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固体废弃物堆肥过程中氮素转化、损失因素、机理、控制策略

(来源:环境工程    原创 廖黎明,等)
研究背景
        餐厨垃圾容易腐坏变质,且易滋生细菌,如放置不当,会对社会环境与人体健康造成不良影响。但餐厨垃圾中富含营养元素,是一种潜在的资源。城市污泥是在污水处理过程中产生的废弃物,未经过合理处置的污泥如直接进入环境中,会给环境带来二次污染。同时,污泥中的有机质和氮、磷、钾等营养元素如能被合理地开发使用,不但可以解决环境污染问题,还能将其转化为有用的资源。而好氧堆肥可将上述两种城市固废进行无害化、资源化,其不但操作简便,而且能够有效稳定污泥与餐厨垃圾中的有机质。
 
        氮素在堆肥期间的转化过程直接影响堆肥效率,同时氮素在堆肥期间会以氨气的形式逸散损失,不但散发臭气,污染环境,且会降低堆肥的农用价值。因此,控制氮素的损失是好氧堆肥技术的关键所在。而对此,国内外各专家学者对堆体中氮素的转化过程、影响因素及其损失机理进行研究,并提出改善措施。虽然大大降低了氮素的损失率,但这些方法与措施仍存在一定的缺陷与不足,为更全面与深入地研究控制氮素损失的方法,本文就以上几方面进行总结并提出好氧堆肥技术未来发展方向的展望,以期为该领域的相关研究提供参考。
 
摘  要
        好氧堆肥是一种有效处理城市固体废弃物的方法,不但操作简便,且能将废弃物转化为有机肥。而氮素作为重要的营养元素,其转化与损失是衡量堆肥效率的重要标准。在堆肥过程中,堆体中的氮素以有机氮、铵态氮、硝态氮等形态存在并相互转化,在转化过程中不可避免会产生氨气,而氨气的挥发是固体废弃物堆肥过程中氮素损失的主要途径。结合国内外专家学者的研究对污泥及餐厨垃圾好氧堆肥过程中氮素的转化过程、损失因素、损失机理及控制其损失的措施进行总结,并对城市固体废弃物好氧堆肥过程进行展望,以期为该领域的研究提供科学参考。
 
01
好氧堆肥原理
        好氧堆肥是指在通气状况良好,氧气浓度适宜的情况下,依靠好氧微生物的作用降解物料中有机物的生物化学过程。当物料水分和碳氮比适宜时,物料中的微生物会快速繁殖并降解有机质,在此过程中会产生较高的温度,从而杀死物料中的寄生虫卵及病原菌等,达到稳定物料中有机物的效果,最终使物料变成无臭并富含养分,能为农作物所利用的腐殖质。
 
02
污泥及餐厨垃圾好氧堆肥过程中氮素的转化过程
       污泥及餐厨垃圾初始堆体中的氮素主要是有机氮,如蛋白质、肽等,在堆肥过程中与可以通过氧化作用与细胞质合成作用互相转化。同时,铵态氮可在硝化细菌的作用下转化为硝态氮,而则在反硝化细菌的作用下转化为氨气,如图1所示。
图1 堆肥过程氮素的转化
 
