史昌明，佟敏，崔亞茹，楊森，王體朋

(1. 國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，呼和浩特市，010000；2. 華北電力大學(xué)生物質(zhì)發(fā)電成套設(shè)備國家工程實驗室，北京市，102206)

0 引言

飛灰是生物質(zhì)發(fā)電的主要副產(chǎn)物之一，具有產(chǎn)量大、密度小容揚散等特點，僅一個25 MW的生物質(zhì)發(fā)電機組的飛灰年產(chǎn)量就達到了10 kt[1]，處理不當(dāng)容易造成二次污染[2]，因此如何安全高效地利用這些飛灰已成為制約生物質(zhì)電廠可持續(xù)發(fā)展的重要問題之一。

飛灰處置的主流處置手段有飛灰活化、制備化工品和土壤修復(fù)等。李景偉[3]對秸稈飛灰進行活化后用于脫硝，發(fā)現(xiàn)了活化飛灰對NO2的脫除效果明顯。梁光兵利用生物質(zhì)飛灰制備ZSM-5分子篩，發(fā)現(xiàn)了其具有優(yōu)異的離子燃料吸附性能。葛景崗[4]研究發(fā)現(xiàn)通過將爐渣和飛灰進行合理配比用于土壤修復(fù)，可以使土壤中鎘的穩(wěn)定化率達91.1%，鉛的穩(wěn)定化率達85.6%。然而，上述處置方式仍存在缺陷，如飛灰活化和制備分子篩均需要進行高溫處理，需要耗費大量能源；而直接用于土壤改良則有可能導(dǎo)致土壤的鹽堿化[5]。因此，需要需求一種經(jīng)濟、環(huán)境效益更高的處置手段。

好氧堆肥是處理有機固廢的主要方法之一，利用沼渣與糞便共堆肥可以發(fā)揮二者的優(yōu)點，提高產(chǎn)品的品質(zhì)[6]。目前，有關(guān)糞便和沼渣共堆肥的研究相對較多。張浩等[7]對沼渣和黑水虻蟲糞共堆肥的效果進行了研究，發(fā)現(xiàn)添加蟲糞有固氮作用。黃光群等[8]對沼渣和雞糞共堆肥中甲烷(CH4)、氨氣(NH3)及氧化亞氮(N2O)等排放氣體進行了研究。然而，僅僅利用沼渣和糞便兩種原料制備的有機肥鉀含量相對較低[9]，需要添加一定的添加劑來提高產(chǎn)品品質(zhì)。生物質(zhì)飛灰中含有大量堿金屬元素，尤其是鉀[10]，是植物生長所必須的營養(yǎng)元素，因此飛灰是一種良好的有機肥添加劑[11]。為了研究生物質(zhì)電廠飛灰對好氧堆肥過程的影響，本文以玉米秸稈沼渣、生物質(zhì)電廠飛灰和牛糞為原料進行共堆肥，探究飛灰添加量對堆肥過程中含水率、電導(dǎo)率、總碳、總氮、總磷和總鉀變化的影響，為生物質(zhì)電站飛灰的高效利用提供依據(jù)。

1 原料與方法

1.1 堆肥材料

堆肥原料的基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1和表2。

堆肥材料包括玉米秸稈沼渣、牛糞和牛糞發(fā)酵劑。牛糞來自密云區(qū)河南寨鎮(zhèn)西田各莊村；玉米秸稈沼渣來自密云區(qū)高嶺鎮(zhèn)石匣村沼氣站；生物質(zhì)電廠飛灰來自發(fā)電有限公司；粉狀牛糞發(fā)酵劑為珺興有機肥發(fā)酵菌劑。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在圓柱形好氧發(fā)酵反應(yīng)器中進行，直徑為0.3 m、高為0.6 m。牛糞和沼渣比例為4∶1，并添加0.05%好氧發(fā)酵菌劑，飛灰添加量為8%、12%、20% 和25%，通風(fēng)量為200 mL/min，初始含水率為55%～60%；堆肥試驗時間為60 d；發(fā)酵溫度為55 ℃～65 ℃；每10天翻堆一次。用秸稈發(fā)酵沼液來調(diào)節(jié)原料含水率及堆肥過程含水率。

