城市污泥堆肥過(guò)程氮素轉(zhuǎn)化影響因素實(shí)驗(yàn)研究

韓夢(mèng)君，呂曉理

（南水北調(diào)東線(xiàn)山東干線(xiàn)有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南250109）

污泥是污水處理的副產(chǎn)物之一，城市污泥是一種由有機(jī)殘片、細(xì)菌菌體、無(wú)機(jī)顆粒、膠體等組成的復(fù)雜非均質(zhì)體。污水處理廠(chǎng)產(chǎn)生的污泥對(duì)環(huán)境來(lái)說(shuō)也是一種污染物，如果不妥善處置，就會(huì)形成二次污染。污泥堆肥化處理能夠?qū)⑽勰嘀幸捉到庥袡C(jī)物轉(zhuǎn)化為腐殖類(lèi)物質(zhì)，殺滅病原菌并減小污泥體積，處置后的堆肥產(chǎn)品施入土壤后能夠顯著改善土壤性質(zhì)，增加作物產(chǎn)量。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，在堆肥處置過(guò)程中，堆體受到溫度、pH值、通風(fēng)速率、C/N等因素的影響，會(huì)損失掉一大部分的氮，損失的氮素有一部分以氨氣的形式揮發(fā)到環(huán)境中，不僅影響居民生活，危害居民健康，還減少了堆肥產(chǎn)物的肥效。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定污泥堆肥過(guò)程中氨氮濃度、氨氣釋放量和總氮量，研究不同調(diào)理劑對(duì)堆肥過(guò)程中氮素轉(zhuǎn)化的影響，對(duì)提高城市污泥堆肥的利用價(jià)值具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 堆肥實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 堆肥原料

污泥取自河南新鄉(xiāng)縣城污水處理廠(chǎng)，其污水來(lái)源包括生活及工業(yè)污水，黑填料球和黃菱球均為市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)。堆肥原料的性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 原料特性表

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及反應(yīng)器

實(shí)驗(yàn)分為A、B、C三組，分組情況見(jiàn)表2，實(shí)驗(yàn)周期為23 d。反應(yīng)器直徑19 cm，高45 cm，總?cè)莘e為12.8 L。實(shí)驗(yàn)期間將反應(yīng)器置于循環(huán)水培養(yǎng)箱內(nèi)，根據(jù)堆體內(nèi)部溫度對(duì)培養(yǎng)箱內(nèi)循環(huán)水進(jìn)行階段升溫，用來(lái)模擬大堆體自升溫過(guò)程。反應(yīng)器后串聯(lián)兩個(gè)集氣瓶，集氣瓶?jī)?nèi)分別裝有一定體積的20%的氫氧化鈉溶液和2%的硼酸溶液，用來(lái)收集每天產(chǎn)生的二氧化碳和氨氣。

表2 不同處理?xiàng)l件及初始物料特性

1.3 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

實(shí)驗(yàn)主要用試劑有氫氧化鈉溶液、2%的硼酸溶液、0.5 mol/L的鹽酸溶液、2 mol/L的鹽酸溶液、溴甲酚綠-甲基紅混合指標(biāo)液、酚酞、甲基橙等。主要儀器有馬弗爐、烤箱、離心機(jī)、分光光度計(jì)、凱式定氮儀等。

1.4 采樣

實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)每天記錄堆體內(nèi)部溫度，觀察水循環(huán)、通氣情況是否正常，確保實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。分別在第0 h、120 h、216 h、288 h、360 h、456 h、552 h取樣，取樣前將堆體充分混合，取完樣品后密封低溫保存，留待分析。

1.5 樣品分析方法

二氧化碳分析方法：采用20%的氫氧化鈉溶液吸收實(shí)驗(yàn)過(guò)程中釋放的二氧化碳，再用2 mol/L的鹽酸溶液滴定。氨態(tài)氮（NH4+-N）分析方法：測(cè)得樣品溶液吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)求得NH4+-N濃度。氨氣分析方法：采用2%的硼酸溶液吸收實(shí)驗(yàn)過(guò)程中釋放的氨氣，再用0.5 mol/L的鹽酸溶液滴定。總氮分析方法：采用凱一式定氮法，即蒸餾氨后用0.01 mol/L的鹽酸溶液滴定。

2 堆肥過(guò)程

2.1 溫度變化實(shí)驗(yàn)分析

本次實(shí)驗(yàn)中不同調(diào)理劑對(duì)應(yīng)污泥堆肥的溫度變化也不同，如圖1所示。

圖1 溫度變化趨勢(shì)

由圖1可以看出，三組實(shí)驗(yàn)的高溫期為第96~408 h，最高溫出現(xiàn)在第360 h，最低溫出現(xiàn)在第480 h。三組實(shí)驗(yàn)的最高溫依次為60.6℃、50.8℃、52.8℃，最高溫A>C>B；最低溫依次是為35.3℃、33.8℃、33.6℃，最低溫C

