添加劑對污泥堆肥過程中氣體排放和酶活性的影響

葛啟隆,王國英,侯 瑞,張 靜

添加劑對污泥堆肥過程中氣體排放和酶活性的影響

葛啟隆1*,王國英2,侯 瑞3,張 靜1

(1.太原學院建筑與環境工程系,山西 太原 030032；2.太原理工大學環境科學與工程學院,山西 太原 030024；3.中國科學院南海海洋研究所,廣東 廣州 510301)

針對市政污泥與秸稈混合在傳統堆肥過程中溫室氣體排放量與氮損失量較高的問題,采用玉米秸稈生物炭(CSB)與煤矸石基沸石(ZL)聯合堆肥,為減少堆肥過程中CH4、NH3、N2O氣體排放.將10%的CSB與0%、10%、20%、30%的ZL混合(百分比為添加劑與污泥秸稈混合物質量之比),同時,無添加劑作為對照組,結果表明,與對照組相比,CSB與ZL聯合添加(記為10%CSB+ZL)顯著提高了堆肥過程中溫度和pH值,增加了堆肥有機質降解,且降解速率高于對照組和10%CSB處理.兩種添加劑聯合添加降低了堆肥過程中氮損失,10%CSB+10%ZL、10%CSB+20%ZL、10%CSB+30%ZL處理中CH4、NH3、N2O累積排放量比對照組分別降低87.81%～90.87%、41.61%～57.45%、85.01%～94.92%,CO2累積排放量比對照組提高55.45%～86.55%;同時,在堆肥過程中脫氫酶、蛋白酶、木聚糖酶、磷酸酶活性增強.生物炭作為膨松劑,提高堆肥孔隙率促進微生物生長和相關酶活性提高,煤矸石基沸石通過吸附減少氣體排放,10%CSB+20%ZL處理通過減少堆肥過程中CH4、NH3、N2O排放速率實現降低氮損失的效果最佳,

脫水污泥；玉米秸稈；堆肥；生物炭；煤矸石基沸石；氮保留

污泥是廢水生物處理過程中產生的體積最大的副產物,中國年產生7×107～1×108t污泥(含水量約80%)[1],這些污泥若處理不當,則會造成嚴重的環境問題.由于污泥富含蛋白質、碳水化合物、氮磷等養分,許多學者研究用其進行好氧堆肥[2-3],不但能夠殺滅污泥中的病原菌,而且將大量有機物與營養元素轉化為肥料或易生物降解的碳源,施用適量腐熟度較高的污泥堆肥產品可大幅度提高土壤肥力[3-4].

通常污泥富含氮和高水分,其碳氮比較低,需添加輔料聯合堆肥,如秸稈、稻殼、木屑等有機膨脹廢物,這些輔料富含碳和低水分,與污泥混合堆肥,通過調整混合堆肥原料的水分含量(約55%)和碳氮比(約25:1),產生較穩定的堆肥產品[5],其中污泥與玉米秸稈混合,是種較好的混合堆肥原料[6].

傳統堆肥過程中產生大量的CO2、N2O、CH4等溫室氣體,造成二次環境污染[7].其中N2O和CH4的100a溫室效應分別是CO2的298倍、25倍[4].傳統堆肥還會有大量NH3揮發,引起氮損失,使得堆肥產物農用價值降低.因此,需深入研究來源廣泛且經濟的添加劑,提高污泥堆肥產物品質,降低堆肥污染氣體排放.其中,生物炭是在無氧或缺氧條件下通過有機生物質熱解產生的含碳固體產物.因具有豐富的微孔結構,生物炭廣泛用于市政污泥與農業廢棄物堆肥[8],研究表明,添加生物炭有利于提高堆肥產物腐熟度,提高堆肥效率,該效率可用氮養分損失、種子發芽率、硝化指數(NH+ 4-N/NO- 3-N)等指標來評價[5,9].生物炭也有助于增強堆肥微生物活性.通常微生物代謝過程中水解酶是控制特定污泥堆肥底物礦化速度的主要因素,這些水解酶隨堆肥時間延長,與底物相互作用產生酶活性差異[10-11].此外,添加生物炭能夠延長堆肥高溫階段持續時間,加速有機物降解和腐殖化,同時,減少臭氣和溫室氣體排放[12].

