厨余好氧堆肥中的氮素转化与氮素损失研究

第29卷 第12期 2006年12月环境科学与技术 厨余好氧堆肥中的氮素转化与氮素损失研究 杨延梅 1, 张相锋 1, 杨志峰 1*, 席北斗 2, 刘鸿亮 1,2 (1.北京师范大学环境学院/环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京 100875; 2.中国环境科学研究院,北京 100012) 摘 要:试验采用静态好氧工艺对厨余垃圾进行了堆肥化处理,实验结果反映了厨余堆肥各形态氮的转化规律及其氮损失的数量 和氨挥发的阶段。堆制期间,厨余堆肥全氮、有机氮的含量呈显著下降趋势,铵氮含量呈上升趋势,硝氮含量变化不大;堆肥结束后,厨余 堆肥水溶性氮组分大量提高,堆肥有机氮90%以上以水溶态形式存在,水溶性总氮达到了堆肥全氮的81%;一次发酵前后,厨余堆肥全氮 含量下降了26.3%,总氮损失率达50.0%。氨挥发是厨余堆肥氮损失的重要途径,氨挥发主要集中在堆肥高温阶段的中后期。 关键词:堆肥; 氮素转化; 氨挥发 中图分类号:X705 文献标识码:A 文章编号:1003-6504(2006)12-0054-03 厨余垃圾是居民在生活消费过程中形成的废弃 物,其有机质含量丰富,含水率高,易腐败发臭,处理不 当会引发一系列的生态污染问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。采用高温好氧堆肥 方法可实现厨余垃圾的无害化、减量化、资源化[1]。氮元 素是影响有机废物堆肥进程、效果和堆肥质量的重要 因素。高含氮量的有机废物在堆肥中容易导致氮素损 失,降低堆肥产品的农用价值,同时含氮气体的释放又 会造成环境污染[2-3]。畜禽粪便、污泥等含氮量较高的有 机废物在堆肥中的氮素损失研究备受关注[4-8],而另一 种高含氮量废物———厨余垃圾,其堆肥过程中的氮素 转化和损失研究少见报道,本试验将对厨余垃圾堆肥 过程中的固相氮、水溶性氮、氮素损失和氨挥发等进行 研究,以期对厨余堆肥的氮素调控提供理论支持。 1 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 和方法 1.1 堆肥材料和方法 实验用厨余垃圾作为堆肥原料,以家具厂的废木 屑为结构调理剂,初始碳氮比(C/N)为19.8,厨余垃圾 和木屑的基本性质见表1。 表1堆肥原料基本性质* *注:全碳、全氮含量以干基计,含水率以湿基计。 整个好氧堆肥过程在图1所示的反应器中进行, 反应器可装堆料的体积为34L。采用强制通风连续供 氧方式,平均供气量为 0.12m3/h。由于物质的降解和 氮素损失主要发生在一次发酵阶段,故本实验周期 为15d[9]。 1.2 采样及分析方法 采样频率为第一次间隔1d,之后每隔2d一次。所 取样品湿质量大约为150g,将其分成三份,一份105℃ 烘干24h测水分,一份自然风干粉碎后测定物料的全 氮、铵氮和硝氮,另一份储存于4℃冰箱中待测水溶性 组分和pH值。 物料全氮用改进的凯氏法,硝态氮用酚二磺酸比 色法,铵态氮 KCl浸提———MgO蒸馏法[10];新鲜堆肥 样品用去离子水按土水比1∶10(干重计)振荡浸提1h, 4℃低温10000r/min离心20min后,取上清液测其水溶 性组分和pH。水溶性铵氮用靛酚蓝比色法,水溶性凯 氏氮用凯氏定氮法,硝态氮极易溶于水,故酚二磺酸比 色法测定的堆体硝态氮即是水溶性的,水溶性总氮=水 溶性凯氏氮+水溶性硝态氮,水溶性有机氮=水溶性总 氮-水溶性硝态氮-水溶性铵氮[11-12]。pH值用pH计测 定;堆体冷凝水和2.0mol/LH2SO4吸收液中的铵氮,用 靛酚蓝比色法测定,堆体释放的NH3为两者之和[11]。在 线监测堆温,取每天的平均温度作为堆肥的日均温。 1.3 计算方法 根据物质守恒和氮素平衡原理,堆肥氮素损失的 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 如下: N总损失=M0×(1-W0)×N0%-Mn×(1-Wn)×Nn%+ n i=1 ![Mn'×(1-Wn)×Nn%] (1) N总损失率(%)= N总损失 N初始 ×100% (2) 基金项目:国家 863高技术资助项目(2001AA644020);国家 973资助 项目(2005CB724203) 作者简介:杨延梅(1975-),女,蒙古族,讲师,博士研究生,主要从事固体废 弃物的处理、管理与资源化等方面的研究,(电子信箱)cqyymei@126.com。 全碳(g/kg) 全氮(g/kg) C/N 含水率(%) 厨余 432.7 37.4 11.6 82.4 木屑 482.6 7.0 68.9 8.15 初始堆料 455.4 23.0 19.8 71.5 54· · Administrator 下划线 Administrator 下划线 Administrator 下划线 Administrator 下划线 Administrator 下划线 Administrator 下划线 式中N总损失:堆肥过程中氮素损失的总质量(g); Mn:每次取完样后堆肥湿质量(kg);Wn:每次取样时 堆肥含水率%;Mn':每次取的样品湿质量(kg);Nn%: 每次取样时堆体全氮含量(g/kg干重);n:取样次数, n=0时代表堆肥的初始状态;N初始:堆肥氮素的初始 贮量(g)。 2 结果与分析 2.1 堆肥固态氮的变化 厨余堆肥过程中,总氮、铵氮和硝氮的变化见图 2。