添加腐熟污泥对生活垃圾堆肥氮素转化与损失的影响-环境工程学报

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1、第11卷第7期2017年7月环境工程学报Chinese Journal of EnvironmentalEngineeringVol. 11 , No. 7July 2017添加腐熟污泥对生活垃圾堆肥氮素转化与损失的影响马强 1, 孙英杰1,?, 王华伟 1, 郭康圣 2, 赵鑫 11. 青岛理工大学环境与市政工程学院, 青岛 2660332. 青岛洁润环境有限公司, 青岛 26000摘要研究添加腐熟污泥对垃圾好氧堆肥过程中氮素转化与损失的影响,实验设置生活垃圾与腐熟污泥质量比分别为1 1、21和41, 以单独生活垃圾为对照,主要监测堆肥过程中固相(TN和氨、氮、硝态氮和亚硝态氮) 和气相(

2、NH3N2 O) 中氮素转化规律。 结果表明 : 与单独生活垃圾相比, 生活垃圾与腐熟污泥比例为 11 和 41 时,有机氮与 TN 损失明显减少 ; 至堆肥结束4 组堆体铵态氮与硝态氮相较于堆肥初期均有不同程度提高,其中 41组铵态氮与硝态氮提高最多,分别为32. 3% 和 86. 1% ; 亚硝态氮含量在整个堆肥过程中一直处于下降趋势; 腐熟污泥的添加使物料堆肥过程中氨气和 N。总体而言 ,由于腐熟污泥对氨气良好的吸附性能和其含有的大2 O 的释放量随着腐熟污泥添加量的增加而减小量亚硝酸盐氧化菌,加入堆肥后减少反硝化途径 N2O 的产生, 从而减少生活垃圾堆肥过程中氮素损失和温室气体的释放

3、 。关键词堆肥 ; 腐熟污泥 ; 生活垃圾 ;N2 O; 氮素损失中图分类号X705文献标识码A文章编号1673-9108(2017)07-4325-06DOI :10. 12030 / j. cjee. 201605188Effectofaddingmaturesludgeonnitrogentransformationandlosses duringrefusecompostingprocess11,?121MA Qiang ,SUNYingjie,WANGHuawei,GUO Kangsheng ,ZHAOXin1. Departmentof Environmentand Municip

4、alEngineering,QingdaoUniversityof Technology,Qingdao 266033,China2. QingdaoJierunEnvironmental Company,Qingdao266000,chinaAbstractInthis paper,resultsare reportedfrom a study on the effects of mature sludge on nitrogen transforma-tion and losses duringanaerobiccompostingprocess.Threemass ratiosof MS

5、W and mature sludge were set(1 1,21,and 4 1) ,andonly a separate sample of MSWwas used as control.We monitoredthe changing rulesof nitrogentransformation in the solidphase ( TN,NO 3 -N,NO 2 -N,and NH 3 -N)and gas phase ( NH 3 ,N 2 O).Theresults indicatedthe following.1)ComparedwiththecontrolMSW,thel

6、osses of organic nitrogen and TN de-creased obviouslywhen the ratios of MSW and maturesludge were 1 1 and 4 1.As composting progressed,thelevels of ammonium nitrogen and nitrate nitrogenin the fourcompostinggroups increased bydifferent degrees,compared to theearlystage of composting,andthe highest i

7、ncrease of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen inthe 4 1group was 32. 3%and 86. 1% ,respectively.The nitritecontentshowed a downward trend duringthewhole composting process.2)Addingmature sludgedecreased the emissionsof ammonia and N2 O duringthecomposting process,asthe amount of sludge compostin

8、g increased.Because mature sludge generally exhibitsgoodadsorptionand contains a large numberof nitrite oxidizingbacteria( NOB),theN2 O production from the denitri-ficationpathway decreased after composting.Thisreducedthe nitrogenloss and the release of greenhouse gasesduring the process of composti

9、ng MSW.Key wordscompost;maturedsludge;MSW;N2 O;nitrogen losses基金项目: 青岛市成果转化计划科技惠民专项(15-6-2-112-NSH)收稿日期: 2016 - 05 - 23; 录用日期 : 2016-08-12第一作者: 马强 (1990 ) , 男 , 硕士研究生, 研究方向: 固体废物污染与资源化。 E-mail:164888104qq. com? 通信作者,E-mail:yjsun1971126. com4326环境工程学 报第 11卷随着经济的发展和人口的增加, 我国生活垃圾的产量不断增加,垃圾污染已经成为困扰我国经济发

