原料含水率对筒仓式反应器堆肥氮素转化的影响

徐鹏翔 沈玉君 周海宾 孟海波 李 季 段崇东

(1.农业农村部规划设计研究院，北京 100125；2.农业农村部资源循环利用技术与模式重点实验室，北京 100125；3.中国农业大学 资源与环境学院，北京 100193；4.北京沃土天地生物科技股份有限公司，北京 100193)

堆肥原料的含水率对堆肥过程中堆体升温具有重要影响[1]。原料含水率过高时，堆体孔隙度降低，空气流通受到抑制，导致堆体中产生厌氧区，限制了微生物对氧气的利用[2]。堆肥原料类型、工艺和环境等条件不同，对堆体的起始含水率要求也不同，决定着堆体是否能够顺利发酵。如Haug[3]推荐堆体含水率为40%～60%，Guo等[4]推荐堆体含水率为65%～75%，Liang等[5]认为堆肥过程中保证微生物生长活性所需要的最低含水率为50%，Ahn等[6]推荐堆体最佳含水率为60%～80%。堆肥过程中含水率低于40%时将限制微生物活性，含水率过高又会导致厌氧环境的产生[7]。传统堆肥工艺中物料为静态或水平移动，推荐堆肥原料含水率调节为50%～70%[8]；筒仓式反应器堆肥过程中物料自上而下动态位移，原料含水率对堆体升温、养分转化和水分去除影响较大[9]，是决定物料是否能顺利发酵的重要因素。

堆肥过程中，NH3的挥发是氮养分损失的主要途径，因此了解氮素转化的过程与影响因素不仅有利于堆肥工艺的优化，而且可实现堆肥产品增值。堆肥环境、原料性质以及工艺控制参数是影响堆肥过程中微生物活性的主要因素，从而也影响了氮素的转化。污泥堆肥过程中，氨化作用、硝化作用、反硝化作用和氨气的同化等不同形态氮的转化过程可同时发生[10]。堆体含氧量、发酵温度、含水率、pH以及铵态氮含量都能影响氮的硝化作用[11]。堆肥高温好氧发酵阶段是生物降解最强烈的时期，原料中的蛋白质类物质被微生物分解并释放出铵态氮，随之开始氨化作用[12]。当堆体温度大于65 ℃、原料pH达到8.4以上时，发酵物料中的氮将以NH3的形式蒸发损失[13]，氮在高温发酵阶段的损失量可占总氮量的40%～70%[14]。Koyama等[15]研究发现，堆肥物料在60和70 ℃环境中NH3排放量分别为总氮量的14.7%和15.6%，氮素平衡分析说明高温促进了非溶解态氮的溶解，促进了铵态氮向NH3的转化。

与传统条垛式和槽式堆肥不同，反应器堆肥是一种密闭式快速堆肥工艺，可分为滚筒式反应器堆肥、筒仓式反应器堆肥和箱式反应器堆肥等，具有占地面积小、发酵周期短、堆体温度高和臭气控制好等特点，在有机废弃物就地处理方面具有较好的应用前景。由于反应器堆肥设备的特殊环境，物料在反应器中的发酵过程和氮养分转化过程也与传统堆肥不同。在密闭式反应器堆肥系统中，由于发酵过程中产生的水蒸气不断冷凝和收集，促进堆体水分含量快速下降，在此环境条件下堆体中的硝化作用反而得到加强[16]。Petric等[17]研究了小型反应器中不同含水率对畜禽粪便和秸秆混合堆肥指标的影响，发现物料含水率较高时可以导致氨损失。筒仓式反应器近年来在我国有机固体废弃物处理行业得到快速推广，但反应器堆肥工艺过程的控制和参数的选择一直以来都缺少科研数据支撑。因此，为优化筒仓式反应器堆肥工艺，揭示不同含水率原料在筒仓式反应器堆肥中的氮素转化特征，该研究拟以污泥和稻糠为主要原料，分析不同含水率的污泥在筒仓式反应器堆肥中的发酵效果和氮素形态转化过程，以期为污泥反应器堆肥工艺和肥料化利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验原料为脱水污泥和稻糠，均取自某城市污水处理厂。堆肥原料基本性质见表1。