沸石是種多孔硅酸鹽材料,具有較強陽離子交換和吸附能力,對堆肥進程的有益影響也得到證實.例如,沸石對堆肥體系中銨有較高的吸附性能,減少堆肥過程氨排放[13-14].通常天然沸石雜質含量高,應用于堆肥比較困難[15].近年來,人工沸石應用于堆肥和土壤修復得到關注.已報道的人工沸石一般是用純化學試劑合成,成本高且浪費資源.煤矸石(煤礦開采與洗選加工過程中產生的固體廢物)因其富含Al2O3和Si2O3,成為合成沸石的理想原料[16];同時,這也實現了廢物利用.煤矸石基沸石由于對NH+ 4和N2O具有較高的吸附性能,降低堆肥氮養分損失,調節堆肥碳氮比.此外,煤矸石基沸石能夠提高堆肥基質孔隙度,為微生物生長提供棲息地,微生物活性提高,相關酶活性增強,促進堆肥有機質分解[17].

然而,由于尺寸較大的吸附質離子或分子在煤矸石基沸石孔道中擴散效果較差[18],使得煤矸石基沸石體積與表面積利用率下降.沸石性能受限,與生物炭聯合添加,生物炭的大孔和介孔能促進吸附質進入沸石微孔的活性位點.降低吸附質在孔道中的擴散阻力[19].同時,雖然生物炭孔隙與表面官能團豐富,但其穩定性較差,而煤矸石基沸石孔徑結構豐富程度雖然不如生物炭,但穩定性好,兩種添加劑聯合添加很可能實現優勢互補.

鑒于此,為進一步考察生物炭與煤矸石基沸石聯合添加對污泥秸稈混合堆肥的促進作用,研究兩種添加劑聯合對堆肥溫室氣體排放、氮損失和堆肥產物品質的影響.本研究擬將污泥與玉米秸稈混合后堆肥,將生物炭單獨添加及與煤矸石基沸石聯合添加,通過測定堆肥環境因子,氣體排放量,以及相關酶活性,建立酶活性與環境因子、氣體排放量的相關性,考察生物炭與不同添加量沸石混合對溫室氣體減排、堆肥產物品質的影響,并與生物炭單獨處理和對照組(未添加生物炭與沸石)進行比較,為利用固體廢棄物實現污泥堆肥工藝參數優化提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 原料收集、處理及基本特性

污泥采集自山西省太原市郊區某污水處理廠(37°40'36''N,112°37'32''E)脫水污泥.玉米秸稈收集自太原市郊區某農田(37°54'38''N,112°39'26''E),污泥和玉米秸稈的基本特性如表1所示.將其切碎(約2～3cm)作為膨化劑,與污泥按質量比為1:1混合,使混合后含水率約為55%,C/N約為25:1[20].參照文獻[19]制備生物炭,以玉米秸稈為原料,將其加入管式爐中,充N2并密封,在常壓500℃條件下,熱解2h,制得的生物炭(CSB)中H、O、S含量分別為4.17%± 0.07%、14.79%±0.13%、0.16%±0.03%,其他基本特性見表1.將制備的生物炭研磨后篩分至2～3mm,作為添加劑.

煤矸石采集自太原市郊區某煤礦(38°10'31''N, 111°46'48''E)洗選矸石,參照文獻[21]制備沸石,將煤矸石樣品粉碎后再將其磨碎,過篩(150目),得矸石粉末,再將矸石粉末與固體NaOH按質量比1:1.25混合,研磨,得均勻混合物,將其裝入坩堝后放入馬弗爐中,850℃焙燒2h,活化矸石粉末并除去其中未燃燒的碳,將熔融樣品冷卻至室溫,研磨成粉末,加入去離子水,攪拌30min,在烘箱中90℃,晶化12h,過濾,洗滌3次,放入烘箱中,105℃干燥6h.制備的沸石(ZL)含Al2O328.57%±0.52%, SiO248.73%±0.11%, Fe2O31.57%±0.02%, CaO 0.41%±0.01%, TiO20.73%± 0.01%, K2O 0.77%±0.01%, Na2O 18.97%±0.17%,其他基本特性如表1所示.

表1 實驗所用堆肥材料理化性質(以干重計算)

注:“ND”表示未檢測出.

