污泥堆肥过程中臭气排放的主要影响因素的研究
刘洁,郭育硕,蒋悦,张军
(桂林理工大学环境科学与工程学院,广西 桂林 541004)
【摘要】:多年来的实践证明,利用污泥、畜禽排泄物、农作物秸秆等进行堆肥进而生产出有机肥料是一举两得的好办法,但其却存在着一个致命缺点——臭气。好氧堆肥过程之中常常伴随着臭气的生成,制约了堆肥工艺的进步。臭气虽不会对人体产生严重的健康问题,但却会危害人类的生理和心理健康,具有污染的两重性。所以,本文通过对国内外文献综述的调研,分析好氧堆肥过程中臭气排放的主要影响因素,并对日后的研究方向提出建议与期望,为日后堆肥臭气的减排与治理提供参考。
【关键词】:好氧堆肥;臭气;污泥
1、前言
1.1臭气的产生与组成
在污泥好氧堆肥工艺过程之中当氧气充沛时,好氧微生物会把污泥中的有机质分解,同时会释放带有一定刺激性的恶臭气体[1]。当缺氧时有机物质又会被厌氧微生物分解,从而产生有臭味的不完全产物(例如硫化氢)以及含氮化合物(例如胺和酰胺)[2]。因此,无论是氧气充足的条件还是缺氧的条件下,臭气均有可能产生,但当氧气不足的情况下,则会主要生成致臭物质[3]。这些臭气的溢出不仅污染了堆肥厂的环境,同时造成了大气污染,并威胁着堆肥厂及其周边市民的身心健康。
致臭物质的含量及其传递速度是控制污泥堆肥臭气排放量的首要因素。厌氧条件下,污泥堆肥过程中有机物会被厌氧菌作用,生成不完全产物,例如胺类、酰胺类和含硫化合物(硫化氢、二氧化硫、硫醇类)等;在氧气充足的条件下,好氧菌则会将有机物分解,同时释放氨气等刺激性气体[4]。所以,不同的堆肥方法与环境条件均会影响致臭物质的产生[5]。
1.2臭气的危害
氨气的流失即代表着堆料中的氮元素含量显著降低,意味着腐熟堆料的营养变低,即农用价值变差。臭气中的氨气通常会引起几种不良的生理反应,例如头晕、头痛、恶心、乏力等,更甚者可能会引起肺内组织液的平衡失调,从而造成肺水肿等。其次,硫化氢低浓度时具有臭鸡蛋味,超剧毒,即使稀的硫化氢也会对某些人体器官产生刺激作用,当其浓度大于等于1mg/L时,将会危机生命。
2、研究现状
2.1臭气的主要影响因素
臭气的主要影响因素有:有机氮的矿化分解、温度、堆体的酸碱性、微生物的活性。
2.1.1有机氮的矿化分解
微生物能够将有机矿化分解成为氨态氮,而氨态氮将会转化为氨气而排放[6]。虽易于下一阶段的污泥土地利用,但却对环境造成了污染。堆肥物料含水率的增加,可有效阻抑氨气的释放与氨根离子的聚积,能够降低氮素的损失率[7]。李国学等认为,氨态氮浓度的降低能够作为评判堆肥腐熟度的参数[8]。所以,可以由抑制氨态氮的转化而削减氨气的生成,同时降低氮素的流失。
2.1.2温度
温度也会对污泥好氧堆肥过程之中臭气的排放的起相当重要的作用。曹喜涛等[9]认为,温度的升高可明显加快氨气的挥发速率。微生物会将含氮物质强烈分解同时生成大量的氨气[10]。此外,温度也会促进 VOCs 的生成[11]。例如,VOCs 的生成量在堆肥初期,即温度较高的时期达到大部分; VOCs 的释放量在夏季达到最大值,而在秋季和冬季则相对较低[12]。所以,温度是污泥堆肥过程之中臭气生成并排放的重要因素
2.1.3 pH 值
堆体的pH值会随着污泥堆肥过程的不断进行先减少,而后增加。硫化氢气体则通过微生物在厌氧发酵过程被释放,但其中的一部分会溶解在水中,一部分被吸附到堆肥物料内,剩余的则会被释放出去[13]。高温阶段时期,多种含硫化合物会大批量的分解,根据硫元素的守恒,生成一定数量的负二价的硫离子,
