沼渣与污泥混合高温堆肥效果及氮素控制

周 俊，杨玉婷，谢欣欣，雍晓雨，刘奋武，王舒雅，张雪英，郑 涛

(1.南京工业大学生物与制药工程学院，南京211800； 2.南京工业大学环境学院，南京211800；3.山西农业大学资源与环境科学学院，太谷030801)

沼渣与污泥混合高温堆肥效果及氮素控制

周 俊1，杨玉婷2，谢欣欣1，雍晓雨1，刘奋武3，王舒雅1，张雪英2，郑 涛1

(1.南京工业大学生物与制药工程学院，南京211800； 2.南京工业大学环境学院，南京211800；3.山西农业大学资源与环境科学学院，太谷030801)

以锯木屑为调理剂，以Mg(OH)2与H3PO4的混合液为高温堆肥过程中的氮素抑制剂，研究沼渣与啤酒厂污泥混合堆肥效果。结果表明：混合物经好氧发酵处理后，均达到腐熟。添加氮素固定剂处理和对照处理的最高温度都可达65 ℃以上，在堆肥过程中添加氮素固定剂处理可提高堆体中有机物质的转化速率，对氮素的固定率达18%以上，添加固氮剂处理的堆肥结束后P元素增加了51%，堆肥品质得到了大幅度提高。堆肥过程中的物料的种子发芽指数不断提高,达到0.9；添加固氮剂的处理堆肥的种子发芽指数为1.0，明显高于对照。可见采用高温堆肥和氮素固定技术可有效地实现沼渣及啤酒厂污泥的混合资源化，该研究为后期沼渣和啤酒厂污泥堆肥的规模化应用提供了技术参数。

沼渣；啤酒厂污泥；堆肥；氮素固定；腐熟

沼渣是固体废物厌氧消化后残余体系的固态物质，经过脱水后的沼渣含有大量植物生长所需养分，如某些有机质、N、P、K和微量元素等，然而由于存在病原微生物及恶臭等问题，使其不能直接进入农田处置。同时，沼渣脱水后，仍有高达80%(质量分数)以上的含水率，增加运输成本，限制其远距离运输。另一方面，啤酒厂污泥是啤酒厂废水处理过程中产生的，其组成成分与沼渣相似，但不含重金属，它们也不能直接进入农田作为有机生物肥料[1]。因此，在去除沼渣及啤酒厂污泥中病原微生物、恶臭及降低其水分基础上，对其进行合理的无害化处理及资源化农业利用显得尤为必要。

高温好氧堆肥是在人工控制条件下，通过微生物对有机废物逐步分解，进而实现病原微生物消除，最终将有机废物转变成为稳定的对环境无害的类腐殖质的复合物的技术。然而，堆肥最大的负面影响是高温及偏碱环境下NH3的挥发，好氧堆肥过程中氮素的损失量为16%～74%(质量分数)，平均约为40%(质量分数)[2-7]。然而，通过调节堆肥物料的起始碳氮比(C/N比)、加入固氮剂可以调控NH3的挥发速率及挥发量[8]。

1 材料与方法

1.1 堆肥材料

供试沼渣取自南京工业大学车用生物天然气示范工程，原料为秸秆和人粪尿，进料浓度8%(质量分数)左右；污泥采自金陵啤酒厂的脱水污泥；调理剂为锯木屑，具体性质见表1。

表1 堆肥各物料的主要化学性质

1.2 堆肥场地及试验设计

堆肥场地在南京工业大学校内车用生物天然气示范工程内，采用静态条垛式堆肥工艺，每堆的湿质量为6 t，每2 d翻堆1次。本研究中的主要原料为沼渣和污泥，并根据物料性质添加一定的锯木屑。最后按照V(沼渣)∶V(锯木屑)∶V(污泥)=3∶ 1.5∶ 1的配比混匀原料，并添加质量比为原料总质量10%的猪粪做接种物，水分控制在70%左右。为研究堆肥过程中对氮素的固定效果，特设置如下2个处理：1)混合物料(对照试验)；2)混合物料+质量分数2% Mg(OH)2与H3PO4(1∶ 4)混合液。