从图2可以看出,堆肥前3天物料总氮略微上升,从 初始的23.0g/kg上升到第3天的24.8g/kg,氮含量相对 提高了7.8%。这是由于在堆制初期,堆料中的易降解 含碳物质被氧化为CO2排入大气,导致堆体总质量减 少,而此时的氨挥发较少,氮元素在此阶段相对被浓 缩。堆肥15d时全氮含量降至17.0g/kg,较初始水平下 降了26.3%。 从图2还可以看出,堆体初始有机氮含量为 21.9g/kg,占总氮的95%,而铵氮含量不足总氮的5%, 硝氮含量不足总氮的1%,说明堆肥原料中有机氮占 绝对的优势。有机氮最初呈短暂上升,随着堆肥的进 行,有机氮部分被分解为铵氮,堆期结束时,有机氮 含量为8.0g/kg,为初始含量的36.6%。堆肥过程中,铵 氮基本呈上升趋势,堆肥11d时,铵氮含量达最大值 9.7g/kg,此后缓慢回落,在堆肥结束时铵氮为8.8g/kg, 为初始含量的9倍。有机氮的总体变化趋势与全氮相 吻合,只是下降的幅度较全氮大,这是因为一次发酵 后期堆体含水率仍较高,持留了较多的铵氮,从而使 全氮含量高于有机氮。硝态氮含量低,无明显变化, 且始终没超过0.2g/kg,说明一次发酵过程中硝化作 用不显著,这可能是因为堆肥温度较高,不利于硝化 细菌的繁殖[13]。 2.2 堆肥水溶态氮的变化 微生物是通过堆肥颗粒表面的一层液态膜来吸 收营养和释放代谢物质的,水溶态组分的变化,直观 反应了微生物活动的变化趋势[13-14]。本实验堆肥物料 的初始水溶态总氮为3.9g/kg,占同期固相氮的17%。 堆制1d时,由于微生物对底物的分解作用,水溶态总 氮略微上升。之后,细菌等微生物逐渐进入对数增长 期,大量可溶态氮被用于合成自身菌体,第3天时,水 溶态总氮下降幅度较大。3d后,微生物的异化作用大于 同化作用,水溶态总氮总体呈上升趋势,仅在堆肥13d 时,略有回落。堆期结束后,水溶态总氮为13.8g/kg,占 堆体固相氮的比例提高到 81%,经过一次发酵,氮的 可溶态比例和总量均增加了(见图2,3)。 水溶性氮中以有机氮和铵氮为主,在堆制过程中 两者的变化较大,水溶性有机氮含量除第3天外,其 值均比铵氮高。硝氮的值较低,变化不大(见图4,5)。 水溶性铵氮的初始值为 1.0g/kg,第 1天降至 0.3g/kg, 其占水溶性总氮的比例也降为最低的4.7%。之后,由 于有较大量的水溶性有机氮在微生物作用下转化成 了铵氮,第 3天时,铵态占同期水溶性总氮的比例达 到了90.4%。其后,随着铵氮和水溶性有机氮的同步增 长,铵氮比例保持在水溶性总氮的40%左右。有机氮 和铵氮之间存在相互转换:有机氮可通过氧化作用转 化为铵态氮,铵态氮可通过细胞质的合成作用生成小 分子可溶性有机氮。堆肥初始水溶态有机氮为2.8g/kg, 堆制1d后,由于微生物的分解作用,水溶性有机氮占 固相有机氮的比例提高了14%。而堆制3d时该比例 降至0.7%,这是因为微生物利用小分子有机氮和铵氮 合成了自身菌体,开始大量繁殖,同时又有部分水溶 性有机氮被氧化为铵氮(见图2,4)。5d时,其比例提高 到39%,7d时已超过固相有机氮的50%,堆期结束时, 有机氮的水溶性组分已达固相有机氮总量的 90%以 上。说明,较大量的大分子非水溶性有机氮被氧化成 了小分子有机氮,在堆肥中占主导地位。 2.3 堆肥中堆体温度、pH值的变化和氨挥发 2.3.1 堆体温度变化 堆体温度2.9d达到50℃,3.7d达到55℃。5.3d达 最高温68℃。堆温在68℃持续2h之后开始下降,12d 时降至24℃,随后稳定在21℃左右。其中,堆体在3.7～ 7.5d堆制期内堆温持续超过55℃,达到USEPA所规 定的致病菌杀灭要求[15]。 2.3.2 堆体pH变化 初始堆肥物料略呈酸性,随着堆肥化的进行,堆体 pH逐渐升高(见图6)。第1天的升幅最大,从6.6升至7.6, 厨余好氧堆肥中的氮素转化与氮素损失研究 杨延梅,等 55· · 第29卷 第12期 2006年12月环境科学与技术 之后的2天上升近0.2个pH单位,从第3天至第5天上升近 0.4个pH单位。7至15d的pH基本稳定在8.2～8.3之间。这是 因为厨余垃圾含氮量较高,其氮元素大部分储备在蛋白 质中,在微生物作用下蛋白质在较短时间内转化为氨态 氮,氨态氮溶于水中后呈碱性,而在此过程中碳水化合 物在微生物作用下产生的CO2和小分子有机酸贡献的酸 度不足以中和氨态氮溶于水后所贡献的碱度,所以堆肥 的pH在堆肥初期呈上升趋势,并在后期保持较高水平。 2.3.3 堆体氨挥发和氮损失 堆肥中间5d的氨氮损失占到了氨氮总释放量的 76.5%(见图7)。堆肥第5天的堆均温最高,为64.1℃,第 6天的堆均温为60.8℃,第5天的氨氮损失仅为总量的 2.9%,而第6d的氨氮损失却高达总损失的39.0%,6、7两 天的损失之和为57.6%(见图7)。这是由于第5天结束时 进行了翻堆,翻堆时有热量散失到周围环境中,使堆体 温度略有下降,而同时堆体FAS(自由空域)得到提高, 促进了微生物的代谢活动,从而使有机氮降解加速,氨 态氮大量产生,加之此时堆体温度大部分时间超过 60℃,加速了氨氮向外界的挥发,所以第6天的氨氮挥 发最高。而第5天的堆均温虽然最高,pH也为8.1,但此 时微生物的降解和合成作用均较强,并且蛋白质转化 为氨要经历一个过程,先水解,后氨化,只有氨在堆体 内积累到一定量,温度升高,才会挥发到大气中。由此 看出,氨挥发是多种因素共同作用的结果,微生物作用 是其内部驱动力,堆温和pH是重要影响因素。 