（环境工程专业论文）低碳氮比下生物质炭对高温好氧堆肥的影响.pdf

摘要 低碳氮比条件下生物质炭对高温好氧堆肥的影响 环境工程专业硕士研究生李映廷 指导老师赵秀兰副教授 摘要 高温好氧堆肥是城市污泥土地利用前处理最有效的方法之一。针对堆肥过程 中氮素损失严重，城市污泥堆肥产物养分含量低，调理剂的添加过多使堆体增容 严重而降低处理污泥量等问题，本论文在低碳氮比下( c n = 1 3 ) 条件下添加不同 类型的生物质炭( 小麦秸秆炭、花生壳炭和竹炭) ，研究了城市污泥高温好氧堆肥 过程中堆体理化性质如温度、含水率、p h 、电导率( e c ) 、碳变化、氮变化等，及 生物学性质如多酚氧化酶、过氧化氢酶、脲酶、脱氢酶、纤维素酶的变化，为城 市污泥资源化利用提供技术支持。获得的结论如下： ( 1 ) 低碳氮比条件下能够顺利完成好氧堆肥过程，堆体升温迅速，高温期达 5 6 d 。添加小麦秸秆生物炭在第2 d 达到了6 9 5 的最高温，缩短堆肥进入腐熟 期的时间，加速污泥堆肥的进程。生物质炭在堆肥前期加速含水率下降，后期起 保水的作用，不同生物质炭对堆体的p h 和含水率的影响不明显。过磷酸钙和生物 质炭会明显提高堆体的电导率，但未超过有害值。 ( 2 ) 降低碳氮比及添加生物质炭均使堆体总有机碳和水溶性有机碳的含量下 降，总有机碳下降了l o 3 7 2 2 6 1 ，添加竹炭处理下降幅度最大。水溶性有机 碳含量下降了2 1 6 2 5 6 7 1 ，以添加小麦秸秆炭处理下降最多，过磷酸钙会使 总有机碳含量下降，对水溶性有机碳影响不明显。 ( 3 ) 降低碳氮比及添加生物质炭使堆体腐殖酸含量下降，堆体的腐殖化程度 降低。过磷酸钙对腐殖酸含量影响不明显。各处理中碳氮比2 0 的腐殖化指数最高， 腐熟程度最高，添加生物质炭降低了堆体的腐殖化程度。 ( 4 ) 降低碳氮比使堆肥结束时全氮含量增加，全氮含量增加了8 3 9 2 7 7 0 ，以其中添加花生壳炭的处理增量最大。降低碳氮比导致堆体氮素损失增 加，碳氮比1 3 未添加过磷酸钙和生物质炭的处理氮素损失率最高，达到2 9 2 8 。 过磷酸钙和生物质炭可抑制氮素损失，其中添加过磷酸钙和小麦秸秆炭的氮素损 失最低。 ( 5 ) 降低碳氮比使堆体内铵氮和硝氮含量下降。过磷酸钙和生物质炭能明显 两南大学硕士学位论文 提高堆体内铵氮和硝氮的含量，使碳氮比1 3 的处理在堆肥结束时铵氮和硝氮含量 略高于碳氮比2 0 的处理，其中添加过磷酸钙和小麦秸秆炭的效果最明显。 ( 6 ) 堆肥过程中各处理酸水解氮含量占全氮总量的5 7 9 2 ，氨基酸态氮约 占酸水解态氮总量的3 0 4 0 ；未鉴别氮的含量占酸水解氮的比例约为3 6 5 。降 低碳氮比使堆体中酸水解氮的含量增加，过磷酸钙对有机氮组分的影响不明显， 添加生物质炭能增加堆体中酸水解氮的含量，其中添加花生壳质生物质炭处理增 加的最多。 ( 7 ) 在堆肥过程中，降低碳氮比使多酚氧化酶、过氧化氢酶、脱氢酶、纤维 素酶的活性降低，脲酶的活性提高，降低堆肥过程物质转化速率、并使氮素损失 增多。过磷酸钙能提高过氧化氢酶、脱氢酶的活性，降低脲酶活性，对多酚氧化 酶和纤维素酶活性影响不明显。生物质炭降低了除脲酶外其余四种酶的活性，对 堆肥进程有不利的影响。 关键词：城市污泥高温好氧堆肥生物质炭 a b s t r a c t i n n u e n c eo fb i o c h a ro nt h ep r o c e s so f h i g h t b m p e r a t u r e a e r o b i cc o m p o s t i n go f s e w a g e s l u d g ea tl o w c 烈r a t i o a p p l i c a n t f 0 rm a s t e r d e g r e e ：l iy i n g t i n g s u p e r 、，i s o r ：a p r o f z h a o u l a n a bs t r a c t h i g l lt 锄p e r a n l r ea e r o b i cc 0 m p o s t i n gp r o c e s si so n eo fm em o s te f r e c t i v ew a y st o d e a l 、) l r i ms e w a g es l u d g e h o w e v l el o s so fi l i 仃0 9 e i ld u r i n gc o m p 0 s t i n gp r o c e s s ， l o wc