城市生活垃圾好氧堆肥中氨气变化及其影响(1).pdf

经 验 交 流 城市生活垃圾好氧堆肥中氨气变化及其影响 单爱丽王帆严红 大连大学环境与化学工程学院， 辽宁 大连 116622 摘要 堆肥过程中氮素损失比较严重， 而氨气挥发是氮损失的主要途径。利用城市生活垃圾进行好氧堆肥， 研究其堆 肥过程中氨气变化规律及其对堆肥性质的影响。结果表明 在堆肥期间， 氨气含量先增加后减小， 最后基本稳定在 5 mg/kg左右; 而全氮含量先降低后增加; 硝态氮含量先降低后增加; 铵态氮是先快速增加， 后缓慢减小至稳定; pH 值 先下降后升高， 最终稳定在中性范围内; w C /w N 先增加后下降; 有机质含量显著下降。 关键词 城市生活垃圾; 好氧堆肥; 氨气 THE CHANGE IN AMMONIA AND ITS EFFECT DURING AEROBIC COMPOSTING OF MUNICIPAL SOLID WASTES Shan AiliWang FanYan Hong College of Environment and Chemical Engineering，Dalian University，Dalian 116622， China AbstractA heavy loss of nitrogen occurs in the process of composting，whereas the ammonia volatilization is the primary path. Municipal solid wastes MSW composting with aerobic composting technology was studied on the change of ammonia and its effect on character of composting in the process of composting. The results showed that ammonia content had a increase after decrease till to 5 mg/kg;the dynamic variations of content of the total nitrogen first decreased and then increased;amino nitrogen content had a slow reduction after a significant increase until a stabilization，on the contrary，nitrate nitrogen content first decreased and then increased;pH appeared decreased first and then increased till neutral state;C/N ratio showed reduction first and then increased;organic matter content decreased obviously during the composting. Keywordsmunicipal solid wastes;aerobic composting;ammonia 好氧堆肥作为城市生活垃圾资源化无害化处理 的有效途径之一， 形成堆肥产品富含腐殖质和 N、 P、 K 等营养元素， 既是土壤改良剂， 也是优质肥料 ［ 1- 2］。 但是在堆肥过程中普遍存在氮素损失的现象， 氮素损 失形式主要有氨的持续性挥发和硝态氮的反硝化， 其 中氨气挥发要明显大于硝态氮反硝化 ［ 3］。氨气是一 种有剧烈刺激性气味的臭气， 它的挥发， 不仅污染环 境， 而且降低堆肥产品品质和农用价值 ［ 4- 5］。因此， 堆 肥过程中氨气的挥发规律及如何控制氨气的挥发， 是 堆肥研究热点 ［ 6- 13］。 本试验通过对堆肥过程中氨气浓度、 总氮、 铵态 氮和硝态氮等指标的含量进行测定， 研究了氨气在堆 肥过程中的变化规律及其对堆肥性质的影响， 对探讨 如何减少氨气的挥发， 更好的控制氮素的损失， 提高 堆肥产品品质， 减少环境污染提供一定的理论依据。 1试验 1. 1供试材料 堆肥原料采用大连大学附近居民区收集的垃圾。 其中包括 塑料、 石块、 烟头、 蔬菜叶、 水果皮、 废纸等。 堆肥前， 对其进行分选， 剔出不易降解的物质， 剩下的 主要为有机生物垃圾， 并测定其各项指标， 结果如表 1 所示。 表 1供试堆肥材料基本性质 pH 值 水分质量 分数 / 有机质质 量分数 / w C/ w N 总氮质量 分数 / gkg － 1 硝态氮 质量分数 / gkg － 1 铵态氮 质量分数 / gkg － 1 6. 