沼渣與污泥混合高溫堆肥效果及氮素控制

周 俊，楊玉婷，謝欣欣，雍曉雨，劉奮武，王舒雅，張雪英，鄭 濤

(1.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，南京211800； 2.南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京211800；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，太谷030801)

沼渣與污泥混合高溫堆肥效果及氮素控制

周 俊1，楊玉婷2，謝欣欣1，雍曉雨1，劉奮武3，王舒雅1，張雪英2，鄭 濤1

(1.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，南京211800； 2.南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京211800；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，太谷030801)

以鋸木屑為調(diào)理劑，以Mg(OH)2與H3PO4的混合液為高溫堆肥過程中的氮素抑制劑，研究沼渣與啤酒廠污泥混合堆肥效果。結(jié)果表明：混合物經(jīng)好氧發(fā)酵處理后，均達(dá)到腐熟。添加氮素固定劑處理和對照處理的最高溫度都可達(dá)65 ℃以上，在堆肥過程中添加氮素固定劑處理可提高堆體中有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化速率，對氮素的固定率達(dá)18%以上，添加固氮劑處理的堆肥結(jié)束后P元素增加了51%，堆肥品質(zhì)得到了大幅度提高。堆肥過程中的物料的種子發(fā)芽指數(shù)不斷提高,達(dá)到0.9；添加固氮劑的處理堆肥的種子發(fā)芽指數(shù)為1.0，明顯高于對照?？梢姴捎酶邷囟逊屎偷毓潭夹g(shù)可有效地實現(xiàn)沼渣及啤酒廠污泥的混合資源化，該研究為后期沼渣和啤酒廠污泥堆肥的規(guī)?；瘧?yīng)用提供了技術(shù)參數(shù)。

沼渣；啤酒廠污泥；堆肥；氮素固定；腐熟

沼渣是固體廢物厭氧消化后殘余體系的固態(tài)物質(zhì)，經(jīng)過脫水后的沼渣含有大量植物生長所需養(yǎng)分，如某些有機(jī)質(zhì)、N、P、K和微量元素等，然而由于存在病原微生物及惡臭等問題，使其不能直接進(jìn)入農(nóng)田處置。同時，沼渣脫水后，仍有高達(dá)80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上的含水率，增加運輸成本，限制其遠(yuǎn)距離運輸。另一方面，啤酒廠污泥是啤酒廠廢水處理過程中產(chǎn)生的，其組成成分與沼渣相似，但不含重金屬，它們也不能直接進(jìn)入農(nóng)田作為有機(jī)生物肥料[1]。因此，在去除沼渣及啤酒廠污泥中病原微生物、惡臭及降低其水分基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行合理的無害化處理及資源化農(nóng)業(yè)利用顯得尤為必要。

高溫好氧堆肥是在人工控制條件下，通過微生物對有機(jī)廢物逐步分解，進(jìn)而實現(xiàn)病原微生物消除，最終將有機(jī)廢物轉(zhuǎn)變成為穩(wěn)定的對環(huán)境無害的類腐殖質(zhì)的復(fù)合物的技術(shù)。然而，堆肥最大的負(fù)面影響是高溫及偏堿環(huán)境下NH3的揮發(fā)，好氧堆肥過程中氮素的損失量為16%～74%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，平均約為40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[2-7]。然而，通過調(diào)節(jié)堆肥物料的起始碳氮比(C/N比)、加入固氮劑可以調(diào)控NH3的揮發(fā)速率及揮發(fā)量[8]。

1 材料與方法

1.1 堆肥材料

供試沼渣取自南京工業(yè)大學(xué)車用生物天然氣示范工程，原料為秸稈和人糞尿，進(jìn)料濃度8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右；污泥采自金陵啤酒廠的脫水污泥；調(diào)理劑為鋸木屑，具體性質(zhì)見表1。

表1 堆肥各物料的主要化學(xué)性質(zhì)

1.2 堆肥場地及試驗設(shè)計

堆肥場地在南京工業(yè)大學(xué)校內(nèi)車用生物天然氣示范工程內(nèi)，采用靜態(tài)條垛式堆肥工藝，每堆的濕質(zhì)量為6 t，每2 d翻堆1次。本研究中的主要原料為沼渣和污泥，并根據(jù)物料性質(zhì)添加一定的鋸木屑。最后按照V(沼渣)∶V(鋸木屑)∶V(污泥)=3∶ 1.5∶ 1的配比混勻原料，并添加質(zhì)量比為原料總質(zhì)量10%的豬糞做接種物，水分控制在70%左右。為研究堆肥過程中對氮素的固定效果，特設(shè)置如下2個處理：1)混合物料(對照試驗)；2)混合物料+質(zhì)量分?jǐn)?shù)2% Mg(OH)2與H3PO4(1∶ 4)混合液。