堆期结束时,总氮损失率为堆体初始全氮的50.0% (根据公式1、2计算得)。在畜禽粪便、污泥等有机废物 堆肥过程中的氮损失达16%～76%,其中绝大部分的氮 损失是由氨挥发所致[4-8]。本试验过程中,堆体无渗沥 液产生,所以气态形式逸出的氮就应是堆肥全部的氮 损失。本次堆肥氨氮挥发量占总氮损失的69.3%,其余 部分的氮损失应是以N2和NOX的形式挥发掉的。 3 结论与建议 厨余堆肥过程中,堆肥全氮、有机氮的含量呈显 著下降趋势,铵氮含量呈上升趋势,硝氮含量变化不 大。堆肥结束后,水溶性氮组分大量提高,堆体有机氮 90%以上以水溶态形式存在,水溶性总氮达到了堆体 全氮的81%。通过一次发酵作用,大量大分子非水溶性 有机氮被氧化为小分子可溶性的有机氮。厨余堆肥前 后全氮含量下降了26.3%,总氮损失率达50.0%。其损 失的重要途径是氨挥发,高温阶段中后期的氨挥发占 总氨释放量的57.6%,所以厨余堆肥高温阶段的氮损 失调控较为关键。 堆肥氮素的转化是受多因素共同影响的,如堆肥物 料的成分,堆肥的工艺条件等,这些因素对厨余堆肥过 程中的氮素转化与损失的影响还需进一步深入研究。 [参考文献] [1]汪群慧,马鸿志,王旭明,等.厨余垃圾的资源化技术[J].现代 化工,2004,24(7):56-59. 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Keywords: contaminatedsites;Superfund;environmentpollution control AComprehensiveOperationSystemPlatformBasedon EnvironmentInformationDatabase WANGJie-fang (WuhanMunicipalEnvironmentInformationCentre,Wuhan430015) AbstractID:1003-6504(2006)12-0041-02-EA Abstract:Aimed atsolving the currentstatusofenvironment managementdatabase,acomprehensiveoperationsystemplatformbased onenvironmentinformationdatabasewasestablishedtoimprovethe veracityofenvironmentmanagementdataandensureexactconsecution ofeachoperationsystem. Keywords:environment;database;system;platform EncourageSystemofRecycleEconomy:Problemand Control WANGWen-ge (DepartmentofEconomicLaw,ShanghaiInstituteofPoliticalScience andLaw,Shanghai201701) AbstractID:1003-6504(2006)12-0043-03-EA Abstract:Recycleeconomyasakindofnewmodeisdifferentfrom thetraditionaleconomicmodeintheadjustmentmechanism toa country.Basedontheanalysisofexistingproblem ofgovernment encouragecontrolsystemonrecycleeconomy,thecountermeasureswere proposedfortheimprovement. Keywords:recycleeconomy;government'seconomyencourages controlling;problem;countermeasure QuantitativeAssessmentMethodforShipsOilPollution ControlEngineering LIUXiao-dong,YAOQi,ZHAYu-han (KeyLaboratoryofMinistryofEducationofIntegratedRegulationand ResourceDevelopmentonShallowLakes,SchoolofEnvironmentScience andEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098) AbstractID:1003-6504(2006)12-0046-03-EA Abstract:A quantitative assessmentmethod wasdiscussed for engineering projectsto controloilpollution caused by shipsin freshwater.Aformulatocomputethereducedoilemissionwasgiven andacorrespondinghydrologicalandoilmodelwasestablishedto forecasttheeffectofwaterqualityimprovement.Methodwasappliedto