城市污泥堆肥过程氮素转化影响因素实验研究

韩梦君，吕晓理

（南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南250109）

污泥是污水处理的副产物之一，城市污泥是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的复杂非均质体。污水处理厂产生的污泥对环境来说也是一种污染物，如果不妥善处置，就会形成二次污染。污泥堆肥化处理能够将污泥中易降解有机物转化为腐殖类物质，杀灭病原菌并减小污泥体积，处置后的堆肥产品施入土壤后能够显著改善土壤性质，增加作物产量。根据有关文献介绍，在堆肥处置过程中，堆体受到温度、pH值、通风速率、C/N等因素的影响，会损失掉一大部分的氮，损失的氮素有一部分以氨气的形式挥发到环境中，不仅影响居民生活，危害居民健康，还减少了堆肥产物的肥效。通过实验测定污泥堆肥过程中氨氮浓度、氨气释放量和总氮量，研究不同调理剂对堆肥过程中氮素转化的影响，对提高城市污泥堆肥的利用价值具有现实意义。

1 堆肥实验过程

1.1 堆肥原料

污泥取自河南新乡县城污水处理厂，其污水来源包括生活及工业污水，黑填料球和黄菱球均为市场购买。堆肥原料的性质见表1。

表1 原料特性表

1.2 实验方法及反应器

实验分为A、B、C三组，分组情况见表2，实验周期为23 d。反应器直径19 cm，高45 cm，总容积为12.8 L。实验期间将反应器置于循环水培养箱内，根据堆体内部温度对培养箱内循环水进行阶段升温，用来模拟大堆体自升温过程。反应器后串联两个集气瓶，集气瓶内分别装有一定体积的20%的氢氧化钠溶液和2%的硼酸溶液，用来收集每天产生的二氧化碳和氨气。

表2 不同处理条件及初始物料特性

1.3 实验试剂及仪器

实验主要用试剂有氢氧化钠溶液、2%的硼酸溶液、0.5 mol/L的盐酸溶液、2 mol/L的盐酸溶液、溴甲酚绿-甲基红混合指标液、酚酞、甲基橙等。主要仪器有马弗炉、烤箱、离心机、分光光度计、凯式定氮仪等。

1.4 采样

实验周期内每天记录堆体内部温度，观察水循环、通气情况是否正常，确保实验顺利进行。分别在第0 h、120 h、216 h、288 h、360 h、456 h、552 h取样，取样前将堆体充分混合，取完样品后密封低温保存，留待分析。

1.5 样品分析方法

二氧化碳分析方法：采用20%的氢氧化钠溶液吸收实验过程中释放的二氧化碳，再用2 mol/L的盐酸溶液滴定。氨态氮（NH4+-N）分析方法：测得样品溶液吸光度，绘制标准曲线求得NH4+-N浓度。氨气分析方法：采用2%的硼酸溶液吸收实验过程中释放的氨气，再用0.5 mol/L的盐酸溶液滴定。总氮分析方法：采用凯一式定氮法，即蒸馏氨后用0.01 mol/L的盐酸溶液滴定。

2 堆肥过程

2.1 温度变化实验分析

本次实验中不同调理剂对应污泥堆肥的温度变化也不同，如图1所示。

图1 温度变化趋势

由图1可以看出，三组实验的高温期为第96~408 h，最高温出现在第360 h，最低温出现在第480 h。三组实验的最高温依次为60.6℃、50.8℃、52.8℃，最高温A>C>B；最低温依次是为35.3℃、33.8℃、33.6℃，最低温C

2.2 二氧化碳的释放量

二氧化碳的变化间接反映堆体内部微生物活性的变化，由图2可知，三组实验的二氧化碳释放量上升或下降趋势大致相同。低温阶段，由于堆肥初期温度较低，微生物活性较弱，所以在堆肥初期二氧化碳的产生量较低。高温阶段，二氧化碳含量先升高后降低，是因为温度较高，微生物活性强，使得二氧化碳的浓度增加，但是随着反应进行，微生物易降解的有机质含量降低，微生物的活性下降，释放二氧化碳的能力变弱。

图2 二氧化碳释放量的变化趋势

3 氮素的转化实验分析

3.1 氨态氮（NH4+-N）

NH4+-N浓度随时间变化趋势如图3所示。从图3中可以看出，NH4+-N浓度的变化与其填料的类型有关。以木屑为调理剂的堆体，其浓度上升速度最快，较晚达到最高浓度3.53 mol/L，在整个实验周期内浓度变化浮动较大；以黑填料球为填料的堆体，最快达到浓度最高值3.77 mol/L；以黄菱球为调理积的堆体浓度前期变化平缓，达到最高浓度的时间最长，达到最大浓度后浓度下降较快，最高浓度为4.08 mol/L。在高温期，氮素大量降解氨化，造成NH4+-N大量积累，使得NH4+-N浓度维持在比较高的水平，而在堆肥后期，NH4+-N浓度普遍下降，这是因为高温期后，部分NH4+-N在高温及高pH值下转化成氨气挥发到大气中。

图3 NH4+-N浓度随时间变化趋势

3.2 NH3的挥发

影响堆肥过程中氨气挥发的因素主要有温度、二氧化碳等。三组实验随着堆肥反映的进行，氨气积累量逐渐增大，其中C组增加速度明显快于其他两组。三组氨气积累量的增加速度由快至慢分别为：C>A>B。

在高温期，三组实验的氨气挥发量分别为82 mg、63 mg、226 mg，在整个发酵周期内，累积氨气挥发量分别为2.63 g、1.88 g、3.57 g。可见黑填料作为调理剂可以降低高温期时氨气的挥发量，进而降低了整个堆肥周期的氨气挥发总量。

3.3 总氮

经过552 h的堆肥后，三组实验总氮含量由原来大致相同变得具有明显差异。以木屑为调理剂的堆体，堆肥结束时总氮共下降了9.73 g/kg、32.25%；以黑填料球为调理剂的堆体，结束时总氮共下降了4.07 g/kg、13.90%；达到总氮浓度最大值所需的时间最短且最大；以黄菱球为调理剂的堆体结束时总氮共下降了9.96 g/kg、32.33%。由此可知，以黑填料球为调理剂的堆体总氮浓度降低的最少。

3.4 堆肥过程中氮素的损失

在堆肥结束后，总氮有一定的损失，主要是由于有机氮的矿化和持续性氨的挥发以及硝态氮的可能反硝化。本次实验中，黑填料球作为调理剂损失氮素最少，为28.44%；木屑次之，为75.56%；黄菱球最多，为80.75%；由此可知，用黑填料球作为调理剂能有效减少堆肥过程中的氮素损失。

4 实验结论

堆肥过程中有机氮的氨化作用使得氮素产生损失，一般来讲堆肥过程中氮的损失量大约为50%~60%，其中产生氨气并挥发是氮损失的主要途径之一。由实验结果可知，氨气的挥发与调理剂有着密不可分的关系，可以通过选择不同调理剂来控制氨气的挥发。在三组实验中，以黑填料球为调理剂的堆肥实验氨气的挥发量最少，相应的氮素损失也最少。因此选用黑填料球为调理剂，可以减少氨气的挥发，有效减少氮素损失。