不同類型的外加碳源對污泥堆肥過程氮素?fù)p失的影響

李云蓓，李偉光，b

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)a.市政環(huán)境工程學(xué)院；b.城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150090）

不同類型的外加碳源對污泥堆肥過程氮素?fù)p失的影響

李云蓓a，李偉光a，b

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)a.市政環(huán)境工程學(xué)院；b.城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150090）

以城市污泥為研究對象，采用葡萄糖、蔗糖、秸稈粉及其混合物作為外加碳源，研究了不同類型的外加碳源對堆肥系統(tǒng)一次發(fā)酵周期內(nèi)氨氣揮發(fā)的影響。探討了碳源的降解效率與堆肥系統(tǒng)氮素?fù)p失的作用關(guān)系。結(jié)果表明，與對照試驗(yàn)氨氣揮發(fā)總量相比（3.05 g／kg·ds），單獨(dú)添加葡萄糖（2.46 g／kg·ds）與蔗糖（2.17 g／kg·ds）均能控制氨氣的揮發(fā)，但單獨(dú)使用秸稈粉沒有顯著效果（3.1 g／kg·ds）。蔗糖與秸稈粉混合添加對高溫期氨氣揮發(fā)的控制效果最好（1.92 g／kg·ds），堆肥系統(tǒng)中總氮損失由對照試驗(yàn)53.1%減少至27.7%；堆肥過程中氨氣揮發(fā)與碳源的降解具有顯著負(fù)相關(guān)性（R＝－0.94，p＜0.005），秸稈粉與葡萄糖、蔗糖混合添加增強(qiáng)了微生物對有機(jī)碳的降解能力，促進(jìn)無機(jī)氮的固定作用，減少了氮素的損失。

外加碳源；污泥；堆肥；氮素?fù)p失；氨氣

市政污泥堆肥技術(shù)以其成本低廉，能有效殺滅病原菌、達(dá)到廢物減容化和穩(wěn)定化的效果等優(yōu)點(diǎn)而倍受人們的關(guān)注，并已成當(dāng)前污泥無害化和資源化的主要途徑之一［1－2］。但堆肥過程中存在嚴(yán)重的氮素?fù)p失問題，其中70%以上的氮素?fù)p失是由氨氣揮發(fā)造成的，不僅對環(huán)境造成了二次污染，同時(shí)大大降低了堆肥產(chǎn)品的農(nóng)用價(jià)值，限制了這一技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用［3－5］。在眾多影響因素中，物料的碳氮比是堆肥過程控制以及堆肥產(chǎn)品質(zhì)量評價(jià)的重要指標(biāo)，同時(shí)也是影響氮素?fù)p失主要因素［6］。Haug［7］提出堆肥過程最適宜的碳氮比范圍為15～30。當(dāng)堆肥物料碳氮比值低于15時(shí)，由于氮素相對充足，多余的氮素極易以氨氣的形式損失；而當(dāng)碳氮比高于30時(shí)，相對過剩的碳源又會在一定程度上阻礙有機(jī)質(zhì)的降解，延長堆肥周期［8－9］。

黃向東以及熊建軍等［10－11］在研究中發(fā)現(xiàn)通過補(bǔ)充富含碳源物質(zhì)可提高物料的碳氮比，控制氮素?fù)p失。而Eklind等［12］認(rèn)為在堆肥過程中添加富含碳源的材料對氮素?fù)p失的控制并沒有顯著的效果。Liang［13］指出當(dāng)添加不同化學(xué)組成的碳源的時(shí)候，僅提高碳氮比并不能有效控制氮素?fù)p失，碳源的組成及結(jié)構(gòu)也起到關(guān)鍵的作用。根據(jù)以往的研究可知，堆肥過程氮素?fù)p失的控制主要集中與考察不同碳氮比的影響，而不同生物降解特性的碳源對氮素?fù)p失的影響以及碳源在氮素?fù)p失控制中的作用過程目前尚不清晰。

根據(jù)微生物對碳源的降解能力，通過添加不同類型碳源，分析堆肥過程不同時(shí)期氨氣揮發(fā)特征及變化規(guī)律，討論了不同類型碳源降解效率與氨氣揮發(fā)之間的相互關(guān)系，為分析碳源在堆肥過程氮素?fù)p失控制中作用機(jī)制提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 堆肥材料

