污泥堆肥過(guò)程中主要性質(zhì)及氮素轉(zhuǎn)變

1、污泥堆肥過(guò)程中主要性質(zhì)及氮素轉(zhuǎn)變徐靈，王成端，姚嵐西南科技大學(xué)，四川 綿陽(yáng) 621010摘要：目前堆肥過(guò)程中氮素?fù)p失比較嚴(yán)重，通常達(dá)到 50左右。針對(duì)這一問(wèn)題，文章以污泥和秸稈為原料，進(jìn)行了不同配比條件下高溫好氧堆肥試驗(yàn)，研究了堆肥過(guò)程中各主要性質(zhì)及各種形態(tài)氮素的轉(zhuǎn)化規(guī)律。結(jié)果表明，堆肥有效實(shí)現(xiàn)了污泥無(wú)害化、減量化和資源化。在 pH 值和溫度較高條件下的氨氣大量揮發(fā)是堆肥過(guò)程氮素?fù)p失的重要途徑，且不同的物料配比會(huì)對(duì)氮素?fù)p失造成影響，C/N 比低的配比氮素?fù)p失較大。適當(dāng)降低堆料溫度、添加酸性物質(zhì)以降低 pH 值等措施均可減少氮素?fù)p失。關(guān)鍵詞：污泥；堆肥；氮素轉(zhuǎn)變；氮素?fù)p失中圖分類號(hào)：X703文獻(xiàn)

2、標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-2175（2008）02-0602-04城市污泥是城市廢水處理過(guò)程中產(chǎn)生的沉淀物質(zhì)。從污水處理廠排出的剩余污泥除含有灰分外還有大量有機(jī)質(zhì)、病菌、寄生蟲(chóng)及有毒物質(zhì)如重金屬，常伴有惡臭氣味。如將其任意堆放可造成二次污染1，2,3。 同時(shí)污泥中含有豐富的有機(jī)物和氮、 磷、鉀等植物需要的營(yíng)養(yǎng)元素，及植物所必須的各種微量元素，能夠改良土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤肥力，促進(jìn)作物的生長(zhǎng)。堆肥化可以有效地實(shí)現(xiàn)污泥穩(wěn)定化、無(wú)害化、資源化。由于其工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，占地面積小，投資少，具有較好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，是一種很有發(fā)展前途的固體有機(jī)廢物處理手段4。然而高溫堆肥過(guò)程中普遍存在氮素?fù)p失的現(xiàn)象，一般

3、氮素?fù)p失率達(dá)到總氮量的 30%50%5， 污泥甚至可高達(dá)686，不僅降低了堆肥產(chǎn)品品質(zhì)而且會(huì)造成環(huán)境污染。因而如何控制堆肥中的氮素?fù)p失，對(duì)減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染都具有重要意義。發(fā)達(dá)國(guó)家在控制氮素?fù)p失減少氨氣揮發(fā)方面采用多種方法，也有大量研究成果。但這些研究成果主要用于畜禽糞便儲(chǔ)存、運(yùn)輸或堆肥過(guò)程中，而針對(duì)污泥堆肥過(guò)程中氮素?fù)p失的研究和控制較少。不同的堆肥原料會(huì)使堆肥具有特殊性，因而如何控制堆肥中的氮素?fù)p失，對(duì)減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染都具有重要意義。探清堆肥過(guò)程氮素的變化規(guī)律是控制其損失的基礎(chǔ)。本文通過(guò)污泥好氧堆肥試驗(yàn)研究堆肥過(guò)程中各理化性質(zhì)和氮素轉(zhuǎn)變規(guī)律，為污泥堆肥的氮素調(diào)控提供理論支持。1試驗(yàn)

4、材料與方法1.1堆肥原料堆肥原料為污泥和稻草秸稈，試驗(yàn)所用污泥取自西南科技大學(xué)污水處理廠，稻草秸稈購(gòu)自學(xué)校附近農(nóng)村，并粉碎，堆肥原料的具體理化性質(zhì)如表 1所示。1.2堆制裝置與堆制方案反應(yīng)堆為水泥磚混結(jié)構(gòu)，有效體積 0.125 m3，底部設(shè)有 PVC 通風(fēng)管，采用離心通風(fēng)機(jī)供氧，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間控制的通風(fēng)自控，并在堆體中心設(shè)置溫度傳感器。將污泥與粉碎后的秸稈分別按比例充分混合后，均勻裝入反應(yīng)堆中，試驗(yàn)設(shè)四個(gè)對(duì)比堆體，物料配比如表 2 所示。1.3取樣及分析每天早中晚各測(cè)一次堆體溫度，取其平均為當(dāng)天溫度。分別于堆肥過(guò)程的第 1、3、6、10、14、18、22、26 d 取樣并混合均勻，每次取樣 200

