含N有机物在堆肥过程中的氮素转化

NitrogentransformationduringorganicwastecompostingbytheRutgerssystemanditseffectsonpH,ECandmaturityofthecompostingmixtures背景堆肥是去除废物、保护环境的最佳方式之一。有必要了解堆肥中的过程，来评价最佳运行条件。废物中的N浓度用于确定堆肥的农业价值的最重要的因素之一。对堆肥中N可能存在的形式及测定这些转化过程的研究非常值得注意。亚硝化细菌：2NH4++3O232NO2-+4H++2H2O硝化细菌：2NO2-+O232NO3-在以上N转化中，从农业角度看，NH4+和NO3-最受关注，因为他们可直接被植物根系吸收。硝化过程已作为堆肥的腐熟指标。目的：1、评价4中混合物堆肥中N的不同形式（总氮、有机氮、铵态氮、硝态氮）2、数学相关性分析评价无机氮对pH、电导率和腐熟度的影响。实验方法四组混合物，取自六种原料。每种混合物取1500-2000kg用于中试装置，采用新泽西大学静态垛堆肥系统。温度维持在55°C一下，当温度稳定并接近室温时，认为生物氧化阶段结束，停止通气，腐熟2月。温度：通过通风按需除热的方法使系统温度维持在55C以下。供气：从料堆底部通过PVC管（3m长，直径12cm）孔供气，在微生物活动阶段每15min供气30s。含水量:生物氧化阶段的含水率每周测定1次，并且通过浇水的方式调节干物质量在45-65%之间。取样：每周从每个料堆取6个子样品（从下到上均匀），混合后作为一个代表样品。将代表样品分成两份，一份立即冷冻保存用于测NH4-N，另一份风干、磨碎至5mm用于其它分析。Table1Generalcharacteristicsofthewastematerialsused(%,drymatter)3ssMSWBSSSB1SSB2CWPBMoisture(%)4L459.45L478.068J10.59.2pH6.86.67.66.37.87.75.3EC(dSm1)0.425.501.600.39Z360.410.20OM(%)67.365354196.78®86.6TOC(%)35.431526.347344.842.253.9Nt(%)5J92J74.540.42L491.820.28NH4-N(%)0.570.190.700.010.030.06NO3-N(%)0.000.000.000.040.000.015.4014.955.80113.830.0123.21191.0cw(%)2J73.241.642.282152.491.88aSS:sewagesludge;MSW:municipalsolidwaste;BS:brewerysludge;SSB1andSSB2:sweetsorghumbagasse,CW:cottonwaste;PB:pinebark;EC:electricalconductivity;OM:organicmatter;TOC:totalorganiccarbon;Nt：totalnitrogen;Cw：watersolublecarbon.Thecoefficientofvariationforallparameterswaslessthan5%.分析方法有机物含量：样品在430CT灼烧24小时的损失量。pH,EC,Cw?watersolublecarbon):样品与水1：10(w/v)混合后的水溶性浸出物进行测定。TN:automaticmicroanalysisNH4-N:冷冻样品溶于2MKCl后提取物用比色法测定NO3-N:样品与水1：10（w/v）混合后的水溶性浸出物用电导率检测器进行离子色谱分析。N-losses：由开始和结束的灰分含量及氮浓度计算得到。N-losses^%）=100-B2x2%结果讨论3.1N的变化有机氮Norg是通过比较总氮和无机氮得出。1、总氮和有机氮变化相似，随着过程的发展略微增加，这是由于有机物矿化引起重量减少而导致的浓缩效应造成的。2、无机氮，即铵态氮和硝态氮，因为其更易变化而更受关注。铉态氮的最高浓度出现在堆肥的最初几周，此时的有机物降解也是最强烈的。铵态氮通过有机氮矿化作用产生。图1、图2、图4（温度反应微生物活性）混合物1最高铵态氮浓度在堆肥后第三周到达，这是由城市污泥中有机氮的快速降解引起的。其中不稳定氮的主要来源是由蛋白质降解产生的低分子质量的伯胺。混合物2提供的初始铵态氮浓度最高，在堆肥第一周内铵态氮最大值超过0.7%，但此时降解过程才刚刚开始。这可能是因为作为氮源加入的尿素的快速水解产生铵态氮引起的。大量铵态氮的产生可能会暂时抑制为生物活性的发展，因此微生物活性的增长比其他组滞后。