assesstheeffectofanintegratedprojecttocontroloilpollutioncaused byshipsinBeijing-HangzhouCanalandforecastthereducedoil emissionandwaterqualityimprovement,whichcanofferscientificbase fortheprojectimplementation. Keywords:oilpollution;freshwater;assessment StudyonEco-townDevelopmentModesinYangzhou BasedonAnalysisofEconomicSpatialDifferentiation CHENShan-shan,ZHUXiao-dong,LIYang-fan (InstituteofEnvironmentalScience,SchooloftheEnvironment,Nanjing University,Nanjing,210093) AbstractID:1003-6504(2006)12-0049-03-EA Abstract:Spatialdifferentiationofeconomiclevelof88townsin YangzhouwasstudiedbyPCA (PrincipalComponentAnalysis)and townsdistributionofdevelopedandunderdevelopedwasindicated. EconomicleveloftownsinYangzhoushowedthatsouthernpartis betterthannorthernpart.Constructionmodeofeco-townshouldbe basedondifferenteconomiclevel:developedtownsdevelopecological industry dominantly; underdeveloped towns solidify agricultural predominanceanddevelopecologicalagriculturalandtourism with specialresource. Keywords:economiclevel;spatialdifferentiation;town;Yangzhou SomeElectrodeonElectrochemicalTreatment EfficiencyforRecyclingSemi-aerobicLandfill Leachate LIUYong1,2,LIUDan1,LONGBing-qing2 (1.SchoolofEnvironmentScienceandEngineering,SouthwestJiaotong University,Chengdu610031;2.SchoolofChemistryandMaterialScience, SichuanNormalUniversity,Chengdu610066) AbstractID:1003-6504(2006)12-0051-03-EA Abstract:Theelectrochemicaltreatmentefficiencyforrecyclingsemi- aerobiclandfillleachatebyusingrespectivelySPR,FeandDSAasanode wascompared,andresultsshowedthatCOD,BOD5,BOD5/COD,pH, Cl- concentrationandcoloroftheleachatewillchangewiththe electrolysistime. Keywords:semi-aerobiclandfill;leachate;electrodematerial; comparison TurnoverandLossofNitrogenCompoundsduring CompostingofFoodWaste YANGYan-mei1,ZHANGXiang-feng1,YANGZhi-feng1, XIBei-dou2,LIUHong-liang1,2 (1.StateKeyJointLaboratoryofEnvironmentSimulationandPollution Control,SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing 100875;2.ChineseResearchAcademyofEnvironmentScience,Beijing 100012) AbstractID:1003-6504(2006)12-0054-03-EA Abstract:Thestaticaerobicprocesswasusedtoinvestigatethe turnoverandlossofnitrogencompoundsbyafoodwastecomposting experiment.Totalnitrogenandorganicnitrogencontentpresentedfall, NH4+-NconcentrationascendandNO3--Nconcentrationchangedvery littleduringcomposting.Aftercomposting,watersolublecomponent · ·Ⅳ Abstract EnvironmentalScienceandTechnology Vol.29,No.12,December2006 increasedgreatly,with90% oforganicnitrogenand81% oftotal nitrogeninwatersolubilitystate.Duringcomposting,totalnitrogen contentdescendedby26.3%andtotalnitrogenlostby50%,whichwere attributedmostlythroughammoniavolatilization. Keyword:composting;nitrogenturnover;ammoniavolatilization AffectingFactorsofBiomassinTreatingMolassesand AlcoholWastewater ZHAOXin,ZHUYi-nian,LIAOLei,LUYan-qin, LIUHui-li,ZHANGXue-hong (DepartmentofResourceandEnvironmentEngineering,Guilin UniversityofTechnology,Guilin541004) AbstractID:1003-6504(2006)12-0057-03-EA Abstract:The effects on biomass including culture medium, temperature,COD,BOD5andTOCduringtreatingmolassesandalcohol wastewaterwerestudied.Resultsindicatedthatthepredominantmicrobe couldbeattainedwiththiskindofwastewater.Biomasscouldreachthe highestof4.61g/Lintheculturemediumat30℃.Thebiomassofunit COD,BOD5 andTOCwas0.268g/g(COD),11.92g/g(BOD5)and 0.381g/g(TOC)respectively,andcoarseproteincontentofthemicrobe was54.51%. Keyword:molassesandalcoholwastewater;culturemedium;biomass; coarseprotein TechnicalParametersofElectro-FentonTreatmentfor Hexachlorbenzene-containingSediments XIEQing-jie,HEJia,MATao,HUANGWei-hong, LUXiao-hua (SchoolofEnvironmentScienceandEngineering,HuazhongUniversity ofScienceandTechnology,Wuhan430074) AbstractID:1003-6504(2006)12-0059-03-EA Abstract:Electro-Fentonremediationofhexachlorbenzene(HCB) contaminatedsimulatedsedimentswerestudiedthroughorthogonal experiment.Theimportanceofvariousaffectingfactorswasinvestigated, basedonwhichtheMatlabsoftwarewasusedtofittheresponsecurve andregressionanalysis.ThefactorsaffectingremovalefficiencyofHCB wasoptimizedintheelectro-Fentonsystem.Resultsindicatedthe removalefficiencyofHCBin135gsedimentsamplesafterelectro- Fentonremediationfor2hcouldbeupto70.9%undertheoptimum conditionsofinitialpH1.98,voltage13.43V,electrolytedosage5.30g, H2O2dosage5mLwithstainlesssteelsliceaselectrode. Keyword:sediments;hexachlorbenzene;electro-Fenton;orthogonal experiment BioleachingofHeavyMetalsfromSewageSludge: EffectofSolidConcentrationandSludgeStyle HUAYu-mei1,2,CHENYing-xu1,WUWei-xiang1, TIANGuang-ming1 (1.DepartmentofEnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity, Hangzhou310029;2.CollegeofResourcesandEnvironment,Huazhong