脫水污泥取自哈爾濱文昌污水廠污泥脫水車間，木屑取自哈爾濱木材加工廠，所用外加碳源為葡萄糖，蔗糖，麥稈粉及其混合物，堆肥試驗(yàn)方案及堆肥物料基本性質(zhì)如表1所示。

表1 各堆肥處理試驗(yàn)條件與物料性質(zhì)

1.2 堆肥裝置及試驗(yàn)條件

堆肥試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理?xiàng)l件（R1 R6），通風(fēng)速率200 m L·min－1，一次發(fā)酵周期22 d，試驗(yàn)方案如表1所示。反應(yīng)器組成如圖1。試驗(yàn)期間將反應(yīng)器置于恒溫水浴內(nèi)，根據(jù)堆體內(nèi)部的溫度對恒溫水浴箱進(jìn)行階段升溫，以期模擬實(shí)際堆肥的自升溫過程。

圖1 堆肥反應(yīng)器示意圖

1.3 樣品分析

試驗(yàn)周期內(nèi)每天記錄堆體內(nèi)部溫度，分別在堆肥啟動（0 h），高溫期（72 h），高溫期結(jié)束（144 h）以及堆肥結(jié)束（528 h）4個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)取樣分析，在取樣之前將物料充分混合。將取好的樣品分為3份，1份105℃烘干24 h用于測含水率和有機(jī)質(zhì)；一份樣品自然風(fēng)干粉碎后測定物料的TN、TOC；另1份儲存于4℃冰箱，用于測定p H值。p H值：樣品與去離子水以比例1∶10（質(zhì)量／體積）混合均勻后測定；TOC：硫酸重鉻酸鉀外加熱法；DOC：將污泥與蒸餾水以1∶50比例在常溫震蕩提取6 h，8 000 rpm／min離心10 min后，過0.45 um濾膜后，樣品進(jìn)TOCVCPH分析測定；總氮（TN）：凱氏定氮法。氨氣及二氧化碳分析分別采用硼酸及氫氧化鈉溶液吸收后用一定濃度的HCL滴定分析。

1.4 計(jì)算方法

堆肥過程氮素?fù)p失計(jì)算公式如下：

其中：X1，X2分別為初始及結(jié)束時(shí)灰分的含量，%；N1，N2分別為初始及結(jié)束凱氏氮的含量，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥過程常規(guī)參數(shù)變化

2.1.1 堆體溫度變化 堆肥過程的溫度變化間接反映了微生物對有機(jī)物的利用情況，同時(shí)也是判斷堆肥過程是否達(dá)到無害化要求的重要指標(biāo)之一［14］。由圖2可知，6個(gè)處理?xiàng)l件下，堆體溫度均在第3 d達(dá)到最高溫度，隨即進(jìn)入高溫期，并在高溫范圍內(nèi)（＞55℃）維持至少2 d時(shí)間，此時(shí)大量的病原菌和雜草種子被滅活，從而實(shí)現(xiàn)堆肥過程無害化要求。試驗(yàn)中高溫期維持時(shí)間普遍較短，分析其原因可能是由于在試驗(yàn)室模擬堆肥過程中，由于堆體體積較小，其可供微生物利用的熱量來源物質(zhì)也較少，造成了堆體高溫期相對較短，但是這一現(xiàn)象在實(shí)際的工程應(yīng)用中并不是限制因素［15］。添加不同類型的碳源物質(zhì)對堆體溫度的影響并不顯著。6個(gè)處理?xiàng)l件下，均能順利完成堆肥升溫過程，高溫期結(jié)束后，由于大部分可降解有機(jī)物已被利用，堆肥系統(tǒng)散失的熱量大于產(chǎn)生的熱量，堆體溫度緩慢下降，并逐漸達(dá)到環(huán)境溫度，一次發(fā)酵過程得以完成。

