原料含水率對(duì)筒倉(cāng)式反應(yīng)器堆肥氮素轉(zhuǎn)化的影響

徐鵬翔 沈玉君 周海賓 孟海波 李 季 段崇東

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100125；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部資源循環(huán)利用技術(shù)與模式重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100125；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；4.北京沃土天地生物科技股份有限公司，北京 100193)

堆肥原料的含水率對(duì)堆肥過(guò)程中堆體升溫具有重要影響[1]。原料含水率過(guò)高時(shí)，堆體孔隙度降低，空氣流通受到抑制，導(dǎo)致堆體中產(chǎn)生厭氧區(qū)，限制了微生物對(duì)氧氣的利用[2]。堆肥原料類(lèi)型、工藝和環(huán)境等條件不同，對(duì)堆體的起始含水率要求也不同，決定著堆體是否能夠順利發(fā)酵。如Haug[3]推薦堆體含水率為40%～60%，Guo等[4]推薦堆體含水率為65%～75%，Liang等[5]認(rèn)為堆肥過(guò)程中保證微生物生長(zhǎng)活性所需要的最低含水率為50%，Ahn等[6]推薦堆體最佳含水率為60%～80%。堆肥過(guò)程中含水率低于40%時(shí)將限制微生物活性，含水率過(guò)高又會(huì)導(dǎo)致厭氧環(huán)境的產(chǎn)生[7]。傳統(tǒng)堆肥工藝中物料為靜態(tài)或水平移動(dòng)，推薦堆肥原料含水率調(diào)節(jié)為50%～70%[8]；筒倉(cāng)式反應(yīng)器堆肥過(guò)程中物料自上而下動(dòng)態(tài)位移，原料含水率對(duì)堆體升溫、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和水分去除影響較大[9]，是決定物料是否能順利發(fā)酵的重要因素。

堆肥過(guò)程中，NH3的揮發(fā)是氮養(yǎng)分損失的主要途徑，因此了解氮素轉(zhuǎn)化的過(guò)程與影響因素不僅有利于堆肥工藝的優(yōu)化，而且可實(shí)現(xiàn)堆肥產(chǎn)品增值。堆肥環(huán)境、原料性質(zhì)以及工藝控制參數(shù)是影響堆肥過(guò)程中微生物活性的主要因素，從而也影響了氮素的轉(zhuǎn)化。污泥堆肥過(guò)程中，氨化作用、硝化作用、反硝化作用和氨氣的同化等不同形態(tài)氮的轉(zhuǎn)化過(guò)程可同時(shí)發(fā)生[10]。堆體含氧量、發(fā)酵溫度、含水率、pH以及銨態(tài)氮含量都能影響氮的硝化作用[11]。堆肥高溫好氧發(fā)酵階段是生物降解最強(qiáng)烈的時(shí)期，原料中的蛋白質(zhì)類(lèi)物質(zhì)被微生物分解并釋放出銨態(tài)氮，隨之開(kāi)始氨化作用[12]。當(dāng)堆體溫度大于65 ℃、原料pH達(dá)到8.4以上時(shí)，發(fā)酵物料中的氮將以NH3的形式蒸發(fā)損失[13]，氮在高溫發(fā)酵階段的損失量可占總氮量的40%～70%[14]。Koyama等[15]研究發(fā)現(xiàn)，堆肥物料在60和70 ℃環(huán)境中NH3排放量分別為總氮量的14.7%和15.6%，氮素平衡分析說(shuō)明高溫促進(jìn)了非溶解態(tài)氮的溶解，促進(jìn)了銨態(tài)氮向NH3的轉(zhuǎn)化。

