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污泥堆肥过程中主要性质及氮素转变
徐灵，王成端，姚岚
西南科技大学，四川 绵阳 621010

摘要：目前堆肥过程中氮素损失比较严重，通常达到50％左右。针对这一问题，文章以污泥和秸秆为原料，进行了不同配比条件下高温好氧堆肥试验，研究了堆肥过程中各主要性质及各种形态氮素的转化规律。结果表明，堆肥有效实现了污泥无害化、减量化和资源化。在pH值和温度较高条件下的氨气大量挥发是堆肥过程氮素损失的重要途径，且不同的物料配比会对氮素损失造成影响，C/N比低的配比氮素损失较大。适当降低堆料温度、添加酸性物质以降低pH值等措施均可减少氮素损失。
关键词：污泥；堆肥；氮素转变；氮素损失
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2008）02-0602-04
表2 堆肥试验方案
Table 2 The design of the composting experiment
堆体编号
物料配比（质量比）
通风方式
A
污泥∶秸秆＝2∶1
强制通风
B
污泥∶秸秆＝3∶1
强制通风
C
污泥∶秸秆＝4∶1
强制通风
D
污泥∶秸秆＝3∶1
强制通风＋人工翻堆
注：强制通风供氧机制采用间歇式供氧，每2 h通风30 min，高温期结束后每3 h通风20 min，人工翻堆在每次取样时进行。

城市污泥是城市废水处理过程中产生的沉淀物质。从污水处理厂排出的剩余污泥除含有灰分外还有大量有机质、病菌、寄生虫及有毒物质如重金属，常伴有恶臭气味。如将其任意堆放可造成二次污染[1，2,3]。同时污泥中含有丰富的有机物和氮、磷、钾等植物需要的营养元素，及植物所必须的各种微量元素，能够改良土壤结构，增加土壤肥力，促进作物的生长。堆肥化可以有效地实现污泥稳定化、无害化、资源化。由于其工艺过程简单，占地面积小，投资少，具有较好的经济、环境效益，是一种很有发展前途的固体有机废物处理手段[4]。然而高温堆肥过程中普遍存在氮素损失的现象，一般氮素损失率达到总氮量的30%~50%[5]，污泥甚至可高达68％[6]，不仅降低了堆肥产品品质而且会造成环境污染。因而如何控制堆肥中的氮素损失，对减少资源浪费和环境污染都具有重要意义。
发达国家在控制氮素损失减少氨气挥发方面采用多种方法，也有大量研究成果。但这些研究成果主要用于畜禽粪便储存、运输或堆肥过程中，而针对污泥堆肥过程中氮素损失的研究和控制较少。不同的堆肥原料会使堆肥具有特殊性，因而如何控制堆肥中的氮素损失，对减少资源浪费和环境污染都具有重要意义。探清堆肥过程氮素的变化规律是控制其损失的基础。本文通过污泥好氧堆肥试验研究堆肥过程中各理化性质和氮素转变规律，为污泥堆肥的氮素调控提供理论支持。
1 试验材料与方法
1.1 堆肥原料
堆肥原料为污泥和稻草秸秆，试验所用污泥取自西南科技大学污水处理厂，稻草秸秆购自学校附近农村，并粉碎，堆肥原料的具体理化性质如表1所示。
表1 堆肥原料的主要成分
Table 1 Initial conditions and composition of the composting materials
原料
含水率(%)
pH值
总氮(g·kg-1)
C/N比
污泥
85.92
7.45
61.11
8.79
秸秆
6.91
未测定
9.30
47.09

1.2 堆制装置与堆制方案
反应堆为水泥砖混结构，有效体积0.125 m3，底部设有PVC通风管，采用离心通风机供氧，实现了时间控制的通风自控，并在堆体中心设置温度传感器。
将污泥与粉碎后的秸秆分别按比例充分混合后，均匀装入反应堆中，试验设四个对比堆体，物料配比如表2所示。
1.3 取样及分析
每天早中晚各测一次堆体温度，取其平均为当天温度。分别于堆肥过程的第1、3、6、10、14、18、22、26 d取样并混合均匀，每次取样200 g左右。样品分2份，一份为鲜样待测，另一份于105 ℃烘干24 h待测。各指标测定方法参考《土壤农化分析》[7]和《水与废水监测分析方法》[8]。
2 结果与分析
2.1 堆肥过程中基本性质的变化
2.1.1 温度的变化
温度的变化反映了堆体内微生物活性的变化，能很好的反映堆肥过程所达到的状态，是判定堆肥能否达到无害化要求的最重要指标之一[9]。
从图1可以看出堆肥的温度变化主要经历了升温、高温、降温四个阶段。堆肥初期，堆料中易分解的有机物在微生物的作用下迅速分解，产生大量热量使堆体温度分别在第3天和第4天均达到最高值，此后由于水蒸气带走大量热能，堆体温度逐渐降低并持续保持30 ℃～40 ℃的中温。四个堆体的温度保持在55 ℃以上的天数分别为5、7、9、5 d，均满足堆肥的卫生标准的要求[10]。

图1 堆肥过程中堆体温度和气温的变化
Fig. 2 Changes of air and pile temperature during the composting process

2.1.2 含水率的变化
合适的水分是保持微生物最佳活性的必要条件，但水分过多，将阻碍气体输送，严重影响微生物的好氧代谢，并产生恶臭；水分过少，则会限制微生物的运动及代谢[11]。堆肥含水率随时间变化的情况见图2。