1.2 實驗裝置

圖1 堆肥裝置示意

堆肥實驗在70L的反應容器內進行,該反應器內填充25kg污泥與玉米秸稈(干重比為1:1),堆肥材料碳氮比約為25:1,參照文獻[13,22],實驗組設10%CSB,10%CSB+10%ZL,10%CSB+20%ZL,10% CSB+30% ZL 4種不同處理,百分比為添加劑與污泥秸稈混合物質量之比,對照組為無添加劑處理;同時,將500g塑料小球(直徑1cm3,密度0.7g/cm3)與初始原料混合,調整堆肥原料密度約0.5kg/L,該塑料小球為酚醛樹脂材料,不可生物降解.實驗裝置如圖1所示,圓柱形反應器高為55cm,底部圓直徑40cm,空氣泵用于從裝置底部給堆肥原料供氣,供氣流量為0.03m3/(h·kg).在第0,1,3,5,7,10,15,20,27,34,41,48, 55d將堆肥材料人工翻堆,添加去離子水,調節含水率55%±1%.為獲得代表性樣品,采用多點混合法[23],在裝置約25cm深度處隨機采集5個堆肥樣品(每個樣品60g)混合均勻后分成3份,測定pH值、有機質(TOM)含量及相關酶活性.

1.3 測試與分析方法

采用對硝基苯酚磷酸水解法測定磷酸酶活性[27];參照文獻[28]和[29]報道的標準方法分別測定脫氫酶活性和木聚糖酶活性;通過測定堆肥浸提液與酪蛋白在37℃培養1h后酪氨酸與Folin- Ciocalteu試劑反應,測定蛋白酶活性[30].

1.4 數據處理

采用Origin 8.0軟件作圖;采用SPSS 24.0軟件對實驗數據進行單因素方差分析和主成分分析(PCA),在<0.05水平比較顯著性差異(LSD);采用Canono 5.0軟件進行環境因子、氣體排放及相關酶活性之間冗余分析(RDA).

2 結果與討論

2.1 溫度、pH值及總有機質變化

如圖2(a)所示,各處理在堆肥開始時,堆體溫度升高.1d后,10%CSB+ZL處理中堆體溫度均達到高溫水平(>50 ℃).10% CSB處理中堆體溫度在第3d達到高溫水平,而對照組在第10d達到高溫水平,在第15d對照組溫度達最高(55℃).可見,實驗組在堆肥開始階段溫度快速升高,表明堆肥過程中有機質分解較快,10%CSB, 10%CSB+10%ZL, 10%CSB+ 20%ZL, 10%CSB+30% ZL.處理中最高溫度分別為66℃,71℃,73℃,63℃.此后堆體溫度逐漸降低,直到堆肥結束.4種處理在第20d堆體溫度均降至45℃以下,表明該階段易獲得的有機質組分含量下降.與對照組和10%CSB處理相比,10%CSB+ZL處理中觀察到較長時間的高溫階段,這是由于生物炭能夠填充堆體中的孔隙,添加沸石還能保持堆肥最佳水分含量和孔隙率,減少由于堆體較大空間而產生的熱損失[5];同時,聯合添加生物炭與沸石不僅能提高對氧氣的快速吸收,還可能改善堆體微生物種群的群落結構與相對豐度[12],有利于有機質快速降解,在堆肥高溫階段產生較多的熱量.

如圖2(b)所示,各處理在整個堆肥期間,pH值變化呈先上升再下降,最后趨于穩定的趨勢,這與堆體溫度先升高再降低最后趨于穩定的變化趨勢基本一致.可能是因為在堆肥開始階段,氨化細菌為堆肥體系中的優勢菌屬,能將含氮有機物分解為銨態氮,pH升高,而后NH3揮發,使得堆體pH值降低.在堆肥21～40d,由于大量有機酸積累導致pH降低[5].實驗組處理中pH值高于對照組,均在堆肥第7d達到最大值,4種處理在堆肥第7d pH值分別為8.56 (10%CSB)、8.81(10%CSB+10%ZL)、8.91 (10%CSB+ 20%ZL)、9.02(10%CSB+30%ZL),堆肥結束時相應處理pH值分別為7.81、7.95、8.17、8.29.