與傳統(tǒng)條垛式和槽式堆肥不同，反應(yīng)器堆肥是一種密閉式快速堆肥工藝，可分為滾筒式反應(yīng)器堆肥、筒倉(cāng)式反應(yīng)器堆肥和箱式反應(yīng)器堆肥等，具有占地面積小、發(fā)酵周期短、堆體溫度高和臭氣控制好等特點(diǎn)，在有機(jī)廢棄物就地處理方面具有較好的應(yīng)用前景。由于反應(yīng)器堆肥設(shè)備的特殊環(huán)境，物料在反應(yīng)器中的發(fā)酵過(guò)程和氮養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過(guò)程也與傳統(tǒng)堆肥不同。在密閉式反應(yīng)器堆肥系統(tǒng)中，由于發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的水蒸氣不斷冷凝和收集，促進(jìn)堆體水分含量快速下降，在此環(huán)境條件下堆體中的硝化作用反而得到加強(qiáng)[16]。Petric等[17]研究了小型反應(yīng)器中不同含水率對(duì)畜禽糞便和秸稈混合堆肥指標(biāo)的影響，發(fā)現(xiàn)物料含水率較高時(shí)可以導(dǎo)致氨損失。筒倉(cāng)式反應(yīng)器近年來(lái)在我國(guó)有機(jī)固體廢棄物處理行業(yè)得到快速推廣，但反應(yīng)器堆肥工藝過(guò)程的控制和參數(shù)的選擇一直以來(lái)都缺少科研數(shù)據(jù)支撐。因此，為優(yōu)化筒倉(cāng)式反應(yīng)器堆肥工藝，揭示不同含水率原料在筒倉(cāng)式反應(yīng)器堆肥中的氮素轉(zhuǎn)化特征，該研究擬以污泥和稻糠為主要原料，分析不同含水率的污泥在筒倉(cāng)式反應(yīng)器堆肥中的發(fā)酵效果和氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程，以期為污泥反應(yīng)器堆肥工藝和肥料化利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原料為脫水污泥和稻糠，均取自某城市污水處理廠(chǎng)。堆肥原料基本性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)在筒倉(cāng)式反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)器設(shè)備示意圖見(jiàn)圖1。筒倉(cāng)式反應(yīng)器裝置包括進(jìn)料系統(tǒng)、發(fā)酵筒倉(cāng)、攪拌系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、出料系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)，筒倉(cāng)容積86 m3，處理量5～8 m3/d。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

綜合考慮污泥和秸稈原料的C/N和含水率范圍，本研究將筒倉(cāng)式反應(yīng)器堆肥進(jìn)料含水率調(diào)為57%，并以此為基礎(chǔ)按梯度增加水分含量以確定污泥原料在筒倉(cāng)式反應(yīng)器中堆肥所需要的最適含水率。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，各處理含水率調(diào)節(jié)為57%、60%、63%和66%，分別用MC57、MC60、MC63和MC66表示。各處理堆肥原料準(zhǔn)備方法如下：1)取脫水污泥1 000 kg，添加稻糠400 kg，混合均勻，形成含水率57%的混合物料；2) 取脫水污泥1 000 kg，取稻糠400 kg，取105 kg純凈水與稻糠混勻，再將稻糠與污泥混合均勻，形成含水率60%的混合物料；3) 取脫水污泥1 000 kg，取稻糠400 kg，取227 kg純凈水與稻糠混勻，再將稻糠與污泥混合均勻，形成含水率63%的混合物料；4)取脫水污泥1 000 kg，取稻糠400 kg，取370 kg純凈水與稻糠混勻，再將稻糠與污泥混合均勻，形成含水率66%的混合物料。

表1 堆肥原料基本性質(zhì)Table 1 Properties of composting materials

圖1 筒倉(cāng)式堆肥反應(yīng)器Fig.1 Silo composting reactor

1.4 分析方法

采用電子溫度計(jì)測(cè)定溫度。酸堿度依據(jù)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY 525—2012《有機(jī)肥料》中的pH計(jì)法測(cè)定。種子發(fā)芽指數(shù)依據(jù)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY 3442—2019《畜禽糞便堆肥技術(shù)規(guī)范》中的方法測(cè)定。NY/T 1116—2014 硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和酰胺態(tài)氮含量依據(jù)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《肥料 硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、酰胺態(tài)氮含量的測(cè)定》中的方法測(cè)定?？偟捎迷胤治鰞x測(cè)定 (Elementar Analysensysteme，Hanau，德國(guó))。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥基本理化指標(biāo)

