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        城市污泥堆肥過程氮素轉(zhuǎn)化影響因素實驗研究

        2022-09-07 02:48:48韓夢君呂曉理
        山東水利 2022年8期
        關(guān)鍵詞:實驗

        韓夢君,呂曉理

        (南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司,山東 濟(jì)南250109)

        污泥是污水處理的副產(chǎn)物之一,城市污泥是一種由有機(jī)殘片、細(xì)菌菌體、無機(jī)顆粒、膠體等組成的復(fù)雜非均質(zhì)體。污水處理廠產(chǎn)生的污泥對環(huán)境來說也是一種污染物,如果不妥善處置,就會形成二次污染。污泥堆肥化處理能夠?qū)⑽勰嘀幸捉到庥袡C(jī)物轉(zhuǎn)化為腐殖類物質(zhì),殺滅病原菌并減小污泥體積,處置后的堆肥產(chǎn)品施入土壤后能夠顯著改善土壤性質(zhì),增加作物產(chǎn)量。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹,在堆肥處置過程中,堆體受到溫度、pH值、通風(fēng)速率、C/N等因素的影響,會損失掉一大部分的氮,損失的氮素有一部分以氨氣的形式揮發(fā)到環(huán)境中,不僅影響居民生活,危害居民健康,還減少了堆肥產(chǎn)物的肥效。通過實驗測定污泥堆肥過程中氨氮濃度、氨氣釋放量和總氮量,研究不同調(diào)理劑對堆肥過程中氮素轉(zhuǎn)化的影響,對提高城市污泥堆肥的利用價值具有現(xiàn)實意義。

        1 堆肥實驗過程

        1.1 堆肥原料

        污泥取自河南新鄉(xiāng)縣城污水處理廠,其污水來源包括生活及工業(yè)污水,黑填料球和黃菱球均為市場購買。堆肥原料的性質(zhì)見表1。

        表1 原料特性表

        1.2 實驗方法及反應(yīng)器

        實驗分為A、B、C三組,分組情況見表2,實驗周期為23 d。反應(yīng)器直徑19 cm,高45 cm,總?cè)莘e為12.8 L。實驗期間將反應(yīng)器置于循環(huán)水培養(yǎng)箱內(nèi),根據(jù)堆體內(nèi)部溫度對培養(yǎng)箱內(nèi)循環(huán)水進(jìn)行階段升溫,用來模擬大堆體自升溫過程。反應(yīng)器后串聯(lián)兩個集氣瓶,集氣瓶內(nèi)分別裝有一定體積的20%的氫氧化鈉溶液和2%的硼酸溶液,用來收集每天產(chǎn)生的二氧化碳和氨氣。

        表2 不同處理條件及初始物料特性

        1.3 實驗試劑及儀器

        實驗主要用試劑有氫氧化鈉溶液、2%的硼酸溶液、0.5 mol/L的鹽酸溶液、2 mol/L的鹽酸溶液、溴甲酚綠-甲基紅混合指標(biāo)液、酚酞、甲基橙等。主要儀器有馬弗爐、烤箱、離心機(jī)、分光光度計、凱式定氮儀等。

        1.4 采樣

        實驗周期內(nèi)每天記錄堆體內(nèi)部溫度,觀察水循環(huán)、通氣情況是否正常,確保實驗順利進(jìn)行。分別在第0 h、120 h、216 h、288 h、360 h、456 h、552 h取樣,取樣前將堆體充分混合,取完樣品后密封低溫保存,留待分析。

        1.5 樣品分析方法

        二氧化碳分析方法:采用20%的氫氧化鈉溶液吸收實驗過程中釋放的二氧化碳,再用2 mol/L的鹽酸溶液滴定。氨態(tài)氮(NH4+-N)分析方法:測得樣品溶液吸光度,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線求得NH4+-N濃度。氨氣分析方法:采用2%的硼酸溶液吸收實驗過程中釋放的氨氣,再用0.5 mol/L的鹽酸溶液滴定??偟治龇椒ǎ翰捎脛P一式定氮法,即蒸餾氨后用0.01 mol/L的鹽酸溶液滴定。

        2 堆肥過程

        2.1 溫度變化實驗分析

        本次實驗中不同調(diào)理劑對應(yīng)污泥堆肥的溫度變化也不同,如圖1所示。

        圖1 溫度變化趨勢

        由圖1可以看出,三組實驗的高溫期為第96~408 h,最高溫出現(xiàn)在第360 h,最低溫出現(xiàn)在第480 h。三組實驗的最高溫依次為60.6℃、50.8℃、52.8℃,最高溫A>C>B;最低溫依次是為35.3℃、33.8℃、33.6℃,最低溫C

