粪便好氧堆肥过程中温度对有机物的降解和氮的保持特性影响

中国土壤与肥料2011(3)粪便好氧堆肥过程中温度对有机物的降解和氮的保持特性影响白帆，王晓昌(1．陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，宝鸡文理学院地理科学与环境工程系，陕西宝鸡721016；2．教育部西北水资源与环境生态重点实验室，西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安710055)摘要：研究堆肥过程温度对有机物的降解，尤其是氮的迁移转化的影响，对于提高堆肥效率和保持更多的氮在产物中具有重要意义。本研究采用密闭式好氧堆肥反应器，模拟高温(60~C)和中温(35℃)两种典型的堆肥温度，以新鲜锯末为空白载体，在含水率60％以及连续强制供气的条件下，进行了为期两周的试验，评估温度对于粪便中有机物的降解和氮的迁移转化的影响。结果表明，粪便中有机物(固体中的有机物，总有机碳、化学需氧量)高温去除率70％，比中温的63％高出1l％；且堆肥腐熟期高温(6～8d)比中温(10～11d)缩短约4d。总氮的损失高温(17％)比中温(31．4％)减少了约50％。高温下氮的损失发生在堆肥反应的第1d，由无机氮的迅速减少造成，有机氮几乎未变。中温下氮的损失在堆肥反应的前4d，由无机氮和有机氮共同参与。研究表明，温度对堆肥具有显著的影响，控制合适的堆肥温度不仅可以加快有机物的腐熟，提高效率，还可以减少氮的损失，提高产物的肥效。关键词：堆肥反应器；人粪便；氮的保持；肥料中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：t673—6257(2011)03—0068—04好氧堆肥作为一种实用性技术，用于生态厕所人粪便的卫生降解’。该技术特别对于解决缺水或严重缺水地区利用水冲式厕所具有重要意义L3J。由于堆肥产物可用作有机肥，如能控制好堆肥条件使得氮尽可能多的保留在最终的堆肥产物中，将对其作为有机肥具有重要的意义。目前应用锯末作为载体的粪便堆肥的研究中，有关氮的损失的报道尚不明确，有低于50％，也有高达94％，主要取决于堆肥的条件，特别是温度，。以前的部分研究，采用日本科学技术振兴机构提供的Bio．Lux$15型堆肥反应器，表明基于粪便卫生降解的生态厕所在高温条件下具有良好的保氮特性_6I7_。为了对温度对有机物的降解，特别是氮的各种形态的迁移转化特性的影响进一步深入理解，采用特定设计的反应器进行试验研究，研究的重点是温度对氮的各种成分的变化和堆肥产物的保氮特性的影响。研究好氧堆肥过程粪便中氮的损失和迁移受温度的影响，对于寻求合适的堆肥温度，提高堆肥效率和减少氮收稿日期：2010—08—21；最后修订日期：2011一O1—24基金项目：长江学者基金和创新研究梯队(IRT0853)；国家高技术研究发展计划(863)项目(2006AA06Z328)；国家自然科学基金重大国际合作项目(50621140002)；宝鸡文理学院院级项目(YK1030)。作者简介：白帆(1973一)，男，博士生，主要研究方向为水污染治理、固废处理以及资源回收利用等。通讯作者为王晓昌。一68一的损失，保持更多的氮在产物中具有重要意义。1材料与方法1．1实验装置和材料本研究参考实际应用的堆肥反应器(图1)参考Ix~pezzavala等人研究所用的反应器J，设计加工了本研究实验用的密封式堆肥反应器，如图2所示。该反应器采用有机玻璃加工而成，由内外两层柱状有机玻璃构成，内简直径10cnl，高55cm。外层空间装盛热水构成水浴环境，以使内筒堆肥反应主体保持恒定的温度。水浴温度由热水泵、温度传感器、加热棒以及温控微处理器进行联合控制。手动搅拌装置垂直置于堆肥反应体内，通过搅拌手柄进行手动搅拌以使堆肥材料混合均匀。内筒底部装有布气板，以使通过气泵强制进气能够均匀分布进入反应堆中。顶部的排气管先于冷凝系统连接，使得带出的蒸发的水分冷凝回收以便回加到反应器中，以维持堆肥反应的水分的稳定。冷凝后出气与装有0．5mo]／L的1L稀硫酸溶液的氨气吸收单元连接，以便对排气中的氨气进行吸收。作为生物载体的锯末均由西安市木材加工厂提供；实验中定量投加的粪便取自该校学生公寓，粪便由专人集中收集，混合均匀分装冷藏于一20℃的冰箱中保存。锯末和粪便理化性质见表1。中国土壤与肥料2011(3)61．排风系统2．搅拌系统3．电机34．加热系统5．加料口6．载体4图1Bio—LuxS15生态厕所的构造示意图一j’I}■一]：I■●1l■一!泵＼冷却图2实验堆肥反应器的结构示意图表1实验所用锯末和粪便的理化特性1．2实验方法实验方法是在实际应用研究的基础上进行确定的J。用水浴系统控制整个反应堆处于恒定的温度条件下；初始加料粪便、锯末比为25％(基于干重)，粪便440．3g(干重80g)，锯末360g(干重320g)，补充200mL去离子水使得初始含水率为60％，总重为1000g，混合均匀后加入反应器中密闭。控制进气流量1．6L／ra