有机废弃物堆肥处理保氮技术研究

摘 要：文章根据有机废弃物高温好氧堆肥技术的特点，提出堆肥全过程保氮，阐述了不同堆肥阶段堆肥保氮的技术原理及方法，并对其不足和限制因素进行了相关分析，指出将有机废弃物堆肥处理的无害化和资源化有机结合起来是堆肥保氮技术的重要基础。

关键词：堆肥，保氮，有机废弃物，全过程

中图分类号：S963.91 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20150935013

引言

高温好氧堆肥是世界各国资源化利用厨余垃圾、市政污泥以及畜禽粪便等固体有机废物最重要途径之一。然而，高达77%的氮素损失量是高温好氧堆肥过程中的一个重要的限制性问题[1]，氮素损失不仅降低了堆肥产品的养分价值，还可能成为影响区域大气氮沉降和酸雨的重要污染源[2]。NH3是堆肥恶臭的主

要成分，它不仅是一种重要的酸雨催化物质，其溶于水后对堆肥设备也具有一定的腐蚀性；氮素是植物生长所需要的大量元素，堆肥过程中的氮素的损失直接导致堆肥品质的下降，影响其农业利用价值。

1 堆肥原料调控

1.1 调节堆料C/N比

碳和氮是微生物细胞合成和新陈代谢等生命活动中最重要的2种营养元素。堆肥过程中，C/N对于堆体有机质降解速率具有重要的影响，一般堆肥起始C/ N 调至25～35 之间，若C/ N过高，超过40，则堆体中可供消耗的碳元素多，氮素养料相对缺乏，微生物活动受到抑制，降解速率慢，发酵延长；若C/N过低，小于20，则可供消耗的碳元素少，氮素相对过剩，氮极易转变成氨态氮而挥发，导致氮素大量损失。因此，高氮元素含量堆体对于堆肥保氮极为不利。贺琪[7]等以鸡粪和小麦秸秆为原料进行堆肥实验，研究堆肥过程中各种形态氮素的转化和损失，结果显示，当堆体C/ N 分别为12.4、17.4、31.2、35.2时，氮素损失率分别为58.7%、60.2%、37.7%、23.3%，表明堆肥C/ N 越低，氮素损失越高[3]。叶素萍等通过猪粪和锯末联合堆肥也得到了类似的结论，并指出适合堆肥的C/N质量比为25～35。因此，不少研究者试图通过增加C/N降低堆肥氮素损失。Mahimairaja等]在畜禽粪便堆肥时，通过加入富C物质（秸杆和泥炭）使NH3损失分别降低33.5%和25.8%[4-5]。

1.2 控制堆料含水率

含水率是一个重要的堆肥控制参数，它可以通过多种方式影响堆肥氮素的损失：通过对堆肥温度的影响进而影响氮素损失。堆肥物料含水率过高，堆体升温慢，抑制NH3快速挥发；通过影响堆肥发酵方式进而影响氮素损失。当堆肥物料含水率过高时，堆体中某些区域存在厌氧核，增加了NOx产生的机率，但同时堆体厌氧发酵会产生有机酸，降低堆体pH，减少NH3挥发；通过影响渗滤液产生量进而影响氮素损失。堆肥物料含水率较高时，在其他工艺条件不变的情况下，渗出液产生量大，增大了渗出液带出的氮素损失。因此，在堆肥过程中，调节含水率时应综合考虑上述各因素，以减少氮素损失。

1.3 添加化学、物理试剂

在堆肥过程中引起氮素损失的主要原因是微生物将有机态氮分解为无机铵根离子，在高温和偏碱性环境条件下生成大量的游离NH3，当浓度持续升高时，形成大量的氨挥发。因此，添加相应的物理、化学试剂，降低堆肥物料中NH3浓度，可以有效抑制NH3挥发，降低氮素损失。常用的物理、化学试剂有2种类型，通过与NH3的化学反应降低NH3浓度，从而抑制NH3挥发，固定氮素。例如弱有机酸、过磷酸钙、金属盐类、含硫化合物等；通过吸附作用将NH3滞留在堆体中，减少NH3挥发，达到保氮目的，例如沸石、锯末、膨润土等。