如圖2(c)所示,隨著堆肥時間的延長,各處理中TOM含量逐漸降低,10%CSB處理中有機質降解速率比對照組快,表明添加生物炭提高了有機質礦化程度和微生物酶活性.堆肥結束時10%CSB+ 10%ZL、10%CSB+20%ZL、10%CSB+30%ZL處理中TOM含量分別為62.70%、58.60%、68.43%,低于對照組(78.60%)和10%CSB處理(72.73%).表明添加煤矸石基沸石能進一步促進TOM降解.

2.2 CO2-C與CH4-C排放

CO2-C和CH4-C排放速率能反映堆肥效率高低和微生物呼吸速率快慢.如圖3所示,在堆肥初始階段,由于可降解有機質快速降解,實驗組CO2-C排放速率比對照組高(圖3(a)), 10%CSB+20%ZL處理中CO2-C排放速率在第5d達最大值(44.71g/d).這是兩種添加劑聯合添加促進有機質快速礦化,堆體溫度升高導致的.在高溫階段后期,各處理中CO2-C排放速率逐漸減少,表明堆體趨于穩定.實驗組在整個堆肥過程中CO2-C排放速率較高,添加兩種添加劑阻礙了堆體壓縮沉降,促進了氧的傳質,提高了堆體孔隙率,供好氧微生物生長,使其活性增強,促進有機質降解[31].10%CSB+ZL處理中堆體pH值較高(圖2(b))和有機質降解較快(圖2(c))也說明了這一點.堆肥結束時,10%CSB+10%ZL、10%CSB+20%ZL、10%CSB+30%ZL處理中CO2-C累積排放量比對照組分別提高55.45%、86.55%、74.67%.

對照組在整個堆肥過程中CH4-C排放量顯著高于實驗組(圖3(b)),可能是因為對照組無添加劑,堆體內部形成了具有較高含水率的厭氧區域,產生CO2和乙酸等基質,產甲烷細菌利用這些基質產生CH4.堆肥結束時,10%CSB+10%ZL、10%CSB+ 20%ZL、10%CSB+30%ZL處理中CH4-C累積排放量比對照組分別降低87.81%、90.87%、89.29%.可見,CSB與ZL聯合添加能顯著降低堆肥過程中CH4排放量.此外,生物炭與煤矸石基沸石對堆體也有較強的膨化效應,促進堆體微生物氧化進程,降低CH4產率[32].

2.3 NH3-N、N2O-N排放及NH+ 4-N、NO- 3-N含量

由圖4(a)可見,實驗組在高溫階段(3～20d), NH3排放速率較高,這是因為在此階段堆體溫度較高,同時,CO2排放量提高,pH較高等因素也有助于NH3揮發.研究表明,生物炭可以增強氣態NH3和水溶性氨吸附,提高微生物的生長和堆肥效率[31].對照組由于較低溫度(圖2(a))和pH值(圖2(b))等不利條件阻礙了NH+ 4-N向NH3轉化.因此,對照組在堆肥升溫階段(0～7d)幾乎沒有觀察到NH3排放,7d后,對照處理觀察到大量NH3排放.由圖4(a)還可知,10%CSB+ZL處理中NH3排放速率低于10%CSB處理,這是因為煤矸石基沸石也具有吸收NH3的能力,可見,10%CSB+ ZL處理中NH3排放量較低.堆肥結束時,10%CSB、10%CSB+10%ZL、10%CSB+20%ZL、10%CSB+ 30%ZL處理中以NH3-N累積排放量比對照組分別減少32.63%、41.61%、57.45%、53.03%..

堆肥過程中N2O產生不但會降低堆肥產物品質,而且會污染環境,N2O排放通常是硝化副產物或在反硝化過程中產生,若反硝化過程中產生N2O,表明體系有缺氧區或厭氧區存在或NO- 3/NO- 2積累.若硝化過程中產生N2O,表明有氧區域存在和微生物可利用的易降解有機質含量較低[33].本研究N2O排放速率如圖4(b)所示,對照組堆肥初期N2O排放速率較高,而實驗組N2O排放速率較低,這可能是由于實驗組有機質礦化較快,表明在堆肥初期N2O主要通過反硝化產生,此外,與對照組相比,實驗組堆體壓縮沉降較小,這保持了堆肥基質初期孔隙度,阻礙了N2O排放,堆肥結束時,10%CSB、10%CSB+10%ZL、10%CSB+20%ZL、10%CSB+30%ZL處理中N2O-N累積排放量比對照組降低39.68%、85.01%、94.92%、87.66%.可見,10%CSB+20%ZL處理中氮損失量最低.表明生物炭和煤矸石基沸石聯合添加是一種減少堆肥氮元素的有效方法.