10、展的社会问题 。 目前 , 世界各国都把生活垃圾的减量化、无害化和资源化作为解决垃圾污染的原则1。 单独垃圾堆肥过程既存在高温、高 pH 带来的氨气挥发损失, 又有厌氧条件下硝态氮的反硝化脱氮及渗滤液或雨水造成的氮素淋溶损失, 氮素损失严重2。占美丽3 在研究青岛小涧西生活垃圾堆肥试运行期间发现 , 堆肥产品全氮含量仅为( CJ /T3059-1996) 标准的 64%城市生活垃圾堆肥处理厂技术评价指标。 安淼等 4 在研究污泥用量对垃圾堆肥中氮素的损失发现,单独生活垃圾堆肥的物料, 至堆肥结束时 ,总氮和有机氮分别损失了70. 3% 和 93. 5%。有研究者认为, 氨挥发和 N2 O 释放

11、是高温好氧堆肥中氮素损失的主要途径 。 KITHOME等 5研究发现氨气挥发导致氮素大量损失, 损失量占初始铵态氮47%62% 。堆肥化过程中 9. 6% 46% 的初始总氮以氨气的形式挥发, 约占堆肥过程中总氮损失79% 94% 6-7于微生物硝化和反硝化作用, 一般认为 1% 10%的氮素以 N。 此外由89肥过程中运行操作不当,N2 O 形式损失。但有研究发现, 如果在堆2 O 的排放量会超过氨气, 成为氮素损失的主要形式。,腐熟污泥是污泥堆肥产品, 具有孔隙率均匀, 结构疏松 , 有较强的吸附能力等特点与垃圾混合后能够起到调节堆体含水率和孔隙率, 达到提高堆体通气效果和氧气利用率的作用

12、。 周肖红等 10研究向草末堆肥中添加已腐熟堆肥发现, 相较于草木单独堆肥,添加已腐熟堆肥可以降低氨挥发, 提高硝态氮含量,减少堆肥氮损失 。 康露等 11研究向牛粪堆肥过程中添加腐熟粪便发现,添加腐熟粪便可显著提高铵态氮与硝态氮含量 , 减少氮素损失。 曹云等 12 研究发现 , 向猪粪好氧堆肥过程中添加腐熟猪粪可以促进堆肥的快速启动及升温期有机质的分解转化, 增加嗜温菌数量, 提高蛋白酶活性, 但纤维素酶和脱氢酶活性会下降。江滔等 13 研究腐熟堆肥粗颗粒在堆肥化过程中减排温室气体作用发现,由于覆盖层粗颗粒的吸附作用,可以降低氨气排放49. 1%, 混匀和覆混处理分别较少N2O 排放35.

13、 7% 和 74. 1% , 并认为腐熟堆肥中含有大量亚硝酸盐氧化菌, 混入堆肥后可促使亚硝酸盐向硝酸盐的转化, 减少通过反硝化途径产生N肥初期将促进硝化途径产生N2O, 但堆, 被视为一种理想的内源接种剂142 O 。在国外 , 由于腐熟堆肥含有大量的嗜温及嗜热微生物菌群由于腐熟堆肥良好的吸附性能, 也常被作为生物滤池填料和填埋场覆盖材料使用 15。此外 , 其含有大量的硝化菌等13。腐熟污泥作为污泥堆肥化产品, 因此 , 向垃圾堆肥中添加腐熟污泥以减少氨气和N2 O 排放 , 利用腐熟污泥的吸附作用与微生物活性控制氮素损失, 不仅理论上可行,而且成本低 , 使得废物得到资源化利用,具有重大

14、现实意义。本文在工程性实验基础上, 研究腐熟污泥的添加对生活垃圾堆肥过程中氮素转化的影响, 以期为控制垃圾堆肥过程中氮素的损失提供科学参考。1 实验部分1. 1堆肥材料实验所用得生活垃圾取自于青岛洁润有限公司预处理后的生活垃圾,依次经过人工分拣、机械破碎风选和磁选等剔除大的部件、塑料 、玻璃和金属等难降解物质。腐熟污泥取自青岛洁润有限公司生产车间污泥堆肥的一次发酵粗肥。生活垃圾的基本性质为: 含水率60. 2% ;pH为 6.4; 有机碳 388. 3g kg -1基 ) ;TN 为 13. 4 g kg - 1- 1( 干(干基 );有机质 566. 2g 。腐熟污泥的基本性质为: 含水率

