技术领域
[0001] 本
发明涉及一种减少好氧堆肥过程氮素损失的方法,属于废物资源化技术领域。
背景技术
[0002] 近年来城市
污泥产量逐年增加,其中含
水率约80%左右的污泥年产量达到3000t,并且绝大部分没有得到有效的处理。食品处理厂剩余污泥中有机物含量高,营养丰富,含有大量的
蛋白质、多糖、脂肪等,不含有有毒有害物质。如果采用合适的方法对食品处理厂剩余污泥进行处理与利用,则是良好的
有机肥源。好氧堆肥法是研究较多、应用广泛且被认为是最具前景的有机
废物处理方法之一。
[0003] 堆体中氮素的形态包括无机氮和有机氮。其中,无机氮包括
氨态氮(NH3-N)、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、亚硝态氮(NO2--N)和氮气(N2),前两者常统称为铵态氮。有机氮是指所有含氮的有机物,包括蛋白质、氨基糖、多肽和氨基酸等,可以TKN表示。氮素的不同形态可在一定条件下相互转化,无机氮可通过
微生物的同化作用转化为有机氮,有机氮则可通过微生物的降解转化为铵态氮,铵态氮在一定环境条件下进一步转化为氨态氮或氨气,也可在微生物作用下转化为硝态氮和亚硝态氮,进一步通过反
硝化作用转化为氮气。氨气和氮气的形成与挥发是导致堆体中氮素损失的重要因素,其中,氨气挥发不仅导致氮素损失,而且带来空气污染。
[0004] 在好氧堆肥过程中,高温和高pH是影响NH3挥发的两大主要因素,NH3的大量挥发不仅造成堆肥产品品质降低,而且影响堆肥技术的环境友好型使用。氮素损失控制一直是堆肥研究热点,利用添加剂控制堆肥化过程中氮素转化是常用的技术手段。堆肥常用固氮添加剂包括酸性添加剂、
吸附剂、化学添加剂以及生物添加剂等。其中,酸性添加剂主要通过降低物料pH控制氨挥发及氮素损失。
[0005] 在畜禽养殖过程中使用重金属可提高其抵抗
力,促进其生长,这就导致畜禽
排泄物中的重金属含量较高,影响堆肥化技术实现畜禽
粪便无害化的效果,陈丽红等人在利用畜禽粪便堆肥过程中分别添加
柠檬酸和
乙二胺四乙酸钠(EDTA),考察了其去除重金属的效果,结果表明,EDTA对
铜的去除效果最好,而柠檬酸的去除效果较差。目前,尚无采用酸性有机添加剂降低堆肥过程氮素损失的报道。
发明内容
[0006] 针对背景技术提到的好氧堆肥过程中,
发酵原料中的氮素易流失问题,本发明提供了一种减少好氧堆肥过程氮素损失的方法,使用
有机酸作为酸性添加剂,在合适原料及发酵反应的时间下,有效减少发酵过程中氮素的损失。本发明使用的有机酸为氨三乙酸,氨三乙酸是一种三元中强酸,能溶于水,
水解电离出的H+可与堆肥过程中产生的NH3结合形成NH4+,进而通过减少氨挥发带来的氮素流失。
[0007] 本发明的第一个目的是提供一种减少好氧堆肥过程氮素损失的方法,所述方法步骤如下:
[0008] (1)将剩余污泥与秸秆混合得到发酵原料;
[0009] (2)将氨三乙酸添加进步骤(1)的发酵原料中进行好氧发酵,得到堆肥产品。
[0010] 在本发明的一种实施方式中,所述步骤(1)中剩余污泥与秸秆按照
质量比(8~5):(2~5)的比例进行混合,控制混合物的
碳氮比为15~35,得到发酵原料。
[0011] 在本发明的一种实施方式中,所述步骤(1)中发酵原料的含水率为50%~65%,含水率是指发酵原料中水分重量与总重量的百分比。
[0012] 在本发明的一种实施方式中,所述步骤(1)中为将污
水处理剩余污泥与秸秆按照质量比7:3的比例进行混合,控制混合物的碳氮比为25,含水率为55%,得到发酵原料。
[0013] 在本发明的一种实施方式中,所述步骤(1)中秸秆包括玉米秸秆、稻草秸秆和/或稻壳。
[0014] 在本发明的一种实施方式中,所述步骤(1)中秸秆的粒径为0.5~2mm。
[0015] 在本发明的一种实施方式中,所述步骤(2)中氨三乙酸在发酵原料中的添加量占发酵原料总质量的1%~5%。
[0016] 在本发明的一种实施方式中,所述步骤(2)中好氧发酵为将添加酸性螯合剂后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵。
[0017] 在本发明的一种实施方式中,所述步骤(2)中好氧发酵搅拌的时间为15~60min。
[0018] 在本发明的一种实施方式中,所述步骤(2)中好氧发酵初步发酵的时间为7~14d,通
风量4~10m3/h。
[0019] 在本发明的一种实施方式中,所述步骤(2)中好氧发酵二次发酵的时间为7~14d,无人工曝气。
