有機固廢好氧堆肥中氮素轉化的研究現狀

亢涵 陳亞欣 姜浩

（沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧沈陽 110168）

1 引言

我國有機固廢年產量較大，占固體廢物總產生量的比例較高。有機固廢成分復雜，包含廚余垃圾、污水廠剩余污泥以及畜禽糞便等。

好氧堆肥是有機固廢資源化利用的有效技術手段［1］。通過好氧堆肥一系列生化過程，有機固廢能夠轉化為相對穩定的腐殖質，腐殖質經過處理可以用作有機肥或土壤改良劑。在好氧堆肥的過程中，普遍存在氮素損失的現象，如何降低氮素損失、實現高效固定直接影響堆肥產品的質量，可以通過控制堆體參數、添加生物菌劑以及物理化學添加劑來降低氮素損失。本文總結了廚余垃圾、污水廠剩余污泥以及畜禽糞便等有機固廢好氧堆肥中氮素轉化的研究現狀，并據此對其發展趨勢進行展望，旨在為科研工作和技術推廣提供參考。

2 好氧堆肥過程中氮素轉化原理

氮素主要是以有機氮、銨態氮、亞硝態氮和硝態氮等形態存在于堆肥的物料中［2］，在堆肥過程中，氮素經過一系列生化反應進行轉化，包括氨化作用、氨同化作用、硝化作用以及反硝化作用等，其轉化途徑如圖1 所示［3］。

圖1 堆肥過程中氮素轉化途徑

氨化作用主要發生在堆肥的高溫階段，在此階段，堆體中的有機酸被降解，pH 升高，堆體呈堿性，銨態氮轉化成氨氣揮發到環境中，進而造成氮素損失。堆肥過程中產生的一些可溶性有機氮，如氨基酸、氨基糖、核苷酸以及氨化作用所產生的銨態氮均可被氨同化細菌利用同化成其細胞的組成部分，氨被轉化為生物氮［4］。銨態氮通過硝化作用氧化為亞硝態氮，繼而氧化為硝態氮。硝化作用有利于降低堆肥中氨氣的濃度，從而減少氨氣的揮發損失。當堆肥通氣情況不良時，堆體內會造成局部的厭氧環境，繼而導致反硝化作用產生。硝態氮、亞硝態氮在反硝化細菌作用下被還原，釋放出氮氣、氧化亞氮、一氧化氮和二氧化氮［5］。反硝化作用產生的這些氣態氮揮發，同樣會造成氮的損失，但占比較小。

綜上所述，堆肥過程中有機氮的氨化作用和反硝化作用會造成氮素損失，其中氨氣揮發是氮素損失的主要原因。

3 有機固廢好氧堆肥過程中氮素轉化的研究現狀

有機固廢主要包括廚余垃圾、污水廠剩余污泥以及畜禽糞便等廢棄物。在好氧堆肥中，氮素損失的主要原因是氨揮發、轉化以及無機氮轉化等，其中氨氣揮發所導致的氮素損失占主要部分［6］。研究發現，控制氮素損失的技術主要包括通風與控制氧氣供應、接種微生物菌劑、添加物理吸附劑和化學添加劑等［7］。

3.1 廚余垃圾好氧堆肥中氮素轉化的研究現狀

廚余垃圾在生活垃圾中占比較大，為40%～60%［8］。廚余垃圾中含有豐富的有機物質，含水量較高，并且易腐敗變質，需要采用及時高效的處理方式來減少其造成的環境污染和資源浪費。好氧堆肥作為處理廚余垃圾的有效手段，在世界范圍內被廣泛應用［9］。

為探究廚余垃圾好氧堆肥中控制氮素損失的問題，胡亞冬等［10］在廚余垃圾好氧堆肥過程中加入復合菌劑，其研究表明，實驗所采用的復合微生物菌劑可以通過減少腐熟時間來降低反硝化造成的氮素損失。范鑫祺等［9］通過設置不同通風速率的堆體實驗，探究對氮素形態轉化的影響，其研究表明，氨揮發量和氮素損失隨著通風速率的增加而增加。王佳等［11］研究不同填充劑對廚余垃圾堆肥過程中氮素轉化的影響，其研究表明，氨氣排放的趨勢均呈先升高后降低，其中添加樹葉填充劑的堆體具有最好的氨氣減排效果。薛晶晶等［12］以廚余垃圾和園林廢物進行好氧堆肥，探究其質量比對氮素轉化的影響，其研究表明，廚余垃圾與園林廢物質量比為2∶1 時，能有效促進銨態氮向有機氮和硝態氮轉化，氮素損失最小。

控制廚余垃圾好氧堆肥過程中的氮素損失，可以采用加入復合菌劑或者填充劑、設置適宜的通風速率以及利用廚余垃圾和其他廢棄物聯合好氧堆肥等方式。

3.2 污水廠剩余污泥好氧堆肥中氮素轉化的研究現狀

剩余污泥是在污水處理過程中產生的廢棄物，未經過合理處置的污泥如果直接進入環境中，會給環境帶來二次污染［13］。同時，污泥中的有機質和氮、磷、鉀等營養元素如果能被合理地開發使用，不但可以解決環境污染問題，還能將其轉化為有用的資源［14］。目前我國大部分污泥處理廠采用好氧堆肥技術處理污泥。