1.2 试验装置

本试验在筒仓式反应器中进行，反应器设备示意图见图1。筒仓式反应器装置包括进料系统、发酵筒仓、搅拌系统、曝气系统、排气系统、出料系统和自动控制系统，筒仓容积86 m3，处理量5～8 m3/d。

1.3 试验设计

综合考虑污泥和秸秆原料的C/N和含水率范围，本研究将筒仓式反应器堆肥进料含水率调为57%，并以此为基础按梯度增加水分含量以确定污泥原料在筒仓式反应器中堆肥所需要的最适含水率。试验共设4个处理，各处理含水率调节为57%、60%、63%和66%，分别用MC57、MC60、MC63和MC66表示。各处理堆肥原料准备方法如下：1)取脱水污泥1 000 kg，添加稻糠400 kg，混合均匀，形成含水率57%的混合物料；2) 取脱水污泥1 000 kg，取稻糠400 kg，取105 kg纯净水与稻糠混匀，再将稻糠与污泥混合均匀，形成含水率60%的混合物料；3) 取脱水污泥1 000 kg，取稻糠400 kg，取227 kg纯净水与稻糠混匀，再将稻糠与污泥混合均匀，形成含水率63%的混合物料；4)取脱水污泥1 000 kg，取稻糠400 kg，取370 kg纯净水与稻糠混匀，再将稻糠与污泥混合均匀，形成含水率66%的混合物料。

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

图1 筒仓式堆肥反应器Fig.1 Silo composting reactor

1.4 分析方法

采用电子温度计测定温度。酸碱度依据农业行业标准NY 525—2012《有机肥料》中的pH计法测定。种子发芽指数依据农业行业标准NY 3442—2019《畜禽粪便堆肥技术规范》中的方法测定。NY/T 1116—2014 硝态氮、铵态氮和酰胺态氮含量依据农业行业标准《肥料 硝态氮、铵态氮、酰胺态氮含量的测定》中的方法测定。总氮采用元素分析仪测定 (Elementar Analysensysteme，Hanau，德国)。

2 结果与分析

2.1 堆肥基本理化指标

2.1.1堆肥温度

堆肥温度是反映堆肥效果的一个重要指标。在筒仓式反应器内部，堆肥物料从反应器顶部进料，经高温发酵后从反应器底部出料，不同深度物料的发酵温度不同。由图2可知，不同含水率的原料发酵温度在反应器内部分布差异较大。当原料含水率<63%时，温度在反应器内部自上而下呈逐渐降低趋势，其中MC57处理在物料深度0.1 m处发酵温度最高(70.4 ℃)。在物料深度0.5 m处，MC57、MC60和MC63处理发酵温度均达到60 ℃。随着发酵物料继续向下移动，原料含水率较低的MC57处理发酵温度快速下降，在物料深度1.0 m处其温度降低至55 ℃以下。当原料含水率达到66%时，0.5 m以上物料发酵温度低于55 ℃，随着发酵反应的继续进行，温度逐渐上升至60 ℃，说明原料含水率较高时不利于物料快速升温。整体来看，原料含水率为60%～63%时，堆肥物料在反应器内部升温较快，且发酵温度在不同物料深度分布较均匀，有利于快速发酵。

图2 不同含水率条件下筒仓式反应器内不同物料深度堆肥温度变化Fig.2 Changes of temperature during sewage sludge composting in silo reactor under different moisture content

2.1.2种子发芽指数(GI)

不同含水率条件下污泥反应器堆肥过程中GI指标如图3所示。《畜禽粪便堆肥技术规范》(NY/T 3442)中将GI作为堆肥产物质量评价指标[18]，要求GI≥70%。由图3可知，各处理GI值均大于79%，达到了堆肥腐熟条件。原料含水率为60%的MC60处理GI值最大，达到92.01%；其次为原料含水率为57%的处理MC57，GI值为90.06%。原料含水率为66%的MC66处理GI值相对其他处理较低，为79.14%，与GI值最高的MC60处理之间差异显著(P<0.05)，其他处理之间差异不显著。数据分析结果表明，当原料含水率介于57%～66%时，原料含水率较低的堆肥物料发酵结束时GI值较大。