o n t e n to fn u 研e 1 1 t si nc o m p o s tp r o d u c t s 锄dt 0 0m u c hs 饿1 wa d d i t i o nk n d e r l e 印p l i c a t i o no fl l i g l lt 锄p e r a t i l r ea e r o b i cc o m p o s tp r o c e s si nd e a l i n gw 油s e w a g es l u d g e t os o l v em e s ep r o b l 锄s ，w e 似l u c e dc nm t i ot 013 锄da d d e dt 1 1 l 优1 ( i n d so f b i o c h a r s d e r i v 酣丘i o mw h e a ts 仃a w ( 、b ) ，s h e uo fp e a l l u t ( p b ) a 1 1 db 锄b o o ( b b ) ，r e s p e 嘶v e l y ) i n c o r n p o s tp i l e 1 1 1 ef o l l o w i n gi n d e x e si n d u d i n gt e n l p 蹦i n 鹏，m o i s t l 鹏c o n t e n t ，p h ，e c ， 仃a n s f o n n a t i o no fo 唧i cc a r b o na r 试i l i 们g 饥，觚dm ea c t i v i t i 鼯o ff i v ek i n d so f 印z y m e sw e r ed e t 咖i n e dd u r i n gc 0 忸p o s tp r o c e s s t h er e s u l t s 盯e 嬲f 0 1 l o w ： ( 1 ) n ec o m p o s t i n gp r o c 鹤si s 叭c c e s s 如l l yc o n d u c t i e da tc nr a t i oo f l 3 a tt l l i s c 0 n d i t i o n ，m et e m p e r a l 珊eo fw s b 一眈a t e dp i l ei i l l p m v e dr a p i d l y 锄dr e a c h 恤el l i 曲e s 主 t 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l l ec 0 n t to fw a t 盯s o l u b l eo 曙枷cc a r b o ni nc o m p o s t p i l e ( 3 ) d e c r e 弱i n gc nr a t i oo ra d d i t i o no f b i o c h a ra l s or e d u c et h ec o n t e i l to f h 啪i c a c i d ，a n d 也ea d d i t i o no fs s pa l s od e c r e a s et 1 1 eh 啪i ci n d e x ( h i ) o fc 0 i n p o s tp i l e t l l l e h i g h e s th i i nt h ec o m p o s tp i l ew 弱o b t a i n e da tm ec n 豫t i oo f2 0 ( 4 ) c o m p a r e dw i t l lt 1 1 ei n i t i a ln i t r o g e nc o n t 饥t ，m et o t a li l i 订o g e na tm e do f c o m p o s t i n gi n c r e 嬲e db y8 3 9 2 7 7 0 ，t l l ep h 朗o m 饥0 ni sm o s to b v i o u sw h 朗p b 西南大学硕十学位论文 i sa d d e dt 0m ep i l e h o w e v 、沛e i lc o m p 鲫e dw i mt h ep i l e 谢t l lc nr a t i oo f 2 0 ，廿l e 1 0 s so f1 1 i 仃o g e l li n c r e a s e d a d d i t i o no fs s p0 rb i oc _ h a ra l o n eo rt o g e m e rc 觚r e d