        2.2 二氧化碳的釋放量

        二氧化碳的變化間接反映堆體內(nèi)部微生物活性的變化,由圖2可知,三組實驗的二氧化碳釋放量上升或下降趨勢大致相同。低溫階段,由于堆肥初期溫度較低,微生物活性較弱,所以在堆肥初期二氧化碳的產(chǎn)生量較低。高溫階段,二氧化碳含量先升高后降低,是因為溫度較高,微生物活性強(qiáng),使得二氧化碳的濃度增加,但是隨著反應(yīng)進(jìn)行,微生物易降解的有機(jī)質(zhì)含量降低,微生物的活性下降,釋放二氧化碳的能力變?nèi)酢?/p>

        圖2 二氧化碳釋放量的變化趨勢

        3 氮素的轉(zhuǎn)化實驗分析

        3.1 氨態(tài)氮(NH4+-N)

        NH4+-N濃度隨時間變化趨勢如圖3所示。從圖3中可以看出,NH4+-N濃度的變化與其填料的類型有關(guān)。以木屑為調(diào)理劑的堆體,其濃度上升速度最快,較晚達(dá)到最高濃度3.53 mol/L,在整個實驗周期內(nèi)濃度變化浮動較大;以黑填料球為填料的堆體,最快達(dá)到濃度最高值3.77 mol/L;以黃菱球為調(diào)理積的堆體濃度前期變化平緩,達(dá)到最高濃度的時間最長,達(dá)到最大濃度后濃度下降較快,最高濃度為4.08 mol/L。在高溫期,氮素大量降解氨化,造成NH4+-N大量積累,使得NH4+-N濃度維持在比較高的水平,而在堆肥后期,NH4+-N濃度普遍下降,這是因為高溫期后,部分NH4+-N在高溫及高pH值下轉(zhuǎn)化成氨氣揮發(fā)到大氣中。

        圖3 NH4+-N濃度隨時間變化趨勢

        3.2 NH3的揮發(fā)

        影響堆肥過程中氨氣揮發(fā)的因素主要有溫度、二氧化碳等。三組實驗隨著堆肥反映的進(jìn)行,氨氣積累量逐漸增大,其中C組增加速度明顯快于其他兩組。三組氨氣積累量的增加速度由快至慢分別為:C>A>B。

        在高溫期,三組實驗的氨氣揮發(fā)量分別為82 mg、63 mg、226 mg,在整個發(fā)酵周期內(nèi),累積氨氣揮發(fā)量分別為2.63 g、1.88 g、3.57 g。可見黑填料作為調(diào)理劑可以降低高溫期時氨氣的揮發(fā)量,進(jìn)而降低了整個堆肥周期的氨氣揮發(fā)總量。

        3.3 總氮

        經(jīng)過552 h的堆肥后,三組實驗總氮含量由原來大致相同變得具有明顯差異。以木屑為調(diào)理劑的堆體,堆肥結(jié)束時總氮共下降了9.73 g/kg、32.25%;以黑填料球為調(diào)理劑的堆體,結(jié)束時總氮共下降了4.07 g/kg、13.90%;達(dá)到總氮濃度最大值所需的時間最短且最大;以黃菱球為調(diào)理劑的堆體結(jié)束時總氮共下降了9.96 g/kg、32.33%。由此可知,以黑填料球為調(diào)理劑的堆體總氮濃度降低的最少。

        3.4 堆肥過程中氮素的損失

        在堆肥結(jié)束后,總氮有一定的損失,主要是由于有機(jī)氮的礦化和持續(xù)性氨的揮發(fā)以及硝態(tài)氮的可能反硝化。本次實驗中,黑填料球作為調(diào)理劑損失氮素最少,為28.44%;木屑次之,為75.56%;黃菱球最多,為80.75%;由此可知,用黑填料球作為調(diào)理劑能有效減少堆肥過程中的氮素?fù)p失。

        4 實驗結(jié)論

        堆肥過程中有機(jī)氮的氨化作用使得氮素產(chǎn)生損失,一般來講堆肥過程中氮的損失量大約為50%~60%,其中產(chǎn)生氨氣并揮發(fā)是氮損失的主要途徑之一。由實驗結(jié)果可知,氨氣的揮發(fā)與調(diào)理劑有著密不可分的關(guān)系,可以通過選擇不同調(diào)理劑來控制氨氣的揮發(fā)。在三組實驗中,以黑填料球為調(diào)理劑的堆肥實驗氨氣的揮發(fā)量最少,相應(yīng)的氮素?fù)p失也最少。因此選用黑填料球為調(diào)理劑,可以減少氨氣的揮發(fā),有效減少氮素?fù)p失。

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