環境工程|固體廢棄物堆肥過程中氮素轉化、損失因素、機理、控制策略

廖黎明1 趙力劍1 盧宇翔1 陳孟林1 宿程遠1,2

（1.珍稀瀕危動植物生態與環境保護教育部重點實驗室；2.廣西師範大學 環境與資源學院）

研究背景

餐廚垃圾容易腐壞變質，且易滋生細菌，如放置不當，會對社會環境與人體健康造成不良影響。但餐廚垃圾中富含營養元素，是一種潛在的資源。城市汙泥是在汙水處理過程中產生的廢棄物，未經過合理處置的汙泥如直接進入環境中，會給環境帶來二次汙染。同時，汙泥中的有機質和氮、磷、鉀等營養元素如能被合理地開發使用，不但可以解決環境汙染問題，還能將其轉化為有用的資源。而好氧堆肥可將上述兩種城市固廢進行無害化、資源化，其不但操作簡便，而且能夠有效穩定汙泥與餐廚垃圾中的有機質。

氮素在堆肥期間的轉化過程直接影響堆肥效率，同時氮素在堆肥期間會以氨氣的形式逸散損失，不但散發臭氣，汙染環境，且會降低堆肥的農用價值。因此，控制氮素的損失是好氧堆肥技術的關鍵所在。而對此，國內外各專家學者對堆體中氮素的轉化過程、影響因素及其損失機理進行研究，並提出改善措施。雖然大大降低了氮素的損失率，但這些方法與措施仍存在一定的缺陷與不足，為更全面與深入地研究控制氮素損失的方法，本文就以上幾方面進行總結並提出好氧堆肥技術未來發展方向的展望，以期為該領域的相關研究提供參考。

摘 要

好氧堆肥是一種有效處理城市固體廢棄物的方法，不但操作簡便，且能將廢棄物轉化為有機肥。而氮素作為重要的營養元素，其轉化與損失是衡量堆肥效率的重要標準。在堆肥過程中，堆體中的氮素以有機氮、銨態氮、硝態氮等形態存在並相互轉化，在轉化過程中不可避免會產生氨氣，而氨氣的揮發是固體廢棄物堆肥過程中氮素損失的主要途徑。結合國內外專家學者的研究對汙泥及餐廚垃圾好氧堆肥過程中氮素的轉化過程、損失因素、損失機理及控制其損失的措施進行總結，並對城市固體廢棄物好氧堆肥過程進行展望，以期為該領域的研究提供科學參考。

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好氧堆肥原理

好氧堆肥是指在通氣狀況良好，氧氣濃度適宜的情況下，依靠好氧微生物的作用降解物料中有機物的生物化學過程。當物料水分和碳氮比適宜時，物料中的微生物會快速繁殖並降解有機質，在此過程中會產生較高的溫度，從而殺死物料中的寄生蟲卵及病原菌等，達到穩定物料中有機物的效果，最終使物料變成無臭並富含養分，能為農作物所利用的腐殖質。

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汙泥及餐廚垃圾好氧堆肥過程中氮素的轉化過程

汙泥及餐廚垃圾初始堆體中的氮素主要是有機氮，如蛋白質、肽等，在堆肥過程中與可以通過氧化作用與細胞質合成作用互相轉化。同時，銨態氮可在硝化細菌的作用下轉化為硝態氮，而則在反硝化細菌的作用下轉化為氨氣，如圖1所示。