5、 g 左右。 樣品分 2 份， 一份為鮮樣待測(cè)， 另一份于 105 烘干 24 h 待測(cè)。各指標(biāo)測(cè)定方法參考土壤農(nóng)化分析7和水與廢水監(jiān)測(cè)分析方法8。2結(jié)果與分析2.1堆肥過(guò)程中基本性質(zhì)的變化2.1.1溫度的變化溫度的變化反映了堆體內(nèi)微生物活性的變化，表 2堆肥試驗(yàn)方案Table 2The design of the composting experiment堆體編號(hào)物料配比（質(zhì)量比）通風(fēng)方式A污泥秸稈21強(qiáng)制通風(fēng)B污泥秸稈31強(qiáng)制通風(fēng)C污泥秸稈41強(qiáng)制通風(fēng)D污泥秸稈31強(qiáng)制通風(fēng)人工翻堆注：強(qiáng)制通風(fēng)供氧機(jī)制采用間歇式供氧，每 2 h 通風(fēng) 30 min，高溫期結(jié)束后每 3 h 通風(fēng) 20 min

6、，人工翻堆在每次取樣時(shí)進(jìn)行。表 1堆肥原料的主要成分Table 1Initial conditions and composition of the composting materials原料含水率(%)pH 值總氮(gkg-1)C/N 比污泥85.927.4561.118.79秸稈6.91未測(cè)定9.3047.09能很好的反映堆肥過(guò)程所達(dá)到的狀態(tài)，是判定堆肥能否達(dá)到無(wú)害化要求的最重要指標(biāo)之一9。從圖 1 可以看出堆肥的溫度變化主要經(jīng)歷了升溫、高溫、降溫四個(gè)階段。堆肥初期，堆料中易分解的有機(jī)物在微生物的作用下迅速分解，產(chǎn)生大量熱量使堆體溫度分別在第 3 天和第 4 天均達(dá)到最高值，此后由于水蒸

7、氣帶走大量熱能，堆體溫度逐漸降低并持續(xù)保持 30 40 的中溫。四個(gè)堆體的溫度保持在 55 以上的天數(shù)分別為 5、7、9、5 d，均滿足堆肥的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求10。2.1.2含水率的變化合適的水分是保持微生物最佳活性的必要條件，但水分過(guò)多，將阻礙氣體輸送，嚴(yán)重影響微生物的好氧代謝，并產(chǎn)生惡臭；水分過(guò)少，則會(huì)限制微生物的運(yùn)動(dòng)及代謝11。堆肥含水率隨時(shí)間變化的情況見(jiàn)圖 2。由圖 2 可知，堆肥結(jié)束后四個(gè)堆體的含水率均由最初的 6070降至 40以下，有效實(shí)現(xiàn)了污泥濃縮。隨著堆肥進(jìn)行，溫度升高，水分逐漸蒸發(fā)而散失，水分大量散失發(fā)生在前 10 d，之后隨著堆體溫度下降，水分散失減少。2.1.3pH 值的

8、變化如圖 3 所示，堆肥過(guò)程中 pH 值變化趨勢(shì)與堆體溫度變化趨勢(shì)較一致， 堆肥初期 pH 值迅速上升，主要是因?yàn)槲锪现械暮衔镌谖⑸镒饔孟掳被?，產(chǎn)生大量氨氣不能完全揮發(fā)，使得堆體 pH值升高；堆肥后期 pH 值下降是由于氮的氨化揮發(fā)作用減弱，硝化作用增強(qiáng)造成，同時(shí)有機(jī)物分解產(chǎn)生的有機(jī)酸也是造成 pH 值下降的原因12。在整個(gè)堆肥過(guò)程中 pH 值始終保持在 79 之間， 不會(huì)對(duì)微生物生長(zhǎng)活動(dòng)產(chǎn)生危害，利于堆肥順利進(jìn)行。2.2堆肥過(guò)程中氮素的變化對(duì)堆肥中氮的形態(tài)只要包括總氮、有機(jī)氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，堆肥過(guò)程中的氮含量及其存在形態(tài)的變化直接關(guān)系到最終堆肥產(chǎn)品的農(nóng)業(yè)利用價(jià)值13。2.2.1總氮

9、(TN)和有機(jī)氮(Org-N)的變化TN 是所有形態(tài)氮元素含量之和，其變化趨勢(shì)為所有形態(tài)氮元素變化規(guī)律的疊加。 因而， 影響 TN變化規(guī)律的因素較多。 如圖 4 所示， 堆肥過(guò)程中 TN含量呈先下降后略有上升，然后降低趨勢(shì)。這主要是由于在此過(guò)程中有機(jī) N 強(qiáng)烈分解產(chǎn)生大量的NH3，并在堿性環(huán)境中揮發(fā)以及硝態(tài)氮的反硝化等因素造成氮素?fù)p失。四個(gè)不同配比堆體的初始 C/N比分別為 15.97、14.61、13.09、14.61，堆肥結(jié)束時(shí)都有不同程度的氮損失，分別為 15.78%、16.55%、17.02%、19.26%，可見(jiàn)高 C/N 更利于氮素保持，頻繁翻堆會(huì)加速氮素?fù)p失。堆肥初期 TN 的下降