[0020] 本发明的第二个目的是提供应用上述方法制备得到的堆肥产品。
[0021] 本发明的第三个目的是提供一种城市污泥的处理方法,所述方法为利用上述方法进行好氧堆肥。
[0022] 本发明的有益效果:
[0023] (1)本发明提供了一种减少好氧堆肥过程氮素损失的方法,此方法可显著降低堆肥初期的堆体pH,提高堆肥产品的腐熟度,显著减少利用有机废弃物好氧发酵生产堆肥过程中的氨素损失,保氮效果好。
[0024] (2)利用本发明的方法进行好氧堆肥,氮素损失明显减少,保氮效果显著;发酵初期,堆体pH为3.9~6.0,发酵过程中堆体无明显或略有氨味;发酵结束时,堆体的pH为7.2~7.5,C/N比为9.9~14.5,堆体中氨氮含量提高了60.6%~446.5%,氮素损失0.1~0.9g/kg,其氮素损失较空白对照降低了18.2%~90.9%,优势较为明显。
[0025] (3)本发明的方法所使用的酸性螯合剂为氨三乙酸,该物质成本较低且无任何毒
副作用,因此,利用本发明的方法生产得到的堆肥成本低且无安全隐患。
具体实施方式
[0026] 下面结合具体
实施例对本发明进行进一步的阐述。
[0027] 下述实施例中涉及的
污水处理剩余污泥为来源于江浙地区某食品厂的污水处理剩余污泥;下述实施例中涉及的玉米秸秆购自/来源于河南;下述实施例中涉及的氨三乙酸购自国药集团化学
试剂有限公司。
[0028] 下述实施例中涉及的检测方法如下:
[0029] 碳氮(C/N)比的检测方法:碳氮比为总有机碳(Total organic carbon,TOC)与凯氏氮(Total Kjeldahl nitrogen,TKN)的比值,总有机碳是指原料中有机物的含碳量,凯氏氮是指以基耶达法测得的含氮量,它包括原料中的有机氮和氨氮,也称为全氮。
[0030] 总有机碳采用重铬酸
钾氧化-分光光度法(HJ 615-2011)进行测定,即在加热条件下,固体样品中的有机碳被过量重铬酸钾-
硫酸溶液氧化,重铬酸钾中的六价铬(Cr6+)被还原为三价铬(Cr3+),其含量与样品中有机碳的含量成正比,于585nm
波长处测定吸光度,根据3+
三价铬(Cr )的含量计算有机碳含量。
[0031] 凯氏氮采用凯氏定氮仪测定法(HJ 717-2014)进行测定,即固体样品中的凯氏氮在
硫代硫酸钠、浓硫酸、高氯酸和催化剂的作用下,经
氧化还原反应全部转化为铵态氮。消解后的溶液
碱化蒸馏出的氨被
硼酸吸收,用标准
盐酸溶液滴定,根据标准盐
酸溶液的用量来计算样品中凯氏氮的含量。
[0032] 含水率采用重量法(HJ 613-2011)进行测定,即固体样品在(105±5)℃烘至恒重,以烘干前后的样品质量差值计算水分的含量,含水率为水分含量占样品总质量的百分比。
[0033] 将固体样品与水按1:10的比例混合,浸提1h后,采用水质自动分析仪测定浸提液的pH(HJ/T 96-2003)和氨氮含量(HJ/T 101-2003)。
[0035] 具体步骤如下:
[0036] 将食品厂污水处理剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比7:3的比例进行混合,控制混合物的碳氮比为25,含水率为55%,得到发酵原料,将发酵原料中进行好氧发酵,得到堆肥产品;其中,好氧发酵为将发酵原料进行搅拌、初步发酵以及二次发酵,搅拌的时间为20min,初步发酵的时间为7d,
通风量为6m3/h,二次发酵的时间为14d,无需人工曝气通风。发酵初期,堆体pH为7.1,发酵过程中堆体出现明显氨味;发酵结束时,测得堆体的pH为7.0,C/N比为12.8,堆体中氨氮含量提高了18.3%,氮素损失1.1g/kg。
[0037] 实施例1添加占发酵原料总质量1%的氨三乙酸
[0038] 具体步骤如下:
[0039] 先将食品厂污水处理剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比7:3的比例进行混合,控制混合物的碳氮比为25,含水率为55%,得到发酵原料,然后将氨三乙酸按照占发酵原料总质量1%的比例添加进发酵原料中进行好氧发酵,得到堆肥产品;其中,好氧发酵为将添加氨三乙酸后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵,搅拌的时间为20min,初步发酵的时间为7d,通风量为6m3/h,二次发酵的时间为14d,无需人工曝气通风。
发酵初期,堆体pH为6.0,发酵过程中堆体略有氨味;发酵结束时,测得堆体的pH为7.2,C/N比为12.5,堆体中氨氮含量提高了60.6%,氮素损失0.9g/kg,其氮素损失较对比例1降低了