1.3 分析方法

各理化指標(biāo)分析方法如表3所示。

表3 實驗室堆肥過程樣品理化指標(biāo)分析方法Tab. 3 Laboratory composting process sample physical and chemical index analysis method

堆肥過程中每10天翻堆一次，充分混合均勻后按四分法各取約200 g樣品進行理化特性分析，測試內(nèi)容包括含水率、電導(dǎo)率、總碳、總氮、總磷和總鉀等指標(biāo)。其中一部分樣品烘干，用于測試含水率、總氮、總碳和總鉀；另一部分則保持原樣，用于測試酸堿度、電導(dǎo)率和總磷。

2 結(jié)果與討論

2.1 飛灰添加量對含水率影響

含水率是影響堆肥的主要因素，水的存在阻隔了氧氣，降低了發(fā)酵溫度，同時降低微生物活，因此高的含水率不利于好氧堆肥。由圖1可知，飛灰添加量對含水率影響很大，當(dāng)添加量由8%增加到25%時，堆體的含水率增加，但是當(dāng)飛灰添加量超過12%時，對堆體的含水率影響不大，最終維持在58%左右。隨著堆肥的進行，堆體中的含水率均呈先增后減的趨勢。當(dāng)發(fā)酵時間超過40 d時，飛灰含量增加，堆體的含水率降低。隨著堆體飛灰添加量的增加，其含水率的最大值和最小值均降低。這可能主要是由于生物質(zhì)電廠飛灰中的生物炭具有好的吸附作用，致使發(fā)酵過程產(chǎn)生的水汽難以蒸發(fā)；另一方面飛灰中的堿金屬和堿土金屬元素在溶于水后會增加堆體的吸水性，提高了水分蒸發(fā)的難度，導(dǎo)致含水率增加。

圖1 飛灰添加量對堆體含水率的影響

2.2 飛灰添加量對pH影響

根據(jù)靳熹等[12]研究表明，好氧堆肥過程酸堿度可以影響微生物的活性并最終改變堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量。由圖2可以看出，隨著飛灰添加量由8%增加到25%，堆體pH呈增加趨勢。這可能主要是由于增加飛灰的添加量會提高堆體中堿金屬和堿土金屬元素的含量。

在發(fā)酵過程中這些金屬元素因溶解和微生物等作用而溶于水，從而提高了堆體的pH值。另一方面，好氧堆肥過程會產(chǎn)生一定的有機酸，導(dǎo)致堆體pH值降低，但是低的pH值不利于微生物的生長。然而，添加飛灰后，飛灰中的堿金屬氧化物或鹽能夠中和發(fā)酵過程產(chǎn)生的有機酸，從而使堆體的pH值維持在一個較好的范圍內(nèi)，有利于改善發(fā)酵環(huán)境，促進微生物的生長繁殖[13]，有助于提高發(fā)酵效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

圖2 飛灰添加量對pH值的影響

2.3 飛灰添加量對總碳、總氮和C/N比影響

生物質(zhì)電廠飛灰添加量對堆體總碳、總氮和C/N的影響較顯著，如圖3～圖5所示。

圖3 飛灰添加量對TC的影響

圖4 飛灰添加量對TN的影響

圖5 飛灰添加量對C/N的影響

隨著飛灰添加量的增加，總碳含量提高，60 d腐熟后，堆體的總碳含量由37.37%增加到47.81%；總氮含量變化不大，C/N比增加。這主要是由于生物質(zhì)電廠飛灰中含有大量的金屬氧化物和未燃盡的生物炭等成分[14]，在好氧堆肥過程，生物炭很難被分解轉(zhuǎn)化，因此隨著其添加量的增加，堆體中總碳含量增加。同時較高的生物質(zhì)飛灰含量會擬制堆肥過程微生物的代謝活動[14]，降低了物料的分解程度，也有利于增加總碳含量。由于氮的含量比較小，且是微生物代謝的主要營養(yǎng)元素之一，在發(fā)酵過程消耗嚴(yán)重，因此隨著飛灰添加量的增加，會導(dǎo)致總氮含量相對降低。另外，由圖4可以看出，當(dāng)發(fā)酵時間超過20 d時，飛灰添加量為25%的總氮含量明顯高于20%的，這可能主要是由于高的飛灰添加量抑制了微生物的生長，降低了氮的消耗，從而提高了堆體中總氮的含量。

