调理剂在污泥堆肥过程中保氮方面的应用

王彬彬，赵继红，刘永德

(河南工业大学化学化工与环境学院，郑州 450001)

调理剂在污泥堆肥过程中保氮方面的应用

王彬彬，赵继红，刘永德

(河南工业大学化学化工与环境学院，郑州 450001)

近年来，好氧发酵技术在我国发展迅速，成为国内主流的污泥资源化处置方式。在污泥好氧堆肥过程中，需添加调理剂提高其降解性和满足必要的发酵条件。依据物料不同的性质及发酵过程参数，许多学者研究了不同功能的调理剂对污泥发酵过程中保氮效果的影响。本文综述了污泥堆肥调理剂的研究现状及其在好氧发酵过程中减少氮素损失方面的应用。

好氧发酵；污泥堆肥；调理剂；保氮

1 污泥堆肥调理剂

由于污泥自身含水率高，孔隙率和C/N均较低，导致其基本不具有很好的好氧降解特性。污泥单独进行堆肥效果差，腐熟度低，因此须添加适当的调理剂以降低其含水率，增加其孔隙率，调节其C/N、pH等，提高其降解率。除了这些基本功能外，某些调理剂在发酵过程中还具有降低氨气释放量、调节氧气含量等功能。在堆肥过程中，有机化合物被微生物转化利用的速度和程度取决于污泥的理化性质、调理剂的种类和比例以及控制堆肥的参数条件。考虑调理剂的这些作用，好氧发酵加入调理剂已成为现在普遍采取的方式。

1.1 调理剂种类

根据调理剂本身的性质，可将其分为活性调理剂和惰性调理剂两种，也可以根据调理剂在污泥好氧发酵过程中所起的具体作用进行分类，如除臭剂、重金属钝化剂、填充剂和接种剂等。

1.1 活性调理剂

活性调理剂本身含有参与生物发酵过程的可降解有机质，能够为微生物提供碳源，调节C/N比，如玉米秸秆、花生壳、稻草、木屑等都是活性调理剂。这些调理剂筛分较困难，基本无法循环使用，且对臭气的去除效果不够显著。近年来，污泥腐熟料作为调理剂被添加至好氧发酵过程中，已被部分堆肥厂采用，堆体升温快，高温期持续时间长，含水率下降快，种子发芽指数高。有些有机调理剂具有支撑性，被填充初始物料中，能很好地增加物料孔隙率，如添加颗粒化木质调理剂。另外，添加调理剂还能降低CH4和N2O的释放量。

1.2 惰性调理剂

惰性调理剂本身不含有参与生物好氧发酵过程的可降解有机质，其作用主要是为了降低初始物料的含水率，增加孔隙率，提高氧气的传质效率，如沸石、浮石、饭麦石、碎轮胎等。具备较好吸附性能的调理剂也可以减少臭气的释放，如添加各种生物炭等。另外，某些惰性调理剂还具有钝化重金属的作用。有学者利用碎轮胎与污泥混合好氧发酵，调理剂分别采用三种粒径，大于5.08 cm、2.54～5.08 cm、1.27～2.54 cm，体积混合比例（调理剂:初始污泥）为1:1、2:1、3:1，结果表明，调理剂的粒径为1.27～2.54 cm，混合比例为2:1时，堆肥效果最好[1]。

1.2 调理剂的研究现状

现阶段，许多学者都致力于研究不同功能的调理剂，体现在调节营养、pH、除臭、钝化重金属、可循环利用等方面。污泥好氧发酵过程中，有机质转化的速率以及程度与污泥本身的特性、调理剂的类型和添加量以及堆肥的具体条件有关。不同的调理剂能够调节初始物料不同的理化性质，改变生物降解动力学，缩短堆肥周期。Zhou等人研制了一种可循环使用塑性调理剂（RPBA），并采用两种粒径35 mm和50 mm的RPBA与污泥混合好氧发酵[2]，结果表明，RPBA50能更有效地降低含水率，提高氧气扩散效率，提高污泥堆肥效果。Zorpas等人在污泥好氧发酵中加入不同比例（10%，30%，40%）的木屑以及沸石作为调理剂[3]，结果表明，添加木屑能够增加最终产品的腐殖质含量，加入沸石，能够升高物料的pH，使重金属含量降低，并且能够循环利用。

