原料含水率對筒倉式反應器堆肥氮素轉化的影響

徐鵬翔 沈玉君 周海賓 孟海波 李 季 段崇東

(1.農業農村部規劃設計研究院，北京 100125；2.農業農村部資源循環利用技術與模式重點實驗室，北京 100125；3.中國農業大學 資源與環境學院，北京 100193；4.北京沃土天地生物科技股份有限公司，北京 100193)

堆肥原料的含水率對堆肥過程中堆體升溫具有重要影響[1]。原料含水率過高時，堆體孔隙度降低，空氣流通受到抑制，導致堆體中產生厭氧區，限制了微生物對氧氣的利用[2]。堆肥原料類型、工藝和環境等條件不同，對堆體的起始含水率要求也不同，決定著堆體是否能夠順利發酵。如Haug[3]推薦堆體含水率為40%～60%，Guo等[4]推薦堆體含水率為65%～75%，Liang等[5]認為堆肥過程中保證微生物生長活性所需要的最低含水率為50%，Ahn等[6]推薦堆體最佳含水率為60%～80%。堆肥過程中含水率低于40%時將限制微生物活性，含水率過高又會導致厭氧環境的產生[7]。傳統堆肥工藝中物料為靜態或水平移動，推薦堆肥原料含水率調節為50%～70%[8]；筒倉式反應器堆肥過程中物料自上而下動態位移，原料含水率對堆體升溫、養分轉化和水分去除影響較大[9]，是決定物料是否能順利發酵的重要因素。

堆肥過程中，NH3的揮發是氮養分損失的主要途徑，因此了解氮素轉化的過程與影響因素不僅有利于堆肥工藝的優化，而且可實現堆肥產品增值。堆肥環境、原料性質以及工藝控制參數是影響堆肥過程中微生物活性的主要因素，從而也影響了氮素的轉化。污泥堆肥過程中，氨化作用、硝化作用、反硝化作用和氨氣的同化等不同形態氮的轉化過程可同時發生[10]。堆體含氧量、發酵溫度、含水率、pH以及銨態氮含量都能影響氮的硝化作用[11]。堆肥高溫好氧發酵階段是生物降解最強烈的時期，原料中的蛋白質類物質被微生物分解并釋放出銨態氮，隨之開始氨化作用[12]。當堆體溫度大于65 ℃、原料pH達到8.4以上時，發酵物料中的氮將以NH3的形式蒸發損失[13]，氮在高溫發酵階段的損失量可占總氮量的40%～70%[14]。Koyama等[15]研究發現，堆肥物料在60和70 ℃環境中NH3排放量分別為總氮量的14.7%和15.6%，氮素平衡分析說明高溫促進了非溶解態氮的溶解，促進了銨態氮向NH3的轉化。

與傳統條垛式和槽式堆肥不同，反應器堆肥是一種密閉式快速堆肥工藝，可分為滾筒式反應器堆肥、筒倉式反應器堆肥和箱式反應器堆肥等，具有占地面積小、發酵周期短、堆體溫度高和臭氣控制好等特點，在有機廢棄物就地處理方面具有較好的應用前景。由于反應器堆肥設備的特殊環境，物料在反應器中的發酵過程和氮養分轉化過程也與傳統堆肥不同。在密閉式反應器堆肥系統中，由于發酵過程中產生的水蒸氣不斷冷凝和收集，促進堆體水分含量快速下降，在此環境條件下堆體中的硝化作用反而得到加強[16]。Petric等[17]研究了小型反應器中不同含水率對畜禽糞便和秸稈混合堆肥指標的影響，發現物料含水率較高時可以導致氨損失。筒倉式反應器近年來在我國有機固體廢棄物處理行業得到快速推廣，但反應器堆肥工藝過程的控制和參數的選擇一直以來都缺少科研數據支撐。因此，為優化筒倉式反應器堆肥工藝，揭示不同含水率原料在筒倉式反應器堆肥中的氮素轉化特征，該研究擬以污泥和稻糠為主要原料，分析不同含水率的污泥在筒倉式反應器堆肥中的發酵效果和氮素形態轉化過程，以期為污泥反應器堆肥工藝和肥料化利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗原料為脫水污泥和稻糠，均取自某城市污水處理廠。堆肥原料基本性質見表1。