在通过化学反应试剂降低NH3挥发的研究中，王敦球等发现，通过往堆肥物料中添加竹醋酸，可减少12.5%的氮损失。李国学等的研究也显示，堆肥过程中磷酸和氧化镁等物质的添加可以使氮素损失减低至40%；通过添加Ca 和Mg 盐，Witte等发现，鸡粪好氧降解过程中NH3挥发量量显著降低，进一步分析显示，在降低 NH3挥发能力上，MgCl2 效果最好，CaCl2 次之，MgSO4 影响最小；在各种用来降低NH3挥发的弱酸和金属盐中，过磷酸钙是一种很重要的调节剂，其成分中无论是磷酸钙、石膏还是游离酸都能将易挥发的NH4+-N 转化为比较稳定的酸性铵或硫酸铵，减少氮素损失，吴银宝等通过猪粪堆肥臭气产生与调控的研究发现，在猪粪堆肥过程中，添加1.5%的过磷酸钙添， 不仅可以降低堆肥的pH 值， 使挥发NH3浓度降低， 而且可以促进NH4+-N 向其它形式的氮转变，提高保氮效果。不过，由于微生物活动的环境pH是有一定范围的，因此，物料pH的调节区域有限，否则影响堆肥进程，此外，部分金属盐类固氮剂的使用，可能会增加堆肥应用的重金属环境污染风险。

1.4 接种微生物菌剂

堆肥过程中，微生物在氮类物质降解、NH4+-N 利用方面起至关重要的作用，因此可以通过接种能吸收、利用或转化NH4+-N 的微生物，促进NH4+-N的转化，将其转化为微生物氮或硝酸盐类，减少挥发性损失，目前国内外这方面已有大量研究。张陇利等的研究显示，污泥堆肥过程中复合微生物菌剂的加入，不仅促进了堆肥腐熟，增加堆体水分散失量，而且减少堆肥过程中氮素的损失。石春芝等人的研究表明，垃圾堆肥混合接种自生固氮菌和纤维素分解菌后，在固氮菌的作用下堆肥的含氮量得到提高，纤维素分解菌对固氮菌的生长有一定协同效应。国外Kostov和.Lynch以堆腐的锯末作为载体接种微生物，研究了接种纤维素降解菌头孢霉属和巴西固氮螺菌的锯末堆肥过程，试验结果显示，接种后堆肥过程中水溶性氨态氮的转化和水溶性有机氮的形成都有明显改善，保氮效果显著。Tiquia等人研究了接种商业菌剂对猪粪堆肥的影响，试验结果表明，堆肥初期接种组与对照组NH4+-N变化不大，但堆肥后期时接种商业菌剂的堆体中NH4+-N迅速下降，而对照组NH4+-N几乎保持不变，当堆肥进行到40d时，接种组NO3--N上升到1.35 mg/（g垃圾）；而未接种组的NO3--N则为0.95 mg/（g垃圾），接种商业菌剂有效促进了堆肥过程中NH4+-N 向NO3--N的转化。由于NH4+-N 主要产生在高温期，因此堆肥过程中所接种微生物菌剂物必须耐高温，同时不应特别强化NH4+-N向NO3--N 的转化， 因为NO3--N含量上升会增加堆肥污染地下水的危险，影响堆肥的应用。

2 堆肥过程控制

2.1 供氧调节

一般而言，好气条件可产生较多的NH3，而H2S 等酸性气体产生量较少；厌氧条件下则正相反：当堆体通风条件差，有机废弃物进行厌氧酵解时，将产生大量的脂肪酸、羧酸等酸性物质，使物料pH不断下降，有利于氮素的保存。王天光等的研究显示，有机废弃物进行厌氧发酵时，最大氮素损失仅有11.2%。不足的是，有机废弃物在厌氧条件下发酵虽然有利于氮素的保存，但厌氧的处理量没有好氧的处理量大，如何充分利用厌氧发酵过程中产生的各种酸性物质，并结合好氧堆肥发酵快速的优势，是一个值得考虑的快速堆肥保氮方法。通风方式也对氨气挥发具有重要影响，已有研究表明，正压通风、负压通风、翻堆条件下的氮损失分别为5%、11% 和18%；Sánchez-Monedero等研究了时间-温度联合控制通风方式对堆肥保氮的影响，结果显示，由于通风使得堆体温度变低，NH4+-N溶于水蒸气中而存留在堆料中，减少了因氨挥发造成的氮损失； Elwell等研究发现，采用间歇式通风方式对猪粪堆肥通风供氧时，氨的挥发量仅为连续式通风的5%。上述研究结果表明，通过优化堆肥通风技术，可显著减少氮素的损失，此外，适当的通风量还可以调节堆体温度，在减少氨气挥发的同时促进硝化作用和抑制反硝化的进行，从而减少因NOx挥发而发生的氮素损失。

