飞灰添加量对沼渣、牛粪共堆肥的影响*

2022-09-21史昌明佟敏崔亚茹杨森王体朋

中国农机化学报 2022年10期

史昌明，佟敏，崔亚茹，杨森，王体朋

(1. 国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，呼和浩特市，010000；2. 华北电力大学生物质发电成套设备国家工程实验室，北京市，102206)

0 引言

飞灰是生物质发电的主要副产物之一，具有产量大、密度小容扬散等特点，仅一个25 MW的生物质发电机组的飞灰年产量就达到了10 kt[1]，处理不当容易造成二次污染[2]，因此如何安全高效地利用这些飞灰已成为制约生物质电厂可持续发展的重要问题之一。

飞灰处置的主流处置手段有飞灰活化、制备化工品和土壤修复等。李景伟[3]对秸秆飞灰进行活化后用于脱硝，发现了活化飞灰对NO2的脱除效果明显。梁光兵利用生物质飞灰制备ZSM-5分子筛，发现了其具有优异的离子燃料吸附性能。葛景岗[4]研究发现通过将炉渣和飞灰进行合理配比用于土壤修复，可以使土壤中镉的稳定化率达91.1%，铅的稳定化率达85.6%。然而，上述处置方式仍存在缺陷，如飞灰活化和制备分子筛均需要进行高温处理，需要耗费大量能源；而直接用于土壤改良则有可能导致土壤的盐碱化[5]。因此，需要需求一种经济、环境效益更高的处置手段。

好氧堆肥是处理有机固废的主要方法之一，利用沼渣与粪便共堆肥可以发挥二者的优点，提高产品的品质[6]。目前，有关粪便和沼渣共堆肥的研究相对较多。张浩等[7]对沼渣和黑水虻虫粪共堆肥的效果进行了研究，发现添加虫粪有固氮作用。黄光群等[8]对沼渣和鸡粪共堆肥中甲烷(CH4)、氨气(NH3)及氧化亚氮(N2O)等排放气体进行了研究。然而，仅仅利用沼渣和粪便两种原料制备的有机肥钾含量相对较低[9]，需要添加一定的添加剂来提高产品品质。生物质飞灰中含有大量碱金属元素，尤其是钾[10]，是植物生长所必须的营养元素，因此飞灰是一种良好的有机肥添加剂[11]。为了研究生物质电厂飞灰对好氧堆肥过程的影响，本文以玉米秸秆沼渣、生物质电厂飞灰和牛粪为原料进行共堆肥，探究飞灰添加量对堆肥过程中含水率、电导率、总碳、总氮、总磷和总钾变化的影响，为生物质电站飞灰的高效利用提供依据。

1 原料与方法

1.1 堆肥材料

堆肥原料的基础理化性质见表1和表2。

堆肥材料包括玉米秸秆沼渣、牛粪和牛粪发酵剂。牛粪来自密云区河南寨镇西田各庄村；玉米秸秆沼渣来自密云区高岭镇石匣村沼气站；生物质电厂飞灰来自发电有限公司；粉状牛粪发酵剂为珺兴有机肥发酵菌剂。

1.2 试验设计

试验在圆柱形好氧发酵反应器中进行，直径为0.3 m、高为0.6 m。牛粪和沼渣比例为4∶1，并添加0.05%好氧发酵菌剂，飞灰添加量为8%、12%、20% 和25%，通风量为200 mL/min，初始含水率为55%～60%；堆肥试验时间为60 d；发酵温度为55 ℃～65 ℃；每10天翻堆一次。用秸秆发酵沼液来调节原料含水率及堆肥过程含水率。

1.3 分析方法

各理化指标分析方法如表3所示。

表3 实验室堆肥过程样品理化指标分析方法Tab. 3 Laboratory composting process sample physical and chemical index analysis method

堆肥过程中每10天翻堆一次，充分混合均匀后按四分法各取约200 g样品进行理化特性分析，测试内容包括含水率、电导率、总碳、总氮、总磷和总钾等指标。其中一部分样品烘干，用于测试含水率、总氮、总碳和总钾；另一部分则保持原样，用于测试酸碱度、电导率和总磷。

2 结果与讨论

2.1 飞灰添加量对含水率影响

含水率是影响堆肥的主要因素，水的存在阻隔了氧气，降低了发酵温度，同时降低微生物活，因此高的含水率不利于好氧堆肥。由图1可知，飞灰添加量对含水率影响很大，当添加量由8%增加到25%时，堆体的含水率增加，但是当飞灰添加量超过12%时，对堆体的含水率影响不大，最终维持在58%左右。随着堆肥的进行，堆体中的含水率均呈先增后减的趋势。当发酵时间超过40 d时，飞灰含量增加，堆体的含水率降低。随着堆体飞灰添加量的增加，其含水率的最大值和最小值均降低。这可能主要是由于生物质电厂飞灰中的生物炭具有好的吸附作用，致使发酵过程产生的水汽难以蒸发；另一方面飞灰中的碱金属和碱土金属元素在溶于水后会增加堆体的吸水性，提高了水分蒸发的难度，导致含水率增加。