1.2 試驗裝置

本試驗在筒倉式反應器中進行，反應器設備示意圖見圖1。筒倉式反應器裝置包括進料系統、發酵筒倉、攪拌系統、曝氣系統、排氣系統、出料系統和自動控制系統，筒倉容積86 m3，處理量5～8 m3/d。

1.3 試驗設計

綜合考慮污泥和秸稈原料的C/N和含水率范圍，本研究將筒倉式反應器堆肥進料含水率調為57%，并以此為基礎按梯度增加水分含量以確定污泥原料在筒倉式反應器中堆肥所需要的最適含水率。試驗共設4個處理，各處理含水率調節為57%、60%、63%和66%，分別用MC57、MC60、MC63和MC66表示。各處理堆肥原料準備方法如下：1)取脫水污泥1 000 kg，添加稻糠400 kg，混合均勻，形成含水率57%的混合物料；2) 取脫水污泥1 000 kg，取稻糠400 kg，取105 kg純凈水與稻糠混勻，再將稻糠與污泥混合均勻，形成含水率60%的混合物料；3) 取脫水污泥1 000 kg，取稻糠400 kg，取227 kg純凈水與稻糠混勻，再將稻糠與污泥混合均勻，形成含水率63%的混合物料；4)取脫水污泥1 000 kg，取稻糠400 kg，取370 kg純凈水與稻糠混勻，再將稻糠與污泥混合均勻，形成含水率66%的混合物料。

表1 堆肥原料基本性質Table 1 Properties of composting materials

圖1 筒倉式堆肥反應器Fig.1 Silo composting reactor

1.4 分析方法

采用電子溫度計測定溫度。酸堿度依據農業行業標準NY 525—2012《有機肥料》中的pH計法測定。種子發芽指數依據農業行業標準NY 3442—2019《畜禽糞便堆肥技術規范》中的方法測定。NY/T 1116—2014 硝態氮、銨態氮和酰胺態氮含量依據農業行業標準《肥料 硝態氮、銨態氮、酰胺態氮含量的測定》中的方法測定?？偟捎迷胤治鰞x測定 (Elementar Analysensysteme，Hanau，德國)。

2 結果與分析

2.1 堆肥基本理化指標

2.1.1堆肥溫度

堆肥溫度是反映堆肥效果的一個重要指標。在筒倉式反應器內部，堆肥物料從反應器頂部進料，經高溫發酵后從反應器底部出料，不同深度物料的發酵溫度不同。由圖2可知，不同含水率的原料發酵溫度在反應器內部分布差異較大。當原料含水率<63%時，溫度在反應器內部自上而下呈逐漸降低趨勢，其中MC57處理在物料深度0.1 m處發酵溫度最高(70.4 ℃)。在物料深度0.5 m處，MC57、MC60和MC63處理發酵溫度均達到60 ℃。隨著發酵物料繼續向下移動，原料含水率較低的MC57處理發酵溫度快速下降，在物料深度1.0 m處其溫度降低至55 ℃以下。當原料含水率達到66%時，0.5 m以上物料發酵溫度低于55 ℃，隨著發酵反應的繼續進行，溫度逐漸上升至60 ℃，說明原料含水率較高時不利于物料快速升溫。整體來看，原料含水率為60%～63%時，堆肥物料在反應器內部升溫較快，且發酵溫度在不同物料深度分布較均勻，有利于快速發酵。

圖2 不同含水率條件下筒倉式反應器內不同物料深度堆肥溫度變化Fig.2 Changes of temperature during sewage sludge composting in silo reactor under different moisture content

2.1.2種子發芽指數(GI)

