CN105693290A - 一种减少污水污泥堆肥过程中氨气和甲烷气体排放的方法 - Google Patents

一种减少污水污泥堆肥过程中氨气和甲烷气体排放的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种减少污水污泥堆肥过程中氨气和甲烷气体排放的方法，该方法包括如下步骤：向污水污泥堆肥物料中投放过磷酸钙和菌剂，充分混合，再进行堆肥。所述过磷酸钙的添加量为堆肥原料湿重的2-4％，菌剂的添加量为堆肥原料湿重的0.05-0.2％。还向所述污水污泥堆肥物料中投放玉米秸秆，所述污水污泥堆肥物料与玉米秸秆的重量比为85:10-20。所述堆肥采用连续强制通风方式，通风速率为0.15-0.25L·kg-1DM·min-1。本发明方法具有成本低、适用面广、操作简单等优点，显著减少了在污水污泥堆肥过程中氨气和甲烷气体的排放，对氨气排放的减排率可达63％，对甲烷的减排率可以达到70％，同时可提高堆肥产品中养分含量，提高堆肥品质，具有推广价值。

Description

一种减少污水污泥堆肥过程中氨气和甲烷气体排放的方法
技术领域
本发明涉及农业堆肥技术领域，更具体涉及一种减少污水污泥堆肥过程中氨气和甲烷气体排放的方法。
背景技术
污水污泥作为活性污泥法处理污水的副产物，其本质是一种半固体废弃物。随着污水处理量的增加，必然会导致不断增加污泥产量。目前我国多数污泥未得到妥善处理与处置，随意抛弃、倾倒现象普遍存在，不仅占用大量土地，而且引起严重的二次污染。因此，寻求安全可靠的污泥处理处置方法已成为亟待解决的问题。污泥堆肥是将污泥无害化、减量化和资源化的重要手段，好氧堆肥可将不能直接农用的污水污泥转化为稳定的有机肥和土壤改良剂，我国作为农业大国，对有机肥料和土壤改良剂的需求迫切，污泥堆肥是实现这一需求的桥梁。然而，堆肥过程是一个生物反应的过程，堆肥过程中会产生大量的污染气体排放，例如NH3和CH4等。这些气体的排放一方面会造成环境污染，降低了堆肥的环境效益，更一方面会造成堆肥产品养分的损失，降低堆肥产品的品质。研究表明，占初始总氮的16％～74％的氮素会在堆肥过程中损失，其中9.6％～46％初始总氮以NH3的形式损失。而CH4是一种重要的温室气体，据政府间气候变化专门委员会报告，CH4的100年温室效应为CO2的25倍(IPCC，2007)。CH4的产生在堆肥过程中是不可避免的，占初始总碳0.01％～0.8％的碳素以CH4的形式损失。
堆肥过程中添加一些添加剂可以有效控制污染气体的排放。过磷酸钙是我国普遍使用的一种经济性肥料，是磷肥的首选肥料。国内外一些学者对过磷酸钙等含磷添加剂对堆肥氮素损失和温室气体减排的影响已有研究，但主要集中在畜禽粪便堆肥过程中的添加使用，污泥堆肥中相关报道较少。通过在堆肥过程中添加菌剂来提高堆肥腐熟度和控制氮素损失也是国内外学者关注的问题。在堆肥过程中，尤其是污泥堆肥中同时添加化学添加剂(过磷酸钙)和生物添加剂(菌剂)对堆肥过程中CH4和NH3的减排效果的影响还鲜有报道。同时过磷酸钙中的有效养分可直接留在污泥有机肥中施入农田，可发挥过磷酸钙的减排和供肥的双重功效。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题就是如何在污水污泥堆肥过程中减少氨气和甲烷气体的排放，而提供一种减少污水污泥堆肥过程中氨气和甲烷气体排放的方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种减少污水污泥堆肥过程中氨气和甲烷气体排放的方法，该方法包括如下步骤：向污水污泥堆肥物料中投放过磷酸钙和菌剂，充分混合，再进行堆肥。
优选地，所述过磷酸钙的添加量为堆肥原料湿重的2-4％，菌剂的添加量为堆肥原料湿重的0.05-0.2％。
优选地，所述菌剂为复合功能菌剂。
所述过磷酸钙是在市场上销售的磷肥。如产地为河北涿鹿的过磷酸钙，其P2O5质量分数≥18％，主要有用组分是磷酸二氢钙的水合物Ca(H2PO4)2·H2O和少量游离的磷酸，还含有无水硫酸钙组分。与堆肥物料混匀后，SO4 2-、PO4 3-和游离的磷酸对CH4和NH3的产生和排放有一定的抑制和固定作用，可显著降低堆肥过程中CH4和NH3的排放量。
所述复合功能菌剂为北京沃土天地生物科技有限公司研发的堆肥专用复合功能菌剂，可快速降解有机质达到腐熟。
优选地，向所述污水污泥堆肥物料中投放玉米秸秆，投放前将玉米秸秆风干至含水率8-10％，然后粉碎至1～5cm，所述污水污泥堆肥物料与玉米秸秆的重量比为85:10-20。投放玉米秸秆可调节堆肥原料初始含水率为65％，增加污泥堆肥过程中原料的空隙，有利于通气的扩散。