為探究剩余污泥好氧堆肥中控制氮素損失的問題，葛啟隆等［15］在市政污泥與秸稈混合堆肥中加入生物炭與沸石添加劑，其研究表明，加入沸石添加劑使氨氣、氧化亞氮累積排放量顯著降低。韓夢君等［16］用黑填料球作為調理劑進行污泥堆肥實驗，探究氮素轉化與氨氣揮發的關系，其研究表明，選用黑填料球為調理劑，可以減少氨氣的揮發，有效降低氮素損失。曹秀芹等［17］在餐廚垃圾和污泥聯合好氧堆肥過程中加入微生物菌劑，發現添加微生物菌劑可以減少氮素損失以提高肥效。宋朝霞等［18］通過在堆體中加入復合菌群（EM）菌液探究其對活性污泥好氧堆肥過程的影響，發現適量添加EM 菌液可有效縮短堆肥發酵周期，降低氮素損失，同時提高堆肥品質。綜上所述，在污泥好氧堆肥過程中加入物理調理劑或微生物菌劑有利于降低氮素損失。

3.3 畜禽糞便好氧堆肥中氮素轉化的研究現狀

我國年畜禽糞便產生量大，全國每年約產生38 億t畜禽糞污［19］。畜禽糞便含有豐富的有機質、氮、磷、鉀等營養元素，利用畜禽糞便進行好氧堆肥，腐熟后的產品可作為化肥來提高農業生產效率。其中，氮素損失量是判斷堆肥產品質量的重要指標。

為探究畜禽糞便好氧堆肥中控制氮素損失的問題，李榮華等［20］研究發現，在豬糞堆肥實驗中添加生物炭復合菌劑，能夠顯著降低氨氣和氧化亞氮的排放量，增強堆體的氮素保蓄效果。錢靖華［21］為了減少氮素在堆肥過程中的損失，在畜禽糞便堆肥過程中加入不同的添加劑，其研究結果表明，添加過磷酸鈣、磷石膏、鈣鎂磷肥均可提高固氮能力。薛文濤等［22］以雞糞為發酵原料進行好氧堆肥試驗，通過加入有機酸來探究氨氣減排效果和氮素形態轉化的規律，其研究表明，添加有機酸具有較好的氮素損失控制效果。利用復合添加劑以及加入有機酸調控堆體pH，都能夠提高固氮能力。在原料和配比確定的情況下，通過加入化學添加劑降低物料pH、增強銨態氮的化學固定，是目前固氮效果較好的方式［23］。

3.4 其他有機固廢好氧堆肥中氮素轉化的研究現狀

有機固體廢棄物除廚余垃圾、污水廠剩余污泥以及畜禽糞便外，還包括農業秸稈等農業廢棄物、酒糟等工業廢棄物。農業秸稈富含氮、磷、鉀等營養元素，因此，秸稈堆制的肥有機質豐富，土壤肥力高。酒糟中除了含有蛋白質、淀粉、纖維素和脂肪外，還有豐富的磷、鉀及維生素等成分，利用酒糟作為堆肥物料來生產有機肥，是實現酒糟資源化利用的一種有效途徑。

為探究農業秸稈以及酒糟好氧堆肥中控制氮素損失的問題，李雯等［24］以玉米秸稈作為堆肥物料，研究了單獨添加纖維素降解菌劑、酶制劑以及菌酶協同處理3 種情況下玉米秸稈堆肥氮損失的變化規律，其研究表明，菌酶協同處理有利于降低玉米秸稈堆肥的氮損失。劉林培等［25］以食用菌菌渣和白酒丟糟為原料進行堆肥，其研究發現，在堆肥過程中堆體的銨態氮含量呈先升后降的趨勢，有機氮和總氮的含量均呈逐步升高的趨勢。劉陽等［26］以釀酒丟糟與廢水污泥為原料進行實驗，探究丟糟污泥堆肥的最適原料配比，其研究發現，丟糟與污泥體積比為2∶1時效果最好，氮素損失量小。農業秸稈堆肥過程中利用菌酶協同處理、酒糟與其他廢棄物聯合堆肥并控制質量比，均有利于減少堆肥氮素損失。

4 結語

好氧堆肥是實現有機固廢無害化、資源化的有效途徑，降低好氧堆肥過程中氮素損失依然是研究重點。針對未來有機固廢好氧堆肥氮素損失的探究，提出以下展望：

（1）關注好氧堆肥過程的參數調控。目前國內外學者針對影響堆肥保氮效果的因素已經進行了諸多研究，但大多數研究是集中在一種或少數幾種因素的影響，因此，在研究過程中，要掌握多種因素對有機固廢堆體內氮素保持的相互影響，進行更加深入的研究，為好氧堆肥資源化利用提供理論基礎。

（2）尋找性價比更高、可循環利用的保氮劑，并探究最合適的添加量。在堆肥過程中僅添加生物炭可以降低氮素損失，但是其難以循環利用而使成本增加。因此，尋找和制備可循環利用的保氮劑，將成為保氮劑研究新的發展方向。

（3）關注好氧堆肥的實際應用。目前有機固廢好氧堆肥實驗大多在實驗室內模擬進行，因此，在今后的研究中應更關注堆肥在實際應用過程中氮素損失的影響。