1.3 取樣及測定

種子發(fā)芽指數(shù)=(堆肥浸提液處理種子的發(fā)芽率×處理種子的根長)/(去離子水處理種子的發(fā)芽率×去離子水種子的根長)×100%

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥過程中溫度的變化

溫度變化是判斷堆肥是否達(dá)到無害化的重要指標(biāo)之一[20-23]，正常運行的堆肥過程中溫度的變化可分為升溫期、高溫期、降溫期及腐熟期。本研究堆肥原料中的沼渣是秸稈和人糞尿經(jīng)過厭氧發(fā)酵后的殘余物，降解性能較差，因此和啤酒廠污泥混合好氧堆肥過程中溫度能否上升至關(guān)重要。

圖1為堆肥過程中溫度變化曲線。由圖1可知：2個不同處理的堆體堆肥過程中溫度的變化基本一致，第5 天后溫度上升到60 ℃，在第8天時溫度達(dá)到最高67 ℃，從第18天開始進(jìn)入緩慢降溫期，可見高溫階段保證了堆肥的無害化和腐熟。由圖1還可以看出：添加氮素固定劑的處理溫度降低的速度比對照處理快，這間接說明添加氮素固定劑處理堆肥的腐熟速度快于對照處理。從第38 天開始堆肥進(jìn)入腐熟期，堆體溫度逐漸接近于環(huán)境溫度。因此，通過該堆肥過程中溫度的變化可以初步判斷該原料堆肥是成功的。

圖1 沼渣與啤酒廠污泥混合堆肥過程中溫度的變化Fig.1 Changes of temperature during composting of biogas slurry and brewery sludge

2.2 堆肥過程中有機(jī)質(zhì)含量的變化

堆肥過程中微生物能夠利用有機(jī)物進(jìn)行生長，進(jìn)而降低堆體中有機(jī)物的含量。圖2為不同處理好氧堆肥過程中有機(jī)質(zhì)含量的變化。由圖2可以看出：有機(jī)質(zhì)含量隨堆制時間的延長均呈下降趨勢，在0～15 d期間，有機(jī)質(zhì)隨堆體溫度的升高降解較為劇烈，有機(jī)質(zhì)含量降低幅度較大，后期變化較為緩和。堆肥結(jié)束后，添加固氮劑處理及對照的有機(jī)質(zhì)降解率分別為8.31%和8.01%，其中添加氮素固定劑處理有機(jī)質(zhì)的降解率略高，這說明添加劑在一定程度上能促進(jìn)有機(jī)物降解。然而，從整個有機(jī)質(zhì)的降解效率來看都偏低，這說明沼渣在厭氧消化過程中在厭氧微生物的作用下已經(jīng)有一部分被生物降解或轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)類物質(zhì)[23]，所以在好氧堆肥過程中整體的轉(zhuǎn)化效率不高。

圖2 沼渣及啤酒廠污泥混合堆肥過程中有機(jī)質(zhì)的變化Fig.2 Changes of organic matter during composting of biogas slurry and brewery sludge

2.3 堆肥過程中氮素的變化

圖3 沼渣及啤酒廠污泥混合堆肥過程中全氮、氨氮、硝氮和有機(jī)氮的變化Fig.3 Changes of -N,and organic nitrogen during composting

2.4 氮素固定劑對氮素的固定率

氮素固定劑Mg(OH)2與H3PO4混合液對堆肥物料氮素的固定率的計算參照文獻(xiàn)[13]，通過計算發(fā)現(xiàn)堆肥結(jié)束后固氮率達(dá)18%以上，有較好的固氮效果。結(jié)合文獻(xiàn)分析可知：Mg(OH)2與H3PO4混合液在堆肥過程中堆體中的氨氮反應(yīng)形成了一種Mg(NH4)PO4·6H2O的無機(jī)肥料，進(jìn)而將氨氮固定，減少了氮素的損失，提高了肥效。

2.5 堆肥過程中全磷含量的變化

P也是堆肥產(chǎn)品中的重要營養(yǎng)元素，一般在堆肥過程中P的總量基本不會損失。圖4是沼渣及污泥混合堆肥過程中全磷的變化趨勢。由圖4可知：不同處理方法的全磷含量都是逐漸增加的，這是由于在發(fā)酵的過程中有機(jī)質(zhì)被微生物降解后P被相對“濃縮”的原因，且添加Mg(OH)2與H3PO4混合液的處理組全磷的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對照處理組，最后P元素提高了51%，這是由于添加了H3PO4固氮劑的原因，與文獻(xiàn)[19-21]報道的結(jié)果一致。由于P是植物生長的必需元素，因此可以推測添加固氮劑的處理肥效要高于對照，提高了堆肥產(chǎn)品的附加值。