2.1.1堆肥溫度

堆肥溫度是反映堆肥效果的一個(gè)重要指標(biāo)。在筒倉(cāng)式反應(yīng)器內(nèi)部，堆肥物料從反應(yīng)器頂部進(jìn)料，經(jīng)高溫發(fā)酵后從反應(yīng)器底部出料，不同深度物料的發(fā)酵溫度不同。由圖2可知，不同含水率的原料發(fā)酵溫度在反應(yīng)器內(nèi)部分布差異較大。當(dāng)原料含水率<63%時(shí)，溫度在反應(yīng)器內(nèi)部自上而下呈逐漸降低趨勢(shì)，其中MC57處理在物料深度0.1 m處發(fā)酵溫度最高(70.4 ℃)。在物料深度0.5 m處，MC57、MC60和MC63處理發(fā)酵溫度均達(dá)到60 ℃。隨著發(fā)酵物料繼續(xù)向下移動(dòng)，原料含水率較低的MC57處理發(fā)酵溫度快速下降，在物料深度1.0 m處其溫度降低至55 ℃以下。當(dāng)原料含水率達(dá)到66%時(shí)，0.5 m以上物料發(fā)酵溫度低于55 ℃，隨著發(fā)酵反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，溫度逐漸上升至60 ℃，說(shuō)明原料含水率較高時(shí)不利于物料快速升溫。整體來(lái)看，原料含水率為60%～63%時(shí)，堆肥物料在反應(yīng)器內(nèi)部升溫較快，且發(fā)酵溫度在不同物料深度分布較均勻，有利于快速發(fā)酵。

圖2 不同含水率條件下筒倉(cāng)式反應(yīng)器內(nèi)不同物料深度堆肥溫度變化Fig.2 Changes of temperature during sewage sludge composting in silo reactor under different moisture content

2.1.2種子發(fā)芽指數(shù)(GI)

不同含水率條件下污泥反應(yīng)器堆肥過(guò)程中GI指標(biāo)如圖3所示?！缎笄菁S便堆肥技術(shù)規(guī)范》(NY/T 3442)中將GI作為堆肥產(chǎn)物質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)[18]，要求GI≥70%。由圖3可知，各處理GI值均大于79%，達(dá)到了堆肥腐熟條件。原料含水率為60%的MC60處理GI值最大，達(dá)到92.01%；其次為原料含水率為57%的處理MC57，GI值為90.06%。原料含水率為66%的MC66處理GI值相對(duì)其他處理較低，為79.14%，與GI值最高的MC60處理之間差異顯著(P<0.05)，其他處理之間差異不顯著。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，當(dāng)原料含水率介于57%～66%時(shí)，原料含水率較低的堆肥物料發(fā)酵結(jié)束時(shí)GI值較大。

2.2 氮養(yǎng)分指標(biāo)

2.2.1總氮變化

不同含水率條件下污泥反應(yīng)器堆肥過(guò)程中氮養(yǎng)分指標(biāo)變化如表2所示。由表2可知，原料含水率為63%的MC63處理總氮(TN)含量最大(14.20 g/kg)，原料含水率為57%的MC57處理TN含量最小(11.30 g/kg)，MC63處理與其他處理之間差異顯著(P<0.05)。結(jié)果表明原料含水率過(guò)高或過(guò)低都不利于TN的留存，原料含水率介于60%～63%時(shí)，有利于提高堆肥物料中TN含量。

2.2.2有機(jī)態(tài)氮變化

由表2可知，原料含水率較高時(shí)，堆肥物料中有機(jī)態(tài)氮含量較高。原料含水率為66%的MC66處理有機(jī)態(tài)氮含量最大(6.56 g/kg)，且與其他處理之間差異顯著(P<0.05)；其次為原料含水率為63%的MC63處理，有機(jī)態(tài)氮含量為5.72 g/kg，比MC60處理高39.3%，且與其他處理之間差異顯著(P<0.05)；原料含水率為57%的MC57處理有機(jī)態(tài)氮含量最小(2.56 g/kg)，比MC66處理低60.9%，且與其他處理之間差異顯著(P<0.05)。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，反應(yīng)器堆肥過(guò)程中原料含水率較低時(shí)能夠促進(jìn)有機(jī)態(tài)氮的分解。