18.2%。
[0040] 实施例2添加占发酵原料总质量2.5%的氨三乙酸
[0041] 具体步骤如下:
[0042] 先将食品厂污水处理剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比7:3的比例进行混合,控制混合物的碳氮比为25,含水率为55%,得到发酵原料,然后将氨三乙酸按照占发酵原料总质量2.5%的比例添加进发酵原料中进行好氧发酵,得到堆肥产品;其中,好氧发酵为将添加氨三乙酸后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵,搅拌的时间为20min,初步发酵的时间为7d,通风量为6m3/h,二次发酵的时间为14d,无需人工曝气通风。发酵初期,堆体pH为5.2,发酵过程中堆体无明显氨味;发酵结束时,测得堆体的pH为7.4,C/N比为9.9,堆体中氨氮含量提高了321.1%,氮素损失0.3g/kg,其氮素损失较对比例
1降低了72.7%,优势较为明显。
[0043] 实施例3添加占发酵原料总质量3.8%的氨三乙酸
[0044] 具体步骤如下:
[0045] 先将食品厂污水处理剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比7:3的比例进行混合,控制混合物的碳氮比为25,含水率为55%,得到发酵原料,然后将氨三乙酸按照占发酵原料总质量3.8%的比例添加进发酵原料中进行好氧发酵,得到堆肥产品;其中,好氧发酵为将添加氨三乙酸后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵,搅拌的时间3
为20min,初步发酵的时间为7d,通风量为6m /h,二次发酵的时间为14d,无需人工曝气通风。发酵初期,堆体pH为5.3,发酵过程中堆体略有酸味;发酵结束时,测得堆体的pH为7.3,C/N比为11.2,堆体中氨氮含量提高了358.6%,氮素损失0.2g/kg,其氮素损失较对比例1降低了81.7%。
[0046] 实施例4添加占发酵原料总质量5%的氨三乙酸
[0047] 具体步骤如下:
[0048] 先将食品厂污水处理剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比7:3的比例进行混合,控制混合物的碳氮比为25,含水率为55%,得到发酵原料,然后将氨三乙酸按照占发酵原料总质量5%的比例添加进发酵原料中进行好氧发酵,得到堆肥产品;其中,好氧发酵为将添加氨三乙酸后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵,搅拌的时间为20min,初步发酵的时间为7d,通风量为6m3/h,二次发酵的时间为14d,无需人工曝气通风。
发酵初期,堆体pH为3.9,发酵过程中堆体略有酸味;发酵结束时,堆体的pH为7.5,C/N比为
14.5,堆体中氨氮含量提高了446.5%,氮素损失0.1g/kg,其氮素损失较对比例1降低了
90.9%。
[0049] 实施例5添加占发酵原料总质量7%的氨三乙酸
[0050] 具体步骤如下:
[0051] 先将食品厂污水处理剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比7:3的比例进行混合,控制混合物的碳氮比为25,含水率为55%,得到发酵原料,然后将氨三乙酸按照占发酵原料总质量7%的比例添加进发酵原料中进行好氧发酵,得到堆肥产品;其中,好氧发酵为将添加氨三乙酸后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵,搅拌的时间为20min,初步发酵的时间为7d,通风量为6m3/h,二次发酵的时间为14d,无需人工曝气通风。
发酵初期,堆体pH为1.5,发酵过程中堆体有重酸味;发酵结束时,堆体的pH为3.8,C/N比为
22.0,堆体中氨氮含量提高了560.3%,氮素损失低于0.1g/kg,其氮素损失较对比例1降低了95%以上,但当氨三乙酸的添加量占原料总质量7%,C/N比较高,说明有机物发酵的并不充分。
[0052] 实施例6在实施例4的
基础上改变原料的配比
[0053] 具体步骤如下:
[0054] 先将食品厂污水处理剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比4:6,1:9,9:1的比例进行混合,控制混合物的碳氮比为39,52,9,含水率为55%,得到发酵原料,然后将氨三乙酸按照占发酵原料总质量2.5%的比例添加进发酵原料中进行好氧发酵,得到堆肥产品;其中,好氧发酵为将添加氨三乙酸后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵,搅拌的时间为20min,初步发酵的时间为7d,通风量为6m3/h,二次发酵的时间为14d,无需人工曝气通风。发酵的结果见表1。
[0055] 由表1可知当剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比4:6进行混合时,发酵初期堆体的pH为5.1,发酵结束时,堆体的pH为6.9,C/N比为25.0,堆体中氨氮含量提高了1.2%,氮素损失0.8g/kg。当剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比1:9进行混合时,发酵初期堆体的pH为5.0,发酵结束时,堆体的pH为5.8,C/N比为33.8,堆体中氨氮含量提高了6.4%,氮素损失0.5g/kg。当剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比9:1进行混合时,发酵初期堆体的pH为5.3,发酵结束时,堆体的pH为8.6,C/N比为15.2,堆体中氨氮含量提高了0.4%,氮素损失1.6g/kg。由此可见,当改变剩余污泥和玉米秸秆的配比时,堆体中氨氮含量的提高比例大幅降低,说明原料配比发生变化时,微生物的活性变得很低。
[0056] 表1
[0057]
[0058] 实施例7在实施例4的基础上改变初步发酵和二次发酵的时间
[0059] 具体步骤如下:
[0060] 先将食品厂污水处理剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比7:3的比例进行混合,控制混合物的碳氮比为25,含水率为55%,得到发酵原料,然后将氨三乙酸按照占发酵原料总质量2.5%的比例添加进发酵原料中进行好氧发酵,得到堆肥产品;其中,好氧发酵为将添加氨三乙酸后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵,搅拌的时间为20min,分别改变初步发酵的时间为5和9d,通风量为6m3/h,对应的二次发酵的时间为10和18d,无需人工曝气通风。发酵的结果见表2。
[0061] 由表2可知,改变初步发酵时间为5d,二次发酵时间为14d时,发酵初期堆体的pH为5.5,发酵结束时,堆体的pH为5.8,C/N比为19.9,堆体中氨氮含量提高了410.2%,氮素损失
0.1g/kg。改变初步发酵时间为9d,二次发酵时间为14d时,发酵初期堆体的pH为5.4,发酵结束时,堆体的pH为7.9,C/N比为10.7,堆体中氨氮含量提高了129.2%,氮素损失0.5g/kg。改变初步发酵时间为7d,二次发酵时间为10d时,发酵初期堆体的pH为5.5,发酵结束时,堆体的pH为6.1,C/N比为20.5,堆体中氨氮含量提高了298.2%,氮素损失0.3g/kg。改变初步发酵时间为7d,二次发酵时间为18d时,发酵初期堆体的pH为5.0,发酵结束时,堆体的pH为
8.0,C/N比为9.2,堆体中氨氮含量提高了184.3%,氮素损失0.5g/kg。
[0062] 表2
[0063]
[0064] 对比例2添加占发酵原料总质量2.5%的柠檬酸
[0065] 具体步骤如下:
[0066] 先将食品厂污水处理剩余污泥与粒径为1mm的玉米秸秆按照质量比7:3的比例进行混合,控制混合物的碳氮比为25,含水率为55%,得到发酵原料,然后将柠檬酸按照占发酵原料总质量2.5%的比例添加进发酵原料中进行好氧发酵,得到堆肥产品;其中,好氧发酵为将添加柠檬酸后的发酵原料依次进行搅拌、初步发酵以及二次发酵,搅拌的时间为20min,初步发酵的时间为7d,通风量为6m3/h,二次发酵的时间为14d,无需人工曝气通风。
发酵初期,堆体pH为4.8,发酵过程中堆体略有氨味;发酵结束时,测得堆体的pH为8.4,C/N比为18.9,堆体中氨氮含量提高了39.0%,氮素损失1.0g/kg,其氮素损失较对比例1降低了
9.1%。
[0067] 虽然本发明已以较佳实施例公开如上,但其并非用以限定本发明,任何熟悉此技术的人,在不脱离本发明的精神和范围内,都可做各种的改动与修饰,因此本发明的保护范围应该以
权利要求书所界定的为准。