        逯延军等将城市垃圾与污泥分别以9∶1、5∶1和3∶1的体积配比进行研究,其堆体全氮的初始浓度与体积比呈负相关,体积比越大,全氮越低;而全氮在堆肥前6 d下降明显;在堆肥结束时,全氮的初始浓度越大,结束时的浓度就越大;而堆肥时的高温抑制了硝化细菌,因此硝态氮浓度较低,其全程变化不明显。相反,氨氮变化则非常明显,3组堆肥的氨氮持续减少,分别从11.1,10.9,10.5 g/kg下降至1.1,2.1,3.1 g/kg,主要是由于一部分转化为氨气,另一部分被微生物转化利用。徐灵等研究表明:当氮素含量较高时,加速了微生物的生长和繁殖,大量氮素被分解为氨氮,因此在堆肥前期氨氮会大量增加,之后由于微生物的活动以及部分转化为氨气,使氨氮持续降低。而贾程等分别以小麦秸秆糠和小麦秸秆段为调理剂与污泥混合,在强制通风静态好氧堆肥与自然通风好氧堆肥相结合的堆肥条件下进行实验,探究了堆肥化过程中各种氮素形态的变化特征,结果显示,不同调理剂堆体中的总氮含量分别从21.16,11.57 g/kg增加到31.93,28.02 g/kg,水溶性总凯氏氮和氨态氮含量均大幅降低,同时污泥和小麦秸秆段混合堆体的高温持续时间比污泥和小麦秸秆糠混合堆体短,而硝态氮含量却比污泥和小麦秸秆糠混合堆体高,表明堆体高温持续时间越短越有利于硝化反应的进行。
 
03
污泥及餐厨垃圾好氧堆肥过程中影响氮素损失的因素
1.通气量
        好氧堆肥是在有氧条件下进行的,因此堆肥期间需要一定的通风,且通风可以带走部分热量与多余水分,为堆体微生物提供良好的活动环境,但同时其也会带走大量氨气,造成氮素损失。Guardia等研究表明:通气率越大,氮素损失量就越大。张红玉以通气量分别为0.1,0.2,0.3 L/(kg·min)进行对照研究,结果表明通气量对氨气的挥发效果有较大影响,3种通气量下的氨气平均排放浓度分别为279.1,480.5,627.4 mg/m3。
2.温度与pH值
        好氧堆肥中的生化反应一般以温度变化表现出来。堆体中的温度由于反应放热而急剧升高,在保持一段高温后,由于通风带走热量而又逐渐下降。而pH不仅关系着微生物的生命活动,且与铵态氮的存在方式密切关联,当pH较高时,铵态氮会大量转化为氨气,反之则抑制其向氨气转化。杨延梅等研究发现:在堆体温度超过60 ℃时,pH也达到8以上,此时氨释放率达到最高,占总氮释放量的57.6%。
3.含水率
        含水率也是影响堆体氮素损失的重要因素。过高的含水率会使堆体孔隙度差,不利于通风,虽然可减少氨挥发量,但会在堆体局部出现缺氧环境,使反硝化作用加强,使氮素以氮气的形式挥发,且过高的含水率会延长堆肥时间,并产生臭味污染环境;而过低的含水率会降低堆体微生物的活性,延长堆肥时间,降低堆肥效率,因此适宜的含水率非常重要。洪磊等认为,利用污泥来进行堆肥时,含水率在55%~60%最佳。而蔡旺炜等认为含水率在45%~55%时,更适宜微生物活动。
4.碳氮比
        堆体的初始碳氮比对堆肥的效果显著。当初始碳氮比过小时,由于碳素相对较少,过剩的氮素无法被微生物所利用,会形成氨气,加剧氮素损失。当初始碳氮比过高时,此时碳素较多,氮素含量不足,微生物生长受限制,微生物量减少,将延长堆体堆肥时间。因此,适宜的碳氮比对于堆肥过程是非常重要的。逯延军等通过改变餐厨垃圾与污泥的混合比,将堆体碳氮比分别调到22、18和15,结果表明:随着碳氮比的降低,氮素损失趋于严重,当碳氮比为15时氮素损失率达到45%,主要损失在高温期。
5.其他因素
        除以上几种影响因素外,堆体颗粒大小、堆体翻动频率等也会对氮素的损失产生影响。牛明芬等将秸秆分别切割成粒径为5,1cm,以不同的投加量与猪粪混合堆肥,发现在混合堆体粒径过大时,堆体通风情况更好,升温更快,但高温期变短,氨气散失严重,且更易发生淋失,造成氮素损失。由此可以看出,堆体的粒径影响堆体中气体和水的交换程度。而堆体翻动频率同样不可忽视,虽然堆体翻动有助于微生物利用堆体废物,缩短堆肥稳定期,但过度翻动可能会导致氨气大量挥发,造成氮素损失。
 
