CN110746223B - 一种减少好氧堆肥过程氮素损失的方法 - Google Patents

一种减少好氧堆肥过程氮素损失的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种减少好氧堆肥过程氮素损失的方法，属于废物资源化技术领域。本发明提供了一种减少利用有机废弃物发酵生产堆肥过程中氨流失的方法，此方法可以显著减少利用有机废弃物好氧发酵生产堆肥过程中的氨流失，保氮效果较好，提高肥效；发酵初期，堆体pH为3.9～6.0，发酵过程中堆体无明显或略有氨味；发酵结束时，堆体的pH为7.2～7.5，C/N比为9.9～14.5，堆体中氨氮含量提高了60.6％～446.5％，氮素损失0.1～0.9g/kg，其氮素损失较空白对照降低了18.2％～90.9％，优势较为明显。本发明的方法所使用的酸性螯合剂为氨三乙酸，该物质成本较低且无任何毒副作用，因此，利用本发明的方法生产得到的堆肥成本低且无安全隐患。

Description

一种减少好氧堆肥过程氮素损失的方法
技术领域
本发明涉及一种减少好氧堆肥过程氮素损失的方法，属于废物资源化技术领域。
背景技术
近年来城市污泥产量逐年增加，其中含水率约80％左右的污泥年产量达到3000t，并且绝大部分没有得到有效的处理。食品处理厂剩余污泥中有机物含量高，营养丰富，含有大量的蛋白质、多糖、脂肪等，不含有有毒有害物质。如果采用合适的方法对食品处理厂剩余污泥进行处理与利用，则是良好的有机肥源。好氧堆肥法是研究较多、应用广泛且被认为是最具前景的有机废物处理方法之一。
堆体中氮素的形态包括无机氮和有机氮。其中，无机氮包括氨态氮(NH3-N)、铵态氮(NH4 +-N)、硝态氮(NO3 --N)、亚硝态氮(NO2 --N)和氮气(N2)，前两者常统称为铵态氮。有机氮是指所有含氮的有机物，包括蛋白质、氨基糖、多肽和氨基酸等，可以TKN表示。氮素的不同形态可在一定条件下相互转化，无机氮可通过微生物的同化作用转化为有机氮，有机氮则可通过微生物的降解转化为铵态氮，铵态氮在一定环境条件下进一步转化为氨态氮或氨气，也可在微生物作用下转化为硝态氮和亚硝态氮，进一步通过反硝化作用转化为氮气。氨气和氮气的形成与挥发是导致堆体中氮素损失的重要因素，其中，氨气挥发不仅导致氮素损失，而且带来空气污染。
在好氧堆肥过程中，高温和高pH是影响NH3挥发的两大主要因素，NH3的大量挥发不仅造成堆肥产品品质降低，而且影响堆肥技术的环境友好型使用。氮素损失控制一直是堆肥研究热点，利用添加剂控制堆肥化过程中氮素转化是常用的技术手段。堆肥常用固氮添加剂包括酸性添加剂、吸附剂、化学添加剂以及生物添加剂等。其中，酸性添加剂主要通过降低物料pH控制氨挥发及氮素损失。
在畜禽养殖过程中使用重金属可提高其抵抗力，促进其生长，这就导致畜禽排泄物中的重金属含量较高，影响堆肥化技术实现畜禽粪便无害化的效果，陈丽红等人在利用畜禽粪便堆肥过程中分别添加柠檬酸和乙二胺四乙酸钠(EDTA)，考察了其去除重金属的效果，结果表明，EDTA对铜的去除效果最好，而柠檬酸的去除效果较差。目前，尚无采用酸性有机添加剂降低堆肥过程氮素损失的报道。
发明内容
针对背景技术提到的好氧堆肥过程中，发酵原料中的氮素易流失问题，本发明提供了一种减少好氧堆肥过程氮素损失的方法，使用有机酸作为酸性添加剂，在合适原料及发酵反应的时间下，有效减少发酵过程中氮素的损失。本发明使用的有机酸为氨三乙酸，氨三乙酸是一种三元中强酸，能溶于水，水解电离出的H+可与堆肥过程中产生的NH3结合形成NH4 +，进而通过减少氨挥发带来的氮素流失。
本发明的第一个目的是提供一种减少好氧堆肥过程氮素损失的方法，所述方法步骤如下：
(1)将剩余污泥与秸秆混合得到发酵原料；
(2)将氨三乙酸添加进步骤(1)的发酵原料中进行好氧发酵，得到堆肥产品。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中剩余污泥与秸秆按照质量比(8～5)：(2～5)的比例进行混合，控制混合物的碳氮比为15～35，得到发酵原料。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中发酵原料的含水率为50％～65％，含水率是指发酵原料中水分重量与总重量的百分比。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中为将污水处理剩余污泥与秸秆按照质量比7:3的比例进行混合，控制混合物的碳氮比为25，含水率为55％，得到发酵原料。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中秸秆包括玉米秸秆、稻草秸秆和/或稻壳。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中秸秆的粒径为0.5～2mm。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)中氨三乙酸在发酵原料中的添加量占发酵原料总质量的1％～5％。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)中好氧发酵为将添加酸性螯合剂后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)中好氧发酵搅拌的时间为15～60min。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)中好氧发酵初步发酵的时间为7～14d，通风量4～10m3/h。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)中好氧发酵二次发酵的时间为7～14d，无人工曝气。