圖2 堆肥過程中溫度的變化

2.1.2 堆肥過程p H值變化 堆肥物料的p H值直接影響銨態(tài)氮在堆肥物料中的存在狀態(tài)，是影響氮素?fù)p失的主要因素。當(dāng)物料p H值大于8的時(shí)候，有機(jī)氮降解產(chǎn)生的大量銨態(tài)氮以氨氣的形式存在，因此極易揮發(fā)到大氣中［16］。同時(shí)，p H值也是保證微生物生長繁殖的基本條件，p H值過高或者過低都將影響堆肥過程有機(jī)質(zhì)的降解。如圖3所示，整個(gè)堆肥周期內(nèi)p H值的變化趨勢基本相同，即高溫期達(dá)到最高值，隨后緩慢下降，一次發(fā)酵周期結(jié)束后，堆體p H值維持在中性范圍。而堆肥初始p H值由于加入的碳源不同，存在一定的差異。在加入葡萄糖與蔗糖的處理中，堆肥初始p H值最低為5.23，低于添加秸稈粉（7.52）與對照試驗(yàn)（7.63），可能是由于所加入的碳源在微生物的作用下部分分解為有機(jī)酸，從而降低了物料初始p H值。在前期試驗(yàn)中，作者發(fā)現(xiàn)適當(dāng)降低p H值可以顯著減少氨氣的揮發(fā)。但是，隨著堆肥反應(yīng)的進(jìn)行，有機(jī)氮在微生物作用下發(fā)生礦化反應(yīng)從而積累大量的銨態(tài)氮，使堆體p H值在高溫期迅速上升。一次發(fā)酵結(jié)束后，所有處理中，p H值均維持在7.0～7.5范圍內(nèi)。這種中性環(huán)境既是堆肥產(chǎn)品穩(wěn)定化的象征，同時(shí)也有利于后續(xù)腐熟過程的順利完成，從而滿足堆肥產(chǎn)品的后續(xù)應(yīng)用要求。

圖3 堆肥過程p H值變化

2.1.3 堆肥過程有機(jī)碳降解及二氧化碳含量變化堆肥物料有機(jī)碳（TOC）的變化直接反映了微生物對有機(jī)碳的降解能力，由圖4可知，與對照試驗(yàn)相比，各處理?xiàng)l件下，外加碳源的添加均提高了初始物料TOC的含量。在未加入碳源的條件下R6中，TOC的降解主要發(fā)生在堆肥啟動至高溫期階段，但在加入蔗糖以及葡萄糖和秸稈粉的混合物處理?xiàng)l件下，TOC在高溫期后期仍有少量降解反應(yīng)發(fā)生。各處理?xiàng)l件下，有機(jī)碳的降解效率分別為26.3%，27.9%，25%，35.1%，33.7% 和18.9%。葡萄糖、蔗糖均可以增加堆肥物料TOC的降解速率，即微生物的活性有所增加。但是，單獨(dú)添加秸稈粉對微生物降解TOC的能力并沒有促進(jìn)作用。同時(shí)，根據(jù)堆肥過程二氧化碳釋放結(jié)果（圖4-2）可得到相類似的結(jié)論，二氧化碳通常是由微生物對有機(jī)碳的礦化過程中產(chǎn)生的，Komilis等［17］指出，二氧化碳的變化可間接反映堆體內(nèi)部微生物活性的變化。添加葡萄糖與秸稈粉堆肥實(shí)驗(yàn)中，微生物的對有機(jī)質(zhì)的降解效率最高，其二氧化碳釋放量總量為2.5 g／kg·ds，其次為添加蔗糖與秸稈粉混和堆肥條件下，添加秸稈粉處理?xiàng)l件下，二氧化碳的釋放量為1.93 g／kg·ds，而對照試驗(yàn)中，二氧化碳的釋放量最少，僅為1.81 g／kg·ds，即在對照組堆肥物料中能夠被微生物利用的碳源也相對較少，因此其微生物活性相對較低。

