堆肥工藝參數對高氮污泥堆肥氨氣產生的影響*

韓 萌， 張彩杰， 劉 明

(中國海洋大學 環境科學與工程學院， 山東 青島 266100)

堆肥工藝參數對高氮污泥堆肥氨氣產生的影響*

韓 萌， 張彩杰， 劉 明

(中國海洋大學 環境科學與工程學院， 山東 青島 266100)

為減少堆肥過程中所產生的臭氣污染，探討了高氮污泥堆肥過程中氨氣的產生規律及影響因素。改變堆肥原料的C/N比、含水率及溫度，觀察氨氣產生速率及濃度的變化。結果表明：氨氣產生速率峰值約出現在第4天，在第15天后基本趨近于0；當碳氮比達到31，初始含水率為55%，環境溫度為25 ℃時，氨氣產生速率及濃度較小。

高氮污泥;堆肥;氨氣

近年隨著污水處理量的增多，作為處理副產物，剩余污泥產量也大幅度增加。據不完全統計，我國污水處理廠所產生的污泥，有 80%沒有得到妥善處理，污泥隨意堆放所造成的污染與次生污染問題已經凸顯。堆肥處理作為一種污泥資源化利用方式，因具有建設投資少、運行費用低等特點而日益受到關注[1]。但在堆肥處理過程中伴隨大量惡臭氣體產生，包括氨氣、硫化氫、有機揮發性氣體等[2]，不僅危害操作者的身體健康，還會造成大氣污染，嚴重影響堆肥技術的推廣。本研究所涉及的水產品加工廠污泥總氮含量為2.25%，屬高氮污泥，惡臭問題更為嚴重，因而影響堆肥技術的推廣。課題組前期預試驗研究發現，在污泥堆肥過程中主要臭氣組分為氨氣。在堆肥過程中，對微生物的代謝速率有影響的因素，都將影響堆肥過程中氨氣及其它臭氣的釋放[3]。本文利用污泥與玉米秸稈堆肥，通過改變堆肥中的工藝參數，觀察過程中氨氣產生速率和濃度的變化規律以及各參數的影響作用。結合堆肥進程及成本，找出最優工藝參數使得堆肥中臭氣產生量達到最小。

1 材料和方法

1.1 試驗材料和裝置

玉米秸稈是山東省濟寧市微山縣某農村農田廢棄物，待秸稈在通風處完全自然風干后，用粉碎機粉碎成粒度較小的碎屑。污泥取自青島某水產品加工廠。生產廢水經過專門的污水處理設施處理排放，產生的剩余污泥，經過板框壓濾機進行脫水即為所用污泥。

試驗裝置(圖1)主要由2部分構成。一部分是堆肥反應器，容器選用HDPE塑料桶，直徑140 mm，高250 mm。在桶蓋中心位置開小孔，連接聚四氟乙烯管用于氣體導出。另一部分是集氣部分，由有機玻璃U型集氣管組成。每個集氣管由前后兩豎管組成，管直徑15 mm，高20 mm。

圖1 堆肥產氣裝置示意

1.2 試驗設計

本部分試驗考察堆肥產氣的影響因素包括初始C/N比、含水率、溫度。試驗進行前設置的各項指標分別為初始C/N比(20、25、30、35)、含水率(55%、65%、75%)、溫度(15℃、25℃、35℃)。

調配污泥與玉米秸稈按一定比例混合，去離子水調節不同的堆料含水率，并添加濕重比為0.8%的EM菌液提供足夠微生物。在每個容器中加入約700 g堆料，保證塑料桶的密封性良好，桶蓋上方連接到U型管中，管中放有稀硫酸溶液用于吸收過程中所產的氨氣，而排出水體積即所產生不溶性氣體的體積，主要為二氧化碳、有機揮發性氣體等。定時更換U型管中吸收液，并測定所吸收氨氣的濃度，根據產氣時間計算階段產氣速率。改變堆料C/N比、含水率、溫度影響因素，觀察各條件下產氣速率及產氣累積量的不同。采用控制變量法，試驗分3次進行，每次改變1個參數。表1 為各試驗組設定參數值及其組合。

1.3 分析方法

氨氣測定：利用U型管中的吸收液對氨氣進行吸收，后采用納氏試劑分光光度法測定氨氣含量[4]。通過管中排出液體體積來計算其它氣體的體積，從而計算混合氣體中的氨氣濃度。

表1 各試驗組設定參數值及其組合

2 結果與分析

2.1 堆肥初始C/N比對氨氣產生速率的影響

由于操作過程的人工誤差以及水分揮發等原因，按照計算比例對污泥和玉米秸稈進行混合并不能精確地得到設定C/N比值，需要在二者混合均勻后對堆料重新測定。通過測定，4組堆料初始C/N比值分別為17、24、31、37。圖2為不同初始C/N比氨氣的產生速率與濃度變化。