15、38. 1% ;pH为 7.kg(干基 ) ;C / N 为 29. 17; 有机碳 250. 4 g kg - 1(干基);TN为 11. 2 g-1-1kg(干基 ) ; 有机质 435. 6g kg(干基 );C /N为 20.1。1. 2实验方法根据腐熟污泥和生活垃圾的基本理化性质分析, 并结合堆肥最佳配比要求, 实验设置生活垃圾与腐熟污泥质量比分别为1 1(A 组 ) 、21( B 组 ) 、41( C 组 ) , 以垃圾单独堆肥为空白( kb) 。 实验在青岛小涧西生化处理厂进行, 堆肥隧道仓尺寸为110 m 3m 3 m, 实验时由装载机将腐熟污泥与分选后的生活垃圾混匀物料铲入到

16、发酵仓内, 每个堆体的尺寸约为14 m 3 m 1. 5 m。 发酵仓为密闭厂房式构筑物, 下设通风道 , 采用鼓风强制通风, 每隔50 min 通风 10 min 。 每 7 d 机械翻堆一次, 堆肥周期为 31d。 每 2d 取样一次 。 固体样品每次在堆体的上、中、下多点取样混合,取样参照 城市生活垃圾采样和物理分析方法( CJ/T3039-95) , 每个指标测定3 个平行样, 取平均值作为结果。堆肥过程中 N2O 与氨气的采用静态箱第 7 期马强等 : 添加腐熟污泥对生活垃圾堆肥氮素转化与损失的影响4327法 , 将规格为 45 cm 45 cm 40cm 的静态箱置于垃圾堆体上,

17、用大气采样器抽取柱气体样品。第 0、20、40、分钟60用集气袋采集静态箱内的气体16, 测定用 N2O。N 2 O 释放量公式为:F = hdc27 a 17dtT式中:F为 N2- 1- 1 为箱内气体浓度随时,m;d2O 释放通量 ,mg ( h) ; h 为静态箱有效空间的高度cdt间的变化率 , L ( L h)- 1- 3); T 为采样箱内温度 。; 为 标准 状 态下 温室 气体 的 密度 ( N 2 O 为 1. 25 kg m1. 3测定项目与分析方法堆肥样品经固液比为1 20的 2 mol L- 1、硝态氮和亚硝态氮。铵态氮采用KCl 浸提后 , 测定铵态氮纳氏试剂分光光

18、度法, 硝态氮和亚硝态氮分别采用紫外分光光度法和可见分光光度法测定。 TN 采用硫酸消解干样品 , 凯氏定氮法测定。气体氨浓度采用硼酸吸收法18仪分析 , 色谱柱为 Porapak Q (14;N 2 O 使用 Shimaduz GC2010Plus 气相色谱m 3 mm 1. 5 m), 检测器 ECD, 载气为99. 99% 的高纯氮气。 操作参数为 : 柱流量 1. 0 mL min- 120, 柱温 60 ,SPL 进样口温度150 ,ECD 检测器温度340 。, 分流比为2 结果与分析2. 1 堆体过程中 TN 含量变化由图 1可知 ,在堆肥过程中,TN含量变化均呈现逐渐下降趋势。

19、堆肥开始时, A 组、B 组、C 组和kb 组物料初始总氮含量分别为 12. 56、 73 12.、02 13.和 13. 35 g kg - 1, 到堆肥结束时 ,4 组物料总氮含量分别为 10.22 、 8.36 、 1010.和8.10g kg - 118. 6% 、 343%.、 224%.,TN 的损失率分别为和 39. 3%。相较于A组与C 组 ,B 组堆肥过程中TN 损失较高。任丽梅等 19认为厌氧反硝化是堆肥氮素损失的主要途径。前期的研究表 明 B 组堆体温度首先达到 55图 1堆体 TN 含量变化趋势以上 , 并在高温期的温度高于其他2 组 20Fig. 1 Change o