1.3 取样及测定

种子发芽指数=(堆肥浸提液处理种子的发芽率×处理种子的根长)/(去离子水处理种子的发芽率×去离子水种子的根长)×100%

(1)

2 结果与讨论

2.1 堆肥过程中温度的变化

温度变化是判断堆肥是否达到无害化的重要指标之一[20-23]，正常运行的堆肥过程中温度的变化可分为升温期、高温期、降温期及腐熟期。本研究堆肥原料中的沼渣是秸秆和人粪尿经过厌氧发酵后的残余物，降解性能较差，因此和啤酒厂污泥混合好氧堆肥过程中温度能否上升至关重要。

图1为堆肥过程中温度变化曲线。由图1可知：2个不同处理的堆体堆肥过程中温度的变化基本一致，第5 天后温度上升到60 ℃，在第8天时温度达到最高67 ℃，从第18天开始进入缓慢降温期，可见高温阶段保证了堆肥的无害化和腐熟。由图1还可以看出：添加氮素固定剂的处理温度降低的速度比对照处理快，这间接说明添加氮素固定剂处理堆肥的腐熟速度快于对照处理。从第38 天开始堆肥进入腐熟期，堆体温度逐渐接近于环境温度。因此，通过该堆肥过程中温度的变化可以初步判断该原料堆肥是成功的。

图1 沼渣与啤酒厂污泥混合堆肥过程中温度的变化Fig.1 Changes of temperature during composting of biogas slurry and brewery sludge

2.2 堆肥过程中有机质含量的变化

堆肥过程中微生物能够利用有机物进行生长，进而降低堆体中有机物的含量。图2为不同处理好氧堆肥过程中有机质含量的变化。由图2可以看出：有机质含量随堆制时间的延长均呈下降趋势，在0～15 d期间，有机质随堆体温度的升高降解较为剧烈，有机质含量降低幅度较大，后期变化较为缓和。堆肥结束后，添加固氮剂处理及对照的有机质降解率分别为8.31%和8.01%，其中添加氮素固定剂处理有机质的降解率略高，这说明添加剂在一定程度上能促进有机物降解。然而，从整个有机质的降解效率来看都偏低，这说明沼渣在厌氧消化过程中在厌氧微生物的作用下已经有一部分被生物降解或转化为较为稳定的腐殖质类物质[23]，所以在好氧堆肥过程中整体的转化效率不高。

图2 沼渣及啤酒厂污泥混合堆肥过程中有机质的变化Fig.2 Changes of organic matter during composting of biogas slurry and brewery sludge

2.3 堆肥过程中氮素的变化

图3 沼渣及啤酒厂污泥混合堆肥过程中全氮、氨氮、硝氮和有机氮的变化Fig.3 Changes of -N,and organic nitrogen during composting

2.4 氮素固定剂对氮素的固定率

氮素固定剂Mg(OH)2与H3PO4混合液对堆肥物料氮素的固定率的计算参照文献[13]，通过计算发现堆肥结束后固氮率达18%以上，有较好的固氮效果。结合文献分析可知：Mg(OH)2与H3PO4混合液在堆肥过程中堆体中的氨氮反应形成了一种Mg(NH4)PO4·6H2O的无机肥料，进而将氨氮固定，减少了氮素的损失，提高了肥效。

2.5 堆肥过程中全磷含量的变化

P也是堆肥产品中的重要营养元素，一般在堆肥过程中P的总量基本不会损失。图4是沼渣及污泥混合堆肥过程中全磷的变化趋势。由图4可知：不同处理方法的全磷含量都是逐渐增加的，这是由于在发酵的过程中有机质被微生物降解后P被相对“浓缩”的原因，且添加Mg(OH)2与H3PO4混合液的处理组全磷的含量远远高于对照处理组，最后P元素提高了51%，这是由于添加了H3PO4固氮剂的原因，与文献[19-21]报道的结果一致。由于P是植物生长的必需元素，因此可以推测添加固氮剂的处理肥效要高于对照，提高了堆肥产品的附加值。