2.2 二氧化碳的釋放量

二氧化碳的變化間接反映堆體內(nèi)部微生物活性的變化，由圖2可知，三組實(shí)驗(yàn)的二氧化碳釋放量上升或下降趨勢(shì)大致相同。低溫階段，由于堆肥初期溫度較低，微生物活性較弱，所以在堆肥初期二氧化碳的產(chǎn)生量較低。高溫階段，二氧化碳含量先升高后降低，是因?yàn)闇囟容^高，微生物活性強(qiáng)，使得二氧化碳的濃度增加，但是隨著反應(yīng)進(jìn)行，微生物易降解的有機(jī)質(zhì)含量降低，微生物的活性下降，釋放二氧化碳的能力變?nèi)酢?/p>

圖2 二氧化碳釋放量的變化趨勢(shì)

3 氮素的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)分析

3.1 氨態(tài)氮（NH4+-N）

NH4+-N濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖3所示。從圖3中可以看出，NH4+-N濃度的變化與其填料的類(lèi)型有關(guān)。以木屑為調(diào)理劑的堆體，其濃度上升速度最快，較晚達(dá)到最高濃度3.53 mol/L，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)濃度變化浮動(dòng)較大；以黑填料球?yàn)樘盍系亩洋w，最快達(dá)到濃度最高值3.77 mol/L；以黃菱球?yàn)檎{(diào)理積的堆體濃度前期變化平緩，達(dá)到最高濃度的時(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)到最大濃度后濃度下降較快，最高濃度為4.08 mol/L。在高溫期，氮素大量降解氨化，造成NH4+-N大量積累，使得NH4+-N濃度維持在比較高的水平，而在堆肥后期，NH4+-N濃度普遍下降，這是因?yàn)楦邷仄诤螅糠諲H4+-N在高溫及高pH值下轉(zhuǎn)化成氨氣揮發(fā)到大氣中。

圖3 NH4+-N濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

3.2 NH3的揮發(fā)

影響堆肥過(guò)程中氨氣揮發(fā)的因素主要有溫度、二氧化碳等。三組實(shí)驗(yàn)隨著堆肥反映的進(jìn)行，氨氣積累量逐漸增大，其中C組增加速度明顯快于其他兩組。三組氨氣積累量的增加速度由快至慢分別為：C>A>B。

在高溫期，三組實(shí)驗(yàn)的氨氣揮發(fā)量分別為82 mg、63 mg、226 mg，在整個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)，累積氨氣揮發(fā)量分別為2.63 g、1.88 g、3.57 g。可見(jiàn)黑填料作為調(diào)理劑可以降低高溫期時(shí)氨氣的揮發(fā)量，進(jìn)而降低了整個(gè)堆肥周期的氨氣揮發(fā)總量。

3.3 總氮

經(jīng)過(guò)552 h的堆肥后，三組實(shí)驗(yàn)總氮含量由原來(lái)大致相同變得具有明顯差異。以木屑為調(diào)理劑的堆體，堆肥結(jié)束時(shí)總氮共下降了9.73 g/kg、32.25%；以黑填料球?yàn)檎{(diào)理劑的堆體，結(jié)束時(shí)總氮共下降了4.07 g/kg、13.90%；達(dá)到總氮濃度最大值所需的時(shí)間最短且最大；以黃菱球?yàn)檎{(diào)理劑的堆體結(jié)束時(shí)總氮共下降了9.96 g/kg、32.33%。由此可知，以黑填料球?yàn)檎{(diào)理劑的堆體總氮濃度降低的最少。

3.4 堆肥過(guò)程中氮素的損失

在堆肥結(jié)束后，總氮有一定的損失，主要是由于有機(jī)氮的礦化和持續(xù)性氨的揮發(fā)以及硝態(tài)氮的可能反硝化。本次實(shí)驗(yàn)中，黑填料球作為調(diào)理劑損失氮素最少，為28.44%；木屑次之，為75.56%；黃菱球最多，為80.75%；由此可知，用黑填料球作為調(diào)理劑能有效減少堆肥過(guò)程中的氮素?fù)p失。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

堆肥過(guò)程中有機(jī)氮的氨化作用使得氮素產(chǎn)生損失，一般來(lái)講堆肥過(guò)程中氮的損失量大約為50%~60%，其中產(chǎn)生氨氣并揮發(fā)是氮損失的主要途徑之一。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，氨氣的揮發(fā)與調(diào)理劑有著密不可分的關(guān)系，可以通過(guò)選擇不同調(diào)理劑來(lái)控制氨氣的揮發(fā)。在三組實(shí)驗(yàn)中，以黑填料球?yàn)檎{(diào)理劑的堆肥實(shí)驗(yàn)氨氣的揮發(fā)量最少，相應(yīng)的氮素?fù)p失也最少。因此選用黑填料球?yàn)檎{(diào)理劑，可以減少氨氣的揮發(fā)，有效減少氮素?fù)p失。