20、f TN during composting。高温严重抑制了硝化 反应, 微生物厌氧反硝化加速氮素损失。 腐熟污泥作为已经基本稳定化的底料, 可降解有机物含量低, 相较于A 组堆体有机质含量不足和C组堆体粘稠状态,B组不仅为微生物反硝化作用提供充足的有机物质, 并改善了堆肥堆体通气性, 促进了氮类物质的降解与损失。可见添加腐熟污泥能有效减少生活垃圾堆肥过程中的TN 损失 , 当垃圾与腐熟污泥比例为 1 1( A 组 ) 时 TN 损失最少 。2. 2堆肥过程中有机氮含量变化由图 2( a) 可知 , 在堆肥过程中,4 组物料有机氮均呈现逐渐下降趋势,但下降幅度不同。堆肥初始时 ,A 组 、B组

21、、C组和 kb 组物料的有机氮含量分别为11. 89 、 12.11 、 12.09和 12. 94g kg - 1, 值堆肥结束时 4组堆体有机氮含量分别 为 9. 18、 7.60、 9.43和 7. 63 g kg - 1, 有机氮含量较初始水平分别减少了22. 7% 、 2%37. 、9%23. 和 40. 6%。在整个堆肥过程中, 大量的含氮物质被微生物分解, 一部分为微生物的生长提供了氮源, 另一部分转化为氨气释放, 导致整个堆肥过程中有机氮持续降低18圾堆肥 , 添加腐熟污泥能在一定程度上减少生活垃圾堆肥过程中氮素的流失。相较于单独垃, 提高堆肥质量 。2. 3堆肥过程中铵态氮含

22、量变化由图 2( b) 可知 ,4 组物料铵态氮变化均经历了先升高后减低的趋势。 堆肥初期 , 在微生物作用下 ,蛋白质氨化 , 一部分以氨气的形式释放, 另一部分以铵态氮形式累积。随着堆肥的进行, 铵态氮在硝化菌的作用下被氧化成硝态氮和亚硝态氮或以氨气的形式散失, 铵态氮含量逐渐减少, 直至趋于稳定。从最大累积量出现的时间来看, 随着腐熟污泥添加量的增加,其积累量的最高峰出现时间越短。相较于单独垃圾堆4328环境 工程 学报第11卷肥 ,A组堆体的最高峰提前10d 出现 。 主要的原因是腐熟污泥的添加, 提高了堆肥堆体的孔隙率, 有利于堆肥通风供氧, 促进了好氧微生物对含氮有机物的代谢。 从

23、含量上看 , 至堆肥结束,A 组、B组、C组和 kb组含量均有所增加, 分别增加了12. 5% 、 149%. 、 323%. 和 19. 5%。 由此可见 , 添加腐熟污泥的垃圾堆体能较好促进垃圾降解和稳定化, 而且将氮素以铵态氮形式累积, 进而减少氮素的损失。2.4堆肥过程中硝态氮含量变化由图 2(c) 可知 , 在堆肥过程中,4 组物料中硝态氮含量处于逐渐上升趋势。 A 组、B组 、C组和 kb 组 4组物料初始硝态氮的含量分别 为 0. 20、 0.22、 0.24 和 0. 30g kg - 1、- 1,到堆肥结束时的含量分别为 0.350.40、44 和0.0. 41 g kg。

24、分别增加了 72.4% 、1%77. 、1%86.和 37. 8% 。 由此可见 , 添加腐熟污泥有利于增加氮素中硝态氮的含量, 减少氮素损失, 有利于的氮素保持。2.5堆肥过程中亚硝态氮变化由图 2(d) 可知 ,A组、B组、C组 和 kb 组 4 组堆 体 的亚 硝氮 含 量 的最 高值 均 出现 在第 一天 , 分别 为0.076081、0.102、 和0.0. 105g - 1, 直至趋于稳定。 堆肥初始 , 由于生活垃圾本kg,随后其含量迅速下降,身含有的亚硝态氮使得混合堆体初期亚硝态氮含量较高, 随着堆肥的进行, 反硝化微生物大量繁殖生长反硝化作用强烈, 亚硝态氮含量减少。图 2堆