2.2 温度控制

堆肥过程中NH3挥发的一个重要原因是堆体的高温，此外，高温也是抑制硝化细菌将NH4+-N转化为NO3--N一个重要因素。因此，温度越高，氨挥发量越大。李吉进等研究表明，温度与鸡粪氮素损失呈显著性正相关（ r = 0. 98 ）。曹喜涛等分别测定了鸡粪堆肥时30℃和50℃时NH3的挥发量，结果表明，50℃下氨挥发强度明显高于30℃。因此，在有机废弃物的堆肥过程中，降低堆体温度，可以有效降低氮素损失。然而，为了达到无害化要求，堆体需要在一定的高温下保持一段时间，以杀灭其中的有害病原菌和杂草种子，我国粪便无害化卫生标准要求堆肥温度应在55℃条件下保持3d以上，因此，在保证堆肥无害化的前提下，有效控制堆体温度，可以达到保氮的目的。

3 堆肥末端控制

在堆肥过程中，对于经过上述各种措施控制还不能消除的氨挥发或含氮渗出液，可以通过各种末端控制措施加以循环利用，如将一次发酵堆肥尾气通过后腐熟物料，利用后腐熟物料的吸附作用和其中硝化细菌的硝化作用，将尾气NH3回收利用；将渗出液用以堆肥二次发酵补水，充分利用其中的各种氮素，以提供堆肥的资源化水平。陆日明等利用堆肥作为生物滤池的填料，将鸡粪堆肥尾气中的氨进行吸收利用，结果显示，在进气氨浓度为115～1600 mg.m-3，气体停留时间为52.6 s的情况下，填料层的高度分别为20、40、60 cm的3个生物滤池对氨的累积去除率分别为73. 47%、85. 95%、94. 47%。刘强等通过生物滤池净化城市生活垃圾BMT发酵恶臭气体的研究发现，堆肥尾气经过生物滤池，虽然滤池填料中的总氮、总磷、总碳以及有机质含量没有发生明显的变化，但填料中水溶性总氮的含量却增加了53.7% 。生物滤池吸收是一个重要的含氮尾气利用途径，但其填充材料的选择对于吸收效果具有重要的影响，应注意选择。

4 结束语

在有机废弃物堆肥过程中，降低氮素损失应从堆肥全过程调控进行。但是，在实际控制过程中，有的保氮技术可能不利于堆肥的无害化，或者引入重金属污染物，甚至引起堆肥的生物安全问题，因此，在堆肥保氮的同时，应充分考虑上述问题，将堆肥技术的无害化和资源化有机结合起来，否则在达到堆肥保氮目的的同时又引入了新的环境污染问题。

参考文献

[1] 贾程， 张增强， 张永涛. 污泥堆肥过程中氮素形态的变化[J]. 环境科学学报， 2008， 28（11）： 2269-2276.

[2] 彭令发， 郝明德， 来璐. 土壤有机氮组分及其矿化模型研究[J].水土保持研究， 2003， 10（1）： 46-50.

[3] 贺琪， 李国学， 张亚宁， 等. 高温堆肥过程中的氮素损失及其变化规律[J]. 农业环境科学学报， 2005， 24（1）：169-173.

[4] 叶素萍. 农牧业固体废弃物堆肥化处理过程中氮素损失调控技术的研究[D]. 北京：中国农业大学， 2000

[5] 张相锋， 王洪涛， 周辉宇， 等.花卉废物和牛粪联合堆肥中的氮迁移[J]. 环境科学， 2003， 24（3）： 126-131.

作者简介：姚红艳（1981-），2002年毕业于新疆工业高等专科学院，同年进入新疆生产建设兵团第九师环境监测站工作至今，主要从事环境监测、环境污染与防治工作。