圖4-1 堆肥過程TOC的變化

圖4-2 堆肥過程二氧化碳釋放量

2.2 氨氣揮發(fā)及氮素?fù)p失

2.2.1 堆肥過程氨氣揮發(fā) 由圖5-1、5-2可知，添加不同類型的碳源，對堆肥過程氨氣的揮發(fā)具有顯著影響（p＜0.001），尤其是堆肥高溫期。在整個(gè)堆肥過程中，隨著堆體溫度的升高，氨氣的揮發(fā)量急劇增加，R6和R3的瞬時(shí)氨氣揮發(fā)量在96 h達(dá)到峰值，而在R2，R4及R5中，其氨氣揮發(fā)量峰值出現(xiàn)的時(shí)間要略晚于其他處理?xiàng)l件，大約在168 h，并且氨氣揮發(fā)量最高值也只有對照試驗(yàn)的1／3。由圖5-2可知，R5中累積性氨氣揮發(fā)量由對照試驗(yàn)的3.05 g／kg·ds，減少至1.92 g／kg·ds，即通過加入蔗糖或者葡萄糖與秸稈粉的混合物質(zhì)，能夠顯著降低高溫期堆肥系統(tǒng)氨氣的揮發(fā)，而單獨(dú)添加秸稈粉對氨氣揮發(fā)的控制并沒有顯著效果。由圖5-1可知，大約79%以上氨氣的揮發(fā)是在堆肥過程的高溫期發(fā)生。因此，降低高溫期氨氣的揮發(fā)能夠顯著減少整個(gè)堆肥過程氨氣的揮發(fā)量。

圖5-1 堆肥過程瞬時(shí)氨氣釋放量

圖5-2 堆肥過程累積氨氣釋放量

2.2.2 堆肥過程總氮損失

如表2所示，堆肥初始物料中總氮含量基本相同，而在經(jīng)過22 d好氧堆肥后，堆肥物料總氮含量存在顯著的差異，為了避免有機(jī)質(zhì)降解對氮素?fù)p失的影響，根據(jù)式（1）計(jì)算各條件下總氮的損失情況。其中添加蔗糖與秸稈粉的處理中，氮素?fù)p失最少，為27.7%，而單獨(dú)添加秸稈粉處理與對照試驗(yàn)相比，總氮損失情況基本相同，雖然單獨(dú)使用秸稈粉對氮素?fù)p失的控制基本沒有效果，但是當(dāng)其與蔗糖或者葡萄糖聯(lián)用的時(shí)候，卻能夠在一定程度上減少氮素的損失。

表2 堆肥前后氮素?fù)p失

2.3 有機(jī)碳降解效率對氨氣揮發(fā)的影響

由圖6相關(guān)性分析結(jié)果可知，有機(jī)碳降解過程中所釋放的二氧化碳與氨氣存在顯著負(fù)相關(guān)性（R＝－0.94，p＜0.005），而Barrington等［18］也在研究中得到類似的結(jié)論。即有機(jī)碳的降解效率與氨氣的揮發(fā)量密切相關(guān)。因此，研究有機(jī)碳的降解效率對氨氣揮發(fā)的控制具有重要意義。

圖6 二氧化碳與氨氣揮發(fā)相關(guān)性分析

在以往的研究中，有關(guān)碳源的降解效率與氨氣揮發(fā)之間的相互關(guān)系的研究較少，而碳氮比被認(rèn)為是影響氨氣揮發(fā)的主要因素。雖然所添加的碳源物質(zhì)均能夠提高碳氮比，但是其對氮素?fù)p失的控制效果具有顯著的差異。而這一結(jié)果與Subair［19］得到的結(jié)論類似，即高碳氮比并不是控制氨氣揮發(fā)的必備條件，只有補(bǔ)充能夠被微生物降解利用的碳源才能夠?qū)Π睔鈸]發(fā)的控制發(fā)揮積極作用。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，葡萄糖和蔗糖這類易降解的碳源降低了高溫期氨氣的揮發(fā)，減少了氮素?fù)p失，而試驗(yàn)中蔗糖的效果優(yōu)于葡萄糖，這可能是由于葡萄糖在堆肥反應(yīng)啟動后立即被微生物利用，而此時(shí)，物料中并沒有大量的積累銨態(tài)氮，因此不利于無機(jī)氮的固定反應(yīng)進(jìn)行。而蔗糖由于其在結(jié)構(gòu)上比葡萄糖復(fù)雜，因此降解速率要慢于葡萄糖，這也給銨態(tài)氮的積累提供了一定的時(shí)間。由于在無機(jī)氨氮的微生物固定作用中，碳源以及銨態(tài)氮是必不可少的兩個(gè)底物，因此只有當(dāng)這兩種底物都達(dá)到一定濃度的時(shí)候，氮的固定作用才會發(fā)生。由二氧化碳的釋放量可知，秸稈的單獨(dú)加入并沒有提高有機(jī)碳的降解效率，有機(jī)碳的降解效率也間接反映了微生物的活性。因此，堆肥過程微生物的活性并沒有發(fā)生變化，其對氨氣揮發(fā)的控制不具有積極的作用。