        由此可见,通气量、温度与pH、含水率、初始碳氮比、堆体颗粒粒径等均有适宜的范围。当通气量过大时,其大量带走堆体温度和氨气,不仅会使堆体杀菌不充分,还会使氮素大量损失,而通气量过小时,则会供氧不足,抑制堆体中的好氧微生物,同时使厌氧微生物活跃,发生反硝化作用产生氮气,亦使氮素损失。同样,当温度与pH过大时,会使氨气大量产生挥发。含水率过高会使堆体粘连,局部缺氧,过低时不利于微生物的生命活动,降低堆肥效率。初始碳氮比过高时会延长堆肥时间,过低时会大量产生氨气,造成氮素损失。
 
04
污泥及餐厨垃圾好氧堆肥过程中氮素损失机理
        好氧堆肥过程主要分为逐渐升温的初始阶段、持续高温的杀菌发酵阶段和逐渐降温的腐熟固肥阶段,在每个阶段均会有氮损失的情况存在。在初始阶段,嗜温微生物较为活跃,此时在氨化反应下,大量有机氮被分解为氨态氮,少部分的氨态氮也会在硝化细菌的作用下变为硝态氮,还有小部分则在氨同化作用下转化为有机氮被微生物吸收利用;而高温阶段则是氨气挥发的主要阶段,由于铵态氮的累积,再加上高温高pH,使部分氮素以氨气形式挥发,此时高温抑制了氨化反应、硝化反应和氨同化反应,这一阶段硝态氮的量几乎不变,而铵态氮由于氨气的挥发快速降低;当高温期结束后,随着温度的降低,嗜温菌开始活跃,此时硝化作用增强,硝态氮明显增多,而反硝化作用需要厌氧环境,所以只会在堆体一些透气性差的地方发生,在通风和翻堆的情况下很少发生。
 
        Sommer研究发现:在堆肥的初始阶段,N2O的浓度与其在环境中的浓度相近,其主要是由于硝化和反硝化微生物不是嗜热菌,在堆肥的初始阶段,硝化作用和反硝化作用不强,尤其是在通风的情况下,反硝化作用更难以发生。而周少奇等认为,好氧堆肥过程中在高温和pH>7.5时,氨气就开始挥发损失;同时氨气会溶解为铵态氮为微生物所转化吸收或直接渗滤流失;也会发生硝化反应生成硝态氮渗滤流失,在氧化过程中可能会有N2O的产生、挥发;而在反硝化作用下硝态氮又重新变为氨气、氮气等挥发掉。
 
        如图2所示,马丽红等探究认为,堆肥过程中与氮相关的反应主要包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固定作用。氨化作用使堆体中的铵态氮大量增加,促进了氨气挥发,堆体中的氨化细菌在高温期和降温期时数量达到最大,其与铵态氮和氨气呈正相关;硝化细菌可通过硝化作用将氨气和铵态氮转化为硝态氮,但其在堆体中的含量较少,与氨气和铵态氮呈负相关;反硝化细菌可通过反硝化作用将硝态氮转化为氮气和氧化氮,在其进行的实验中,反硝化细菌在高温期后明显增多,并持续到稳定期,说明反硝化作用也是氮素损失的途径之一;固定作用将铵态氮和硝态氮转化为有机氮,堆体中固氮菌数量也较少,主要在降温期大量增殖,其具有保氮作用。总体而言,氮素在堆肥期间的转化主要是在升温和降温阶段,在此期间会发生氨化、硝化、反硝化、氨同化等反应,而氮素的损失主要是在高温阶段,此时是反硝化作用和氨气挥发的主要阶段。
图2 氮素的转化机理
 