优选地，在所述投放玉米秸秆前，将所述污水污泥堆肥物料脱水至含水率为80～85％。
优选地，所述堆肥采用连续强制通风方式，通风速率为0.15-0.25L·kg-1DM·min-1。
优选地，所述方法包括如下步骤：取玉米秸秆，将其风干至含水率10％，然后粉碎至3cm，按照污水污泥堆肥物料与玉米秸秆的重量比85:15将玉米秸秆加入到污水污泥堆肥物料中，充分混合；向污水污泥堆肥物料中投放过磷酸钙和复合功能菌剂，所述过磷酸钙的添加量为堆肥原料湿重的3％，复合功能菌剂的添加量为堆肥原料湿重的0.1％，充分混合，进行连续强制通风高温堆肥，通风速率为0.2L·kg-1DM·min-1，发酵温度大于55℃维持持在3天以上，每周翻动一次，堆肥时间为5周。
(三)有益效果
本发明提供的减少污水污泥堆肥过程中氨气和甲烷气体排放的方法采用简单的添加剂，具有成本低、适用面广、操作简单等优点，显著减少了在污水污泥堆肥过程中氨气和甲烷气体的排放，对氨气排放的减排率可达63％，对甲烷的减排率可以达到70％。对污水污泥堆肥过程中污染气体减排调控具有非常重要的现实意义，并在一定程度上缓解了污泥的处理问题。同时采用本发明可提高堆肥产品中养分含量，提高堆肥品质，降低堆肥成本。本发明方法对堆肥原料和堆肥工艺条件要求低，具有良好的环境效益和经济效益，具有推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明污泥与玉米秸秆堆肥温度变化曲线图；
图2是本发明污泥与玉米秸秆堆肥氨气体排放速率曲线图；
图3是本发明污泥与玉米秸秆堆肥甲烷气体排放速率曲线图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
试验中所用的污泥取自生活污水处理厂未经厌氧消化的脱水污泥(肖家河污水处理厂，北京)，玉米秸秆取自中国农业大学上庄试验站，经前处理风干并机械粉碎至3cm。过磷酸钙购于市场，菌剂取自北京沃土天地生物科技有限公司。脱水污泥和玉米秸秆按湿重85:15的比例混合均匀。试验共设3个处理，除对照外，处理2中添加过磷酸钙，过磷酸钙的添加量为堆肥原料总湿重的3％，处理3中同时添加过磷酸钙和菌剂，过磷酸钙的添加量与处理2相同，复合功能菌剂添加量为堆肥物料湿重的0.1％。制备堆肥原料时，将过磷酸钙和菌剂均匀洒在污泥和玉米秸秆的混合物上，进行多次翻拌，与物料充分混合。堆肥原料初始性状如表1所示。
表1：初始物料物理化学性质
注：含水率和密度以湿基计算；TOC和TN均为干基含量。
所有处理在60L的密闭堆肥化装置中进行高温好氧堆肥。发酵罐顶部设置安全瓶，安全瓶末端气口用于采集气体样品测定目标气体排放浓度。试验共堆制35天，堆肥过程中每周进行一次人工翻堆。采用连续强制通风方式，通风速率为0.2L·kg-1DM·min-1.
CH4和NH3采用注射器型采样器采集气体样本。CH4用安装有火焰电离检测器(flameionizationdetector，FID)、电子捕获检测器(electroncapturedetector，ECD)的气相色谱(3420A，北分)测定。NH3用质量分数为2％的硼酸吸收，标准浓度(0.01M)的稀硫酸滴定。气体样本每天测定1次，每次重复测定3次取平均值。堆肥温度由Testo温度自动记录仪连续监测。分别在堆肥开始、结束以及每次翻堆后采集固定样品约200g，分2部分保存。一部分为新鲜样品，用于测定含水率，pH，电导率(electricconductivity)，发芽率指数(germinationindex)。另一部分自然风干，粉粹后过0.5mm筛，用于测定总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)和总钾(TK)等养分含量。各个指标测定方法：pH值和电导率(EC)采用NY525有机肥料标准方法测定；发芽率指数测定方法参考文献；TOC和TN测定采用元素分析仪测定((ElementarAnalysensysteme，Hanau，德国)；TP和TK采用ICP-OES电感耦合等离子体发射光谱仪测定(美国铂金埃尔默公司)。
参见图1，添加过磷酸钙处理会使堆体比空白处理提前1天进入高温期，高温期都可以维持55℃以上3天。但是未添加过磷酸钙的空白处理，在降温之后又出现了温度的小幅升高，其他两个添加了添加剂的处理没有出现这种现象。3个处理均达到堆肥产品卫生学标准(GB7989-87)，能够消除病虫害。
