固体废弃物堆肥过程中氮素转化及损失控制策略研究

好氧堆肥是一种有效处理城市固体废弃物的方法,不但操作简便,且能将废弃物转化为有机肥。而氮素作为重要的营养元素,其转化与损失是衡量堆肥效率的重要标准。在堆肥过程中,堆体中的氮素以有机氮、铵态氮、硝态氮等形态存在并相互转化,在转化过程中不可避免会产生氨气,而氨气的挥发是固体废弃物堆肥过程中氮素损失的主要途径。结合国内外专家学者的研究对污泥及餐厨垃圾好氧堆肥过程中氮素的转化过程、损失因素、损失机理及控制其损失的措施进行总结,并对城市固体废弃物好氧堆肥过程进行展望,以期为该领域的研究提供科学参考。     

城市污泥好氧堆肥过程中能量平衡的理论分析

从热力学角度研究城市污泥的好氧堆肥过程,根据热力学第一定律,建立了好氧堆肥过程中的能量平衡关系,并给出了平衡关系中各参数的计算方法。     

好氧堆肥与蚯蚓堆肥对污泥处理污泥效果比较研究

采用自行设计的好氧堆肥装置和蚯蚓堆肥处理装置,以药渣为填充料,开展污泥的处理对比实验,并检测处理过程中各项指标和养分含量的变化,用紫外分光法测得污泥通过好氧堆肥和蚯蚓堆肥过程有机质含量的变化,将两种方法处理后的污泥分别对丁香进行施肥,结果发现施用经好氧堆肥处理后的污泥的丁香生长良好,虽然堆肥熟料中氮元素含量略偏低,但磷元素含量适中,对丁香的生长起到促进作用,经此处理的堆肥熟料由于其肥效高,营养元素丰富,从肥效和成本上有替代常规土壤的可能性,将具有良好的市场前景。而蚯蚓堆肥组中磷含量较高,若经适当处理,则可将其制成蚯蚓活性污泥复合肥,应用于沙地绿化树木的种植,其复合肥肥力高,对生态环境影响小,这种蚯蚓活性复合肥也将具有广阔的前景。     

城市污泥堆肥中氮素在土壤中的矿化特征

采用室内好氧矿化培养实验方法,研究了城市污泥堆肥应用于林地土壤后其氮素的矿化特征,考察了环境因素对其矿化的影响,并通过与尿素对比,评价了污泥堆肥的供氮能力。结果表明,在8%~20%水分含量下,污泥堆肥的潜在可矿化氮量(N0)和一级反应速率常数(k0)均随水分含量升高先增加后降低,而尿素的N0和k0则随水分升高而增加。在10~30℃温度范围内,污泥堆肥的N0和k0均随温度升高而增加,而尿素的N0随温度升高先增加后降低,尿素的k0随温度升高而增加。对于净氮释放率,污泥堆肥随水分含量升高先增加后降低,随温度升高而增加;而尿素则随水分升高而增加,随温度升高没有明显变化。在同一施肥(以氮计)水平条件下,污泥堆肥和尿素的净氮释放率表现为尿素净氮释放率(93.67%~97.04%)污泥堆肥净氮释放率(67.93%~80.15%),污泥堆肥的肥效释放较尿素缓慢。污泥堆肥和尿素通过矿化作用释放出铵态氮,经硝化作用转化为硝态氮,在水分较高和温度较高时,更多的硝态氮在土壤中的累积,可能造成潜在环境风险。     

污泥高温好氧堆肥的实验研究

城市污水污泥(简称污泥)含有丰富的N、P、K元素及有机质,同时还含有难降解有机物、重金属、病原菌等有害有毒物质,若不加以妥善处理便会造成严重的环境污染,并通过食物链危机人类健康,同时又是资源的极大浪费.本实验针对西北地区污泥特性,采用两阶段高温好氧堆肥工艺,用玉米芯、粉煤灰和麦草做添加剂,将实验堆肥物料的有机质含量调整到50%左右,含水率调整到60%左右,一次发酵采用温度-通风量联合自动控制,二次发酵采用自然通风、翻堆的方式,探讨了不同粒径的玉米芯粒经对污泥堆肥过程中的温度、含水率、有机质、硝态氮等参数的变化影响,以及对堆肥效果的影响.结果表明,添加玉米芯、粉煤灰等添加剂,可使污泥减量化、无害化,并且能够制得肥分较高的堆肥产品.     