图4 沼渣及啤酒厂污泥混合堆肥过程中全磷的变化Fig.4 Change of TP during composting of biogas slurry and brewery sludge

2.6 沼渣堆肥腐熟度的评价

种子发芽指数(GI)可综合反映堆肥产品的植物毒性，目前被认为是最敏感、最简单、最可靠的堆肥腐熟度评价指标。如果GI>0.5，则可认为基本无毒性，当GI达到0.8～0.85时，就可以认为堆肥对植物没有毒性[5]。图5为不同处理堆肥过程中种子发芽指数的变化。从图5可以看出，在堆肥过程中不同处理组的GI都有先降低后逐渐升高的趋势，前期的降低可能是在高温期产生的小分子物质对植物的种子有一定的毒害作用，后期随着堆肥的不断腐熟，种子发芽指数不断提高。堆肥结束后，添加Mg(OH)2与H3PO4混合液处理和对照处理的种子发芽指数分别达到了1.0和0.94。由于此时堆肥都已腐熟，堆肥产品可安全使用，另外添加固氮剂的堆肥的腐熟度略高于对照。

图5 沼渣与啤酒厂污泥混合堆肥过程中种子发芽指数变化Fig.5 Change of cress seed germination during composting of biogas slurry and brewery sludge

3 结 论

1)沼渣及啤酒厂污泥混合物经高温好氧堆肥发酵，均达到腐熟，沼渣及啤酒厂污泥混合高温堆肥技术可行。

2)添加Mg(OH)2与H3PO4混合液处理和对照处理最高温度都可达65 ℃以上，添加氮素固定剂在堆肥过程中能促进堆肥发酵，提高堆体中有机物质的生物转化率，对氮素的固定率达18%以上。

3)添加固氮剂Mg(OH)2与H3PO4的处理堆肥结束后磷元素提高了51%，堆肥的附加值大幅度提高。

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(责任编辑 周晓薇)

Transformation and loss of nitrogen during compostingof biogas slurry and sludge

ZHOU Jun1,YANG Yuting2,XIE Xinxin1,YONG Xiaoyu1,LIU Fenwu3,WANG Shuya1,ZHANG Xueying2,ZHENG Tao1

(1.College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211800,China； 2.College of Environment,Nanjing Tech University Nanjing 211800,China； 3.College of Resource and Environment,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801,China)

Aerobic composting of the mixture of biogas slurry and brewery sludge with sawdust as bulking agent was conducted in the absence and presence of nitrogen fixatives with an aim to inhibit nitrogen loss during composting,and the nitrogen fixatives was selected as the solution of Mg(OH)2-H3PO4.Results showed that both treatments were matured after 53 d.The highest temperature of all compost piles reached 65 ℃, and the fixatives could slightly enhance the transformation rate of organic matter.Specially,the nitrogen fixing rate was higher than 18% and total P content was increased by 51% in the treatment of applying Mg(OH)2-H3PO4solution.The seed germination index of compost was 0.9,and that of the treatment of the fixatives addition was 1.0,obviously better than the control.Aerobic composting in the present of nitrogen fixatives is a suitable approach to treat biogas slurry and brewery sludge.

biagas slurry;brewery sludge;composting;nitrogen fixation;mature

10.3969/j.issn.1672-3678.2014.06.008

2013-09-11

中国科学院环境与应用微生物重点实验室开放基金(KLCAS-2013-05);江苏农业自主创新项目(CX(13)3045);国家自然科学基金(21307058、21207065)；江苏省青年自然科学基金(BK20130931)；江苏省高校自然科学研究面上项目(13KJB610006)

周 俊(1983—)，男，河南信阳人，博士，讲师，研究方向：固体废弃物的资源化、无害化及能源化理论与技术，E-mail:junzhou1983@126.com；郑 涛(联系人)，教授，E-mail:zhengtao@njtech.edu.cn

S141.1

A

1672-3678(2014)06-0039-05