6455. 1823. 8913. 2610. 424. 250. 44 1. 2方法 将要进行发酵的原料， 进行分选， 剩下主要为卷 心菜、 大小白菜叶、 芹菜叶等， 然后破碎， 其粒径范围 为 1 ～ 2 cm。再按试验要求配料、 充分混合均匀后， 19 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 称量 2. 5 ～ 3 kg装入发酵装置中。将发酵装置放置恒 温培养箱中培养， 定时调整水分， 前期堆体的水分控 制在 50 左右， 堆肥后期堆体的水分保持自然。采 用间歇式通气供氧， 空气流量为0. 3 m3/h， 每天分别 在上午、 晚上通气 2 次， 每次通气时间在30 min。 试验开始后， 每 3 d 进行一次手工翻堆， 以保证 堆体中氧气的扩散和物料的混合。 2结果与分析 2. 1堆肥过程中氨气的动态变化 堆肥过程中氨气的变化规律见图 1。 图 1堆肥过程中氨气变化规律 由图 1 可以看出， 堆肥初始， 氨气质量分数很低， 仅为4 mg/kg， 说明即使堆肥中有大量有机氮存在， 没 有微生物的分解作用， 也不会有氨气释放出来。随着 堆肥的进行， 堆体温度迅速升高， 微生物活性增强， 氨 气的释放量也随之升高， 其最高峰期出现在培养后第 1 ～ 6 天， 并在第 6 天达到最大值 156. 15 mg/kg 。 6 d 后氨气的释放量开始下降， 且氨气下降幅度比较 大， 最大降幅为 89. 32 ， 在堆肥进行到 13 d 后， 氨气 的产生量开始下降并趋于平缓。堆肥后期氨释放量 基本稳定在5 mg/kg左右。 在城市生活垃圾的整个堆肥过程中， 大量氨的释 放主要集中在前期和中期， 后期氨气的释放量很少。 这是因为堆肥初期， 在高温微生物的作用下， 大量有 机物质分解， 转化成无机态氮， 无机态氮在氨化细菌 的作用下进一步转化成氨气。因此， 堆肥初期氨气的 量呈现直线上升趋势， 说明随着微生物矿化作用减 弱， 有机态氮降解为无机态氮的量减少， 氨态氮含量 下降， 氨气的产生量也随之减少; 加之， 铵态氮在硝化 细菌的作用下转化成硝态氮， 抑制了氨气的产生。由 此可见， 在升温期和高温期， 氨气的挥发量最大， 而在 后期氨气的挥发量较小， 因此， 氨气释放的调控重点 在于前期。 2. 2氨气变化对全氮含量的影响 氨气含量的变化对全氮含量的影响见图 2。 图 2氨气变化对全氮含量的影响 从图 2 可以看出， 在整个堆肥过程中， 随着氨气 产生量先增加然后减少的变化， 而堆体的全氮含量先 降低后增加。在堆肥初期， 氨气产生量增加， 而堆体 的全氮量下降， 当堆肥进行到第 6 天， 氨气浓度达到 最大， 全氮含量逐渐下降， 在堆肥进行到第 12 天， 氨 气产生量快速下降， 而全氮含量降到最低点， 即全氮 损失量最大; 从堆肥 13 d 后， 氨气产生量下降幅度逐 渐减少， 而全氮量逐渐上升。这是因为在堆肥初期， 随着堆体温度的升高， 原料中的有机氮不断转化为氨 态氮， 氨态氮的累积造成的氨气逸出， 从而堆体总氮 量减少; 随着氨气大量产生， 致使堆体的 pH 值的上 升， 抑制了微生物分解氮素， 所以当堆肥进行到中期 时， 堆体产生氨气浓度下降， 而堆体中的一些硝化细 菌活动增强， 不断把氨氮转化为硝态氮， 从而总氮量 又开始上升。 2. 3氨气变化对氨氮和硝态氮含量的影响 氨气含量的变化对氨氮和硝态氮含量的影响见 图 3。 图 3氨气变化对氨氮和硝态氮的影响 由图 3 可知， 随着堆肥的进行， NH 4 -N 变化显 著， 呈现先快速增加， 后缓慢减小至稳定的变化趋势， 与氨气变化规律一致; 而堆肥中的 NO － 3 -N 含量先下 降后上升， 与氨气的变化规律相反。这是由于在堆肥 初期， 有机氮在微生物酶的作用下转化为简单的有机 氮化合物， 再转化为 NH3。由于堆体的含水率较高， 随着微生物快速生长和繁殖加速了有机氮的分解， 生 29 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 成的 NH3主要以 NH 4 -N 的形式存在于堆体中， 硝化 细菌的生长活动受到强烈抑制， 而反硝化细菌活跃， 不断将 NO － 3 -N 转化为 NH 4 -N， 使 NH 4 -N 的含量不 断增加， 而 NO － 3 -N 含量下降较快。在堆肥进行中期， 随着温度、 pH 值的升高， 积累的 NH 4 -N 以氨气的形 式释放到大气中。当堆肥进行到降温期， 即当温度降 到 40℃ 以下时， 硝化细菌快速生长并大量繁殖， 硝化 反应开始发生， 硝化作用得到加强， 这导致了堆肥 NH 4 -N 的含量急剧减少， NO － 3 -N 含量的上升。