其会与堆体中的氢离子结合生成硫化氢气体释放,随着氢离子不断被消耗,那么堆体的 pH 则会提高,即呈上升趋势。在堆肥初期,物料含有能够满足微生物生长、繁殖等各种生理活动所需的大量的营养物质,有机氮则会被微生物迅速矿化分解而生成氨态氮,但此时的硝化细菌活动性较差,不能够将氨态氮实时的转变为硝态氮,从而导致堆体内 pH 值较高。在污泥堆肥的中后期,硝态氮的浓度会随氨态氮浓度逐渐减小而持续增加,而此时pH 值将会稍许有所下降。Liang 等研究发现,当堆体 p H 值较高时,有利于氨的大量挥发[7]。翁焕新等[14]研究发现,酸性污泥释放硫化氢的量多于碱性污泥的释放量,这是因为偏碱性的污泥既可以中和掉一部分的硫化氢,还能够遏抑硫酸盐还原菌的生长繁殖,从根本上遏制了硫化氢的释放。
有研究表明硫化氢的释放量在相对于碱性污泥来说,在酸性污泥中更多。这是由于碱性污泥能够中和部分的硫化氢,并且还能够减少硫酸盐的含量,从而遏制了硫酸盐还原菌的滋生,因此硫化氢的释放量会较酸性污泥低。所以,pH是堆肥过程之中臭气排放的一项重要指标。
2.1.4 微生物活性
伴随着氨化细菌数目的持续增长,氨态氮的浓度以及氨的生成量均会同时大范围的增长。而氨经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用转化为硝酸的过程、脱氮作用、亚硝酸菌和硝酸菌以及将硝态氮转化为气态氮的细菌群的数量会随着堆肥时间的逐渐增长而有慢慢增加。刘学玲等[15]研究表明,由于高温时期的氨化细菌数量会显著增长,从而氨态氮浓度和氨的生成量都将会抵达峰值,而在降温时期,在好氧条件下把氨氧化成亚硝酸的细菌和能将硝态氮还原为气态氮的细菌群数量的不断增长,而硝态氮含量也将随之增加。翁焕新等[14]发现,污泥中的硫酸盐还原菌的数目与活性越大,硫化氢的生成量就越高。微生物分解有机质的本领也对会VOCs 的生成有一定的影响有研究表明在中温时期,变形杆菌和可发酵碳水化合物产生大量乳酸的细菌的大量出现可加速有机质降解,从而进一步增加 VOCs 的释放量。
此外,高温时期的优势菌主要是蜡样芽孢杆菌,其可以分解与部分的 VOCs (例如有机硫)作用,使得此时的 VOCs 释放量最低[16]。所以,有机质降解与 VOCs 的释放量受不同时期的微生物数量和类型的制约。此外,污泥堆肥过程之中 VOCs 生成并排放的至关重要的时期为中温期,需引起重视。
3、结论与展望
3.1臭气减排的方法
在污泥堆肥过程之中,有两种臭气减排的方法,其一是过程控制,经改良堆肥物料的配比、堆体的孔隙率、改善通风情况等,尽可能的在污泥堆肥进程之中抑制臭气的生成;另一种是末端控制,顾名思义也就是收集并处理已经产生了的臭气,最后排放达标的气体,可以有效减轻臭气对周边环境的污染。但相较之下,过程控制可以有效遏制污泥好氧堆肥过程中臭气的生成与排放,既可以达到保氮除臭的目的,降低氮素的流失,又可以改善工作环境,降低对周边社区环境的影响,可从根本上解决堆肥的臭气问题[17]。
优化堆肥工艺参数、添加除臭菌、添加调理剂等是目前过程控制的主要处理方法。
优化堆肥工艺参数与添加调理剂从根本上来说均是控物料的 C/N 比、含水率、孔隙率、堆料有机质含量,等达到除臭保氮的效果。微生物除臭则是利用自然界中广泛存在的微生物来分解堆肥过程中产生的恶臭气体。生物除臭法较其他方法具有成本低、易管理等一系列优点,因此发展十分迅速[2]。童正明等[18]在生活垃圾堆肥过程中添加了除臭菌(由8个菌种和两种天然植物提取物按一定比例调配而成),研究结果表明,除臭菌的投加可有效抑制去除生活垃圾堆肥过程的恶臭气体。
3.2结论与展望
在污泥堆肥过程之中,氨、硫化氢、 VOCs 是主要的致臭物质,而有机氮的矿化和氮素转化、pH 值、温度、微生物活性等均为遏制臭气生成与排放的关键影响因素。而目前的各种臭气减排的技术方法均各有利弊。其中,除臭菌无疑具有较广阔的开发前景,更多的适合不同条件的除臭菌的种类仍有待研究学者们的发掘。但就现阶段来说,若能将多重方法联合使用,取长补短,可能会获得意想不到的效果,建议污泥堆肥厂结合自身污泥堆肥情况,采取多重方法联合使用。
参考文献
[1] 杨卫英,褚莲清.城市固体废弃物臭气的生物过滤处理法简介[J].再生资源研究,2001(01):30-32.