NH+ 4-N含量是堆肥生物氧化階段有機質快速礦化和氨化的重要指標之一.如圖4(c)所示, 10%CSB+ZL處理NH+ 4-N在堆肥0～7d迅速增加,第7d NH+ 4-N含量達到最大值,分別為4.96g/kg (10%CSB+10%ZL)、4.98g/kg (10%CSB+20%ZL)、4.76g/kg (10%CSB+30%ZL).而對照組處理NH+ 4-N含量在第15d達到最大值(3.71g/kg),10%CSB處理NH+ 4-N含量在第10d達到最大值(4.36g/kg),這是由于微生物氨化作用,以及溫度和pH升高導致的.在高溫階段后期,NH+ 4-N含量逐漸減少,直到堆肥結束趨于穩定,主要原因是NH+ 4-N轉化為NH3,并在高溫與較高pH條件下揮發導致NH+ 4-N減少. 10%CSB+ZL處理中NH+ 4-N最高濃度大于10%CSB處理,原因是沸石會解吸出部分NH+ 4-N.對照組在堆肥結束時(第55d),NH+ 4-N含量高于允許限值(2383g/kg)[34],這主要是由于有機質礦化緩慢導致的(圖2(c)).可見,生物炭與煤矸石基沸石聯合添加能夠降低堆肥過程中NH+ 4-N揮發,其主要原因有:(1)生物炭與煤矸石基沸石的多孔結構,較高比表面積,隨著有機物的快速礦化,兩種添加劑對NH+ 4-N吸附能力較強,使得堆肥過程中可利用的NH+ 4-N減少;(2)生物炭與煤矸石基沸石為硝化細菌提供了碳源與生長棲息地,將NH+ 4-N轉化為硝酸鹽氮提供了良好的環境條件,兩種添加劑聯合處理后的堆肥產物氮素含量較高[13].

圖4 堆肥過程中NH3-N排放速率(a),N2O-N排放速率(b),NH+ 4-N含量(c)及NO- 3-N含量變化(d)

表2 污泥堆肥過程中氣體累積排放減少量(與對照組相比)

注:”—”表示沒有數據.

如圖4(d)所示,與對照組相比,實驗組在堆肥0～3d硝酸鹽氮含量開始緩慢增加,而后在3～21d逐漸減少,而對照組在0～28d硝酸鹽氮含量逐漸減少,這是因為生物炭具有較高的硝酸鹽吸附能力,與對照組相比,實驗組在堆肥結束時NH+ 4-N含量較低(圖4(c)),硝酸鹽氮含量較高(圖4(d)),可見10%CSB與10%CSB+ZL處理有利于硝化細菌增長.

兩種添加劑聯合處理與其他文獻報道的添加劑處理對污泥堆肥過程中氣體累積排放減少量的對比如表2所示,通過對比可以發現,實驗所用兩種添加劑聯合處理能有效減少CH4、NH3、N2O排放量.例如,陳是吏等[35]在污泥和玉米秸稈堆肥中添加0.1%雙氰胺和5%過磷酸鈣,降低了82.60%的CH4,30.59%的NH3,以及92.86%的N2O,該降低量均低于本研究10%CSB+20%ZL處理實驗結果,值得注意的是,雖然本研究兩種添加劑添加量較高,但實現了污泥堆肥氮保留與固廢資源化利用的雙重功效.此外,有研究表明,較高的生物炭或沸石添加量能提高堆肥產物品質,并降低堆肥生態風險(如減少生物有效態重金屬含量)[10,13].而Awasthi等[5]在污泥和麥稈堆肥中添加18%麥稈生物炭,使得CH4、NH3、N2O顯著減少量分別為92.85%、58.03%、95.14%,略高于本研究.這可能是堆肥底物基質不同,或是生物炭原料與添加量不同導致的.