（图4）混合物3、4的铵态氮浓度最低。混合物3中的低浓度可能由于有机物降解强度较弱和使用的氮源引起。尽管啤酒污泥富含N素（TN4.5%），但其水溶性碳含量比表一中其他材料都低。这意味着供微生物使用的有机物较少，或许因为啤酒污泥中最易降解的成分在之前的发酵过程中已经被部分降解了，导致了剩余有机物的降解较慢。混合物4尽管经历了最大程度的有机物降解，但是其铵态氮的浓度依然很低且初始的氮浓度在几组中最低。铵态氮可能在高pH高温条件下以氨气挥发的形式散失。在铵态氮浓度方面，四组实验在前2,3周取得的高水平在高温阶段都下降，最后达到0.04%。硝态氮通过检测NO3-N发现硝化反应仅当温度小于40°C时发生。（图4）此过程的强度取决于硝化菌可获得的NH4-N的量。因此，高温阶段结束后NH4-N含量较高的1、2组（0.25%,0.27%）进行了更高程度的硝化反应，反应后的NO3-N水平分别达到0.51%，0.52%。而3、4组的最终硝态氮浓度较低。这似乎表明：有机氮的矿化反应是硝化反应的限制步骤，因为在堆肥的最后阶段，有机氮的矿化作用是不足的，可供硝化菌使用的铵态氮也将减少。硝化反应在高温阶段几乎不能进行，而是主要在温度降低至环境温度的腐熟阶段中进行。3.2N的损失图3所示，N损失存在两种明显不同的行为模式：木质纤维素含量很高的前三组和用城市生活垃圾配比的第四组，也是N损失最高的一组。前三组木质纤维素含量很高，N损失相对第四组较少，这与之前研究表明加入木质纤维素材料作为膨胀剂可以减少堆肥中的N损失的结论一致。MSW,whichshowedhigherN-losses.ThesefindingsagreewiththoseofMorisakietaL（1989）,Paredesetal.（1996）andWitterandLopez-Real（1988）,whoem-第四组中城市生活垃圾的高可降解性、长时间的高温阶段及整个过程的高pH导致了氨气挥发形式的氮损失。第2、3组在整个堆肥过程中的N损失变化平缓，而且在活动期内未超出25%。两组的pH总是低于7.3有利于铵根离子-氨气的平衡向质子化方向移动。第2组实验第一周，尽管铵态氮的浓度很高，但是N损失较低。可能由于这组实验到达温度阈值55r的时间比其他组晚了一周而导致的低温造成的。第1组在过程将近结束的时候与其他组不同，从第五周以后尤其是腐熟阶段其N水平比前几周有所增加，可能是由于N的固定第4组的N损失最高（41%），此组由城市生活垃圾配成，其有机物降解最强烈并且可能由于第四周pH超过7.5而促进了氨气挥发。3.3无机氮对pH和电导率的影响堆肥第一周强烈的微生物活性及有机物降解导致有机氮氨化形成氨气。氨气的溶解导致铵态氮的形成，并且增加了料堆的pH，尤其在第1、4组实验中，由初始的7.6、6.8升高到到8.2。第2组尿素快速的水解导致pH的快速升高，从原高粱蔗渣的6.3几小时后升高至7.2一周后升高至7.4。之后由于有机物的慢速降解导致铵态氮的形成较弱，同样的现象发生在第3组。高温阶段后，一旦硝化反应开始，四组中的pH均降低，但第四组中的pH下降程度较小。第4组（用MSW配比）的硝化强度较弱，对pH的影响不太明显。（与之前一些人的研究相符）。第1、2、3组的NO3-N浓度与pH呈显著负相关，证实了堆肥中的pH与硝化过程直接相关。第1、2、3组的NO3-N浓度与EC呈显著正相关（表2），故NO3-N的产生可以解释EC的增加。这一点从农业观点来看十分重要，因为EC的上升是由营养物质浓度的上升直接导致的，可以通过调整堆肥过程来校正电导率。3.4NH4-N及NH4-N和NO3-N的比值作为堆肥的腐熟指标NH4-N/NO3-N的比值已经被用作评价堆肥腐熟的标准。堆肥结束时的NH4-N浓度大于NO3-N浓度时，才能反映堆肥过程中的供气是充足的。堆肥中高NH4-N浓度预示着不稳定性，在腐熟的堆肥中不应超过0.04%。4组实验NH4-N浓度的初值都较高，随着堆肥的进行而降低，最后降至0.04%以下，表明堆肥过程运行良好。NH4-N/NO3-N的比值可以明显表征硝化反应。4组实验的比值在高温阶段都＞1，最终分别降低至0.08,0.04,0.16,0.11，都不超过表征堆肥腐熟的限值0.16.4组中都未监测出NO2-N，表明堆肥中未出现厌氧条件。总结堆肥中不同形式的N的浓度及他们在堆肥中的演变，取决于首先加入的供N的物料及物料中有机物的降解速率。NH4-N浓度在第一周达到峰值（与有机物降解最强烈的阶段一致），逐渐降低，最终降至0.04%以下。用尿素做氮源时，第一周尿素的快速水解使NH4-N浓度达到很高的值。NO3-N浓度在腐熟之后达到最高值，硝化反应的强度取