城市污水处理厂剩余污泥堆肥的实验研究

污泥由于产量大且成分比较复杂,如何对它进行无害化,稳定化处理,使其成为替代资源已经越来越受到人们的关注。基于好氧堆肥装置系统,以徐州市某污水处理厂的剩余污泥为研究对象,研究了污泥处理过程中温度、含水率、有机质、有机碳以及pH值和重金属等指标的变化规律。研究结果表明：采用污泥与稻草的体积比为1：2的比例堆肥,控制初始含水率为70％左右,可顺利实现升温。堆肥15d后,物料含水率、有机质、有机碳都有了明显的降低;总氮、总磷以及水溶性钾的含量都有了不同程度的增加;重金属含量有了一定程度的降低,符合堆肥的要求。     

污泥堆肥的通风及控制技术

污泥堆肥是处理和处置污水处理厂的副产物－污泥的一种有效手段，作为控制氧含量的通风系统在好氧堆肥过程中起着至关重要的作用，通风系统及其控制技术已成为堆肥工艺研究的主要内容之一。     

城市污泥好氧堆肥过程中重金属的形态变化

污泥中重金属的含量和各重金属的生物有效性是污泥农业利用的重要限制因素.本研究对城市污泥进行了堆肥化处理,并采集不同阶段样品,通过顺序浸提法对样品中不同形态的重金属进行提取,分别利用原子吸收分光光度计测定Zn、Cu、Ni、Pb、Cd含量、分光光度法测定Cr和As含量.研究结果发现,与现有国际及我国污泥农用标准比较,所研究污泥中重金属含量均未超过允许的水平.污泥堆肥中Cu、Ni、Cd、Cr主要以残渣态形式存在,Cu、Ni、Pb、Cd四种重金属元素的可氧化态含量也相对较高,除Cd外,经过堆肥化处理后所有重金属的有效态含量均呈下降趋势,因此,堆肥可以促进污泥中的重金属稳定化,降低土壤的污染风险.     

污水污泥堆肥重金属总量及形态变化

采用高温好氧静态强制通风堆肥工艺,研究了污水污泥与锯末、粉煤灰或磷矿粉按不同比例混合堆肥前后重金属(Cu,Pb,Zn,Cd和As)总量的变化,以及重金属在交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态3种不稳定态和包括有机结合态、残渣态的稳定态含量的变化,同时探讨了粉煤灰和磷矿粉在堆肥过程中所起的钝化效果. 结果表明:该试验可以显著降低污泥中交换态Cu,Pb,Zn,Cd和As的含量,提高其他形态的含量,但不能降低重金属总量;对重金属的作物可利用态含量的降低以及其他形态含量升高的效果来看,试验A最好,试验B和D次之,试验C最差. 粉煤灰和磷矿粉都是良好的钝化剂,在起钝化效果时,其用量并不是越多越好;在与污泥、锯末混合堆肥中,应控制粉煤灰和磷矿粉用量在15%左右,但是粉煤灰的钝化效果优于磷矿粉.      

添加PAAS对于污泥/猪粪混合堆肥的影响

以高吸水性树脂聚丙烯酸钠(PAAS)作为堆肥调理剂,利用自制的好氧堆肥反应器,研究PAAS对于污泥/猪粪混合堆肥的影响。实验结果表明:PAAS可以降低堆体的间隙水,提高堆体的空隙率及蓬松性,从而改善污泥/猪粪混合堆体的供氧条件,加快堆肥的进程;添加PAAS后,污泥/猪粪混合堆肥过程中的温度、含水率、pH、电导率、种子发芽指数、可挥发性固体含量等指标均发生较明显规律性变化,各指标的变化显示了PAAS对污泥/猪粪混合堆肥过程具有一定的促进作用。     