不同含水率條件下污泥反應器堆肥過程中GI指標如圖3所示?！缎笄菁S便堆肥技術規范》(NY/T 3442)中將GI作為堆肥產物質量評價指標[18]，要求GI≥70%。由圖3可知，各處理GI值均大于79%，達到了堆肥腐熟條件。原料含水率為60%的MC60處理GI值最大，達到92.01%；其次為原料含水率為57%的處理MC57，GI值為90.06%。原料含水率為66%的MC66處理GI值相對其他處理較低，為79.14%，與GI值最高的MC60處理之間差異顯著(P<0.05)，其他處理之間差異不顯著。數據分析結果表明，當原料含水率介于57%～66%時，原料含水率較低的堆肥物料發酵結束時GI值較大。

2.2 氮養分指標

2.2.1總氮變化

不同含水率條件下污泥反應器堆肥過程中氮養分指標變化如表2所示。由表2可知，原料含水率為63%的MC63處理總氮(TN)含量最大(14.20 g/kg)，原料含水率為57%的MC57處理TN含量最小(11.30 g/kg)，MC63處理與其他處理之間差異顯著(P<0.05)。結果表明原料含水率過高或過低都不利于TN的留存，原料含水率介于60%～63%時，有利于提高堆肥物料中TN含量。

2.2.2有機態氮變化

由表2可知，原料含水率較高時，堆肥物料中有機態氮含量較高。原料含水率為66%的MC66處理有機態氮含量最大(6.56 g/kg)，且與其他處理之間差異顯著(P<0.05)；其次為原料含水率為63%的MC63處理，有機態氮含量為5.72 g/kg，比MC60處理高39.3%，且與其他處理之間差異顯著(P<0.05)；原料含水率為57%的MC57處理有機態氮含量最小(2.56 g/kg)，比MC66處理低60.9%，且與其他處理之間差異顯著(P<0.05)。數據分析結果表明，反應器堆肥過程中原料含水率較低時能夠促進有機態氮的分解。

圖3 不同含水率條件下污泥反應器堆肥GI值變化Fig.3 Changes of GI during sewage sludge composting in silo reactor under different moisture content

表2 不同含水率條件下污泥反應器堆肥氮養分變化Table 2 Changes of nitrogen nutrient during sewage sludge composting in silo reactor under different moisture content g/kg

2.2.3銨態氮變化

2.2.4硝態氮變化

2.2.5酰胺及氰氨態氮變化

由表2可知，原料含水率為63%的MC63處理酰胺及氰氨態氮含量最大(2.50 g/kg)，其次為原料含水率為66%的MC66處理(2.33 g/kg)，二者差異不顯著。MC63處理與MC60處理、MC57處理相比，差異顯著(P<0.01)，說明原料含水率較低時不利于酰胺及氰氨態氮的形成。數據分析結果表明，反應器堆肥過程中原料含水率介于63%～66%時，有利于提高堆肥物料中酰胺及氰氨態氮含量。

2.3 氮素轉化分析

2.3.1氮素形態分布

不同含水率條件下污泥反應器堆肥過程中氮素形態分布如圖4所示。由圖4可知，原料含水率對不同形態的氮素影響效果不同；隨著原料含水率的增加，銨態氮含量逐漸下降，硝態氮含量先增加后下降，酰胺及氰氨態氮含量逐漸增加，有機態氮含量逐漸增加，總氮含量先增加后減少，氮損失量先減少后增加。從氮養分留存角度分析，原料含水率為63%的MC63處理氮素損失量最少，有利于氮養分的保存。從有效態氮(銨態氮+硝態氮+酰胺及氰氨態氮)含量角度分析，原料含水率為60%的MC60處理有效態氮養分含量最高(9.53 g/kg)，與MC57和MC63處理比差異不顯著，與MC66處理比差異顯著(P<0.01)。Chen等以雞糞和玉米秸稈為原料進行堆肥時，含水率63%的堆體發酵過程中具有較明顯的硝化作用發生[19]。Sun等[20]研究了原料含水率與硝化作用之間的關系，認為堆肥發酵在密閉環境中時更容易形成冷凝水，當及時排出水分時由于增加了堆體中的氧氣含量，因此促進了硝化反應的進行。本研究數據分析結果表明，反應器堆肥過程中原料含水率介于60%～63%時，有利于提高堆肥物料中有效態氮含量和減少氮養分的損失。