本发明的第二个目的是提供应用上述方法制备得到的堆肥产品。
本发明的第三个目的是提供一种城市污泥的处理方法，所述方法为利用上述方法进行好氧堆肥。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供了一种减少好氧堆肥过程氮素损失的方法，此方法可显著降低堆肥初期的堆体pH，提高堆肥产品的腐熟度，显著减少利用有机废弃物好氧发酵生产堆肥过程中的氨素损失，保氮效果好。
(2)利用本发明的方法进行好氧堆肥，氮素损失明显减少，保氮效果显著；发酵初期，堆体pH为3.9～6.0，发酵过程中堆体无明显或略有氨味；发酵结束时，堆体的pH为7.2～7.5，C/N比为9.9～14.5，堆体中氨氮含量提高了60.6％～446.5％，氮素损失0.1～0.9g/kg，其氮素损失较空白对照降低了18.2％～90.9％，优势较为明显。
(3)本发明的方法所使用的酸性螯合剂为氨三乙酸，该物质成本较低且无任何毒副作用，因此，利用本发明的方法生产得到的堆肥成本低且无安全隐患。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步的阐述。
下述实施例中涉及的污水处理剩余污泥为来源于江浙地区某食品厂的污水处理剩余污泥；下述实施例中涉及的玉米秸秆购自/来源于河南；下述实施例中涉及的氨三乙酸购自国药集团化学试剂有限公司。
下述实施例中涉及的检测方法如下：
碳氮(C/N)比的检测方法：碳氮比为总有机碳(Total organic carbon,TOC)与凯氏氮(Total Kjeldahl nitrogen,TKN)的比值，总有机碳是指原料中有机物的含碳量，凯氏氮是指以基耶达法测得的含氮量，它包括原料中的有机氮和氨氮，也称为全氮。
总有机碳采用重铬酸钾氧化-分光光度法(HJ 615-2011)进行测定，即在加热条件下，固体样品中的有机碳被过量重铬酸钾-硫酸溶液氧化，重铬酸钾中的六价铬(Cr6+)被还原为三价铬(Cr3+)，其含量与样品中有机碳的含量成正比，于585nm波长处测定吸光度，根据三价铬(Cr3+)的含量计算有机碳含量。
凯氏氮采用凯氏定氮仪测定法(HJ 717-2014)进行测定，即固体样品中的凯氏氮在硫代硫酸钠、浓硫酸、高氯酸和催化剂的作用下，经氧化还原反应全部转化为铵态氮。消解后的溶液碱化蒸馏出的氨被硼酸吸收，用标准盐酸溶液滴定，根据标准盐酸溶液的用量来计算样品中凯氏氮的含量。
含水率采用重量法(HJ 613-2011)进行测定，即固体样品在(105±5)℃烘至恒重，以烘干前后的样品质量差值计算水分的含量，含水率为水分含量占样品总质量的百分比。
将固体样品与水按1：10的比例混合，浸提1h后，采用水质自动分析仪测定浸提液的pH(HJ/T 96-2003)和氨氮含量(HJ/T 101-2003)。
对比例1不添加酸性螯合物
具体步骤如下：
将食品厂污水处理剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比7:3的比例进行混合，控制混合物的碳氮比为25，含水率为55％，得到发酵原料，将发酵原料中进行好氧发酵，得到堆肥产品；其中，好氧发酵为将发酵原料进行搅拌、初步发酵以及二次发酵，搅拌的时间为20min，初步发酵的时间为7d，通风量为6m3/h，二次发酵的时间为14d，无需人工曝气通风。发酵初期，堆体pH为7.1，发酵过程中堆体出现明显氨味；发酵结束时，测得堆体的pH为7.0，C/N比为12.8，堆体中氨氮含量提高了18.3％，氮素损失1.1g/kg。
实施例1添加占发酵原料总质量1％的氨三乙酸
具体步骤如下：
先将食品厂污水处理剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比7:3的比例进行混合，控制混合物的碳氮比为25，含水率为55％，得到发酵原料，然后将氨三乙酸按照占发酵原料总质量1％的比例添加进发酵原料中进行好氧发酵，得到堆肥产品；其中，好氧发酵为将添加氨三乙酸后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵，搅拌的时间为20min，初步发酵的时间为7d，通风量为6m3/h，二次发酵的时间为14d，无需人工曝气通风。发酵初期，堆体pH为6.0，发酵过程中堆体略有氨味；发酵结束时，测得堆体的pH为7.2，C/N比为12.5，堆体中氨氮含量提高了60.6％，氮素损失0.9g/kg，其氮素损失较对比例1降低了18.2％。