污泥与稻秆共热解对生物炭中碳氮固定的协同作用

为了研究共热解对生物炭中碳氮固定的协同效应,利用管式固定炉开展了不同热解温度(300~700℃)下的污泥与稻秆单独热解及其共热解(泥秆质量分别为1∶3、1∶1、3∶1)试验研究.结果发现,污泥和稻秆共热解并不是两种物料单独热解贡献的简单叠加.共热解对生物炭产率无协同效应,但对固定碳产率的协同性受共热解条件影响较大.在相同热解温度下,1∶3和3∶1泥秆比共热解生物炭中的碳和氮含量协同量化值均明显大于1∶1泥秆比下的协同量化值,碳和氮元素含量协同量化值分别在热解温度和泥秆比为(400℃、1∶3)与(400℃、3∶1)时达到最大值12.43%与40.65%.碳和氮固定率协同量化值随热解温度的升高而增加,最大分别为53.77%~56.13%和38.30%~39.12%,说明共热解可显著提高生物炭中碳和氮元素的固定水平.除3∶1泥秆比共热解生物炭中H/C原子比大于理论值,对降低生物炭的芳香度与饱和度具协同作用外,其他共热解条件下的H/C、(O+N)/C、O/C原子比均小于理论值,对提高生物炭的稳定性具明显的协同促进作用.污泥与稻秆在泥秆比1∶3、1∶1与3∶1下共热解,提高协同效应的方式分别为促进脱氧去氢反应、去氢反应与脱氧反应.该研究结果可为生物炭在碳氮封存减排中的应用提供新的工艺途径.     

Changes of Cu, Zn, and Cd speciation in sewage sludge during composting

The potential toxicity risks from heavy metals depend on their chemical speciation. The four stages of the Tessier sequential extraction method were employed to investigate changes in heavy metal speciation （Cu, Zn, and Cd） of sewage sludge during forced aeration composting, and then to identify whether the composting process would reduce or enhance their toxicities. Throughout the composting process, the exchangeable, carbonate-bound, Fe-Mn oxide-bound, and organic matter-bound fractions of Cu were converted to the residual Cu fraction. The organic matter-bound Cu fraction greatly contributed to this transformation. Residual Zn fraction was transformed to the Fe-Mn oxide-bound and organic matter-bound fractions after composting. The residual Zn fraction was a major contributor to the organic matter-bound Zn fraction. The availability of Cu and Zn was reduced by composting such that the risk of heavy metal toxicity decreased with prolonged treatment times. Additionally, attention should be paid to the increased availability of Cd in sewage sludge after composting treatment.     

复合微生物菌剂对污泥堆肥的作用效果研究

为了研究复合微生物菌剂对污泥堆肥的作用效果,以消化污泥、锯末和回流堆肥为原料,接种不同剂量（0、0．2％、0．5％）的复合微生物菌剂进行室外露天堆肥,分析了温度、含水率、pH值、全碳（TC）、全氮（TN）、种子发芽指数（germination index,GI）的动态变化,结果表明：各堆体温度保持在50℃以上的时间均超过7d,满足堆肥卫生标准;接种复合微生物菌剂的堆体升温速率和温度最高值均大于未接种堆体,接种复合微生物菌剂有利于增加堆体水分散失量,加快堆体有机质降解速度,降低堆体氮的损失量,提高GI值;其中微生物菌剂接种量为0．5％的堆体,接种处理对水分散失、氮损失的控制和GI值的增加效果较明显。     

Ambient air temperature Effects on the temperature of sewage sludge composting process

Using data obtained with a full-scale sewage sludge composting facility, this paper studied the effects of ambient air temperature on the composting temperature with varying volume ratios of sewage sludge and recycled compost to bulking agent. Two volume ratios were examined experimentally, 1 ： 0 ： 1 and 3 ： 1 ： 2. The results show that composting temperature was influenced by ambient air temperature and the influence was more significant when composting was in the temperature rising process： composting temperature changed 2.4-6.5℃ when ambient air temperature changed 13℃. On the other hand, the influence was not significant when composting was in the high-temperature and/or temperature falling process： composting temperature changed 0.75-1.3℃ when ambient air temperature changed 8-15℃. Hysteresis effect was observed in composting temperature＇s responses to ambient air temperature. When the ventilation capability of pile was excellent（at a volume ratio of 1：0：1）, the hysteresis time was short and ranging 1.1-1.2 h. On the contrary, when the proportion of added bulking agent was low, therefore less porosity in the substrate（at a volume ratio of 3：1：2）, the hysteresis time was IonQ and ranging 1.9-3.1 h.     

