市政与环境工程 | 更新时间：2023-11-25 | 不同类型的外加碳源对污泥堆肥过程氮素损失的影响 Influence of Carbon-Rich Amendments on Nitrogen

堆肥过程的温度变化间接反映了微生物对有机物的利用情况，同时也是判断堆肥过程是否达到无害化要求的重要指标之一^[14]。由图 2可知，6个处理条件下，堆体温度均在第3 d达到最高温度，随即进入高温期，并在高温范围内(>55℃)维持至少2 d时间，此时大量的病原菌和杂草种子被灭活，从而实现堆肥过程无害化要求。试验中高温期维持时间普遍较短，分析其原因可能是由于在试验室模拟堆肥过程中，由于堆体体积较小，其可供微生物利用的热量来源物质也较少，造成了堆体高温期相对较短，但是这一现象在实际的工程应用中并不是限制因素^[15]。添加不同类型的碳源物质对堆体温度的影响并不显著。6个处理条件下，均能顺利完成堆肥升温过程，高温期结束后，由于大部分可降解有机物已被利用，堆肥系统散失的热量大于产生的热量，堆体温度缓慢下降，并逐渐达到环境温度，一次发酵过程得以完成。

2  堆肥过程中温度的变化

 

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堆肥物料的pH值直接影响铵态氮在堆肥物料中的存在状态, 是影响氮素损失的主要因素。当物料pH值大于8的时候，有机氮降解产生的大量铵态氮以氨气的形式存在，因此极易挥发到大气中^[16]。同时，pH值也是保证微生物生长繁殖的基本条件，pH值过高或者过低都将影响堆肥过程有机质的降解。如图 3所示，整个堆肥周期内pH值的变化趋势基本相同，即高温期达到最高值，随后缓慢下降，一次发酵周期结束后，堆体pH值维持在中性范围。而堆肥初始pH值由于加入的碳源不同，存在一定的差异。在加入葡萄糖与蔗糖的处理中，堆肥初始pH值最低为5.23，低于添加秸秆粉（7.52）与对照试验（7.63），可能是由于所加入的碳源在微生物的作用下部分分解为有机酸，从而降低了物料初始pH值。在前期试验中，作者发现适当降低pH值可以显著减少氨气的挥发。但是，随着堆肥反应的进行，有机氮在微生物作用下发生矿化反应从而积累大量的铵态氮，使堆体pH值在高温期迅速上升。一次发酵结束后，所有处理中，pH值均维持在7.0~7.5范围内。这种中性环境既是堆肥产品稳定化的象征，同时也有利于后续腐熟过程的顺利完成，从而满足堆肥产品的后续应用要求。

3  堆肥过程pH值变化

 

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堆肥物料有机碳（TOC）的变化直接反映了微生物对有机碳的降解能力，由图 4可知，与对照试验相比，各处理条件下，外加碳源的添加均提高了初始物料TOC的含量。在未加入碳源的条件下R6中，TOC的降解主要发生在堆肥启动至高温期阶段，但在加入蔗糖以及葡萄糖和秸秆粉的混合物处理条件下，TOC在高温期后期仍有少量降解反应发生。各处理条件下，有机碳的降解效率分别为26.3 %, 27.9 %, 25 %, 35.1 %, 33.7 %和18.9 %。葡萄糖、蔗糖均可以增加堆肥物料TOC的降解速率，即微生物的活性有所增加。但是，单独添加秸秆粉对微生物降解TOC的能力并没有促进作用。同时，根据堆肥过程二氧化碳释放结果（图 4-2）可得到相类似的结论，二氧化碳通常是由微生物对有机碳的矿化过程中产生的，Komilis等^[17]指出，二氧化碳的变化可间接反映堆体内部微生物活性的变化。添加葡萄糖与秸秆粉堆肥实验中，微生物的对有机质的降解效率最高，其二氧化碳释放量总量为2.5 g/kg·ds，其次为添加蔗糖与秸秆粉混和堆肥条件下，添加秸秆粉处理条件下，二氧化碳的释放量为1.93 g/kg·ds，而对照试验中，二氧化碳的释放量最少，仅为1.81 g/kg·ds，即在对照组堆肥物料中能够被微生物利用的碳源也相对较少，因此其微生物活性相对较低。

4-1  堆肥过程TOC的变化

 

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4-2  堆肥过程二氧化碳释放量

 

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由图 5-1、5-2可知，添加不同类型的碳源，对堆肥过程氨气的挥发具有显著影响（p < 0.001），尤其是堆肥高温期。在整个堆肥过程中，随着堆体温度的升高，氨气的挥发量急剧增加，R6和R3的瞬时氨气挥发量在96 h达到峰值，而在R2，R4及R5中，其氨气挥发量峰值出现的时间要略晚于其他处理条件，大约在168 h，并且氨气挥发量最高值也只有对照试验的1/3。由图 5-2可知，R5中累积性氨气挥发量由对照试验的3.05 g/kg·ds，减少至1.92 g/kg·ds，即通过加入蔗糖或者葡萄糖与秸秆粉的混合物质，能够显著降低高温期堆肥系统氨气的挥发，而单独添加秸秆粉对氨气挥发的控制并没有显著效果。由图 5-1可知，大约79%以上氨气的挥发是在堆肥过程的高温期发生。因此，降低高温期氨气的挥发能够显著减少整个堆肥过程氨气的挥发量。

5-1  堆肥过程瞬时氨气释放量

 

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5-2  堆肥过程累积氨气释放量

 

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如表 2所示，堆肥初始物料中总氮含量基本相同，而在经过22 d好氧堆肥后，堆肥物料总氮含量存在显著的差异，为了避免有机质降解对氮素损失的影响，根据式（1）计算各条件下总氮的损失情况。其中添加蔗糖与秸秆粉的处理中，氮素损失最少，为27.7%，而单独添加秸秆粉处理与对照试验相比，总氮损失情况基本相同，虽然单独使用秸秆粉对氮素损失的控制基本没有效果，但是当其与蔗糖或者葡萄糖联用的时候，却能够在一定程度上减少氮素的损失。

2  堆肥前后氮素损失

处理	初始总氮/%	堆肥结束总氮/%	初始总氮/灰分	堆肥结束总氮/灰分	总氮损失/%a
R1	2.29	2.39	0.97	0.61	36.4
R2	2.46	2.35	0.92	0.59	35.0
R3	2.39	1.80	0.97	0.46	52.4
R4	2.26	1.91	0.87	0.52	40.3
R5	2.29	2.44	0.90	0.65	27.7
R6	2.46	1.59	0.91	0.43	53.1
a：计算方法依据1.4中公式（1）

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