实施例2添加占发酵原料总质量2.5％的氨三乙酸
具体步骤如下：
先将食品厂污水处理剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比7:3的比例进行混合，控制混合物的碳氮比为25，含水率为55％，得到发酵原料，然后将氨三乙酸按照占发酵原料总质量2.5％的比例添加进发酵原料中进行好氧发酵，得到堆肥产品；其中，好氧发酵为将添加氨三乙酸后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵，搅拌的时间为20min，初步发酵的时间为7d，通风量为6m3/h，二次发酵的时间为14d，无需人工曝气通风。发酵初期，堆体pH为5.2，发酵过程中堆体无明显氨味；发酵结束时，测得堆体的pH为7.4，C/N比为9.9，堆体中氨氮含量提高了321.1％，氮素损失0.3g/kg，其氮素损失较对比例1降低了72.7％，优势较为明显。
实施例3添加占发酵原料总质量3.8％的氨三乙酸
具体步骤如下：
先将食品厂污水处理剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比7:3的比例进行混合，控制混合物的碳氮比为25，含水率为55％，得到发酵原料，然后将氨三乙酸按照占发酵原料总质量3.8％的比例添加进发酵原料中进行好氧发酵，得到堆肥产品；其中，好氧发酵为将添加氨三乙酸后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵，搅拌的时间为20min，初步发酵的时间为7d，通风量为6m3/h，二次发酵的时间为14d，无需人工曝气通风。发酵初期，堆体pH为5.3，发酵过程中堆体略有酸味；发酵结束时，测得堆体的pH为7.3，C/N比为11.2，堆体中氨氮含量提高了358.6％，氮素损失0.2g/kg，其氮素损失较对比例1降低了81.7％。
实施例4添加占发酵原料总质量5％的氨三乙酸
具体步骤如下：
先将食品厂污水处理剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比7:3的比例进行混合，控制混合物的碳氮比为25，含水率为55％，得到发酵原料，然后将氨三乙酸按照占发酵原料总质量5％的比例添加进发酵原料中进行好氧发酵，得到堆肥产品；其中，好氧发酵为将添加氨三乙酸后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵，搅拌的时间为20min，初步发酵的时间为7d，通风量为6m3/h，二次发酵的时间为14d，无需人工曝气通风。发酵初期，堆体pH为3.9，发酵过程中堆体略有酸味；发酵结束时，堆体的pH为7.5，C/N比为14.5，堆体中氨氮含量提高了446.5％，氮素损失0.1g/kg，其氮素损失较对比例1降低了90.9％。
实施例5添加占发酵原料总质量7％的氨三乙酸
具体步骤如下：
先将食品厂污水处理剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比7:3的比例进行混合，控制混合物的碳氮比为25，含水率为55％，得到发酵原料，然后将氨三乙酸按照占发酵原料总质量7％的比例添加进发酵原料中进行好氧发酵，得到堆肥产品；其中，好氧发酵为将添加氨三乙酸后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵，搅拌的时间为20min，初步发酵的时间为7d，通风量为6m3/h，二次发酵的时间为14d，无需人工曝气通风。发酵初期，堆体pH为1.5，发酵过程中堆体有重酸味；发酵结束时，堆体的pH为3.8，C/N比为22.0，堆体中氨氮含量提高了560.3％，氮素损失低于0.1g/kg，其氮素损失较对比例1降低了95％以上，但当氨三乙酸的添加量占原料总质量7％，C/N比较高，说明有机物发酵的并不充分。
实施例6在实施例4的基础上改变原料的配比
具体步骤如下：
先将食品厂污水处理剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比4：6，1：9，9：1的比例进行混合，控制混合物的碳氮比为39，52，9，含水率为55％，得到发酵原料，然后将氨三乙酸按照占发酵原料总质量2.5％的比例添加进发酵原料中进行好氧发酵，得到堆肥产品；其中，好氧发酵为将添加氨三乙酸后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵，搅拌的时间为20min，初步发酵的时间为7d，通风量为6m3/h，二次发酵的时间为14d，无需人工曝气通风。发酵的结果见表1。