25、肥物料不同形态氮素含量变化曲线Fig. 2Change curves of different nitrogen contents material in composting process2. 6堆体氨气释放趋势氨气是堆肥过程中恶臭气味的主要来源, 也是氮素损失的主要方式。氨气的挥发量受温度、 pH值等影响 。 堆肥过程中氨挥发量如上图3所示 ,由图 3可知 , 氨气挥发量主要集中在高温阶段,这与徐俊香等 21研究一致 。 有研究者认为高温阶段氨化作用快速进行及高温对硝化反应的抑制, 使堆肥物料pH 值上升 , 物料中非挥发性铵态氮向挥发性氨气的转化过程加剧, 氨挥发尤为严重 22-23低

26、 , 堆肥物料已经基本腐熟化, 氨挥发通量迅速降低。 PAGANS 等 24。 随着堆体温度的降认为 , 堆体温度下降 , 硝化作用增强 ,第 7 期马强等 : 添加腐熟污泥对生活垃圾堆肥氮素转化与损失的影响4329氨气挥发量减少。 A 组、B组 、C组和 kb 组混合物料在 31 d 内 堆 肥 过 程 中 累 计 氨 挥 发 量 分 别 为 16. 8、- 218. 8 、 8 27和. 37. 8 g m , 随着腐熟污泥用量的增加,氨气挥发量降低。可见腐熟污泥添加可以显著降低氨气挥发量2. 7 堆体 N2O 释放变化N2O是一种温室气体, 其主要产生途径是微生物的硝化和反硝化过程25。

27、堆体 N2O 挥发通量变化趋势见图4。 4 组堆体中 N, 而后持续 降低,N2 O 排放初期较高图 3堆肥过程中氨气挥发量变化趋势2 O排放主要集中于堆肥升温期和高温期 , 这与杨岩等16 研究结果一致。 堆肥初期 , 堆肥堆Fig. 3 Change of NH 3 emission during composting体形成后 ,堆肥物料堆体内的本底硝态氮和亚硝态氮处于缺氧和厌氧环境, 极易通过不完全反硝化作用产生N2 O,随着温度的升高,N 2O 不断释放, 呈现N2O 排放峰期。有研究者认为, 堆肥高温期堆体平均温度高达50 , 导致大量微生物死亡或休眠, 影响堆体氮素转化,抑制了N2

28、 O 的产生, 此阶段释放的N2 O 主要为升温期残留在堆体内的26N 2 O 。 从 31 d4 组堆体的 累积 排 放 量来 看 , A 组、B 组、C 组 和 kb的 N54. 7 、 4 74、. 0 80和. 86. 82 O 累积排放量分别为- 2,N 2O 的累积mg m。 随着腐熟污泥添加量的增多排放量减少 。由此可知, 添加腐熟污泥可以减少氮素以 N2 O 形式损失, 利于堆体氮素保持。图 4堆肥过程中N2 O挥发量变化Fig. 4Change of N 2 O emission during composting3 结论1) A 组、B 组、C 组 和 kb 组 堆 体 堆

29、 肥 结 束 后 总 氮 的 损 失 率 分 别 为 18. 63% 、34. 32% 、22. 42% 和39. 33% , 垃圾单独堆肥组总氮损失率均高于其他3组实验组 。 添加腐熟污泥能有效减少总氮损失, 保氮效果明显 。2) 至堆肥结束4 组堆体铵态氮和硝态氮较堆肥初期含量均有所提高, 硝态氮升高幅度随着腐熟污泥添加量的增多而增加。 相反 , 铵态氮升高幅度随着腐熟污泥添加量的增多而减少。3) 氨气的产生和排放均主要集中在堆肥高温期,A组 、B组、C组和 kb 组堆体混合物料在31 d 内堆肥过程中累计氨挥发量分 别 为 16. 8、 18.8、 27.8和 37.8g m - 2减少

30、 。, 随着腐熟污泥添加量的增加,氨挥发量4) N 2 O 的释放高峰主要集中在堆肥的升温期和高温期,A 组、B组、C组和 kb 的 N2 O 累积排放量分别为 54. 7、 744.、 80.0 和 86. 8 mgm - 2,N 2 O 的累积排放量减少。随着腐熟污泥添加量的增多参考文献1汪群慧 ,马鸿志 ,王旭明 ,等 . 厨余垃圾的资源化技术 J.现代化工 , 2004,24(7): 56-592杨延梅 ,刘鸿亮 ,杨志峰 ,等 . 控制堆肥过程中氮素损失的途径和方法综述J.北京师范大学学报( 自然科学版) ,2005, 41(2) : 213-2163占美丽 .青岛市小涧西生化处理厂

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