u c e 1 1 i 仃o g e n1 0 s s ，t h el o w e s ti l i 仃o g e nl o s sw a u so b t a i n e di 1 1t 1 1 e 缸e a t m e n to fs s p + w b ( 5 ) c 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s t i n gp r o c 船s ，t l l ea c t i v i t i e so fp 0 1 y p h e i l o lo x i d a l s e ，c a t a l a s e ， d e h y d r o g e i l a s e 强dc e l l u l o s ee i l z y m ed e c r e a s c d ，b u tm ea c t i v i t i e so fu r e a s ei i l c r e a s e d a d d i t i o no fs s pc a na l s oi n c r e a s et l l ea c t i v i t i e so fo x i d a s ea n dc a t a ：l a s e b u tr e d u c et l l e a 嘶v i t i 懿o fu r e 硒e ，锄dd o e sn o to b v i o u s l y 砌u e n c et 1 1 ea c t i v i t i e so fp 0 1 y p h e n o l 锄d c e l l u l o s ee i l z y m e a d d i t i o no f b i o c h a ro l l l yi i l c 陀够et l l ea c t i v i t i e so f u 陀鹪e ，s u g g e s t i n g 廿l a ti ti sn o tb e 6 c i a jt oc o l l n p o s tp r o c e s s k e yw o r d s ：s e w a g es l u d g e ；m g ht e m p e r a t l i a e r o b i cc o m p o s 血g ；o c h a r 镐一审文献综述 1 1 污泥好氧堆肥技术 第一章：文献综述 1 1 1 污泥好氧堆肥原理 有机物好氧堆肥过程实际上就是微生物对基质进行新陈代谢的过程，可用下 式表示： c 、n 、0 、h 、p 、s + 0 2 + 微生物一细胞物质+ c o 。+ h 。o + n h 。+ p 0 4 3 + s 0 。 + 能量 在堆肥过程中，有机肥料中可通过微生物细胞壁和细胞膜的可溶性小分子被 微生物所吸收利用；固态和胶体有机物则附着在微生物体外，由微生物分泌的胞 外酶分解为可溶性的小分子再进入细胞乜3 。通过微生物的生命活动，把吸收的一 部分有机物分解成无机物，释放能量并提供微生物生命活动所需要的能量，另一 部分有机物转化积累用来合成新的细胞质进行生长繁殖1 ，其中有机质合成细胞 质，氮被用来合成原生质，磷被用来合成磷酸和细胞核以及a t p 。 1 1 2 污泥好氧堆肥过程 一般根据堆肥的温度变化将堆肥过程分为三个阶段：第一阶段是升温阶段， 这一阶段堆体中最容易分解利用的可溶性有机物被嗜温菌分解，嗜温菌较为活跃 大量繁殖。它们在利用有机物的过程中，有一部分转化成热量，由于堆肥具有良 好的保温作用，堆体温度逐渐上升到5 0 6 0 。第二阶段是高温阶段，这一阶段 嗜温菌受到抑制甚至大量死亡，嗜热菌开始大量繁殖，堆肥中的寄生虫和病原菌 被杀死，腐殖酸开始形成，堆肥达到初步腐熟。第三阶段是腐熟阶段，高温持续 一段时间后，由于有机质大量消耗，供给微生物代谢的有机质减少堆肥不再有新 的能量的积累而进入降温腐熟阶段，这时堆肥产物进一步稳定，达到深度腐熟h 】。 1 1 3 污泥好氧堆肥影响因素 现代堆肥是在人工控制的条件下，在微生物的代谢作用下，将有机物分解转 化利用的过程。影响堆肥进程和堆肥质量的因素很多，如c n 、温度、含水率、 p h 及通气条件等。 ( 1 ) c n 碳元素在堆肥过程中，是微生物生存的重要能量来源，同时也是微生物合成 细胞组织的重要元素。氦元素作为合成细胞的重要材料也是微生物生长繁殖的必 须元素，氮元素可被微生物用来合成蛋白质、核酸、氨基酸等细胞组成物质。微 生物每消耗2 5 9 有机碳，就需要吸收l g 氮素，因此微生物分解有机物较适宜的 两雨大学硕上学位论文 c n 为2 5 3 0 左右璐3 。