10、幅度較大,可見(jiàn),高溫容易引起氮損失。從圖 5 中可以看到有機(jī) N 的變化規(guī)律與 TN 類似，主要是因?yàn)槎逊书_(kāi)始階段氮源充足，為滿足微生物生長(zhǎng)活動(dòng)的需要，含氮有機(jī)物在微生物的作用下被分解為無(wú)機(jī)養(yǎng)分，主要為氨氣，為微生物提供了氮源以及氨氣迅速流失導(dǎo)致了有機(jī)氮下降。圖 1堆肥過(guò)程中堆體溫度和氣溫的變化Fig. 2Changes of air and pile temperature during the composting process圖 2堆肥過(guò)程中含水率的變化Fig. 2Changes of the water content during the composting process圖 3

11、堆肥過(guò)程中 pH 值的變化Fig. 3Changes of the pH during the composting process2.2.2銨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3-N)的變化試驗(yàn)過(guò)程中的銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化如圖 6 所示，在堆肥前期，NH4+-N 含量顯著增加，4 個(gè)堆體均在第三天有一個(gè)明顯得高峰值，這是由于氮素相對(duì)較高，隨著微生物快速生長(zhǎng)和繁殖加速了有效 N的分解，并以 NH4+-N 的形式快速積累的結(jié)果。而后隨著溫度、pH 值的升高，積累的 NH4+-N 一部分以氨氣的形式釋放到大氣中，一部分被微生物同化或被硝化成 NO3-N，從而使 NH4+-N 急劇減少，造成氮素?fù)p失。

12、如圖 7 所示，堆肥初期 NO3N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低,堆肥前 13 d 左右，NO3N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變幅較小，之后迅速增加,堆肥結(jié)束時(shí)高達(dá)初始時(shí) 50 倍左右。堆肥初期 NO3N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低與高溫、 高 pH 值和高濃度 NH3條件下硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)活動(dòng)受到強(qiáng)烈抑制有關(guān)；堆肥后期，溫度、pH 值和 NH3濃度較低， 硝化細(xì)菌快速生長(zhǎng)并大量繁殖， 硝化作用加強(qiáng)，NO3-N 逐漸增加。3結(jié)論污泥與秸稈不同配比條件下堆肥，均有效實(shí)現(xiàn)了污泥的無(wú)害化、減量化和資源化，實(shí)現(xiàn)了“變廢為寶”。堆肥過(guò)程中均有不同程度氮素?fù)p失，不同的物料配比對(duì)不同形態(tài)氮素的轉(zhuǎn)變規(guī)律影響不明顯，但會(huì)對(duì)氮素?fù)p失造成影響，C/N 比低的配比

13、氮素?fù)p失較大。氮損失的重要途徑是 NH3揮發(fā)，NH3產(chǎn)生和揮發(fā)損失的高峰期是在升溫期和高溫期，說(shuō)明堆肥前期是控制氮素?fù)p失的關(guān)鍵時(shí)期。NH3揮發(fā)量受水溶態(tài) NH4+-N 含量、 pH 值、 溫度等條件影響。適當(dāng)降低堆料溫度、添加酸性物質(zhì)以降低 pH 值等措施均可在一定程度上減少氮素?fù)p失。堆肥氮素的轉(zhuǎn)化損失是受多種因素共同影響的, 如堆肥物料的成分、反硝化作用等，這些因素對(duì)堆肥過(guò)程氮素?fù)p失的影響有待進(jìn)一步深入研究。參考文獻(xiàn)：1薛澄澤. 生物固體資源化J. 環(huán)境雜志, 1994, 10(1): 1-5.Xu Chengze. Resourcefully of bio-solidJ. Journal

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15、gdong. Using bio-recycling to process圖 4堆肥過(guò)程中總氮的變化Fig. 4Changes of total nitrogen during the composting process圖 7堆肥過(guò)程中硝態(tài)氮的變化Fig. 7Changes of NO3-N during the composting process圖 6堆肥過(guò)程中銨態(tài)氮的變化Fig. 6Changes of NH4+-N during the composting process圖 5堆肥過(guò)程中有機(jī)氮的變化Fig. 5Changes of Org-N during the composti

16、ng processexcess sludge of sewage plantsJ. Journal of Southwest University ofScience and Technology, 2004, 19(3): 71-74.4單德鑫, 李淑芹, 許景鋼. 固體有機(jī)廢物堆肥過(guò)程中氮的轉(zhuǎn)化J,東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 4(2): 265-269.Shan Dexin, Li Shuqin, Xu Jinggang. Nitrogen transformations insolid organic waste composting J. Journal of Northeast

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