2.2 氮养分指标

2.2.1总氮变化

不同含水率条件下污泥反应器堆肥过程中氮养分指标变化如表2所示。由表2可知，原料含水率为63%的MC63处理总氮(TN)含量最大(14.20 g/kg)，原料含水率为57%的MC57处理TN含量最小(11.30 g/kg)，MC63处理与其他处理之间差异显著(P<0.05)。结果表明原料含水率过高或过低都不利于TN的留存，原料含水率介于60%～63%时，有利于提高堆肥物料中TN含量。

2.2.2有机态氮变化

由表2可知，原料含水率较高时，堆肥物料中有机态氮含量较高。原料含水率为66%的MC66处理有机态氮含量最大(6.56 g/kg)，且与其他处理之间差异显著(P<0.05)；其次为原料含水率为63%的MC63处理，有机态氮含量为5.72 g/kg，比MC60处理高39.3%，且与其他处理之间差异显著(P<0.05)；原料含水率为57%的MC57处理有机态氮含量最小(2.56 g/kg)，比MC66处理低60.9%，且与其他处理之间差异显著(P<0.05)。数据分析结果表明，反应器堆肥过程中原料含水率较低时能够促进有机态氮的分解。

图3 不同含水率条件下污泥反应器堆肥GI值变化Fig.3 Changes of GI during sewage sludge composting in silo reactor under different moisture content

表2 不同含水率条件下污泥反应器堆肥氮养分变化Table 2 Changes of nitrogen nutrient during sewage sludge composting in silo reactor under different moisture content g/kg

2.2.3铵态氮变化

2.2.4硝态氮变化

2.2.5酰胺及氰氨态氮变化

由表2可知，原料含水率为63%的MC63处理酰胺及氰氨态氮含量最大(2.50 g/kg)，其次为原料含水率为66%的MC66处理(2.33 g/kg)，二者差异不显著。MC63处理与MC60处理、MC57处理相比，差异显著(P<0.01)，说明原料含水率较低时不利于酰胺及氰氨态氮的形成。数据分析结果表明，反应器堆肥过程中原料含水率介于63%～66%时，有利于提高堆肥物料中酰胺及氰氨态氮含量。

2.3 氮素转化分析

2.3.1氮素形态分布

不同含水率条件下污泥反应器堆肥过程中氮素形态分布如图4所示。由图4可知，原料含水率对不同形态的氮素影响效果不同；随着原料含水率的增加，铵态氮含量逐渐下降，硝态氮含量先增加后下降，酰胺及氰氨态氮含量逐渐增加，有机态氮含量逐渐增加，总氮含量先增加后减少，氮损失量先减少后增加。从氮养分留存角度分析，原料含水率为63%的MC63处理氮素损失量最少，有利于氮养分的保存。从有效态氮(铵态氮+硝态氮+酰胺及氰氨态氮)含量角度分析，原料含水率为60%的MC60处理有效态氮养分含量最高(9.53 g/kg)，与MC57和MC63处理比差异不显著，与MC66处理比差异显著(P<0.01)。Chen等以鸡粪和玉米秸秆为原料进行堆肥时，含水率63%的堆体发酵过程中具有较明显的硝化作用发生[19]。Sun等[20]研究了原料含水率与硝化作用之间的关系，认为堆肥发酵在密闭环境中时更容易形成冷凝水，当及时排出水分时由于增加了堆体中的氧气含量，因此促进了硝化反应的进行。本研究数据分析结果表明，反应器堆肥过程中原料含水率介于60%～63%时，有利于提高堆肥物料中有效态氮含量和减少氮养分的损失。