圖4 不同含水率條件下污泥反應器堆肥氮素形態分布Fig.4 Distribution of nitrogen forms during sewage sludge composting in silo reactor under different moisture content

2.3.2原料含水率與氮素形態的相關分析

原料含水率與各氮素形態之間的相關分析結果如表3所示。由表3可知，當原料含水率為57%～66%時，含水率與銨態氮之間呈負相關(rs=-0.820)，與有機態氮之間呈正相關(rs=0.941)，與酰胺及氰氨態氮之間呈正相關(rs=0.756)，在置信度為0.01時以上相關性是顯著的。數據分析表明，原料含水率與全氮、硝態氮之間無相關性。

3 討 論

在傳統條垛式和槽式堆肥過程中，堆體含水率隨堆肥時間的增加逐漸降低，高溫堆肥結束時含水率由60%左右降至45%以下。與傳統條垛式和槽式堆肥環境相比，筒倉式反應器內部堆肥溫度最高可達80 ℃以上，堆肥周期可縮短至7～10 d，水分去除效率更高，堆肥結束時下層出料含水率可降至40%以下。筒倉式反應器堆肥過程中，在煙囪效應作用下，水汽由下向上蒸發，反應器上層物料始終處于高濕狀態，因此原料含水率對堆肥過程影響較大。當原料含水率過高時，不利于反應器內部快速升溫；當原料含水率較低時，由于輔料用量的增加會導致處理量的減少和處理成本的增加。本文研究結果表明，當污泥原料含水率高于63%時，反應器內部堆體溫度開始下降，不利于堆體的快速升溫和水分的去除。

表3 原料含水率與氮素形態相關分析Table 3 Correlation analysis between water content of raw materials with nitrogen forms during reactor composting

在氮素形態分布方面，筒倉式反應器堆肥過程中的氮素轉化及分布與傳統堆肥工藝不同。含水率60%的牛糞反應器靜態堆肥過程中氮素轉化研究結果表明，堆肥降溫期銨態氮、硝態氮和有機態氮分別占總氮含量的6.6%、0.6%和74.0%[24]，而本研究中含水率為60%的處理堆肥結束時銨態氮、硝態氮和有機態氮分別占總氮含量的35.1%、7.3%和27.8%。由此可知，筒倉式反應器堆肥環境有利于提高堆體中銨態氮和硝態氮的含量，這可能是由于筒倉式反應器具有發酵溫度高、堆肥周期短的工藝特征，在較短時間內完成高溫堆肥過程有利于提高堆肥產品中氮素養分含量。

4 結 論

1)污泥反應器堆肥原料含水率對堆體升溫和各層溫度分布具有直接影響。原料含水率為60%～63%時，反應器內堆體溫度上升較快，堆體溫度可達到60 ℃以上且在不同深度分布較均勻。種子發芽指數GI隨原料含水率的增加呈下降趨勢，含水率為60%的堆體GI值最大，各處理GI值均達到了堆肥標準要求。

2)污泥原料含水率對反應器堆肥中的氮素轉化具有較大影響。隨著污泥原料含水率的增加，堆肥結束時堆體中的總氮、銨態氮、硝態氮和酰胺及氰氨態氮含量先升高后下降，有機態氮含量逐漸升高。原料含水率為60%的堆體銨態氮和硝態氮含量最高，分別為6.50 g/kg和1.36 g/kg；原料含水率為63%的堆體總氮含量和酰胺及氰氨態氮含量最高，分別為14.20 g/kg和2.50 g/kg。原料含水率為57%～60%時，堆體中有機態氮分解率較大。

3)原料含水率可影響反應器堆肥中不同形態氮素的分布。含水率為63%的堆體氮素損失量最少，有利于氮養分的保存。從有效態氮含量角度分析，原料含水率為60%的堆體有效態氮養分含量最高(9.53 g/kg)。原料含水率與銨態氮之間呈負相關，與有機態氮和酰胺及氰氨態氮之間呈正相關，與全氮、硝態氮之間無相關性。整體來看，反應器堆肥過程中原料含水率介于60%～63%時有利于提高堆肥物料中氮養分含量。