圖1 堆肥過程氮素的轉化

逯延軍等將城市垃圾與汙泥分別以9∶1、5∶1和3∶1的體積配比進行研究，其堆體全氮的初始濃度與體積比呈負相關，體積比越大，全氮越低；而全氮在堆肥前6 d下降明顯；在堆肥結束時，全氮的初始濃度越大，結束時的濃度就越大；而堆肥時的高溫抑制了硝化細菌，因此硝態氮濃度較低，其全程變化不明顯。相反，氨氮變化則非常明顯，3組堆肥的氨氮持續減少，分別從11.1，10.9，10.5 g/kg下降至1.1，2.1，3.1 g/kg，主要是由於一部分轉化為氨氣，另一部分被微生物轉化利用。徐靈等研究表明：當氮素含量較高時，加速了微生物的生長和繁殖，大量氮素被分解為氨氮，因此在堆肥前期氨氮會大量增加，之後由於微生物的活動以及部分轉化為氨氣，使氨氮持續降低。而賈程等分別以小麥秸稈糠和小麥秸稈段為調理劑與汙泥混合，在強制通風靜態好氧堆肥與自然通風好氧堆肥相結合的堆肥條件下進行實驗，探究了堆肥化過程中各種氮素形態的變化特徵，結果顯示，不同調理劑堆體中的總氮含量分別從21.16，11.57 g/kg增加到31.93，28.02 g/kg，水溶性總凱氏氮和氨態氮含量均大幅降低，同時汙泥和小麥秸稈段混合堆體的高溫持續時間比汙泥和小麥秸稈糠混合堆體短，而硝態氮含量卻比汙泥和小麥秸稈糠混合堆體高，表明堆體高溫持續時間越短越有利於硝化反應的進行。

03

汙泥及餐廚垃圾好氧堆肥過程中影響氮素損失的因素

1.通氣量

好氧堆肥是在有氧條件下進行的，因此堆肥期間需要一定的通風，且通風可以帶走部分熱量與多餘水分，為堆體微生物提供良好的活動環境，但同時其也會帶走大量氨氣，造成氮素損失。Guardia等研究表明：通氣率越大，氮素損失量就越大。張紅玉以通氣量分別為0.1，0.2，0.3 L/(kg·min)進行對照研究，結果表明通氣量對氨氣的揮發效果有較大影響，3種通氣量下的氨氣平均排放濃度分別為279.1，480.5，627.4 mg/m3。

2.溫度與pH值

好氧堆肥中的生化反應一般以溫度變化表現出來。堆體中的溫度由於反應放熱而急劇升高，在保持一段高溫後，由於通風帶走熱量而又逐漸下降。而pH不僅關係著微生物的生命活動，且與銨態氮的存在方式密切關聯，當pH較高時，銨態氮會大量轉化為氨氣，反之則抑制其向氨氣轉化。楊延梅等研究發現：在堆體溫度超過60 ℃時，pH也達到8以上，此時氨釋放率達到最高，佔總氮釋放量的57.6%。

3.含水率

含水率也是影響堆體氮素損失的重要因素。過高的含水率會使堆體孔隙度差，不利於通風，雖然可減少氨揮發量，但會在堆體局部出現缺氧環境，使反硝化作用加強，使氮素以氮氣的形式揮發，且過高的含水率會延長堆肥時間，並產生臭味汙染環境；而過低的含水率會降低堆體微生物的活性，延長堆肥時間，降低堆肥效率，因此適宜的含水率非常重要。洪磊等認為，利用汙泥來進行堆肥時，含水率在55%～60%最佳。而蔡旺煒等認為含水率在45%～55%時，更適宜微生物活動。

4.碳氮比

堆體的初始碳氮比對堆肥的效果顯著。當初始碳氮比過小時，由於碳素相對較少，過剩的氮素無法被微生物所利用，會形成氨氣，加劇氮素損失。當初始碳氮比過高時，此時碳素較多，氮素含量不足，微生物生長受限制，微生物量減少，將延長堆體堆肥時間。因此，適宜的碳氮比對於堆肥過程是非常重要的。逯延軍等通過改變餐廚垃圾與汙泥的混合比，將堆體碳氮比分別調到22、18和15，結果表明：隨著碳氮比的降低，氮素損失趨於嚴重，當碳氮比為15時氮素損失率達到45%，主要損失在高溫期。

