生石灰改良对市政污泥与城市固体废物共堆肥过程中生化组分降解及估算产热的影响

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Influence of quicklime amendment on biochemical fraction degradation and estimated heat release during in-vessel co-composting of sewage sludge and municipal solid waste

　　

研究人员针对城市固体废物（municipal solid waste, MSW）与市政污泥产量快速增长所带来的管理与资源化挑战，开展了为期40天的密闭式容器（in?vessel）共堆肥实验，探究不同比例生石灰（CaO，0–3% w/w）对碳水化合物、脂质和蛋白质降解及其对堆肥过程产热贡献的影响。实验在50?L反应器中于受控条件下运行，随后进入熟化阶段，定期监测温度、pH、有机质含量及生化组分变化，并通过燃烧焓法估算各组分降解释放的热量。结果表明，CaO添加可加速高温期到来，将pH维持在适宜范围，并根据污泥类型与投加量促进有机质降解，最大降解率分别为碳水化合物72%、脂质62%、蛋白质22%。其中，MSW–初沉污泥和混合污泥的最佳CaO剂量为2%，MSW–二沉污泥为3%。热量估算显示，碳水化合物贡献总产热的65–73%，脂质贡献26–35%，蛋白质贡献不足0.5%。生化组分的变化亦影响氮矿化与堆肥熟化进程。总体而言，CaO改良提高了底物可利用性，促进了有机质降解及堆肥稳定化，优化了MSW–污泥共堆肥的性能，为可持续废物管理提供了技术依据。

本研究发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》，围绕市政固体废物（MSW）与市政污泥共堆肥过程中生石灰（CaO）改良对生化组分降解及产热特性的影响展开系统探讨。当前，随着城市人口与工业活动的扩张，MSW与污泥产量持续攀升，若处置不当将成为重金属、持久性有机物、温室气体及病原微生物的重要来源，但其丰富的有机质与养分也为农业资源化利用提供了契机。单独堆肥时，污泥常因含水率高、碳氮比低导致通气受限与氮损失，而MSW则因异质性强、降解性不均而减缓微生物分解。共堆肥可利用两者的互补特性优化碳氮比、改善孔隙度与水分平衡，提高养分保留率并缩短堆肥周期。然而，堆肥初期有机酸积累导致的酸化会降低微生物活性，延缓高温期形成。碱性添加剂如CaO可通过中和酸性、提升pH、释放水合热以及降低重金属迁移性来稳定堆肥过程，但其在生化组分降解及热力学机制中的作用尚未充分揭示。此外，已有研究多关注单一污泥类型，缺乏对初沉污泥（primary sludge, PS）、二沉污泥（secondary sludge, SS）及混合污泥（mixed sludge, MS）的系统比较。因此，本研究旨在填补这一空白，量化CaO对不同污泥类型下三大生化组分（碳水化合物、脂质、蛋白质）降解路径及产热贡献的影响，从而为优化堆肥工艺提供科学依据。

在技术方法上，研究人员采集伊朗克尔曼沙市住宅区MSW与当地污水处理厂PS、SS，并按等比例制备MS混合污泥，调整含水率并添加木屑作为调理剂。实验采用密闭式50?L不锈钢反应器进行40天高温堆肥，随后转入垂直柱体被动通风熟化。设置CaO投加梯度（0%、1%、2%、3% w/w），每组包含MSW与不同污泥组合，共计12个处理。采样采用多点法覆盖堆体不同位置，测定指标包括温度、pH、灰分与有机质（organic matter, OM）、脂质（Bligh?Dyer提取法）、蛋白质（凯氏氮差减法）、碳水化合物（蒽酮法），并根据燃烧焓值计算各组分降解的产热量。统计分析采用重复测量方差分析与事后检验评估时间、CaO剂量与污泥类型的效应。

在结果部分，研究人员首先分析了工艺参数演变。温度监测表明，CaO显著缩短达到高温期（>50?℃）所需时间，其中MSW–PS与MSW–MS在2% CaO下高温期维持7–8天，MSW–SS则在3% CaO下维持6天。pH动态显示，CaO初期将pH提升至碱性范围（>9），随后逐渐回落至近中性偏碱，有利于缓冲有机酸并维持微生物活性。OM降解方面，CaO处理组在前16天完成超过90%的总OM损失，显著高于对照组；最佳剂量下，MSW–PS与MSW–MS最终OM降至约410?g·kg^?1，MSW–SS则需3% CaO方可达最大降解（490?g·kg^?1）。灰分含量与OM下降呈反比，反映矿物化程度的提升。

在生化组分降解方面，脂质降解集中于高温期前六天，MSW–PS与MSW–MS在2% CaO下降解率达62%与58%，MSW–SS在3% CaO下达52%。碳水化合物降解同样在高温期最为剧烈，最高降解率分别为72%（MSW–PS，2% CaO）、65%（MSW–SS，3% CaO）与67%（MSW–MS，2% CaO）。蛋白质降解率较低，最高为22%（MSW–SS，3% CaO），过量CaO会抑制易降解基质中蛋白质的分解。统计结果显示，时间与CaO剂量对所有组分均有显著影响，且存在污泥类型与剂量的交互作用。

在氮素动态与堆肥成熟度方面，研究人员发现CaO促进氨化作用与硝化作用的衔接，最终NH₄⁺?N/NO₃^??N比值低于0.1，符合成熟堆肥标准。C/N比逐步下降，阳离子交换容量（cation exchange capacity, CEC）及CEC/总有机碳（total organic carbon, TOC）比值上升，表明OM稳定化与养分保留增强。

在产热估算方面，碳水化合物是主要热源（65–73%），其次为脂质（26–35%），蛋白质贡献不足0.5%。高温期集中释放大部分热量，CaO处理组的热产量普遍高于对照组，尤其在MSW–PS与MSW–MS中2% CaO效果最佳。

在微生物与重金属安全性方面，CaO显著加快病原菌灭活，所有改良堆肥均达到美国EPA A级标准；重金属浓度始终低于限值，CaO通过pH调控降低其迁移性。

讨论与结论部分指出，CaO改良通过提高底物可利用性与pH缓冲，促进三大生化组分的降解与堆肥稳定化，其中碳水化合物是驱动高温期的核心能源，脂质延长热稳定性，蛋白质贡献微弱。最佳CaO剂量依污泥类型而异，需针对性优化。该研究为MSW–污泥共堆肥的工艺改进与资源化利用提供了量化依据，具有重要的环境与农业应用价值。