若c n 过低微生物生长繁殖所需的能源受到限制，发酵温度 上升缓慢，大量的氮元素被转化为氨气而散发到环境中，导致堆肥氮含量损失增 加且对环境造成二次污染；若c n 过高则能量过剩，微生物繁殖所必须的氮素匮 乏不利于微生物的生长与繁殖，使有机物分解速度减缓，延长了发酵时间。 一般用于堆肥的畜禽粪便或者城市污泥c n 都较低，不适于直接用来堆制， 往往通过向这些材料中添加一定比例的秸秆、木屑、草炭等c n 较高的调理剂对 堆体进行调节。在堆肥的过程中，微生物消耗利用碳、氮等元素，使堆体的c n 逐渐下降并趋于稳定。 ( 2 ) 温度 堆肥的温度是影响堆肥进程和产品最终品质的重要因素，也是判断堆肥是否 达到无害化要求的重要指标之一嘲。研究表明，环境温度对堆肥的影响程度较低， 即使环境温度低至1 0 甚至更低，堆体的温度也能在较短时间内上升至5 5 以上 口1 。这时堆体进入高温期，在这一温度范围内，堆肥中的寄生虫和病原菌被杀死。 根据粪便无害化卫生标准( g b 7 9 5 9 1 9 8 7 ) 的要求，堆肥最高温度达5 0 5 5 以上持续5 7 d ，或者在5 5 以上维持3 d ，以达到无害化目的。在这一水平上维 持一段时间后，堆体的温度开始逐渐下降，最后趋近于环境温度，堆肥过程基本 完成，可被认为已达到稳定。 ( 3 ) 含水率 堆肥主要依靠微生物的活动来进行，微生物的生存都离不开水，水分可以溶 解有机物，参与微生物的新陈代谢，由于微生物对环境中水含量的变化较为敏感， 因此堆肥过程中适宜的含水率对堆肥成功具有较大的影响。因此对含水率的控制 十分重要，过高的含水率会堵塞肥料间的空隙，不利用氧气的交换，易形成厌氧 条件产生难闻气体的同时养分也大量损失，不利于堆肥进程。研究表明6 0 7 0 的含水率是微生物活性达到最大的适宜含水率，5 0 的含水率是污泥堆肥化过程中 微生物生长的底限值呻3 。当含水率降低到3 5 4 0 之间时，微生物的活性就会出 现明显的下降，含水率继续下降则会导致堆肥的降解过程完全停止。 ( 4 ) p h 微生物适宜的生存环境对p h 有一定的要求，不适宜的p h 会抑制微生物的活 性与繁殖，甚至会使微生物大量死亡导致堆肥失败。一般认为微生物生长的适宜 p h 为6 0 9 5 p 1 。微生物在新陈代谢的过程中会向环境中排泄出其代谢的产物， 这些产物的积累会改变环境的p h ，使环境中的p h 有利于微生物生长繁殖。因而 堆肥过程中p h 随堆肥时间变化而变化，最有利于污泥堆肥的p h 范围一般在7 5 8 5 之间1 们。 2 第一章文献综述 ( 5 ) 通气条件 高温好养堆肥对氧消耗量较大，堆肥内的通气情况直接影响堆肥的进程和品 质。适宜的通气有利于堆体内微生物的繁殖和活性，加速有机物的分解转化，同 时可以带走过量的水分和热量，使堆体处在一个适宜的条件下。在堆肥进程的不 同时期通气具有不同的作用：在升温期通气有利于微生物对有机质的降解；高温 期可以维持微生物的活动：在后期可以带走多余的水分和热量，达到减容降重的 作用。改善堆体通气条件的方法有三种：自然通风、强制通风和翻堆。堆肥过程 中合适的氧浓度为1 5 ，最低为5 ，氧浓度高于1 5 ，堆体易散热而冷却；氧浓 度低于5 ，容易使堆肥厌氧发酵而产生恶臭n 。为了调控堆肥的通气状况，目前 常采用人工翻堆+ 强制通风的控制方式来控制通风量。 1 2 污泥秸秆堆肥腐熟度指标研究现状 “腐熟 的基本含义：在微生物的新陈代谢作用下，使堆肥产品的性状稳定 且对环境无害，产品施用于农田后不会对农作物生长与土壤理化性质带来不良影 响。有学者提出腐熟是指堆肥中的能量和营养物质经微生物的转化形成了稳定腐 殖质的过程，要区别于污泥堆肥质量，腐熟度是有机质经矿化、腐殖化后所达到 的稳定程度。还有学者将其总结为：堆肥中的有机物质经过矿化、腐殖化过程后 最后达到成熟的程度n 羽。有机物经过高温好氧堆肥后的产品达到腐熟后，可以作 为土壤改良剂，改善土壤的理化性质n 3 1 引。但是将未腐熟的堆肥产品施用于土壤， 有可能会对农作物的生长产生不利的影响，如阻碍农作物对养分的吸收、增加土 壤中的重金属离子、使植物中毒等n 5 j 即。因此如何评价堆肥的腐熟成为关键问题， 其评价指标主要包括化学指标、生物活性指标、植物毒性指标3 类。 物理指标： 这是一个较为直观的判定方法，主要是从堆肥的温度变化、气味、真菌的生 长状况、堆肥是否呈松散的团粒结构及堆肥的色泽来判定的。