[2] 朱娟娟,刘永德,赵继红.污泥堆肥过程中臭气的控制[J].中国资源综合利用,2014,32(03):43-44.
[3] 毕东苏.垃圾堆肥厂臭气的生物脱臭技术综述[J].安徽农业科学,2007(27):8623-8625.
[4] 刘璐,陈同斌,郑国砥,高定,陈俊,张军,林海,黄卓.污泥堆肥厂臭气的产生和处理技术研究进展[J].中国给水排水,2010,26(13):120-124.
[5] 李明峰,马闯,赵继红,刘桓嘉,张蔓.污泥堆肥臭气的产生特征及防控措施[J].环境工程,2014,32(01):92-96.
[6] 郑国砥,高定,陈同斌. 污泥堆肥过程中氮素损失和氨气释放的动态与调控 [J]. 中国给水排水,2009,25( 11) : 121-124.
[7] Liang Y,Leonard J,Feddes J,et al. A simulation model of ammonia volatilization in composting [J]. Transactions of the ASAE,2004,47( 5) : 1667-1680.
[8] 李国学,张福锁. 固体废物堆肥化与有机复混肥生产 [M].北京: 化学工业出版社,2000.
[9] 曹喜涛,黄为一,常志州. 鸡粪堆制过程中氮素损失及减少氮素损失的机理 [J]. 江苏农业学报,2004,20( 2) : 106-110.
[10] 韩萌. 生物吸附法处理高含氮污泥堆肥臭气模拟分析[A]. 中国城市科学研究会、中国城镇供水排水协会、重庆市住房和城乡建设委员会、重庆市城市管理局.2018第十三届中国城镇水务发展国际研讨会与新技术设备博览会论文集[C].中国城市科学研究会、中国城镇供水排水协会、重庆市住房和城乡建设委员会、重庆市城市管理局:北京邦蒂会务有限公司,2018:4.
[11] Suffet M,Decottignies V,Senante E,et al. Sensory assessment and characterization of odor nuisance emissions during the composting of wastewater biosolids [J]. Water Environment Research,2009,81( 7) : 670-679.
[12] Rajamaeki T,Arnold M,Venelampi O,et al. An electronic nose and indicator volatiles for monitoring of the composting process [J]. Water,Air,& Soil Pollution,2005,162( 1) : 71-87.
[13] Arogo J, Zhang R, Riskowski G, et al. Hydrogen sulfide production from stored liquid swine manure: a laboratory study [J]. Transactions of the ASAE,2000,43( 5) : 1241-1245.
[14] 翁焕新,高彩霞,刘瓒. 污泥硫酸盐还原菌 ( SRB) 与硫化氢释放 [J]. 环境科学学报,2009,29( 10) : 2094-2102.
[15] 刘学玲,黄懿梅,姜继韶. 微生物生理群在猪粪秸秆高温堆肥碳氮转化中的作用 [J]. 环境工程学报,2012,6 ( 5) : 1713-1720.