AgriculturalUniversity,Wuhan430070) AbstractID:1003-6504(2006)12-0062-03-EA Abstract:Theeffectofsolidconcentrationandstyleofsewagesludge onbioleachingofcopper,leadandzincwasinvestigated.Itindicated thattheremovalefficiencyofheavymetalsandvalueofthedecreaseof pHbecamelowerforthesludgewithhighersolidconcentration,while theproductionofSO42- showedthecontrarytendency.Thelossof nutrientfrom thesludgewithlowconcentrationwasobviouslymore thanthatfrom sludgewithhighconcentration.Therewasn'tnotable differenceinthebioleachingefficiencybetweenanaerobicallydigested sludgeandrawsludge;however,thelossofnutrientsfromtheformer washigherthanthelatter. Key words:sewage sludge; bioleaching; heavy metals; solid concentration;nutrients CatalyticOxidationTreatmentofReactiveBrilliant RedDyeWastewaterbyChlorineDioxide WANGCheng-tao,HEQi-huan,HEPeng (DepartmentofEnvironmentScienceandEngineering,NanjingUniversity ofScienceandTechnology,Nanjing210094) AbstractID:1003-6504(2006)12-0065-02-EA Abstract:ClO2chemicaloxidationsystemandClO2catalyticoxidation system werestudiedfortreatingreactivebrilliantreddyewastewater withCODof2700mg/L.ResultsshowedthatbyadjustingpHto10and adding800mg/Lwastewater,anactivetimeof30minwasthemost effectiveandeconomicalwithCODremovalefficiencyover63%and oxidationindexof2.18.Whentreatingwastewaterbycatalyticoxidation ofClO2 andaspecialcatalyst,adjustingpH to10andadding 1000mgClO2,anactivetimeof90minwasthemosteffectiveand economicalwithCODremovalefficiencyupto83.4%andoxidation indexof2.25.ResultsillustratedthatClO2catalyticoxidationwasan efficientmethodfortreatingrefractorywastewater. Keywords:chlorinedioxide;catalyticoxidation;refractorywastewater RecoveringZincfromWasteAlkalineDryBattery withAcidLeachingProcess SHENYi-yong,MIYong-hong,LIUChun-yan (ShenzhenHazardousWasteTreatmentStation,Shenzhen518049) AbstractID:1003-6504(2006)12-0068-03-EA Abstract:Acid-leachingmethodwasusedtorecoverzincresourcein thecathodesubstanceofwastealkalinedrybattery.Basedonthe experiment,factorsinfluencingtheleachingprocessasreactiontime, reactiontemperature,concentrationofsulphuricacidaswellasfactors influencingthecrystallizingprocesswereoptimised.Withaseriesof process,theproductoffeed-gradezincsulfatewasobtained. Keywords:wastealkalinedrybattery;zinc;acidleaching DiffusionDialysisRecoveryofAlkaliinBlackLiquid fromStrawPulping · ·Ⅴ