的PVC塑料柱体, 箱体内径39 cm, 高30 cm.采样时, 将箱体置于底座凹槽中, 并用纯水液封, 以隔绝箱体内外气体交换.用60 mL聚丙烯注射器采集箱体内气体50 mL, 每间隔3 min采集1次, 共采集4次.气样采集后立刻带回实验室用日本岛津GC-2014气相色谱仪进行测定, 定量分析检测CH₄、CO₂和N₂O浓度, 结合色谱峰面积和标气浓度计算出样品中各气体浓度, 从而得出气体排放通量(F)和累积排放量(Q), 计算公式如下：

式中, F为气体排放通量, mg·(m²·h)^-1; h为静态箱的高度, m; Δc/Δt为单位时间内气体样的浓度变化值; M为1 mol CH₄、CO₂或N₂O对应的C或者N的摩尔质量, g·mol^-1; 为绝对温度的校正系数; T₁、T₂分别为采集第一个、最后一个样品时采样箱内的气体温度, ℃; Q为气体累积排放量, mg·kg^-1; i为取样次数; t为相邻两次测定的时间间隔, h; A为表面积, m².

采用剖面法采集第1、3、6、9、14、20、25、30、37、44 d的固体样品.采样时, 将表层、中层、下层样品混合均匀, 用四分法获取样品500 g并存放于自封袋中.样品带回实验室后, 部分置于冰箱冷藏, 用于测定堆体基本性质; 部分样品风干并研磨过筛, 用于测定总氮(TN)和总有机碳(TOC)等.

试验数据用EXCEL、SPSS 19.0和ORIGIN 8.5进行数据整理和图表分析.

各堆体经历1~2 d的升温期就进入了高温期(50℃以上), CK、S1、S2和S3处理高温持续时间分别为7、5、8、12 d, 最高温度分别为65、66、67.5和69℃(图 1).添加竹炭有利提高堆体温度, 这与Chen等^[10]的研究结果一致.李丽劼^[11]的研究表明添加3%竹炭可延长高温期, 而孙文彬^[12]的研究发现添加竹炭会缩短高温期, 且高温持续时间随添加量的增大而减小.这是由于竹炭富含多种微量元素, 可为微生物提供营养物质, 促进有机物质降解产热, 其持水性和吸附性也能减少堆体水分蒸发散热; 同时, 竹炭又具有丰富的空隙结构, 有利于气体内外交换, 促进堆体通风散热.堆体含水率整体呈下降趋势(图 1), CK、S1、S2和S3处理含水率分别下降了20.85%、29.15%、26.05%和26.16%.竹炭能增大堆肥物料孔隙度, 促进空气流通; 其自身微孔结构也为堆体水分散失提供了通道, 从而加快堆体脱水, 刘微等^[13]的研究也有相似结果.

图 1 堆体温度和含水率变化情况Fig. 1 Changes in temperature and moisture content during sludge composting

堆体TOC含量均呈持续下降趋势(图 2).堆肥前25 d, 微生物活性强, 迅速将可溶糖、有机酸和淀粉等分解成CO₂和水^[14], 并大量挥发, 堆体TOC明显减少, 占总损失量的77.40%~96.72%.此后, 微生物开始利用纤维素、半纤维素和木质素等较难分解物质^[15, 16], 堆体TOC含量缓慢下降并趋于稳定.堆体腐熟后, CK、S1、S2和S3处理堆体物料总量分别降为41.32、40.75、39.13和38.98 kg, 各堆体TOC损失率分别为62.66%、68.73%、68.66%和71.53%.添加竹炭增加了堆体有机碳损失, 但处理间不存在显著差异(P＞0.05), 这与孙文彬^[12]的研究结果相似.在整个堆肥过程中, TOC含量表现为CK＜S1＜S2＜S3, 添加竹炭会增加堆体的有机碳源, 且随竹炭添加量的增大而增加.

图 2 污泥堆肥过程中堆体TOC和TN变化情况Fig. 2 Changes in total organic carbon and total nitrogen during municipal sludge composting

几种处理TN含量总体呈下降趋势(图 2), CK、S1、S2和S3处理TN损失率分别为65.01%、71.23%、69.93%和71.92%, 添加竹炭能减少堆体氮素总量, 但处理间不存在显著差异(P＞0.05).堆体氮素损失主要发生在升温期和高温期, 在高温高碱性环境下, 有机碳矿化, 有机氮分解的NH₃大量挥发, 部分水溶性氮随渗滤液流失^[17]; 同时, 由于堆体供氧不均, 硝态氮在缺氧条件下反硝化形成NO_x挥发^[18], 从而造成氮素损失.

堆体CH₄排放通量总体呈下降趋势(图 3), 堆肥初期, 曝气量不足, 堆体内部局部厌氧, 产甲烷菌快速分解可溶性脂、有机酸和蛋白质等有机物质, 产生大量CH₄气体, 与易建婷等^[9]和Fukumoto等^[19]的研究结果类似, CK、S1、S2和S3处理CH₄最大排放通量分别为751.51、1 024.18、1 326.62和477.07 mg·(m²·h)^-1.随着堆体温度的快速上升, 堆体O₂的消耗速率高于补充速率, 堆体供氧不足, 氧化还原电位下降; 再加上CO₂的排放增大了堆体内的厌氧区域, 进一步促进了CH₄排放^[20].堆肥后期, 堆体内可降解碳源逐渐减少, 温度降至室温, 堆体O₂含量增加, 厌氧环境得以改善^[19], 堆体CH₄排放速率降低并趋于稳定.

图 3 CH4排放通量和累积排放量Fig. 3 Fluxes and accumulative emissions of CH4

CK、S1、S2和S3处理CH₄累积总排放量分别为20.89、18.32、17.78和21.29g·m^-2(图 3), 处理间无显著差异(P＞0.05).堆体CH₄排放主要集中在堆肥前5 d, 占总排放量的99.01%~99.81%; 5 d后, CH₄排放变化不明显.陶金沙等^[21]用不同剂量生物质炭进行猪粪堆肥, 发现生物质炭可显著降低CH₄排放量, 且随生物质炭添加量的增大而依次减少.在本试验中, 当竹炭添加量低于5%时, 添加量越多, 堆体CH₄排放量越少; S1、S2处理CH₄排放量分别比CK减少了12.30%和14.89%.这是由于竹炭孔隙度高, 改善了堆肥的通风供氧能力和通气条件, 能吸附CH₄和持留水分, 减少堆体CH₄排放^[22].但当竹炭添加量高于5%时, CH₄排放量又明显增加, S3比S2增加了19.74%.李丽劼^[11]的研究也发现添加竹炭(3%)可促进碳素代谢, 显著提高堆体CH₄排放.这可能是由于竹炭可为微生物提供较大表面积的多孔性疏水环境, 改善微生物的附着性能, 有利于微生物的繁殖和生长.同时, 竹炭富含多种营养成分和微量元素, 能加快微生物的生长速率, 改变其群落结构和数量. Pietikäinen等^[23]和Steiner等^[24]的研究发现生物炭能够显著提高微生物群落多样性及生物学活性, 黄向东^[25]也发现添加3%、6%和9%竹炭处理的微生物群落多样性指数(Shannon指数)均高于对照组.本试验中, 由于S3处理组竹炭添加量较大, 为微生物的生长提供了更多的营养元素, 可能增加了中温型和嗜热型产甲烷菌的数量, 提高了产甲烷菌对碱性、高温环境的适应能力, 从而促进堆体CH