圖3 不同含水率條件下污泥反應(yīng)器堆肥GI值變化Fig.3 Changes of GI during sewage sludge composting in silo reactor under different moisture content

表2 不同含水率條件下污泥反應(yīng)器堆肥氮養(yǎng)分變化Table 2 Changes of nitrogen nutrient during sewage sludge composting in silo reactor under different moisture content g/kg

2.2.3銨態(tài)氮變化

2.2.4硝態(tài)氮變化

2.2.5酰胺及氰氨態(tài)氮變化

由表2可知，原料含水率為63%的MC63處理酰胺及氰氨態(tài)氮含量最大(2.50 g/kg)，其次為原料含水率為66%的MC66處理(2.33 g/kg)，二者差異不顯著。MC63處理與MC60處理、MC57處理相比，差異顯著(P<0.01)，說(shuō)明原料含水率較低時(shí)不利于酰胺及氰氨態(tài)氮的形成。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，反應(yīng)器堆肥過(guò)程中原料含水率介于63%～66%時(shí)，有利于提高堆肥物料中酰胺及氰氨態(tài)氮含量。

2.3 氮素轉(zhuǎn)化分析

2.3.1氮素形態(tài)分布

不同含水率條件下污泥反應(yīng)器堆肥過(guò)程中氮素形態(tài)分布如圖4所示。由圖4可知，原料含水率對(duì)不同形態(tài)的氮素影響效果不同；隨著原料含水率的增加，銨態(tài)氮含量逐漸下降，硝態(tài)氮含量先增加后下降，酰胺及氰氨態(tài)氮含量逐漸增加，有機(jī)態(tài)氮含量逐漸增加，總氮含量先增加后減少，氮損失量先減少后增加。從氮養(yǎng)分留存角度分析，原料含水率為63%的MC63處理氮素?fù)p失量最少，有利于氮養(yǎng)分的保存。從有效態(tài)氮(銨態(tài)氮+硝態(tài)氮+酰胺及氰氨態(tài)氮)含量角度分析，原料含水率為60%的MC60處理有效態(tài)氮養(yǎng)分含量最高(9.53 g/kg)，與MC57和MC63處理比差異不顯著，與MC66處理比差異顯著(P<0.01)。Chen等以雞糞和玉米秸稈為原料進(jìn)行堆肥時(shí)，含水率63%的堆體發(fā)酵過(guò)程中具有較明顯的硝化作用發(fā)生[19]。Sun等[20]研究了原料含水率與硝化作用之間的關(guān)系，認(rèn)為堆肥發(fā)酵在密閉環(huán)境中時(shí)更容易形成冷凝水，當(dāng)及時(shí)排出水分時(shí)由于增加了堆體中的氧氣含量，因此促進(jìn)了硝化反應(yīng)的進(jìn)行。本研究數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，反應(yīng)器堆肥過(guò)程中原料含水率介于60%～63%時(shí)，有利于提高堆肥物料中有效態(tài)氮含量和減少氮養(yǎng)分的損失。

圖4 不同含水率條件下污泥反應(yīng)器堆肥氮素形態(tài)分布Fig.4 Distribution of nitrogen forms during sewage sludge composting in silo reactor under different moisture content

2.3.2原料含水率與氮素形態(tài)的相關(guān)分析

原料含水率與各氮素形態(tài)之間的相關(guān)分析結(jié)果如表3所示。由表3可知，當(dāng)原料含水率為57%～66%時(shí)，含水率與銨態(tài)氮之間呈負(fù)相關(guān)(rs=-0.820)，與有機(jī)態(tài)氮之間呈正相關(guān)(rs=0.941)，與酰胺及氰氨態(tài)氮之間呈正相關(guān)(rs=0.756)，在置信度為0.01時(shí)以上相關(guān)性是顯著的。數(shù)據(jù)分析表明，原料含水率與全氮、硝態(tài)氮之間無(wú)相關(guān)性。