图2 堆肥过程中含水率的变化
Fig. 2 Changes of the water content during the composting process

由图2可知，堆肥结束后四个堆体的含水率均由最初的60％～70％降至40％以下，有效实现了污泥浓缩。随着堆肥进行，温度升高，水分逐渐蒸发而散失，水分大量散失发生在前10 d，之后随着堆体温度下降，水分散失减少。
2.1.3 pH值的变化

图3 堆肥过程中pH值的变化
Fig. 3 Changes of the pH during the composting process

如图3所示，堆肥过程中pH值变化趋势与堆体温度变化趋势较一致，堆肥初期pH值迅速上升，主要是因为物料中的含氮化合物在微生物作用下氨化，产生大量氨气不能完全挥发，使得堆体pH值升高；堆肥后期pH值下降是由于氮的氨化挥发作用减弱，硝化作用增强造成，同时有机物分解产生的有机酸也是造成pH值下降的原因[12]。在整个堆肥过程中pH值始终保持在7～9之间，不会对微生物生长活动产生危害，利于堆肥顺利进行。
2.2 堆肥过程中氮素的变化
对堆肥中氮的形态只要包括总氮、有机氮、铵态氮和硝态氮，堆肥过程中的氮含量及其存在形态的变化直接关系到最终堆肥产品的农业利用价值[13]。
2.2.1 总氮(TN)和有机氮(Org-N)的变化
TN是所有形态氮元素含量之和，其变化趋势为所有形态氮元素变化规律的叠加。因而，影响TN变化规律的因素较多。如图4所示，堆肥过程中TN含量呈先下降后略有上升，然后降低趋势。这主要是由于在此过程中有机N强烈分解产生大量的NH3，并在碱性环境中挥发以及硝态氮的反硝化等因素造成氮素损失。四个不同配比堆体的初始C/N比分别为15.97、14.61、13.09、14.61，堆肥结束时都有不同程度的氮损失，分别为15.78%、16.55%、17.02%、19.26%，可见高C/N更利于氮素保持，频繁翻堆会加速氮素损失。堆肥初期TN的下降幅度较大,可见,高温容易引起氮损失。
从图5中可以看到有机N的变化规律与TN类似，主要是因为堆肥开始阶段氮源充足，为满足微生物生长活动的需要，含氮有机物在微生物的作用下被分解为无机养分，主要为氨气，为微生物提供了氮源以及氨气迅速流失导致了有机氮下降。

图4 堆肥过程中总氮的变化
Fig. 4 Changes of total nitrogen during the composting process

2.2.2 铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)的变化

图7 堆肥过程中硝态氮的变化
Fig. 7 Changes of NO3--N during the composting process

图6 堆肥过程中铵态氮的变化
Fig. 6 Changes of NH4+-N during the composting process

试验过程中的铵态氮质量分数变化如图6所示，在堆肥前期，NH4+-N含量显著增加，4个堆体均在第三天有一个明显得高峰值，这是由于氮素相对较高，随着微生物快速生长和繁殖加速了有效N的分解，并以NH4+-N的形式快速积累的结果。而后随着温度、pH值的升高，积累的NH4+-N一部分以氨气的形式释放到大气中，一部分被微生物同化或被硝化成NO3--N，从而使NH4+-N急剧减少，造成氮素损失。

图5 堆肥过程中有机氮的变化
Fig. 5 Changes of Org-N during the composting process

如图7所示，堆肥初期NO3—N质量分数很低,堆肥前13 d左右，NO3—N质量分数的变幅较小，之后迅速增加,堆肥结束时高达初始时50倍左右。堆肥初期NO3—N质量分数较低与高温、高pH值和高浓度NH3条件下硝化细菌的生长活动受到强烈抑制有关；堆肥后期，温度、pH值和NH3浓度较低，硝化细菌快速生长并大量繁殖，硝化作用加强，NO3--N逐渐增加。
3 结论
污泥与秸秆不同配比条件下堆肥，均有效实现了污泥的无害化、减量化和资源化，实现了“变废为宝”。堆肥过程中均有不同程度氮素损失，不同的物料配比对不同形态氮素的转变规律影响不明显，但会对氮素损失造成影响，C/N比低的配比氮素损失较大。氮损失的重要途径是NH3挥发，NH3产生和挥发损失的高峰期是在升温期和高温期，说明堆肥前期是控制氮素损失的关键时期。NH3挥发量受水溶态NH4+-N含量、pH值、温度等条件影响。适当降低堆料温度、添加酸性物质以降低pH值等措施均可在一定程度上减少氮素损失。堆肥氮素的转化损失是受多种因素共同影响的, 如堆肥物料的成分、反硝化作用等，这些因素对堆肥过程氮素损失的影响有待进一步深入研究。

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The main characteristics and nitrogen transition in the
composting of sewage sludge and straw

Xu Ling, Wang Chengduan, Yao Lan
Southwest University of Science and Technology, Mianyang, Sichuan 621010, China

Abstract: Whereas rate of nitrogen losing during composting has been high to be 50%.Aim at the problem,high-temperature aerobic composting testing with different proration conditions using sewage sludge and straw as raw composting materials were conducted. The main characteristics and various of nitrogen transition were studied. The results showed that the composting effectively made sewage sludge harmless, decreasing and resourceful. The ammonia volatilization with high pile temperature and pH value was important way of nitrogen loss during the composting. The amounts of nitrogen loss were different under different raw material conditions. Nitrogen loss was more with high C/N. Reducing the temperature and pH value of composting materials, adding acidic materials could reduce nitrogen loss.
Key words: sewage sludge; composting; nitrogen transition; nitrogen loss