2.4 相關微生物酶活性

脫氫酶活性通常能反映堆肥過程整體微生物動態,因為該酶主要參與原料生物礦化呼吸過程,通過測定該酶活性能間接反映堆肥最終產物的成熟度[38].與對照組相比,實驗組隨堆肥時間延長脫氫酶活性升高,且在高溫階段觀察到脫氫酶活性最大值,然后脫氫酶活性逐漸下降,直到堆肥結束(圖5(a)),這說明添加生物炭和煤矸石基沸石有助于有機質降解(圖2(c))和CO2釋放(圖3(a)).與10%CSB處理中脫氫酶活性最大值(17.51mg/(g·h))相比, 10%CSB+ ZL處理的脫氫酶活性最大值高,分別為24.77mg/(g·h)(10%CSB+10%ZL), 26.41mg/ (g·h)(10%CSB+20%ZL), 25.80mg/(g·h)(10%CSB+ 30%ZL).該酶活性在第7d達到最大值后下降(圖5(a)).對照組在堆肥過程中脫氫酶活性較低,可能是對照組pH值較低(圖2(b))不利于微生物生長和有機質降解.

磷酸酶活性如圖5(b)所示,實驗組磷酸酶活性在整個堆肥過程中逐漸增大,其中,10%CSB+ZL處理在堆肥結束時磷酸酶活性較高,分別為4.22mg/ (g·h)(10%CSB+10%ZL), 4.47mg/(g·h) (10%CSB+ 20%ZL), 4,65mg/(g·h) (10%CSB+30% ZL),均高于10%CSB處理(3.67mg/(g·h))和對照組(2.78mg/(g·h)),可見,對照組在堆肥結束時磷酸酶活性較低.這是由于生物炭與煤矸石基沸石均為多孔材料結構,能夠吸附水分子保持污泥中的水分,使得堆肥污泥中微生物磷酸酶活性較容易被激發[34],磷酸酶能夠促進聚磷酸鹽和蛋白質等大分子水解并釋放磷酸根,提高污泥中有效磷含量,促進堆肥污泥中營養物質吸附負載和再利用[23].

木聚糖酶能將堆肥體系中纖維素水解為木糖,對溫室氣體排放有重要作用.堆肥過程中木聚糖酶變化如圖5(c)所示,其隨堆肥時間延長的變化趨勢與脫氫酶活性類似,10%CSB、10%CSB+10%ZL、 10%CSB+20%ZL處理在堆肥第7d木聚糖酶活性達到最大值,分別為6.97mg/(g·h)、7.27mg/(g·h)、7.61mg/(g·h),10%CSB+30%ZL處理在堆肥第15d達到最大值,為 8.07mg/(g·h),而對照組在堆肥第27d木聚糖酶活性達到最大值(2.53mg/(g·h)),表明實驗組在高溫階段木聚糖酶活性最高,CH4和N2O排放量較低(圖3(b)和圖4(b)),CO2排放量較高(圖3(a))的原因可能是生物炭為微生物生長提供碳源,兩種添加劑均具有多孔結構,有益于微生物生長,使得木聚糖酶活性提高,聯合添加有助于有機質快速礦化或纖維素分解[39].

蛋白酶變化如圖5(d)所示,實驗組蛋白酶活性在高溫階段達到較高值,分別為6.81mg/(g·h)(10%CSB)、8,57mg/(g·h) (10%CSB+10%ZL)、8.11mg/(g·h)(10%CSB+20%ZL)、7.42mg/(g·h)(10%CSB+30%ZL),而后蛋白酶活性逐漸下降,在腐熟期基本趨于穩定.研究表明,蛋白酶與氮循環和復雜含氮化合物氨化降解密切相關[40].實驗組氨排放量均較低(圖4(a)),這是由于含氮有機質的快速降解.對照組在堆肥0～30d觀察到相對較低的蛋白酶,可見,添加生物炭對堆體蛋白質降解有一定促進作用.此外,脫氫酶與木聚糖酶活性在降溫和腐熟階段活性呈下降趨勢(圖5(a))和圖5(c)),可能是酶復合物的形成導致的[41].