2 氮素损失

氮素在污泥好氧堆肥过程中的迁移转化是一个非常复杂的过程，主要有氨化作用、挥发作用、硝化作用、反硝化作用、固定作用等。氮素损失主要以NH3形式被释放。大量有机氮如蛋白质，通过堆肥中特定微生物的氨化作用被转化为氨氮，氨氮在高温、高pH环境中会转化为氨气进而向外界环境排放。另外，在堆肥物料内部局部出现缺氧条件下，氨氮也可能依托微生物反硝化反应生成氮气而被排放，导致大量氮素损失。Czyzyk等人在研究污泥与木片联合堆肥时发现4个月后氮素损失为47.8%，8个月后氮素损失提高至总氮的58.2%[4]。因此，需要采取有效措施，控制污泥好氧发酵过程中的氮素损失。

3 调理剂在保氮方面的应用

调理剂在好氧发酵过程中对抑制氨气的释放具有重要作用，不同功能的调理剂具有不同的保氮特性。早在1984年已有学者提出抑制氨气挥发最简单有效的方式就是加入单糖调理剂（提供碳源），碳的形式是直接固定氮素以及随后产生的氨气的必要条件[5]。有研究指出，加入经过热处理的纤维素（180℃，1.0 MPa，30 min），是一种非常有效的降低氨气挥发的方式，经过热处理的木质纤维素含有大量单糖，提高了微生物固定有机氮分解产生的无机氮的活性，刺激氨同化作用，增加CO2的释放进而使氨气的挥发量从9.61%减少至3.37%[6]。

添加沸石可增加对氨气的吸附性能，进而减少向外界排放的氨气量。有学者对比了添加沸石与硝化抑制剂3,4—二甲基吡唑磷酸盐（DDMP）对污泥堆肥中氮素迁移与转化的影响，结果表明，相比于对照组，添加沸石以及DDMP两种工况氮素分别增加了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气的释放量[7]。加入聚乙烯管能够增加对氨气的吸附，降低氨气的释放量，但由于其孔隙率高，导致热量迅速散失，堆体的保温效果降低[8]。

生物炭具有较好的保氮效果，主要通过吸附作用和氧化作用在生物炭表面形成酸根，实现抑制氮素损失。因此，生物炭作为吸附剂被添加至好氧发酵中吸附氨气及保存氮素成为研究的热点。有研究指出，在污泥堆肥过程中加入生物炭，在好氧发酵的第1周就能显著降低氨气的挥发且提高了堆体温度和堆料的降解程度，可减少氮素损失达62%～69%[9]。生物炭虽然能够除臭保氮，但循环使用难度大、不能有效调节物料C/N等缺点制约着其在污泥堆肥过程中的应用。

4 结语

目前，用于污泥堆肥的调理剂种类很多，而加入沸石和生物炭被认为能有效减少氨气释放量，然而其本身并不能调节污泥自身的C/N，还需要添加有机调理剂以提供碳源。仅添加生物碳固然可以降低氮素损失，然而其难以循环利用而使成本增加。所以，寻找和制备可循环降解调理剂，将成为调理剂研究新的发展方向。

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 CzyżYk F，Rajmund A.Nitrogen loss during composting sewage sludge in a prism with plant remains.[J].Woda Środowisko 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-Swiątek 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关项目（项目编号：152102310084）的阶段性研究成果。

王彬彬（1990-），男，硕士研究生，研究方向：固体废弃物处理与资源化，Email：wangbinbin539@163.com