具体指标如下：温 度，堆体经过升温、高温和降温期后，堆体温度趋于与环境一致，一般不再有明显 的变化；气味，在运行良好的堆肥过程中，硫化氢和氨气等臭气逐渐减弱，堆肥 腐熟后，堆体内无不快的气味产生n7 1 ，具有森林腐殖土和潮湿泥土的霉味( 放线 菌的特征) ；色度，腐熟的堆肥产品应当呈黑褐色或者黑色，b r e i m e r 等n 踟提出可 以用检测堆肥产品的色度来判断堆肥产品是否腐熟，但该方法难以建立统一的评 判标准，缺乏代表性；光学特性，有研究认为检测堆肥的萃取物在波长6 6 5 n m 下 的吸光度来来反映堆肥的腐熟n 钔。 3 1 7 日雨大学硕十学位论_ 史 化学指标： 物理指标虽有直观性，但是难于定量的研究堆肥的成分变化，因此也难以定 量的判断堆肥的腐熟程度。所以更多的采用有机质的变化、铵氮变化、腐殖化和 有机酸等指标来定量的评判堆肥的腐熟程度。具体如下：p h 和电导率，大多学者 认为腐熟的堆肥的p h 呈弱碱性，p h 值在8 9 左右，电导率应小于4 m s m ，但p h 和电导率也受堆肥原料的影响，不能简单的作为判断条件；有机质变化，一般堆 肥中的有机质变化通过测量挥发性固体含量或者化学需氧量的方式来测定，污泥 堆肥的挥发性固体量的测定采用5 5 0 下灼烧4 h 后损失的重量来计算，但也有学 者认为在4 3 0 下灼烧2 4 小时后损失的重量来计算能更好的反应有机质含量啪3 ， 化学需氧量的评判上，l o s s i n 乜”在畜禽粪便堆肥的过程中提出堆肥的化学需氧量 小于7 0 0 m g g 时堆肥达到腐熟；氮成分变化，大部分学者认为铵氮和硝氮是反映 堆肥进程的重要标志，堆肥采用的物料不同会对堆肥结束时铵氮和硝氮的含量产 生较大的影响，因此铵氮和硝氮的含量可作为参考指标来判断堆肥的腐熟；腐殖 化参数，腐殖质是堆肥过程中生成的重要成分，腐殖质可划分为：腐殖酸、富里 酸、及非腐殖质部分，它们的含量一般以碳含量来标志，胡敏酸与富里酸的比值 称为腐殖化指数，该指数作为重要的一项指标来评判堆肥的腐熟程度。i n b a r 1 的研究认为腐殖化指数与堆肥过程呈现很好的指数关系，可以反映堆肥的腐熟化 程度；水溶性成分参数，微生物的新陈代谢过程离不开水，代谢过程都发生在水 相中，因此检测可溶于水的成分也可反映堆肥的腐熟程度，水溶性有机质与堆肥 过程呈现很好的相关性，周立祥等瞳3 3 研究结果表明堆肥中的水溶性有机质具有规 律性，能较好的表征堆肥的腐熟程度；有机酸，有机酸在堆肥初期含量较高，随 着堆肥进程的发展有机酸含量逐渐减少，在腐熟的堆肥中，有机酸含量极少，但 有机酸的含量同样受堆肥材料的影响，不同的堆肥材料腐熟后的有机酸含量差异 较大。 酶学分析： 堆肥过程中，几种氧化酶和水解酶与堆体内的c 、n 、p 等元素的代谢活动有 极强的相关性，酶活性的强弱可反映堆体内微生物的代谢活动的强弱及酶所对应 物质的变化规律。b r e i m e r n 踟对污泥堆肥过程中的几种氧化酶和水解酶的活性进行 了研究，研究结果表明水解酶活性高时反映了堆肥降解代谢的过程，活性较低时 表明了堆肥的腐熟度。 综合评价体系： 由于评价堆肥的腐熟情况是一个复杂的问题，单独的采用某个或某几个指标 来表征堆肥的腐熟都不具有代表性，物理指标直观易于检测，用以定性描述堆肥 过程的状态；通过核磁共振、红外光谱来揭示堆肥微观物质的结构变化有助于评 4 第一审文献综述 价化学指标的合理性；生物学指标如酶学分析测定耗时长，工作量大难以单独用 于评判堆肥的腐熟度。因此将化学指标和生物学指标结合起来是一种可行的方法。 1 3 污泥堆肥过程中氮素损失控制方法研究进展 堆肥过程中的氮素损失是导致堆肥产品质量较低的重要因素之一。目前堆肥 过程中控制氮素损失的方法主要有：( 1 ) 在堆肥中添加富含碳的物质，研究表明， 碳氮比越低，p h 越高，氮素损失越严重，因而可以通过改变堆肥的碳供给情况， 减少堆肥过程中的氮素损失，如添加秸秆1 、泥炭或生物炭啪1 以改变堆体的碳氮 比等方式；( 2 ) 添加金属盐类、硫元素或其他盐类，吸附挥发的n h 。，减少氮损 失，如胡进福口刀等发现，堆肥中添加过磷酸钙有利于控制氮素的损失，使堆体中 n h 4 + 一n 的含量升高，氮素向n 0 3 一n 转化更容易；( 3 ) 添加吸附剂，如沸石，粘土， 椰壳纤维等，贺亮的研究中就采用了过磷酸钙、膨润土、蛭石、活性炭和腐熟 物等原料作为添加剂，且研究结果表明这些添加剂对控制氮素的损失有较好的效 果；( 4 ) 改变工艺条件，主要是通过控制堆肥过程中的温度、含水率、通风条件 来减少氮素的损失，大量的研究表明，堆肥化过程中，堆体温度应控制在4 6 6 5 之间，初始含水率在6 0 7 0 之间，堆体内的含氧量不低于1 0 ，席北斗汹3 的 研究表明控制堆肥不同阶段的温度能减少氮素的损失，提高堆肥产品的品质。 