污泥堆肥含水率监测方法的选择与探讨

城市污泥的堆肥过程中,快速、准确的含水率测定方法有助于掌握堆体腐熟程度和水分脱除进程,并据此进行工艺的优化和反馈调控.本文介绍了污泥堆肥的含水率监测方法及其优缺点.由于堆肥物料性质与堆肥环境的特殊性和复杂性,缺乏可直接应用的测定仪器,应根据物料性质、工况条件等选择合适的含水率测定技术,并对相关仪器进行改进.对于污泥堆肥的工程化应用而言,实时在线监测的原位含水率测定方法更适合指导工艺的调控和优化、提高堆肥效率.     

城市污泥堆肥过程中气温对堆体温度影响的模拟

在静态垛堆肥过程中,气温的变化会对堆体温度造成影响,这对堆肥过程中的堆体温度控制具有重要意义．但迄今为止,对此问题仍缺乏研究．本文引入小波分析方法对气温和堆体温度数据进行去噪和压缩处理,提取出气温波动引起的堆体温度波动信号,然后对气温波动信号和堆体温度波动信号进行分周期拟合,获得一一对应的振幅和相位差．结果表明,对于强制通风静态垛堆肥,气温波动对堆体下层（75cm）的影响最大,最大值为0．186℃,最小值为0．132℃,平均值为0．159℃;对中层（50cm）的影响最小,但随着堆肥进程的持续有增大的趋势;对上层（25cm）影响的最大值为0．105℃,最小值为0．065℃,平均值为0．085℃．从相位差上看,堆体中层（50cm）的相位差始终最大,在堆肥的降温期呈现明显减小的趋势;上层（25cm）的相位差随着堆肥进程的持续有明显增大的趋势;下层（75cm）的相位差在整个堆肥进程中呈缓慢升高的趋势．通过影响强度和相位差综合分析发现,堆体上层物料和下层物料在热量散失过程中可能存在两种不同的热交换机制,即上层物料以稳态热传导和自然对流为主,而下层物料则以非稳态热对流为主．     

Sewage sludge composting simulation as carbon/nitrogen concentration change

Model in composting play a very promising challenge to many scholars, this article adds on the improving ways for model the compost and composting     

污泥与煤混烧NO排放特性研究

利用管式电炉和烟气分析仪进行了沈阳市某市政污泥和铁法烟煤的混烧实验,对比研究了污泥、煤粉、泥煤掺混样品燃烧NO的析出特性,以及粒度、污泥掺混比例对二者混烧NO析出的影响.结果表明,煤粉单独燃烧过程中NO的析出峰为单峰,污泥样品NO析出峰为双峰.燃料粒度的细化可使污泥和煤的NO析出量减少,却增大了掺混样品NO的析出量.因此,对于干污泥与煤掺烧而言,污泥掺混比例建议在10％～20％之间,这样既能保证较好的燃烧特性,又可避免过高的氮转化率.     

城市污泥好氧堆肥物料平衡计算分析

根据好氧堆肥机理和物料平衡关系研究城市污泥好氧堆肥过程,给出了污泥预处理过程中若干平衡方程,可用这几个方程计算调节剂添加量等参数,还分别建立了好氧堆肥过程中固、液、气三相平衡关系的计算方程,有助于好氧堆肥工程的设计。     

高径比对生活污水好氧颗粒污泥系统的影响

采用3组高径比分别为3：1,4.5：1和6：1的SBR反应器（R1,R2,R3）,以实际生活污水为进水并接种污水处理厂二沉池的回流污泥,研究SBR高径比对生活污水好氧颗粒污泥形成,同步去除碳,氮,磷性能的影响.结果表明,R1,R2,R3分别历时42,35和28d启动成功;颗粒污泥培养成熟后,其平均粒径逐渐趋于稳定,分别可达750,900,1100μm.启动阶段,R1,R2,R3对总氮的去除率分别为66%,61%,62%;颗粒污泥成熟后,R1,R2和R3出水均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准,总氮去除率分别为79%,85%,91%,总磷去除率分别为91%,93%,94%,COD去除率分别为89%,92%,93%.进一步分析表明,在本试验研究范围内,SBR高径比增大有利于好氧颗粒污泥的形成,且利于增大颗粒粒径,进而提高沉淀性能和同步去除碳,氮,磷的性能.