3 討 論

在傳統(tǒng)條垛式和槽式堆肥過(guò)程中，堆體含水率隨堆肥時(shí)間的增加逐漸降低，高溫堆肥結(jié)束時(shí)含水率由60%左右降至45%以下。與傳統(tǒng)條垛式和槽式堆肥環(huán)境相比，筒倉(cāng)式反應(yīng)器內(nèi)部堆肥溫度最高可達(dá)80 ℃以上，堆肥周期可縮短至7～10 d，水分去除效率更高，堆肥結(jié)束時(shí)下層出料含水率可降至40%以下。筒倉(cāng)式反應(yīng)器堆肥過(guò)程中，在煙囪效應(yīng)作用下，水汽由下向上蒸發(fā)，反應(yīng)器上層物料始終處于高濕狀態(tài)，因此原料含水率對(duì)堆肥過(guò)程影響較大。當(dāng)原料含水率過(guò)高時(shí)，不利于反應(yīng)器內(nèi)部快速升溫；當(dāng)原料含水率較低時(shí)，由于輔料用量的增加會(huì)導(dǎo)致處理量的減少和處理成本的增加。本文研究結(jié)果表明，當(dāng)污泥原料含水率高于63%時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)部堆體溫度開(kāi)始下降，不利于堆體的快速升溫和水分的去除。

表3 原料含水率與氮素形態(tài)相關(guān)分析Table 3 Correlation analysis between water content of raw materials with nitrogen forms during reactor composting

在氮素形態(tài)分布方面，筒倉(cāng)式反應(yīng)器堆肥過(guò)程中的氮素轉(zhuǎn)化及分布與傳統(tǒng)堆肥工藝不同。含水率60%的牛糞反應(yīng)器靜態(tài)堆肥過(guò)程中氮素轉(zhuǎn)化研究結(jié)果表明，堆肥降溫期銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和有機(jī)態(tài)氮分別占總氮含量的6.6%、0.6%和74.0%[24]，而本研究中含水率為60%的處理堆肥結(jié)束時(shí)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和有機(jī)態(tài)氮分別占總氮含量的35.1%、7.3%和27.8%。由此可知，筒倉(cāng)式反應(yīng)器堆肥環(huán)境有利于提高堆體中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量，這可能是由于筒倉(cāng)式反應(yīng)器具有發(fā)酵溫度高、堆肥周期短的工藝特征，在較短時(shí)間內(nèi)完成高溫堆肥過(guò)程有利于提高堆肥產(chǎn)品中氮素養(yǎng)分含量。

4 結(jié) 論

1)污泥反應(yīng)器堆肥原料含水率對(duì)堆體升溫和各層溫度分布具有直接影響。原料含水率為60%～63%時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)堆體溫度上升較快，堆體溫度可達(dá)到60 ℃以上且在不同深度分布較均勻。種子發(fā)芽指數(shù)GI隨原料含水率的增加呈下降趨勢(shì)，含水率為60%的堆體GI值最大，各處理GI值均達(dá)到了堆肥標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)污泥原料含水率對(duì)反應(yīng)器堆肥中的氮素轉(zhuǎn)化具有較大影響。隨著污泥原料含水率的增加，堆肥結(jié)束時(shí)堆體中的總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和酰胺及氰氨態(tài)氮含量先升高后下降，有機(jī)態(tài)氮含量逐漸升高。原料含水率為60%的堆體銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量最高，分別為6.50 g/kg和1.36 g/kg；原料含水率為63%的堆體總氮含量和酰胺及氰氨態(tài)氮含量最高，分別為14.20 g/kg和2.50 g/kg。原料含水率為57%～60%時(shí)，堆體中有機(jī)態(tài)氮分解率較大。

3)原料含水率可影響反應(yīng)器堆肥中不同形態(tài)氮素的分布。含水率為63%的堆體氮素?fù)p失量最少，有利于氮養(yǎng)分的保存。從有效態(tài)氮含量角度分析，原料含水率為60%的堆體有效態(tài)氮養(yǎng)分含量最高(9.53 g/kg)。原料含水率與銨態(tài)氮之間呈負(fù)相關(guān)，與有機(jī)態(tài)氮和酰胺及氰氨態(tài)氮之間呈正相關(guān)，與全氮、硝態(tài)氮之間無(wú)相關(guān)性。整體來(lái)看，反應(yīng)器堆肥過(guò)程中原料含水率介于60%～63%時(shí)有利于提高堆肥物料中氮養(yǎng)分含量。