冗余分析(RDA)得到不同處理中氣體排放、環境因子和酶活性的關系如圖6所示,實驗組兩個軸對堆肥過程中酶活性的貢獻百分比分別為86.95% (10%CSB)、84.44% (10%CSB+10%ZL)、86.24% (10%CSB+20%ZL)、85.80% (10%CSB+ 30%ZL)高于對照組(77.96%),這是因為對照組中有機質降解緩慢,添加生物炭與煤矸石基沸石既能提高堆體有機質含量,又可加速有機質礦化(圖2(c)).這些百分比不但反應堆肥有機質的礦化速率,也表明溫室氣體排放、酶活性與堆肥最終產物穩定性具有較強的相關性.采用主成分分析法(PCA)研究結果如圖6(f)所示.從圖中可以看出,PC1的貢獻率為82.46%,PC2的貢獻率為8.72%,兩個主成分能夠解釋樣本總體變異的91.18%.因此,堆體溫度、pH值、TOM、CO2、CH4、N2O、脫氫酶、蛋白酶活性等主要指標可用兩個主成分來表示.以PC1為橫軸,PC2為縱軸,建立坐標系,圖中的彩色點表示不同的處理.由圖6(f)還可知,10%CSB+ZL處理與對照組比較差異較大,說明該兩種添加劑聯合添加可顯著影響堆體溫室氣體排放和相關酶活性,其中, 10%CSB+10%ZL、10%CSB+20%ZL、10%CSB+ 30%ZL處理沿第一主成分與對照組分離,10%CSB處理沿第二主成分與對照組和10%CSB+ZL處理分離,表明添加生物炭和煤矸石基沸石對堆體溫度、pH等環境因子有顯著的影響,且煤矸石基沸石添加量的高低對溫室氣體排放量和相關酶活性也有一定影響,這是由于煤矸石基沸石雖然幾乎不含碳,但其獨特的孔道結構能提高微生物酶活性,促進氧在堆體中的傳質,降低氮元素在堆肥過程中的損失,提高堆肥產物品質[28].

2.5 堆肥C/N變化與產物品質分析

通常C/N比可作為衡量堆肥產物腐熟度的重要指標之一,如圖7所示,實驗組處理中堆肥C/N比在整個堆肥過程中逐漸降低,原因是總有機碳和氮分別主要以(CO2、CH4)和(NH3、N2O)形式散失.對照組中堆肥碳氮比變化趨勢為先逐漸升高后逐漸降低,由于無添加劑,對照組在堆肥升溫期和高溫期,氮養分快速流失導致碳氮比增加,在堆肥腐熟期,難降解有機物含量增多,且溫度較低,致使微生物酶活性降低,氮養分散失較慢,碳氮比降低.通常污泥堆肥C/N比小于20則認為是腐熟度較高的水平[25], 10%CSB處理在堆肥34d達到該水平,10%CSB+ 10%ZL處理在27d達到該水平,10%CSB+20%ZL與10%CSB+30%ZL處理在20d即可達到該水平表明添加較高劑量的沸石能夠縮短污泥堆肥腐熟時間,對照組在堆肥55d腐熟程度仍較低(C/N為24.76),表明其需要更長的時間來腐熟.

其他堆肥腐熟度指標(如pH、HA/FA、NH+ 4-N/NO- 3-N、種子發芽率指數)也可用來評估不同處理對污泥堆肥腐熟度的影響.堆肥結束時這些指標如表3所示,對照組和10%CSB處理中均有部分指標超出參考值范圍,兩種添加劑聯合處理中各項堆肥指標在允許范圍內,其中,10%CSB+20%ZL處理在堆肥結束時顯示出較高的腐熟度,如較高的HA/FA比率和較低的NH+ 4-N/NO- 3-N比率,而這兩項指標在對照處理中分別保持較低和較高的水平.Awasthi等[5]研究表明,堆肥的HA/FA值超過1%是符合要求的,硝化指數(NH+ 4-N/NO- 3-N)通常在0.5以下為完全成熟堆肥,在0.5～3.0之間為成熟堆肥,3.0以上為未成熟堆肥[39],本研究在堆肥結束時,對照組、10%CSB、10%CSB+10%ZL、10%CSB+20%ZL、10%CSB+ 30%ZL處理中硝化指數分別為:3.57、0.53、0.42、0.21、0.31,表明生物炭與煤矸石基沸石聯合處理污泥堆肥硝化指數均低于堆肥應用標準限值;同時, 10%CSB+10%ZL、10%CSB+20%ZL、10%CSB+ 30%ZL處理中種子發芽率指數比對照組提高 74.98%、109.76%、70.61%.其他堆肥腐熟度指標也表明,兩種添加劑聯合處理污泥堆肥具有較低的電導率、較高pH值和氮養分含量(表3).

