調理劑在污泥堆肥過程中保氮方面的應用

王彬彬，趙繼紅，劉永德

(河南工業大學化學化工與環境學院，鄭州 450001)

調理劑在污泥堆肥過程中保氮方面的應用

王彬彬，趙繼紅，劉永德

(河南工業大學化學化工與環境學院，鄭州 450001)

近年來，好氧發酵技術在我國發展迅速，成為國內主流的污泥資源化處置方式。在污泥好氧堆肥過程中，需添加調理劑提高其降解性和滿足必要的發酵條件。依據物料不同的性質及發酵過程參數，許多學者研究了不同功能的調理劑對污泥發酵過程中保氮效果的影響。本文綜述了污泥堆肥調理劑的研究現狀及其在好氧發酵過程中減少氮素損失方面的應用。

好氧發酵；污泥堆肥；調理劑；保氮

1 污泥堆肥調理劑

由于污泥自身含水率高，孔隙率和C/N均較低，導致其基本不具有很好的好氧降解特性。污泥單獨進行堆肥效果差，腐熟度低，因此須添加適當的調理劑以降低其含水率，增加其孔隙率，調節其C/N、pH等，提高其降解率。除了這些基本功能外，某些調理劑在發酵過程中還具有降低氨氣釋放量、調節氧氣含量等功能。在堆肥過程中，有機化合物被微生物轉化利用的速度和程度取決于污泥的理化性質、調理劑的種類和比例以及控制堆肥的參數條件。考慮調理劑的這些作用，好氧發酵加入調理劑已成為現在普遍采取的方式。

1.1 調理劑種類

根據調理劑本身的性質，可將其分為活性調理劑和惰性調理劑兩種，也可以根據調理劑在污泥好氧發酵過程中所起的具體作用進行分類，如除臭劑、重金屬鈍化劑、填充劑和接種劑等。

1.1 活性調理劑

活性調理劑本身含有參與生物發酵過程的可降解有機質，能夠為微生物提供碳源，調節C/N比，如玉米秸稈、花生殼、稻草、木屑等都是活性調理劑。這些調理劑篩分較困難，基本無法循環使用，且對臭氣的去除效果不夠顯著。近年來，污泥腐熟料作為調理劑被添加至好氧發酵過程中，已被部分堆肥廠采用，堆體升溫快，高溫期持續時間長，含水率下降快，種子發芽指數高。有些有機調理劑具有支撐性，被填充初始物料中，能很好地增加物料孔隙率，如添加顆粒化木質調理劑。另外，添加調理劑還能降低CH4和N2O的釋放量。

1.2 惰性調理劑

惰性調理劑本身不含有參與生物好氧發酵過程的可降解有機質，其作用主要是為了降低初始物料的含水率，增加孔隙率，提高氧氣的傳質效率，如沸石、浮石、飯麥石、碎輪胎等。具備較好吸附性能的調理劑也可以減少臭氣的釋放，如添加各種生物炭等。另外，某些惰性調理劑還具有鈍化重金屬的作用。有學者利用碎輪胎與污泥混合好氧發酵，調理劑分別采用三種粒徑，大于5.08 cm、2.54～5.08 cm、1.27～2.54 cm，體積混合比例（調理劑:初始污泥）為1:1、2:1、3:1，結果表明，調理劑的粒徑為1.27～2.54 cm，混合比例為2:1時，堆肥效果最好[1]。

1.2 調理劑的研究現狀

現階段，許多學者都致力于研究不同功能的調理劑，體現在調節營養、pH、除臭、鈍化重金屬、可循環利用等方面。污泥好氧發酵過程中，有機質轉化的速率以及程度與污泥本身的特性、調理劑的類型和添加量以及堆肥的具體條件有關。不同的調理劑能夠調節初始物料不同的理化性質，改變生物降解動力學，縮短堆肥周期。Zhou等人研制了一種可循環使用塑性調理劑（RPBA），并采用兩種粒徑35 mm和50 mm的RPBA與污泥混合好氧發酵[2]，結果表明，RPBA50能更有效地降低含水率，提高氧氣擴散效率，提高污泥堆肥效果。Zorpas等人在污泥好氧發酵中加入不同比例（10%，30%，40%）的木屑以及沸石作為調理劑[3]，結果表明，添加木屑能夠增加最終產品的腐殖質含量，加入沸石，能夠升高物料的pH，使重金屬含量降低，并且能夠循環利用。

2 氮素損失

氮素在污泥好氧堆肥過程中的遷移轉化是一個非常復雜的過程，主要有氨化作用、揮發作用、硝化作用、反硝化作用、固定作用等。氮素損失主要以NH3形式被釋放。大量有機氮如蛋白質，通過堆肥中特定微生物的氨化作用被轉化為氨氮，氨氮在高溫、高pH環境中會轉化為氨氣進而向外界環境排放。另外，在堆肥物料內部局部出現缺氧條件下，氨氮也可能依托微生物反硝化反應生成氮氣而被排放，導致大量氮素損失。Czyzyk等人在研究污泥與木片聯合堆肥時發現4個月后氮素損失為47.8%，8個月后氮素損失提高至總氮的58.2%[4]。因此，需要采取有效措施，控制污泥好氧發酵過程中的氮素損失。