但是，將葡萄糖或者蔗糖與秸稈粉混合添加，獲得了較好的保氮效果。由有機(jī)碳的降解效率可知，葡萄糖和蔗糖的加入增加了微生物的活性，從而使得一部分不可利用的碳源在此條件下被降解，同時(shí)秸稈粉中也有少量的可利用碳源，通過混合投加碳源，微生物活性得以提高，因此秸稈粉中部分不易降解的碳源有可能部分被微生物利用，從而提高了堆肥過程有機(jī)碳的降解效率，促使微生物利用更多的氨氮，并將其固定為有機(jī)氮，即促進(jìn)了銨態(tài)氮的固定作用。

3 結(jié)論

在以往的研究中，通過補(bǔ)充富含碳源的物質(zhì)，提高碳氮比以減少氨氣的揮發(fā)，所使用的碳源包括秸稈、稻草、樹葉以及木屑等微生物較難利用的物質(zhì)，而其控制氮素?fù)p失的效果并不理想。因此，往往需要大量的投加。而這類物質(zhì)的加入，在一定程度上延長了堆肥反應(yīng)周期，增加了生產(chǎn)成本。本研究中對比分析了不同類型的碳源對氨氣揮發(fā)控制的效果，主要結(jié)論如下：

1）添加易降解碳源葡萄糖和蔗糖可以降低氨氣的揮發(fā)，而單獨(dú)添加秸稈粉這類難降解的碳源對氨氣揮發(fā)的控制沒有顯著效果。

2）秸稈粉與蔗糖混合添加對氨氣揮發(fā)的控制效果最好，實(shí)驗(yàn)過程中氨氣揮發(fā)的總量由3.05 g／kg·ds.降至1.92 g／kg·ds.，同時(shí)總氮的損失由53.1%降至27.7%。

3）氨氣的揮發(fā)與二氧化碳釋放量呈顯著負(fù)相關(guān)（R＝－0.94，p＜0.005），即氨氣揮發(fā)的控制與所加入碳源的降解效率密切相關(guān)，同時(shí)堆肥過程有機(jī)氮的礦化過程對氨氮的固定作用也具有一定影響。

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（編輯 胡 玲）

Influence of Carbon-Rich Amendments on Nitrogen Losses During Sewage Sludge Composting

Li Yunbeia，Li Weiguanga，b
（a.School of Municipal and Environmental Engineering；b.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，P.R.China）

Different extra carbon sources（glucose，sucrose and straw powder）were added during sewage sludge composting.According to the results，separate add of the glucose（2.46 g／kg·ds）and sucrose（2.17 g／kg·ds）could reduce NH3 emission compared with the amount of NH3 emission（3.05 g／kg·ds）.No significant reduction of nitrogen loss was found in the mixture of P3 amended with straw powder alone（3.1 g／kg·ds）.Adding the mixture of sucrose and straw powder had significant effect on reducing ammonia emission（1.92 g／kg·ds）.A good linear correlation between the carbon degradation rate and ammonia emission was found with correlation coefficients of－0.94（p＜0.005）.The combination of straw with glucose and sucrose could enhance the decomposition of organic carbon.The carbon source which has more readily degradable composition is helpful to nitrogen immobilization.

carbon-rich compound；sewage sludge；composting；nitrogen loss；ammonia

X703

A

1674-4764（2014）02-0104-06

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.02.016

2013-11-05

國家自然科學(xué)基金（51278146）

李云蓓（1984-），女，博士生，主要從事固體廢棄物處理與資源化研究，（E-mail）liyunbei＠163.com。