参见图2，与对照相比添加过磷酸钙可以降低氨气的排放，整个堆肥过程中累积减排氨气36％。主要原因是过磷酸钙的添加降低了堆体的pH值，另一方面磷酸根离子的添加促使NH4 +-N与堆肥物料中Mg2 +、Ca2 +等其他离子结合，形成NH4MgPO4·6H2O结晶及NH4CaPO4复合体等，不易向NH3-N转化。在添加过磷酸钙的基础上添加菌剂，又可以进一步减少氨气的排放，累积减排63％氨气。
参见图3，与对照相比添加过磷酸钙可以明显降低甲烷的排放，整个堆肥过程中累积减排甲烷70％。主要原因是过磷酸钙的添加增加了堆肥中硫酸根离子的含量，硫酸根离子的还原作用可使基质浓度降低至一定水平，或使氧化还原电位升高至一定水平，提高了CH4氧化菌的活性，不适于CH4生成。同时，硫酸根离子还可能与产甲烷菌竞争碳源，降低产甲烷菌的活性。同时也可以看出，添加菌剂对于甲烷减排的效果不明显，主要是过磷酸钙的作用。
添加添加剂后堆肥产品的腐熟度和养分含量变化见表2。可以看出，与对照相比，单独添加过磷酸钙不影响最后堆肥产品的发芽率指数，同时添加过磷酸钙和菌剂的处理，发芽率指数有较大的增加，增加了50％，各处理pH值均可以满足腐熟堆肥的要求，添加过磷酸钙的处理EC值偏高，但也在可安全施用的范围内。在减排氨气和甲烷的基础上，添加添加剂的两个处理一方面减少了氮素的损失，另一方面过磷酸钙的添加增加了堆肥中磷的含量，因此增加了堆肥产品中总养分含量。
表2：堆肥物腐熟度指标和养分含量变化
实施例2
与实施例1的区别在于：脱水污泥和玉米秸秆按湿重85:20的比例混合均匀。试验共设3个处理，除对照外，处理2中添加过磷酸钙，过磷酸钙的添加量为堆肥原料总湿重的4％，处理3中同时添加过磷酸钙和菌剂，过磷酸钙的添加量与处理2相同，复合功能菌剂添加量为堆肥物料湿重的0.2％。制备堆肥原料时，将过磷酸钙和菌剂均匀洒在污泥和玉米秸秆的混合物上，进行多次翻拌，与物料充分混合。
实施例3
与实施例1的区别在于：脱水污泥和玉米秸秆按湿重85:10的比例混合均匀。试验共设3个处理，除对照外，处理2中添加过磷酸钙，过磷酸钙的添加量为堆肥原料总湿重的2％，处理3中同时添加过磷酸钙和菌剂，过磷酸钙的添加量与处理2相同，复合功能菌剂添加量为堆肥物料湿重的0.05％。制备堆肥原料时，将过磷酸钙和菌剂均匀洒在污泥和玉米秸秆的混合物上，进行多次翻拌，与物料充分混合。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种减少污水污泥堆肥过程中氨气和甲烷气体排放的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：向污水污泥堆肥物料中投放过磷酸钙和菌剂，充分混合，再进行堆肥。
2.根据权利要求1所述的减少污水污泥堆肥过程中氨气和甲烷气体排放的方法，其特征在于，所述过磷酸钙的添加量为堆肥原料湿重的2-4％，菌剂的添加量为堆肥原料湿重的0.05-0.2％。
3.根据权利要求1所述的减少污水污泥堆肥过程中氨气和甲烷气体排放的方法，其特征在于，所述菌剂为复合功能菌剂。
4.根据权利要求1所述的减少污水污泥堆肥过程中氨气和甲烷气体排放的方法，其特征在于，向所述污水污泥堆肥物料中投放玉米秸秆，投放前将玉米秸秆风干至含水率8-10％，然后粉碎至1～5cm，所述污水污泥堆肥物料与玉米秸秆的重量比为85:10-20。
5.根据权利要求4所述的减少污水污泥堆肥过程中氨气和甲烷气体排放的方法，其特征在于，在所述投放玉米秸秆前，将所述污水污泥堆肥物料脱水至含水率为80～85％。
6.根据权利要求1所述的减少污水污泥堆肥过程中氨气和甲烷气体排放的方法，其特征在于，所述堆肥采用连续强制通风方式，通风速率为0.15-0.25L·kg-1DM·min-1。
7.根据权利要求1-6任一项所述的减少污水污泥堆肥过程中氨气和甲烷气体排放的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：取玉米秸秆，将其风干至含水率10％，然后粉碎至3cm，按照污水污泥堆肥物料与玉米秸秆的重量比85:15将玉米秸秆加入到污水污泥堆肥物料中，充分混合；向污水污泥堆肥物料中投放过磷酸钙和复合功能菌剂，所述过磷酸钙的添加量为堆肥原料湿重的3％，复合功能菌剂的添加量为堆肥原料湿重的0.1％，充分混合，进行连续强制通风高温堆肥，通风速率为0.2L·kg-1DM·min-1，发酵温度大于55℃维持持在3天以上，每周翻动一次，堆肥时间为5周。
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