图1 飞灰添加量对堆体含水率的影响

2.2 飞灰添加量对pH影响

根据靳熹等[12]研究表明，好氧堆肥过程酸碱度可以影响微生物的活性并最终改变堆肥产品的质量。由图2可以看出，随着飞灰添加量由8%增加到25%，堆体pH呈增加趋势。这可能主要是由于增加飞灰的添加量会提高堆体中碱金属和碱土金属元素的含量。

在发酵过程中这些金属元素因溶解和微生物等作用而溶于水，从而提高了堆体的pH值。另一方面，好氧堆肥过程会产生一定的有机酸，导致堆体pH值降低，但是低的pH值不利于微生物的生长。然而，添加飞灰后，飞灰中的碱金属氧化物或盐能够中和发酵过程产生的有机酸，从而使堆体的pH值维持在一个较好的范围内，有利于改善发酵环境，促进微生物的生长繁殖[13]，有助于提高发酵效率和产品质量。

图2 飞灰添加量对pH值的影响

2.3 飞灰添加量对总碳、总氮和C/N比影响

生物质电厂飞灰添加量对堆体总碳、总氮和C/N的影响较显著，如图3～图5所示。

图3 飞灰添加量对TC的影响

图4 飞灰添加量对TN的影响

图5 飞灰添加量对C/N的影响

随着飞灰添加量的增加，总碳含量提高，60 d腐熟后，堆体的总碳含量由37.37%增加到47.81%；总氮含量变化不大，C/N比增加。这主要是由于生物质电厂飞灰中含有大量的金属氧化物和未燃尽的生物炭等成分[14]，在好氧堆肥过程，生物炭很难被分解转化，因此随着其添加量的增加，堆体中总碳含量增加。同时较高的生物质飞灰含量会拟制堆肥过程微生物的代谢活动[14]，降低了物料的分解程度，也有利于增加总碳含量。由于氮的含量比较小，且是微生物代谢的主要营养元素之一，在发酵过程消耗严重，因此随着飞灰添加量的增加，会导致总氮含量相对降低。另外，由图4可以看出，当发酵时间超过20 d时，飞灰添加量为25%的总氮含量明显高于20%的，这可能主要是由于高的飞灰添加量抑制了微生物的生长，降低了氮的消耗，从而提高了堆体中总氮的含量。

2.4 飞灰添加量对总磷和总钾影响

磷、钾作为植物生长所必须的营养元素，是评价堆肥品质的重要指标[15]。由图6和图7可以看出，添加飞灰能够增加产物中总磷和总钾的含量，当飞灰添加量为20%时，60 d发酵后堆体的总钾含量达到最大值35.74 g/kg。

图6 飞灰添加量对总磷的影响

图7 飞灰添加量对总钾的影响

这主要是因为飞灰中磷元素的含量为10 mg/g、钾含量为49 mg/g，有助于增加堆体中这两种元素的含量。然而由于磷元素的含量相对较低，约为钾的五分之一，而且磷元素也是微生物代谢的营养元素之一[16-20]，在堆肥过程中会被微生物消耗一部分，从而导致总磷含量的增加不如总钾的明显。总之，添加富含钾和磷的飞灰有利于提高有机肥中的钾和磷等植物营养元素的含量，提高有机肥的品质。

2.5 飞灰添加量对电导率影响

生物质电厂灰渣的添加量对物料的电导率有显著影响(图8)。随着飞灰添加量由8%增加到25%，经过60天发酵后堆体的电导率由8.7 ms/cm逐渐增加到9.9 ms/cm。另外由图8也可以看出，随着飞灰添加量的增加，在60 d发酵周期内，堆体的电导率变化越来越不明显，这说明添加飞灰有助于稳定堆体的环境。这主要是由于生物质电厂灰渣中含有较高的碱金属和碱土金属的氧化物或盐，这些物质易溶于水，导致堆体电导率增加。但是过高的电导率或离子浓度，可能会抑制堆肥过程微生物的代谢活动，从而降低堆肥效率，影响产物品质，因此在堆肥过程不宜添加过多的生物质电厂飞灰。

图8 飞灰添加量对电导率的影响

2.6 结果分析

综上所述，飞灰的添加量对于堆肥60天堆体的总氮、总磷和pH值影响不大。而飞灰中的生物炭虽然很难被分解转化，但是有助于土壤中的重金属离子吸附，这是因为生物质飞灰中的生物炭比表面积相对较高，吸附位点多，对Cd、Pb等重金属离子的吸附效果显著。添加飞灰对堆体的总钾含量影响最为明显，随着飞灰添加量的提高，总钾含量先增后减。这可能是因为总钾量过高抑制了堆肥过程微生物的代谢活动，使得堆肥效果不明显，总钾含量反而下降。