3 調理劑在保氮方面的應用

調理劑在好氧發酵過程中對抑制氨氣的釋放具有重要作用，不同功能的調理劑具有不同的保氮特性。早在1984年已有學者提出抑制氨氣揮發最簡單有效的方式就是加入單糖調理劑（提供碳源），碳的形式是直接固定氮素以及隨后產生的氨氣的必要條件[5]。有研究指出，加入經過熱處理的纖維素（180℃，1.0 MPa，30 min），是一種非常有效的降低氨氣揮發的方式，經過熱處理的木質纖維素含有大量單糖，提高了微生物固定有機氮分解產生的無機氮的活性，刺激氨同化作用，增加CO2的釋放進而使氨氣的揮發量從9.61%減少至3.37%[6]。

添加沸石可增加對氨氣的吸附性能，進而減少向外界排放的氨氣量。有學者對比了添加沸石與硝化抑制劑3,4—二甲基吡唑磷酸鹽（DDMP）對污泥堆肥中氮素遷移與轉化的影響，結果表明，相比于對照組，添加沸石以及DDMP兩種工況氮素分別增加了48.6%和23.1%，DDMP的加入降低了反硝化作用，使得氮素得以保存，而沸石主要依靠吸附作用降低氨氣的釋放量[7]。加入聚乙烯管能夠增加對氨氣的吸附，降低氨氣的釋放量，但由于其孔隙率高，導致熱量迅速散失，堆體的保溫效果降低[8]。

生物炭具有較好的保氮效果，主要通過吸附作用和氧化作用在生物炭表面形成酸根，實現抑制氮素損失。因此，生物炭作為吸附劑被添加至好氧發酵中吸附氨氣及保存氮素成為研究的熱點。有研究指出，在污泥堆肥過程中加入生物炭，在好氧發酵的第1周就能顯著降低氨氣的揮發且提高了堆體溫度和堆料的降解程度，可減少氮素損失達62%～69%[9]。生物炭雖然能夠除臭保氮，但循環使用難度大、不能有效調節物料C/N等缺點制約著其在污泥堆肥過程中的應用。

4 結語

目前，用于污泥堆肥的調理劑種類很多，而加入沸石和生物炭被認為能有效減少氨氣釋放量，然而其本身并不能調節污泥自身的C/N，還需要添加有機調理劑以提供碳源。僅添加生物碳固然可以降低氮素損失，然而其難以循環利用而使成本增加。所以，尋找和制備可循環降解調理劑，將成為調理劑研究新的發展方向。

1 Higgins A J，Suhr J L，Rahman M S，etal.Shredded rubber tires as a bulking agent in sewage sludge composting[J].Waste Management & Research，1986，4（1）：367-386.

2 Zhou H，Ma C，Gao D，etal.Application of a recyclable plastic bulking agent for sewage sludge composting[J].Bioresource Technology，2014，152（152）：329-336

3 Zorpas A A，Loizidou M.Sawdust and natural zeolite as a bulking agent for improving quality of a composting product from anaerobically stabilized sewage sludge.[J].Bioresource Technology，2008，99（16）：7545.

4 Czyz?Yk F，Rajmund A.Nitrogen loss during composting sewage sludge in a prism with plant remains.[J].Woda ?rodowisko Obszary Wiejskie，（18），2009.

5 Reinertsen S A，Elliott L F，Cochran V L，etal.Role of available carbon and nitrogen in determining the rate of wheat straw decomposition[J].Soil Biology and Biochemistry，1984，16（5）：459-464.

6 Nakhshiniev B，Perera C，Biddinika M K，etal.Reducing ammonia volatilization during composting of organic waste through addition of hydrothermally treated lignocellulose[J].International Biodeterioration& Biodegradation，2014，（96）：58-62.

7 Zhang J，Sui Q，Li K，etal.Influence of natural zeolite and nitrification inhibitor on organics degradation and nitrogen transformation during sludge composting[J].Environmental Science and Pollution Research，2016，23（2）：1324-1334.

8 Maulini-Duran C，Artola A，Font X，etal.Gaseous emissions in municipal wastes composting： Effect of the bulking agent[J].Bioresource Technology，2014，（172）：260-268.

9 Malinska K，Zabochnicka-Swi?tek M，Dach J.Effects of biochar amendment on ammonia emission during composting of sewage sludge[J].Ecological Engineering，2014，（71）：474-478.

Application of Conditioner in Maintaining Nitrogen of Sludge Composting Process

Wang Binbin, Zhao Jihong, Liu Yongde
(College of Chemistry, Chemical and Environmental Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)

In recent years, aerobic fermentation technology has developed rapidly and has become the main sludge disposal method in China. Conditioner must be added to improve the bio-degradation of the sludge and meet the necessary of the fermentation conditions in sludge composting process. Based on the different properties of materials and the parameters of fermentation process, many scholars have studied the effects of different functions of conditioner on preserving nitrogen in sludge fermentation process. This paper would review the studies of sludge composting conditioner and its application to reduce nitrogen loss during aerobic fermentation.

aerobic fermentation; sludge composting; conditioner; preserving nitrogen

S141.4

A

1008-9500(2017)06-0053-03

2017-04-14

本文系河南省科技攻關項目（項目編號：152102310084）的階段性研究成果。

王彬彬（1990-），男，碩士研究生，研究方向：固體廢棄物處理與資源化，Email：wangbinbin539@163.com