其他的控制氮素损失的方法还有：堆体上覆盖适当材料，如贺亮和栗绍湘啪3 在堆肥过程中覆盖了腐熟物，结果表明在堆肥表面覆盖一层腐熟肥料，可以吸附 氮元素，防治氮损失。此外s o 啪e r b 妇的研究表明，防水布能将n h 。的损失减少到 未覆盖对比的1 0 。 在实际应用中，通过在堆肥中添加富含碳的物质、改变工艺条件这两种方法 可行性较高，在堆肥中添加金属盐类及其他盐的方法虽然可以减少氮损失，但会 给堆肥带来重金属污染，且对堆体中盐含量影响较大，最终会影响到堆肥的电导 率，可能对产品的农田施用带来危害。 s 第j ：章引言 第二章：引言 2 1 立题依据 城市污水处理厂在运行过程中会产生污泥，其产生量约为处理量的o 3 0 5 左右( 以含水量9 7 计) 恤1 。随着我国城市的生产与生活污水处理力度逐渐加 强，各城市相继建立了污水处理厂，由此产生了大量的污泥。截止2 0 l1 年3 月底， 全国累计建成污水处理厂2 9 9 6 座，相应的污泥产量达到5 0 1 5 0 万t d 口3 1 由于污 泥含有大量的水分和难降解的有机物、重金属及病原微生物和寄生虫等m 3 ，处置 利用不当易产生环境污染b 钉，对生态环境与人类活动构成潜在的威胁。如何经济、 高效、安全的处理与利用污泥成为研究的热点。 目前，对污泥的资源化利用方面包括：污泥农林利用、制作环保材料、建材 利用、高温堆肥m 1 。由于城市污泥有丰富的氮、磷、钾和有机质，将城市污泥经 高温好氧堆肥后进行土地利用可以循环污泥中的养分和有机质，改善土壤肥力， 是一种很有发展前途的方法口”，特别是在我国农业生产中主要靠施用化肥的情况 下。在我国2 0 0 9 年实施的城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策 ( g b 一4 2 8 4 ) 中鼓励符合限值的城市污泥经高温好氧发酵后土地利用。 堆体c n 是限制污泥堆肥的一个重要因素。目前，一般认为堆体c n 比在 2 5 1 3 5 1 较合适。c n 过高，微生物由于氮不足，生长受到限制，有机物降解 速率变缓慢，从而延长堆肥时间；c n 比过低，则堆肥过程产生大量的氨，不仅 影响环境，而且造成氮素损失，导致堆肥产品质量下降m 】。 由于城市污泥的c n 低、高致密度、含水量大，对污泥采取高温好氧堆肥处 理须添加大量的高c n 的材料作为调理剂，提高堆料的初始c n ，改善堆体的通 风条件。但大量添加调理剂又使堆肥体积成倍增加，占用大量场地、降低了对城 市污泥的处理效率，增加了污泥堆肥的成本。日益增长的城市污泥产量与传统秸 秆污泥堆肥的处理低效的问题，成为限制堆肥化工艺广泛推广的瓶颈。减少调理 剂的添加量可有效减少堆体体积，提高污泥处理效率，但是降低调理剂添加量会 降低堆体的c n 比，使堆肥过程中的氮素流失严重，通过添加其他添加剂改善堆 肥条件，成为一种有效的解决途径。 在以往的研究中，不少学者已经证明过磷酸钙作为一种调理剂，在堆肥过程 中对减少氮素的损失有积极的作用，因而被广泛使用。生物质炭在农业和环境中 7 两阿大学坝l 学位论文 的巨大应用前景和对土壤碳的增汇减排作用，近期已成为一个新的研究热点汹1 。 生物质炭中含有大量植物所需的营养元素，除c 含量较高外，n 、p 、k 、c a 和m g 的含量也较高m 1 ，生物质炭含有一定量的碱性物质，一般呈碱性，此外生物质炭 的孔隙度决定了生物质炭具有较大的比表面积，可对分子产生吸附和转移影响， 较大的孔隙度又可为微生物提供了生存和繁殖的场所，同时能增强堆体的通气性 和保水能力“。将生物质炭作调理剂具有其他盐类添加剂难以具有的优势和特点。 本论文研究低碳氮比条件及添加不同类型生物质炭对城市污泥堆肥理化性 质、生物学性质及氮素损失的影响。 2 2 研究内容 本实验以污水处理厂污泥与小麦秸秆为研究对象，通过控制堆肥操作在低碳 氮比条件下，分别添加小麦秸秆炭、花生壳炭和竹炭，研究三种生物炭作为调理 剂对城市污泥高温好氧堆肥过程的影响，为提高污泥秸秆堆肥产物的品质提供理 论依据，具体研究内容包括： ( 1 ) 研究不同处理的温度、p h 、电导率、含水率的变化，探讨不同生物质炭 对堆肥过程基本指标的影响。 ( 2 ) 研究各处理中碳素的转化规律，包括总碳、水溶性有机碳、腐殖酸、胡 敏酸、富里酸的含量变化，探讨不同生物质炭对堆肥过程中碳素转化的影响。 ( 3 ) 研究各处理中氮素转化规律，包括全氮、铵态氮、硝态氮、有机氮组分 的含量变化，探讨不同生物质炭对堆肥过程中氮素转化的影响。 ( 4 ) 研究各处理中几种主要酶活性的变化规律，包括多酚氧化酶、过氧化氢 酶、脲酶、脱氢酶、纤维素酶的活性变化，探讨不同生物质炭对堆肥过程中酶活 性的影响。 