圖4 沼渣及啤酒廠污泥混合堆肥過程中全磷的變化Fig.4 Change of TP during composting of biogas slurry and brewery sludge

2.6 沼渣堆肥腐熟度的評價

種子發(fā)芽指數(shù)(GI)可綜合反映堆肥產(chǎn)品的植物毒性，目前被認(rèn)為是最敏感、最簡單、最可靠的堆肥腐熟度評價指標(biāo)。如果GI>0.5，則可認(rèn)為基本無毒性，當(dāng)GI達(dá)到0.8～0.85時，就可以認(rèn)為堆肥對植物沒有毒性[5]。圖5為不同處理堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)的變化。從圖5可以看出，在堆肥過程中不同處理組的GI都有先降低后逐漸升高的趨勢，前期的降低可能是在高溫期產(chǎn)生的小分子物質(zhì)對植物的種子有一定的毒害作用，后期隨著堆肥的不斷腐熟，種子發(fā)芽指數(shù)不斷提高。堆肥結(jié)束后，添加Mg(OH)2與H3PO4混合液處理和對照處理的種子發(fā)芽指數(shù)分別達(dá)到了1.0和0.94。由于此時堆肥都已腐熟，堆肥產(chǎn)品可安全使用，另外添加固氮劑的堆肥的腐熟度略高于對照。

圖5 沼渣與啤酒廠污泥混合堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)變化Fig.5 Change of cress seed germination during composting of biogas slurry and brewery sludge

3 結(jié) 論

1)沼渣及啤酒廠污泥混合物經(jīng)高溫好氧堆肥發(fā)酵，均達(dá)到腐熟，沼渣及啤酒廠污泥混合高溫堆肥技術(shù)可行。

2)添加Mg(OH)2與H3PO4混合液處理和對照處理最高溫度都可達(dá)65 ℃以上，添加氮素固定劑在堆肥過程中能促進(jìn)堆肥發(fā)酵，提高堆體中有機(jī)物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化率，對氮素的固定率達(dá)18%以上。

3)添加固氮劑Mg(OH)2與H3PO4的處理堆肥結(jié)束后磷元素提高了51%，堆肥的附加值大幅度提高。

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(責(zé)任編輯 周曉薇)

Transformation and loss of nitrogen during compostingof biogas slurry and sludge

ZHOU Jun1,YANG Yuting2,XIE Xinxin1,YONG Xiaoyu1,LIU Fenwu3,WANG Shuya1,ZHANG Xueying2,ZHENG Tao1

(1.College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211800,China； 2.College of Environment,Nanjing Tech University Nanjing 211800,China； 3.College of Resource and Environment,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801,China)

Aerobic composting of the mixture of biogas slurry and brewery sludge with sawdust as bulking agent was conducted in the absence and presence of nitrogen fixatives with an aim to inhibit nitrogen loss during composting,and the nitrogen fixatives was selected as the solution of Mg(OH)2-H3PO4.Results showed that both treatments were matured after 53 d.The highest temperature of all compost piles reached 65 ℃, and the fixatives could slightly enhance the transformation rate of organic matter.Specially,the nitrogen fixing rate was higher than 18% and total P content was increased by 51% in the treatment of applying Mg(OH)2-H3PO4solution.The seed germination index of compost was 0.9,and that of the treatment of the fixatives addition was 1.0,obviously better than the control.Aerobic composting in the present of nitrogen fixatives is a suitable approach to treat biogas slurry and brewery sludge.

biagas slurry;brewery sludge;composting;nitrogen fixation;mature

10.3969/j.issn.1672-3678.2014.06.008

2013-09-11

中國科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點實驗室開放基金(KLCAS-2013-05);江蘇農(nóng)業(yè)自主創(chuàng)新項目(CX(13)3045);國家自然科學(xué)基金(21307058、21207065)；江蘇省青年自然科學(xué)基金(BK20130931)；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項目(13KJB610006)

周 俊(1983—)，男，河南信陽人，博士，講師，研究方向：固體廢棄物的資源化、無害化及能源化理論與技術(shù)，E-mail:junzhou1983@126.com；鄭 濤(聯(lián)系人)，教授，E-mail:zhengtao@njtech.edu.cn

S141.1

A

1672-3678(2014)06-0039-05