图4 不同含水率条件下污泥反应器堆肥氮素形态分布Fig.4 Distribution of nitrogen forms during sewage sludge composting in silo reactor under different moisture content

2.3.2原料含水率与氮素形态的相关分析

原料含水率与各氮素形态之间的相关分析结果如表3所示。由表3可知，当原料含水率为57%～66%时，含水率与铵态氮之间呈负相关(rs=-0.820)，与有机态氮之间呈正相关(rs=0.941)，与酰胺及氰氨态氮之间呈正相关(rs=0.756)，在置信度为0.01时以上相关性是显著的。数据分析表明，原料含水率与全氮、硝态氮之间无相关性。

3 讨 论

在传统条垛式和槽式堆肥过程中，堆体含水率随堆肥时间的增加逐渐降低，高温堆肥结束时含水率由60%左右降至45%以下。与传统条垛式和槽式堆肥环境相比，筒仓式反应器内部堆肥温度最高可达80 ℃以上，堆肥周期可缩短至7～10 d，水分去除效率更高，堆肥结束时下层出料含水率可降至40%以下。筒仓式反应器堆肥过程中，在烟囱效应作用下，水汽由下向上蒸发，反应器上层物料始终处于高湿状态，因此原料含水率对堆肥过程影响较大。当原料含水率过高时，不利于反应器内部快速升温；当原料含水率较低时，由于辅料用量的增加会导致处理量的减少和处理成本的增加。本文研究结果表明，当污泥原料含水率高于63%时，反应器内部堆体温度开始下降，不利于堆体的快速升温和水分的去除。

表3 原料含水率与氮素形态相关分析Table 3 Correlation analysis between water content of raw materials with nitrogen forms during reactor composting

在氮素形态分布方面，筒仓式反应器堆肥过程中的氮素转化及分布与传统堆肥工艺不同。含水率60%的牛粪反应器静态堆肥过程中氮素转化研究结果表明，堆肥降温期铵态氮、硝态氮和有机态氮分别占总氮含量的6.6%、0.6%和74.0%[24]，而本研究中含水率为60%的处理堆肥结束时铵态氮、硝态氮和有机态氮分别占总氮含量的35.1%、7.3%和27.8%。由此可知，筒仓式反应器堆肥环境有利于提高堆体中铵态氮和硝态氮的含量，这可能是由于筒仓式反应器具有发酵温度高、堆肥周期短的工艺特征，在较短时间内完成高温堆肥过程有利于提高堆肥产品中氮素养分含量。

4 结 论

1)污泥反应器堆肥原料含水率对堆体升温和各层温度分布具有直接影响。原料含水率为60%～63%时，反应器内堆体温度上升较快，堆体温度可达到60 ℃以上且在不同深度分布较均匀。种子发芽指数GI随原料含水率的增加呈下降趋势，含水率为60%的堆体GI值最大，各处理GI值均达到了堆肥标准要求。

2)污泥原料含水率对反应器堆肥中的氮素转化具有较大影响。随着污泥原料含水率的增加，堆肥结束时堆体中的总氮、铵态氮、硝态氮和酰胺及氰氨态氮含量先升高后下降，有机态氮含量逐渐升高。原料含水率为60%的堆体铵态氮和硝态氮含量最高，分别为6.50 g/kg和1.36 g/kg；原料含水率为63%的堆体总氮含量和酰胺及氰氨态氮含量最高，分别为14.20 g/kg和2.50 g/kg。原料含水率为57%～60%时，堆体中有机态氮分解率较大。

3)原料含水率可影响反应器堆肥中不同形态氮素的分布。含水率为63%的堆体氮素损失量最少，有利于氮养分的保存。从有效态氮含量角度分析，原料含水率为60%的堆体有效态氮养分含量最高(9.53 g/kg)。原料含水率与铵态氮之间呈负相关，与有机态氮和酰胺及氰氨态氮之间呈正相关，与全氮、硝态氮之间无相关性。整体来看，反应器堆肥过程中原料含水率介于60%～63%时有利于提高堆肥物料中氮养分含量。