2.4 飛灰添加量對總磷和總鉀影響

磷、鉀作為植物生長所必須的營養(yǎng)元素，是評價堆肥品質(zhì)的重要指標(biāo)[15]。由圖6和圖7可以看出，添加飛灰能夠增加產(chǎn)物中總磷和總鉀的含量，當(dāng)飛灰添加量為20%時，60 d發(fā)酵后堆體的總鉀含量達到最大值35.74 g/kg。

圖6 飛灰添加量對總磷的影響

圖7 飛灰添加量對總鉀的影響

這主要是因為飛灰中磷元素的含量為10 mg/g、鉀含量為49 mg/g，有助于增加堆體中這兩種元素的含量。然而由于磷元素的含量相對較低，約為鉀的五分之一，而且磷元素也是微生物代謝的營養(yǎng)元素之一[16-20]，在堆肥過程中會被微生物消耗一部分，從而導(dǎo)致總磷含量的增加不如總鉀的明顯。總之，添加富含鉀和磷的飛灰有利于提高有機肥中的鉀和磷等植物營養(yǎng)元素的含量，提高有機肥的品質(zhì)。

2.5 飛灰添加量對電導(dǎo)率影響

生物質(zhì)電廠灰渣的添加量對物料的電導(dǎo)率有顯著影響(圖8)。隨著飛灰添加量由8%增加到25%，經(jīng)過60天發(fā)酵后堆體的電導(dǎo)率由8.7 ms/cm逐漸增加到9.9 ms/cm。另外由圖8也可以看出，隨著飛灰添加量的增加，在60 d發(fā)酵周期內(nèi)，堆體的電導(dǎo)率變化越來越不明顯，這說明添加飛灰有助于穩(wěn)定堆體的環(huán)境。這主要是由于生物質(zhì)電廠灰渣中含有較高的堿金屬和堿土金屬的氧化物或鹽，這些物質(zhì)易溶于水，導(dǎo)致堆體電導(dǎo)率增加。但是過高的電導(dǎo)率或離子濃度，可能會抑制堆肥過程微生物的代謝活動，從而降低堆肥效率，影響產(chǎn)物品質(zhì)，因此在堆肥過程不宜添加過多的生物質(zhì)電廠飛灰。

圖8 飛灰添加量對電導(dǎo)率的影響

2.6 結(jié)果分析

綜上所述，飛灰的添加量對于堆肥60天堆體的總氮、總磷和pH值影響不大。而飛灰中的生物炭雖然很難被分解轉(zhuǎn)化，但是有助于土壤中的重金屬離子吸附，這是因為生物質(zhì)飛灰中的生物炭比表面積相對較高，吸附位點多，對Cd、Pb等重金屬離子的吸附效果顯著。添加飛灰對堆體的總鉀含量影響最為明顯，隨著飛灰添加量的提高，總鉀含量先增后減。這可能是因為總鉀量過高抑制了堆肥過程微生物的代謝活動，使得堆肥效果不明顯，總鉀含量反而下降。

3 結(jié)論

1) 分析與歸納了生物質(zhì)電廠飛灰添加量對玉米秸稈沼渣和牛糞共堆肥特性的影響。

2) 隨著飛灰添加量的增加，堆體的含水率增加，但是當(dāng)添加量超過12%時，增加飛灰的添加量對堆體的含水率影響不大。

3) 添加飛灰對堆體的總氮、總磷和pH值的影響并不顯著。然而添加過多飛灰會擬制微生物的生長，降低發(fā)酵效率和產(chǎn)品品質(zhì)。

4) 添加飛灰使堆體總鉀含量先增后減，總鉀含量在飛灰添加量為20%時達到最大值(35.74 g/kg)；此外，添加飛灰使得堆體的導(dǎo)電率增加，且發(fā)酵過程變化逐漸變小，穩(wěn)定性提高，發(fā)酵環(huán)境得到改善。生物質(zhì)飛灰中含有生物炭也有助于土壤中的重金屬吸附。