这与 前人研究结果类似 ［ 12- 13］。 2. 4氨气变化对 pH 值的影响 氨气含量的变化对堆体 pH 的影响见图 4。 图 4氨气变化对 pH 值的影响 堆肥过程中， pH 过高， 会导致氨氮的挥发。从 图 4 可以看出， 随着氨气的变化， 堆体的 pH 值变化 规律为下降、 升高最后下降。在堆肥初期， pH 值在 6. 6 左右堆料呈微酸性时， 随着堆肥时间及氨气释放 量的增加， 堆体的 pH 值开始下降， 这是由于此时可 被微生物利用的有机质比较丰富， 微生物繁殖很快， 其活动产生的有机酸使堆料的 pH 值出现下降， 且氨 气挥发的多， 在堆肥的第 6 天， 氨气挥发量达到最大， 而堆体的 pH 值达到最低值 最低值为 6. 21 ; 当堆肥 进行到第 7 天， 氨气产生量下降， 而 pH 值升高， 第 18 天达最高值 8. 1， 这是因为当堆体温度的升高， 有机 酸分解转化， 特别是氨态氮有机物的生成和积累， 堆 料的碱度逐渐增强， 从而使物料的 pH 值又开始上 升。随着有机质的分解基本完成， pH 值又逐渐下降， 最终稳定在中性范围内。 由此可以看出堆肥过程中氨气含量的相对变化 对 pH 值有直接影响。堆肥过程中， 当堆肥过了高温 期后， 温度逐步下降， 硝化细菌又逐渐活跃起来， 氨态 氮在硝化细菌作用下部分转化为硝态氮， 再加上氨气 挥发， 氨态氮浓度相应减小， pH 值必然减小， 硝态氮 的转化量也将减小。 2. 5氨气变化对 w C /w N 的影响 氨气含量变化对 w C /w N 的影响见图 5。 图 5氨气变化对 w C /w N 的影响 由图 5 可见， 初始 w C /w N 为 13. 26。随着 氨气产生量的增加， w C /w N 随之增加， 氨气在堆 肥进行到第 6 天， 达到最大值， w C /w N 最大值出 现在第 12 天， 达 21. 34， 比氨气的最大值出现的晚 些; 从 堆肥 第 7 天开 始， 氨气浓度就开 始 下 降， 而 w C /w N 在第 13 天 后， 才开始 下 降， 最 后 降 至 8. 34， 下降幅度较大， 下降了 60. 92 ， 但在堆肥后期 没有趋于稳定。 在堆肥初期， 氨气大量挥发， 致使堆体的总氮量 下降比较大， 而此时堆体的微生物分解有机质速率较 低， 即碳量的下降速率低于氮量， 因此 w C /w N 增加; 当堆肥进行到中期， 微生物的新陈代谢活动旺 盛， 分解碳量速率快速增加， 而氨气挥发量减小， 总氮 量损 失 较少， 所 以 在 堆 肥中后期， 氨气浓 度 下 降， w C /w N 也下降。 2. 6氨气变化对有机质的影响 氨气变化对有机质的影响见图 6。 图 6氨气变化对有机质含量的影响 由图 6 可以看出， 在整个堆肥过程中， 氨气含量 先增加后下降， 而堆体的有机质含量一直下降。当堆 肥进行第 12 天时， 氨气产生量趋于稳定， 而在这个过 程中， 有机质的下降幅度最大， 最大降幅为 28. 8 ; 第 13 天后一直到堆肥成熟， 氨气与有机质含量下降 幅度较小。这是因为堆肥初始， 存在大量易降解有机 39 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 物， 在适宜的 pH 值条件下， 微生物大量繁殖， 堆料中 的有机质在胞外酶的作用下发生水解， 变成水溶态有 机质， 从而被微生物分解利用， 同时产生大量的氨气， 大量的氨气挥发会影响堆肥的 pH 值， 致使堆肥的 pH 值上升， 当 pH 值过高 pH 9 或过低 pH 4 时， 会抑制微生物对有机质的分解速度。因此， 在堆 肥后期， 氨气含量减少， 有机质含量的变化也不显著。 3结论 1 堆肥初始， 氨气含量很低， 随着堆肥的进行， 氨气的释放量也 随之 升 高， 在 第 5 天 达 到 最 大 值 156. 15 mg/kg ， 然后， 氨气下降， 堆肥后期氨释放 量基本稳定在5 mg/kg左右。 2 在整个堆肥过程中， 全氮含量先降低后增加; NH 4 -N 含量先快速增加， 后缓慢减小至稳定的变化 趋势， NO － 3 -N 含量先下降后上升; pH 值先下降后升 高， 最终稳定在中性范围内; w C /w N 先增加后下 降， 但最终没有趋于稳定; 有机质含量呈显著下降 趋势。 参考文献 ［1 ］ 杨延梅， 张相. 锋， 杨志峰， 等. 厨余好氧堆肥中的氮素转化与 氮素损失研究［J］ . 环境科学与技术， 2006， 29 12 54- 56. ［2 ］ Barrington S，Choinire D，Trigui M， et al. 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