5.其他因素

除以上幾種影響因素外，堆體顆粒大小、堆體翻動頻率等也會對氮素的損失產生影響。牛明芬等將秸稈分別切割成粒徑為5，1cm，以不同的投加量與豬糞混合堆肥，發現在混合堆體粒徑過大時，堆體通風情況更好，升溫更快，但高溫期變短，氨氣散失嚴重，且更易發生淋失，造成氮素損失。由此可以看出，堆體的粒徑影響堆體中氣體和水的交換程度。而堆體翻動頻率同樣不可忽視，雖然堆體翻動有助於微生物利用堆體廢物，縮短堆肥穩定期，但過度翻動可能會導致氨氣大量揮發，造成氮素損失。

由此可見，通氣量、溫度與pH、含水率、初始碳氮比、堆體顆粒粒徑等均有適宜的範圍。當通氣量過大時，其大量帶走堆體溫度和氨氣，不僅會使堆體殺菌不充分，還會使氮素大量損失，而通氣量過小時，則會供氧不足，抑制堆體中的好氧微生物，同時使厭氧微生物活躍，發生反硝化作用產生氮氣，亦使氮素損失。同樣，當溫度與pH過大時，會使氨氣大量產生揮發。含水率過高會使堆體粘連，局部缺氧，過低時不利於微生物的生命活動，降低堆肥效率。初始碳氮比過高時會延長堆肥時間，過低時會大量產生氨氣，造成氮素損失。

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汙泥及餐廚垃圾好氧堆肥過程中氮素損失機理

好氧堆肥過程主要分為逐漸升溫的初始階段、持續高溫的殺菌發酵階段和逐漸降溫的腐熟固肥階段，在每個階段均會有氮損失的情況存在。在初始階段，嗜溫微生物較為活躍，此時在氨化反應下，大量有機氮被分解為氨態氮，少部分的氨態氮也會在硝化細菌的作用下變為硝態氮，還有小部分則在氨同化作用下轉化為有機氮被微生物吸收利用；而高溫階段則是氨氣揮發的主要階段，由於銨態氮的累積，再加上高溫高pH，使部分氮素以氨氣形式揮發，此時高溫抑制了氨化反應、硝化反應和氨同化反應，這一階段硝態氮的量幾乎不變，而銨態氮由於氨氣的揮發快速降低；當高溫期結束後，隨著溫度的降低，嗜溫菌開始活躍，此時硝化作用增強，硝態氮明顯增多，而反硝化作用需要厭氧環境，所以只會在堆體一些透氣性差的地方發生，在通風和翻堆的情況下很少發生。

Sommer研究發現：在堆肥的初始階段，N2O的濃度與其在環境中的濃度相近，其主要是由於硝化和反硝化微生物不是嗜熱菌，在堆肥的初始階段，硝化作用和反硝化作用不強，尤其是在通風的情況下，反硝化作用更難以發生。而周少奇等認為，好氧堆肥過程中在高溫和pH>7.5時，氨氣就開始揮發損失；同時氨氣會溶解為銨態氮為微生物所轉化吸收或直接滲濾流失；也會發生硝化反應生成硝態氮滲濾流失，在氧化過程中可能會有N2O的產生、揮發；而在反硝化作用下硝態氮又重新變為氨氣、氮氣等揮發掉。

如圖2所示，馬麗紅等探究認為，堆肥過程中與氮相關的反應主要包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固定作用。氨化作用使堆體中的銨態氮大量增加，促進了氨氣揮發，堆體中的氨化細菌在高溫期和降溫期時數量達到最大，其與銨態氮和氨氣呈正相關；硝化細菌可通過硝化作用將氨氣和銨態氮轉化為硝態氮，但其在堆體中的含量較少，與氨氣和銨態氮呈負相關；反硝化細菌可通過反硝化作用將硝態氮轉化為氮氣和氧化氮，在其進行的實驗中，反硝化細菌在高溫期後明顯增多，並持續到穩定期，說明反硝化作用也是氮素損失的途徑之一；固定作用將銨態氮和硝態氮轉化為有機氮，堆體中固氮菌數量也較少，主要在降溫期大量增殖，其具有保氮作用。總體而言，氮素在堆肥期間的轉化主要是在升溫和降溫階段，在此期間會發生氨化、硝化、反硝化、氨同化等反應，而氮素的損失主要是在高溫階段，此時是反硝化作用和氨氣揮發的主要階段。