2 3 技术路线 8 第二帝引言 围2 3 1 本论文研究技术路线图 f i gt h es k e t c hm a p o ft h et e c h n o l o g y 阳u t eo ft l l i ss t l i d y 9 第二三审材 ： 与方法 3 1 实验材料 第三章：材料与方法 以污水处理厂污泥作为堆肥基质，以小麦秸秆为调理剂。污泥取自重庆市某 污水处理厂，小麦秸秆取自学校农场，生物质炭购于商丘市三利新能源有限公司。 表3 1 堆肥原料的基本性质 1 a b i e 3 - 1t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o s t e dm a t e r i a l s 3 2 堆肥装置 堆肥所用容器采用保温泡沫塑料制作，容器的内部长宽高尺寸为8 0 5 5 6 0 c m ，容器底部放入开孔率为2 0 9 6 的泡沫塑料板并垫高5 c m ，使塑料板下有一定空 间便于鼓风通气。容器底部接入鼓风管，由空气泵进行鼓风换气。空气泵由定时 器控制，采用同间隔等时鼓风方式对堆体通风。 3 3 实验设计 实验共设6 个处理，处理1 ：污泥与小麦秸秆调配成c n 比为2 0 的堆体，作 为空白处理；处理2 ：污泥与小麦秸秆调配成c n 比为1 3 的堆体；处理3 、4 、5 、 6 均为污泥与小麦秸秆调配成c n 比为1 3 的原料后，再根据堆体质量添加2 的过 磷酸钙，处理3 不再做处理，处理4 按堆体质量添加5 的小麦秸秆炭，处理5 按 堆体质量添加5 的花生壳炭，处理6 按堆体质量添加5 的竹炭。各处理制作完成 后上部覆盖泡沫所料板。 堆肥期采取强制通风与人工翻堆相结合的方式对堆体进行通风，具体措施为： 堆体升温期每隔3 h 强制通风1 m i n ，进入高温期每隔2 h 强制通风l m i n ，进入降温 期每隔4 h 通风1 m i n 。每次采样时翻堆一次。 在堆肥的第0 、3 、7 d 对堆体上下前后翻匀后多点采样，之后每隔一周采取上 述方法采样一次。采集鲜样1 0 0 9 左右，各处理每次采集样品3 次，取约2 0 9 置于 自封袋中，保存于4 的冰箱，其余部分风干制样，过o 2 5 姗筛密封保存待测。 l l 两南大学硕j 学位论文 表3 - 1 堆肥实验设计 t a b l e3 - le x p e h 哪e n t a jd e s 咖 注：s s p ：过磷酸钙w b ：小麦秸秆炭p b ：花生壳炭 明：竹炭 3 4 分析方法 3 4 1 堆肥基本性质的测定 ( 1 ) 温度：在堆肥过程中，于每天上午9 ：o o 在堆体的上、中、下三个部位 分别插入三根温度计，读数后取平均值，同时测定环境温度。 ( 2 ) p h 值：新鲜样品与去离子水按样水比1 ：l o ( w ：v ) 混合震荡3 0 m i n ， 提取液在5 0 0 0 r m i n 下离心1 5 m i n 后，取部分上清液测定p h 值h 羽。 ( 3 ) 电导率：取上述制备的上清液，测定电导率。 ( 4 ) 含水率：取5 9 左右的新鲜样，置于烘干称重的铝盒内，在1 0 5 下烘 2 4 h ，采用称重法测定样品含水率。 3 4 2 堆肥过程中碳元素转化的测定 ( 1 ) 总有机碳：采用重铬酸钾外加热法测定h 羽； ( 2 ) 水溶性有机碳：新鲜样品5 9 加5 0 i l l l 去离子水水土比1 ：1 0 ( w ：v ) 混 合震荡1 h ，提取液在5 0 0 0 r m i n 下离心1 5 m i n 后，过滤弃掉残渣，吸取l o m l 滤 液放入1 5 0 m 1 三角瓶，瓶口上装冷凝管加热，看到冷凝器下端落下第一滴冷凝液 开始计时，消煮5 m i n ，冷却，用水清洗内壁，三角瓶中总体积控制在6 0 8 0 m l ， 加指示剂，滴定至终点h 3 1 。 ( 3 ) 腐殖酸组的测定陬删：风干样品0 2 9 放入2 5 0 n l l 三角瓶中，加焦磷酸 钠浸提剂5 0 m 1 ，摇动使样品润湿，瓶口插一小漏斗，废水浴中加热浸提2 h ，加热 过程中要经常摇动，冷却后转移至1 0 0 m 1 容量瓶定容，该液为原液。 腐殖酸：吸5 m 1 上液于3 0 0 i n l 三角瓶中，加重铬酸钾混合液2 0 l n l ，在沸水 第三帝材1 ：i 卜j 方泫 浴中加热氧化3 0 m i n ，冷却至室温，用水稀释到约1 5 0 m l ，加指示剂滴定至终点。 富里酸：吸2 5 m 1 原液，经硫酸酸化至p h 为2 ，使胡敏酸沉淀，分离富里 酸，测定方法同上。 