05
污泥及餐厨垃圾好氧堆肥过程中控制氮素损失的措施
        好氧堆肥中的氮素主要以氨气挥发的形式损失,因此控制氮素损失主要从减少氨气损失着手。郭炜将稻壳生物质碳以0、3%、5%和10%分别加入堆体,发现生物质炭可以使微生物活性更强,其也可以吸附氨气,减少氨气的挥发,且生物质炭量越多,固氮效果越强,综合各项指标,最终认为5%为最佳投加量。胡伟桐等则用麦糠、菇渣与稻壳等作为调理剂进行对比实验,最终得出麦糠可以使高温持续更长时间,加快腐熟,但菇渣和稻壳混合调理剂可有效减少氨气的挥发,固氮能力更强。Du等向堆体中添加等物质的量的铵盐,镁盐和磷酸盐形成鸟粪石晶体,而该晶体不但可以减少氮损失,且其本身也是优质的肥料和化学添加剂。
 
        Wang等总结了调整pH值、调整初始碳氮比、形成鸟粪沉淀、促进硝化等改善措施。在调整pH值方面:调节pH值理论上可减少NH3的挥发,但操作范围较窄,底物pH值降至6以下,微生物活性被强烈抑制。在初始碳氮比调节方面:由于餐厨垃圾的碳氮比通常较低,因此更多研究旨在将富含碳的物质引入餐厨垃圾,且添加可被嗜热微生物利用的碳源可促进氨气同化,由此降低了氨气排放。在鸟粪沉淀方面:Mg和P盐能使铵态氮沉淀成鸟粪石晶体,添加Mg和P盐的量不影响氮素的有机矿化,餐厨垃圾中初始氮素的33%~36%可被矿化,然而过量的H3PO4对生物降解具有负面影响。在促进硝化方面:将富含硝化微生物的成熟堆肥产品引入堆体,有助于通过硝化将氨气氧化减少氮损失,但这样会刺激氮氧化物的排放;一个选择是添加一种硝化抑制剂阻止完全硝化,以减轻氨气和氮氧化物排放;另一种选择是促进硝态氮的氧化,减少氮氧化物的产生。
 
        综上所述,控制氮素损失的措施包括选择适合的堆肥参数,添加物理或化学调理剂,选择可以互补的废弃物进行联合堆肥,形成鸟粪石沉淀,促进硝化和调整pH值,调整初始碳氮比等。当然,控制氮素损失的措施还有很多,如在堆体上覆盖防水油布来减少氨气挥发等。
 
06
结论与展望
        迄今为止,控制好氧堆肥过程中氮素损失的措施依然值得探究,如化学添加剂固氮效果好,但其成本较高,无法大规模堆肥;物理调理剂虽廉价,也适合大规模堆肥,但其固氮效果并不十分理想;在理论上,调节pH可以降低氨气的挥发,但其操作范围狭窄;大部分关于好氧堆肥的研究都是以单个废弃物为堆体来进行的,如动物粪便、污泥、生活垃圾等,联合堆肥方面的氮素损失机理研究还不够系统。
 
        因此,未来堆肥方面的研究方向主要包括:1)加大对堆肥效果影响因素的研究,进一步缩小可操作的最适条件范围;2)尝试2种或更多种能够互补的废弃物进行联合堆肥;3)寻找性价比更高的调理剂,并找出较适合的添加量;4)尝试多种措施共同作用,如在污泥与餐厨垃圾联合堆肥的堆体中添加调理剂,并适当曝气等。好氧堆肥不但可以减轻环境压力,而且可以使废弃物资源化,随着研究的不断深入,堆肥技术的改进会使好氧堆肥向更环保,更廉价,更适合大规模堆肥应用的方向发展。
(原创:廖黎明1 赵力剑1 卢宇翔1 陈孟林1 宿程远1,2)(1.珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室;2.广西师范大学 环境与资源学院)