表3 不同處理中堆肥的腐熟特性

注:“—”表示無參考值.

3 結論

3.1 研究表明,10%CSB+ZL處理對污泥堆肥有積極的影響,與對照組相比,該處理中CH4、NH3、N2O累積排放量分別顯著降低87.81%～90.87%、41.61%～57.45%、85.01%～94.92%.

3.2 10%CSB+ZL處理能有效提高堆肥過程中脫氫酶、蛋白酶、木聚糖酶及磷酸酶的酶活性,且使得CO2累積排放量比對照組提高55.45%～86.55%.

3.3 10%CSB+20%ZL處理對提高堆肥過程中溫度,促進TOM降解的效果最佳,該處理能在有效減少CH4、NH3、N2O氣體排放的同時提高堆肥終產物品質.

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Effects of the additives on gas emission and enzyme activities during sludge composting.

GE Qi-long1*, WANG Guo-ying2, HOU Rui3, ZHANG Jing1

(1.Department of Architecture and Environmental Engineering, Taiyuan University, Taiyuan 030032, China；2.College of Environmental Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China；3.South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China)., 2023,43(11)：5873～5883

In response to the issue of elevated greenhouse gas emissions and nitrogen loss during the conventional co-composting of municipal sludge and straw blends, the combined addition of corn straw biochar (CSB) and coal gangue-based zeolite (ZL) was employed. To mitigate emissions of CH4, NH3and N2O during the composting process, 10% CSB was mixed with varying proportions of ZL (0%, 10%, 20% and 30%) based on the mass ratio of additives to the sludge and corn straw mixture. Meanwhile, an untreated control group was concurrently maintained. The findings revealed that the co-application of CSB and ZL (marked as 10%CSB+ZL) led to a significant augmentation in composting temperature and pH value in comparison to the control. This enhancement facilitated enhanced degradation of organic matter within the compost, with the degradation rates surpassing those observed in both the control group and 10%CSB treatment. The simultaneous application of these two addition agents yielded a reduction in the nitrogen loss during the composting process. Compared with the control, the cumulative emission of CH4, NH3and N2O in the 10%CSB+10%ZL, 10%CSB+20%ZL, 10%CSB+30%ZL treatments decreased by percentages ranging from 87.81% to 90.87%、41.61% to 57.45%、85.01% to 94.92%, respectively, The cumulative emission of CO2in these treatments exhibited a substantial increase, ranging from 55.45% to 86.55% relative to the control. Furthermore, enzymatic activities, including dehydrogenase, protease, xylanase and phosphatise, experienced augmentation during the composting process. Biochar functioned as a bulking agent, increasing compost porosity to stimulate microbial growth and bolster related enzymatic activities. Coal gangue-based zeolite contributed to gas emission reduction through an adsorption mechanism. The 10%CSB+20%ZL treatment emerged as the most effective strategy in decreasing nitrogen losses, primarily by curtailing the emission rates of CH4, NH3and N2O during the composting process.

dewatered sewage sludge；corn straw；compost；biochar；coal gangue based zeolite；nitrogen retention

X703.5

A

1000-6923(2023)11-5873-11

葛啟隆(1988-),男,山西運城人,講師,博士,主要研究方向為水和土壤污染治理.發表論文10余篇.geqilongde@163.com.

葛啟隆,王國英,侯 瑞,等.添加劑對污泥堆肥過程中氣體排放和酶活性的影響 [J]. 中國環境科學, 2023,43(11):5873-5883.

Ge Q L, Wang G Y, Hou R, et al. Effects of the additives on gas emission and enzyme activities during sludge composting [J]. China Environmental Science, 2023,43(11):5873-5883.

2023-03-13

山西省高等學校科技創新項目(2020L0721);山西省基礎研究計劃項目項目(202103021223009)

* 責任作者, 講師, geqilongde@163.com