胡敏酸：吸2 m 1 原液，调节p h 至7 ，水浴上蒸干，得富里酸与胡敏酸总量， 减去富里酸含量即为胡敏酸含量，测定方法同上。 3 4 3 堆肥过程中氮元素转化的测定 ( 1 ) 凯氏氮的测定：采用浓硫酸一过氧化氢消煮，凯氏定氮法测定h 羽。 ( 2 ) 铵氮、硝氮的测定：采用f o s s 流动注射分析仪“( f o s s 5 0 0 0 ) 测定。 ( 3 ) 有机氮组分的测定：基于土壤样品与6 m 0 1 l 盐酸共热，在1 0 0 下回 流加热1 2 h ，可达到氨基酸氮最大释放的原理，获得供分析用的酸水解氮液。再 于水解氮液中加催化剂，加硫酸进行消化，便可获得酸水解总氮。其中，酰胺氮 是用水解液加适量氧化镁，直接蒸馏；氨基糖态氮是基于葡糖胺和半乳糖胺在形 成铵的碱性介质中会很快的被分解，采用磷酸钠一硼酸缓冲液( p h = 1 1 2 ) 进行蒸 馏：氨基酸态氮是用茚三酮氧化法，测定释放出来的氨；未鉴别氮是用减量法求 得4 刀。 3 4 4 堆肥过程中几种酶活性的测定 ( 1 ) 多酚氧化酶：取过0 2 5 舢筛的风干堆肥样1 9 于5 0 m l 锥形瓶中，然后 注入1 0 m 1 的l 邻苯三酚溶液，放入3 0 恒温培养箱培养2 h ，取出后加入p h 为 4 5 的柠檬酸一磷酸缓冲液4 m 1 ，再加入3 5 m 1 乙醚，用力摇荡数次，萃取3 0 m i n 。 将含容有紫色没食子素的着色乙醚在波长为4 3 0 n l i l 进行比色，每比色一次应用无 水乙醇洗涤比色皿一次，为了消除堆肥样品中原有醚溶性有机质所引起的误差， 及校正邻苯三酚的纯度，需设无基质的堆肥样品和无堆肥样品的基质做对照，在 无基质的堆肥样品对照中，用水代替基质进行培养m 】。 ( 2 ) 过氧化氢酶：取过0 2 5 栅筛的堆肥样品2 9 于1 0 0 m 1 锥形瓶中，加入 4 0 m l 水及5 m l 的0 3 过氧化氢溶液，振荡2 0 m i n 后，加入3m o l 1 硫酸溶液5 m 1 ， 以稳定未分解的过氧化氢。再将瓶中悬液用慢速滤纸过滤，吸取2 5 m 1 滤液，用 0 1 ( 1 5 高锰酸钾) m o l l 滴定至淡粉红色终点m 3 。 ( 3 ) 脲酶的测定：取过2 唧筛的风干堆肥样品1 0 9 于1 0 0 m l 容量瓶中，加少 许水润湿，加甲苯0 5 m l 抑制微生物繁殖，再加入p h 为7 的柠檬酸一磷酸缓冲液 和2 尿素5 m l ，加塞后在3 7 恒温培养箱培养2 4 h ，之后用1 m 0 1 1 氯化钾溶液稀 释定容至刻度，摇匀，干过滤，滤液为待测酶液，同时做加尿素不加样品及加样 品不加尿素( 以纯水代替尿素) 的对照试验，以观察尿素本身的分解作用及样品 本身的氦量h 剐。 两南大学硕l j 学位论文 准确吸取酶液( 同时做对照) 5 m 1 于扩散皿外室，加2 硼酸指示剂2 m 1 于内 室，盖毛玻璃片，加1 m l 氢氧化钠于外室，扩散2 4 h ，用标准酸滴定m 3 。 ( 4 ) 脱氢酶：取过2 咖筛风干堆肥样品的2 0 9 于5 0 m l 锥形瓶，加入0 2 9 碳酸钙，混匀后加2 m 1 1 三苯基四唑氯化物，再加水至最大持水量的9 0 9 6 ，在3 0 相对湿度7 0 的恒温培养箱中培养2 4 h 。培养结束后，加2 5 m 1 甲醇，振荡5 m i n 过滤，再用甲醇多次洗涤漏斗上的样品，直至获得无色滤液，合并滤液和洗液并 定容至5 0 或1 0 0 m 1 容量瓶，于4 6 0 n m 的分光光度计下比色m 。 ( 5 ) 纤维素酶：取过2 姗筛风干的堆肥样品1 0 9 与5 0 m 1 锥形瓶，加入1 羧 甲基纤维素溶液2 0 m l ，后加入p h 为5 5 的磷酸缓冲液及1 5 m l 甲苯，将三角瓶 放入3 7 的恒温培养箱中培养7 2 h ，培养结束后过滤定容至2 5 m l 容量瓶，显色比 色。并以5 m l 水代替基质设置对照试验h 8 1 。 3 5 数据处理方法 对试验所得数据的结果均以平行样测定值的平均值表示，统计分析采用s p s s 和e x c e l 软件。 第网带结果| 了分析 第四章：结果与分析 4 1 生物质炭对堆肥基本性质的影响 4 1 1 温度 堆肥的温度是堆肥中微生物活性的直观反映，堆肥温度高低直接影响着堆肥 进程。堆肥的不同时期也是以温度为指标来进行划分的，而且堆肥中含有的大量 致病微生物，如大肠杆菌、病毒、寄生虫等都是在堆肥的高温期被杀死或灭活的。 各处理在堆肥过程中的温度变化如图4 卜1 所示。在堆肥的第1 2 天，堆肥的温 度迅速上升，在这个过程中堆料