圖2 不同初始C/N比氨氣的產生速率與濃度變化

由圖2可看出，4組堆肥試驗組氨氣產氣速率變化規律基本一致。在堆肥的開始階段產氣速率不斷增大，直至第5天左右達到峰值，C/N比為17堆料組最高，且產氣速率隨碳氮比增高而減小。分析原因可能是隨著碳氮比的減小，堆體中的氮元素逐漸增多，微生物氨化作用增強，產生的氨氮濃度不斷增加，氨氣釋放量增大。但在第12天時碳氮比為17試驗組產氣速率小于24 ml/d，原因可能是由于雖然氮元素過量但碳元素不足，不能提供給微生物充足營養物質提供能量[5]。碳氮比為17時，氨氣質量濃度最大可以達到165 mg/L，高于C/N比為24時的氨氣濃度，分析原因可能是在碳氮比較低時堆肥過程產生的其它種類氣體較少，如二氧化碳、甲烷等，即在產生的氣體中氨氣所占比例更高[6]。

2.2 堆料含水率對產生氨氣速率的影響

圖3為不同初始含水率對氨氣的產生速率與濃度變化影響。

圖3 不同初始含水率時氨氣的產生速率與濃度變化

由圖3可知，在含水率55%～75%范圍內，隨著含水率的降低，氨氣產生速率和濃度都增加，氨氣產生速率峰值分別為46.13、36.90、17.70 ml/d。觀察圖形可以發現，氨氣產生速率和產生濃度峰值出現的時間并不一致，這與其他種類的產生時間和含量有關。在堆肥約15天后，含水率為55%的堆體氨氣產生速率及濃度降為0，此時含水率為65%的堆體仍然有氨氣產生，直至23天以后逐漸消失。分析原因，可能是由于在經歷高溫后，含水率有所下降，水中溶解的氨氣與水蒸氣一起從堆料中揮發出來。而當含水率過大時，氨氣產生量大幅減小。

2.3 環境溫度對產生氨氣速率的影響

圖4為不同溫度下堆肥中氨氣的產生速率與濃度變化情況。

圖4 不同溫度下堆肥中氨氣產生速率與濃度的變化

圖4顯示，隨著溫度升高，氨氣的產生速率急劇增加，最高達到56.2 ml/d，在13天后基本趨近于0。生成的混合氣體中氨氣的濃度變化趨勢較為復雜。溫度為35 ℃時的堆體氨氣濃度最高值低于溫度為35 ℃時的堆體揮發的氨氣濃度，同時濃度峰值相對于氨氣產生速率峰值來說延遲出現。原因可能是由于溫度較高時，微生物分解作用較強，會產生大量二氧化碳等氣體，并帶出大量水蒸氣，導致氨氣濃度下降。

3 結論

(1)在高氮污泥和秸稈混合堆肥過程中，氨氣的產生主要集中在前期，產氣高峰出現在堆肥開始第4天，至第15天后產氣量很少，逐漸趨近于0。

(2) 隨著C/N比的升高，氨氣的產生速率及濃度都降低。但由于有機物對微生物生長的限制作用，碳氮比為17的堆體產氣速率低于碳氮比為24。為減少氨氣的釋放量，適宜采用較高的碳氮比。但當碳氮比過高時，微生物代謝作用受到氮元素限制。因此，堆制肥料時選取碳氮比為31較為合適。

(3) 隨著含水率增加，氨氣揮發量減少，但當含水率過高達到75%時，堆體通氣性變差容易產生厭氧環境，微生物降解有機質速率降低。含水率65%堆體后期隨著水分揮發，堆體含水率下降，溶解的氨氮又會轉化為氨氣逸出。因此，堆料含水率選取55%較為合適。

(4) 隨著環境溫度升高，氨氣釋放速率大幅增高。但在溫度為15 ℃時，微生物活性受到抑制，降解代謝作用受到限制。這將使得預堆肥周期加長，因此選擇溫度為25 ℃為宜。

[1] 尹軍,譚學軍.污水污泥處理處置與資源化利用[M].北京:化學工業出版社環境科學與工程出版中心,2005.

[2] Chung J T, Chen M L, An D, et al. The relationship of odor concentration and the critical components emitted from food waste composting plants[J]. Atmospheric Environment, 2008, 42(35): 8246-8251.

[3] Burton C H. A review of the strategies in the aerobic treatment of pig slurry: Purpose, theory and method[J].Agrie Engng Res,1992(53):249-272.

[4] 環境保護部. HJ 533—2009.中華人民共和國國家環境保護標準,環境空氣和廢氣氨的測定納氏試劑分光光度法.

[5] Lambert S D，McGrath K E. Can Stored Sludge Cake Be Deodorised by Chemical or Biological Treatment[J]. Water Science & Technology，2000，41(6)：133-139.

[6] Swanson W J，Loehr R C. Biofiltration：fundamentals，design and operations principles，and applications[J]．J Environ Eng，1997，123(6)：538-546.

Affect of composting parameters on Ammonia production from high nitrogen sludge compost

Han Meng, Zhang Caijie, Liu Ming

(College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

To reduce odor produced in the composting process, the law of ammonia production and the factors were discussed. C to N ratio, temperature, moisture content of the composting material were changed in the composting process to regulate the release and the concentration of ammonia. The results showed that ammonia production rate reached the peak at the 4thday, and at the 15thday dropped to nearly zero. When the C to N ratio was relatively high at 31, the initial moisture content was 55%, the ambient temperature was 25 ℃, the production rate and concentration of ammonia was smaller.

high nitrogen sludge; compost; ammonia

*山東省自然科學基金項目(NO.ZR2011BM014)。

2014-4-16；2014-4-28修回

韓萌，女，1990年生，碩士研究生，研究方向：固體廢物資源化利用。E-mail：hm86smile@126.com

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