圖2 氮素的轉化機理

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汙泥及餐廚垃圾好氧堆肥過程中控制氮素損失的措施

好氧堆肥中的氮素主要以氨氣揮發的形式損失，因此控制氮素損失主要從減少氨氣損失著手。郭煒將稻殼生物質碳以0、3%、5%和10%分別加入堆體，發現生物質炭可以使微生物活性更強，其也可以吸附氨氣，減少氨氣的揮發，且生物質炭量越多，固氮效果越強，綜合各項指標,最終認為5%為最佳投加量。胡偉桐等則用麥糠、菇渣與稻殼等作為調理劑進行對比實驗，最終得出麥糠可以使高溫持續更長時間，加快腐熟，但菇渣和稻殼混合調理劑可有效減少氨氣的揮發，固氮能力更強。Du等向堆體中添加等物質的量的銨鹽，鎂鹽和磷酸鹽形成鳥糞石晶體，而該晶體不但可以減少氮損失，且其本身也是優質的肥料和化學添加劑。

Wang等總結了調整pH值、調整初始碳氮比、形成鳥糞沉澱、促進硝化等改善措施。在調整pH值方面:調節pH值理論上可減少NH3的揮發，但操作範圍較窄，底物pH值降至6以下，微生物活性被強烈抑制。在初始碳氮比調節方面:由於餐廚垃圾的碳氮比通常較低，因此更多研究旨在將富含碳的物質引入餐廚垃圾，且添加可被嗜熱微生物利用的碳源可促進氨氣同化，由此降低了氨氣排放。在鳥糞沉澱方面:Mg和P鹽能使銨態氮沉澱成鳥糞石晶體，添加Mg和P鹽的量不影響氮素的有機礦化，餐廚垃圾中初始氮素的33%～36%可被礦化，然而過量的H3PO4對生物降解具有負面影響。在促進硝化方面:將富含硝化微生物的成熟堆肥產品引入堆體,有助於通過硝化將氨氣氧化減少氮損失，但這樣會刺激氮氧化物的排放；一個選擇是添加一種硝化抑制劑阻止完全硝化，以減輕氨氣和氮氧化物排放；另一種選擇是促進硝態氮的氧化，減少氮氧化物的產生。

綜上所述，控制氮素損失的措施包括選擇適合的堆肥參數，添加物理或化學調理劑，選擇可以互補的廢棄物進行聯合堆肥，形成鳥糞石沉澱，促進硝化和調整pH值，調整初始碳氮比等。當然，控制氮素損失的措施還有很多，如在堆體上覆蓋防水油布來減少氨氣揮發等。

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結論與展望

迄今為止，控制好氧堆肥過程中氮素損失的措施依然值得探究，如化學添加劑固氮效果好，但其成本較高，無法大規模堆肥；物理調理劑雖廉價，也適合大規模堆肥，但其固氮效果並不十分理想；在理論上,調節pH可以降低氨氣的揮發，但其操作範圍狹窄；大部分關於好氧堆肥的研究都是以單個廢棄物為堆體來進行的，如動物糞便、汙泥、生活垃圾等，聯合堆肥方面的氮素損失機理研究還不夠系統。

因此，未來堆肥方面的研究方向主要包括：1)加大對堆肥效果影響因素的研究，進一步縮小可操作的最適條件範圍；2)嘗試2種或更多種能夠互補的廢棄物進行聯合堆肥；3)尋找性價比更高的調理劑，並找出較適合的添加量；4)嘗試多種措施共同作用，如在汙泥與餐廚垃圾聯合堆肥的堆體中添加調理劑，並適當曝氣等。好氧堆肥不但可以減輕環境壓力，而且可以使廢棄物資源化，隨著研究的不斷深入，堆肥技術的改進會使好氧堆肥向更環保，更廉價，更適合大規模堆肥應用的方向發展。