由表1可知当剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比4：6进行混合时，发酵初期堆体的pH为5.1，发酵结束时，堆体的pH为6.9，C/N比为25.0，堆体中氨氮含量提高了1.2％，氮素损失0.8g/kg。当剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比1：9进行混合时，发酵初期堆体的pH为5.0，发酵结束时，堆体的pH为5.8，C/N比为33.8，堆体中氨氮含量提高了6.4％，氮素损失0.5g/kg。当剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比9：1进行混合时，发酵初期堆体的pH为5.3，发酵结束时，堆体的pH为8.6，C/N比为15.2，堆体中氨氮含量提高了0.4％，氮素损失1.6g/kg。由此可见，当改变剩余污泥和玉米秸秆的配比时，堆体中氨氮含量的提高比例大幅降低，说明原料配比发生变化时，微生物的活性变得很低。
表1
Figure BDA0002290738410000061
实施例7在实施例4的基础上改变初步发酵和二次发酵的时间
具体步骤如下：
先将食品厂污水处理剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比7:3的比例进行混合，控制混合物的碳氮比为25，含水率为55％，得到发酵原料，然后将氨三乙酸按照占发酵原料总质量2.5％的比例添加进发酵原料中进行好氧发酵，得到堆肥产品；其中，好氧发酵为将添加氨三乙酸后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵，搅拌的时间为20min，分别改变初步发酵的时间为5和9d，通风量为6m3/h，对应的二次发酵的时间为10和18d，无需人工曝气通风。发酵的结果见表2。
由表2可知，改变初步发酵时间为5d，二次发酵时间为14d时，发酵初期堆体的pH为5.5，发酵结束时，堆体的pH为5.8，C/N比为19.9，堆体中氨氮含量提高了410.2％，氮素损失0.1g/kg。改变初步发酵时间为9d，二次发酵时间为14d时，发酵初期堆体的pH为5.4，发酵结束时，堆体的pH为7.9，C/N比为10.7，堆体中氨氮含量提高了129.2％，氮素损失0.5g/kg。改变初步发酵时间为7d，二次发酵时间为10d时，发酵初期堆体的pH为5.5，发酵结束时，堆体的pH为6.1，C/N比为20.5，堆体中氨氮含量提高了298.2％，氮素损失0.3g/kg。改变初步发酵时间为7d，二次发酵时间为18d时，发酵初期堆体的pH为5.0，发酵结束时，堆体的pH为8.0，C/N比为9.2，堆体中氨氮含量提高了184.3％，氮素损失0.5g/kg。
表2
Figure BDA0002290738410000071
对比例2添加占发酵原料总质量2.5％的柠檬酸
具体步骤如下：
先将食品厂污水处理剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比7:3的比例进行混合，控制混合物的碳氮比为25，含水率为55％，得到发酵原料，然后将柠檬酸按照占发酵原料总质量2.5％的比例添加进发酵原料中进行好氧发酵，得到堆肥产品；其中，好氧发酵为将添加柠檬酸后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵，搅拌的时间为20min，初步发酵的时间为7d，通风量为6m3/h，二次发酵的时间为14d，无需人工曝气通风。发酵初期，堆体pH为4.8，发酵过程中堆体略有氨味；发酵结束时，测得堆体的pH为8.4，C/N比为18.9，堆体中氨氮含量提高了39.0％，氮素损失1.0g/kg，其氮素损失较对比例1降低了9.1％。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (5)

1.一种减少好氧堆肥过程氮素损失的方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
(1)将剩余污泥与秸秆混合得到发酵原料；
(2)将氨三乙酸添加进步骤(1)的发酵原料中进行好氧发酵，得到堆肥产品；
步骤(1)中所述剩余污泥与秸秆按照质量比7:3的比例进行混合，控制混合物的碳氮比为15～35，得到发酵原料；
步骤(2)中所述好氧发酵为将氨三乙酸后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵；
步骤(2)中所述氨三乙酸在发酵原料中的添加量占发酵原料总质量的1～5％；
步骤(2)中所述初步发酵的时间为7～14d，通风量4～10m3/h；
步骤(2)中所述二次发酵的时间为7～14d，无人工曝气。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述发酵原料的含水率为50％～65％，含水率是指发酵原料中水分重量与总重量的百分比。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述秸秆的粒径为0.5～2mm。
4.根据权利要求1-3任一所述的方法制备得到的堆肥产品。
5.一种城市污泥的处理方法，其特征在于，所述方法利用根据权利要求1-3任一所述的方法进行好氧堆肥。
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