[16] Conde E,Alba J,Lopez E,et al. Removal of complex mixtures of VOC( thinner) from waste air and establishment of the evolution of microbial consortium during biofiltration process [J]. Advances in Air Pollution,2001,10: 355-364.
[17] 沈玉君,陈同斌,刘洪涛,高定,郑国砥.堆肥过程中臭气的产生和释放过程研究进展[J].中国给水排水,2011,27(11):104-108.
[18] 童正明,叶立,杨征宇,黄为民.除臭菌在城市生活垃圾堆肥处理中的应用[J].能源研究与信息,2005(03):132-136.
污泥堆肥过程中臭气排放的主要影响因素的研究
刘洁,郭育硕,蒋悦,张军
(桂林理工大学环境科学与工程学院,广西 桂林 541004)
【摘要】:多年来的实践证明,利用污泥、畜禽排泄物、农作物秸秆等进行堆肥进而生产出有机肥料是一举两得的好办法,但其却存在着一个致命缺点——臭气。好氧堆肥过程之中常常伴随着臭气的生成,制约了堆肥工艺的进步。臭气虽不会对人体产生严重的健康问题,但却会危害人类的生理和心理健康,具有污染的两重性。所以,本文通过对国内外文献综述的调研,分析好氧堆肥过程中臭气排放的主要影响因素,并对日后的研究方向提出建议与期望,为日后堆肥臭气的减排与治理提供参考。
【关键词】:好氧堆肥;臭气;污泥
1、前言
1.1臭气的产生与组成
在污泥好氧堆肥工艺过程之中当氧气充沛时,好氧微生物会把污泥中的有机质分解,同时会释放带有一定刺激性的恶臭气体[1]。当缺氧时有机物质又会被厌氧微生物分解,从而产生有臭味的不完全产物(例如硫化氢)以及含氮化合物(例如胺和酰胺)[2]。因此,无论是氧气充足的条件还是缺氧的条件下,臭气均有可能产生,但当氧气不足的情况下,则会主要生成致臭物质[3]。这些臭气的溢出不仅污染了堆肥厂的环境,同时造成了大气污染,并威胁着堆肥厂及其周边市民的身心健康。
致臭物质的含量及其传递速度是控制污泥堆肥臭气排放量的首要因素。厌氧条件下,污泥堆肥过程中有机物会被厌氧菌作用,生成不完全产物,例如胺类、酰胺类和含硫化合物(硫化氢、二氧化硫、硫醇类)等;在氧气充足的条件下,好氧菌则会将有机物分解,同时释放氨气等刺激性气体[4]。所以,不同的堆肥方法与环境条件均会影响致臭物质的产生[5]。
1.2臭气的危害
氨气的流失即代表着堆料中的氮元素含量显著降低,意味着腐熟堆料的营养变低,即农用价值变差。臭气中的氨气通常会引起几种不良的生理反应,例如头晕、头痛、恶心、乏力等,更甚者可能会引起肺内组织液的平衡失调,从而造成肺水肿等。其次,硫化氢低浓度时具有臭鸡蛋味,超剧毒,即使稀的硫化氢也会对某些人体器官产生刺激作用,当其浓度大于等于1mg/L时,将会危机生命。
2、研究现状
2.1臭气的主要影响因素
臭气的主要影响因素有:有机氮的矿化分解、温度、堆体的酸碱性、微生物的活性。
2.1.1有机氮的矿化分解
微生物能够将有机矿化分解成为氨态氮,而氨态氮将会转化为氨气而排放[6]。虽易于下一阶段的污泥土地利用,但却对环境造成了污染。堆肥物料含水率的增加,可有效阻抑氨气的释放与氨根离子的聚积,能够降低氮素的损失率[7]。李国学等认为,氨态氮浓度的降低能够作为评判堆肥腐熟度的参数[8]。所以,可以由抑制氨态氮的转化而削减氨气的生成,同时降低氮素的流失。
2.1.2温度
温度也会对污泥好氧堆肥过程之中臭气的排放的起相当重要的作用。曹喜涛等[9]认为,温度的升高可明显加快氨气的挥发速率。微生物会将含氮物质强烈分解同时生成大量的氨气[10]。此外,温度也会促进 VOCs 的生成[11]。例如,VOCs 的生成量在堆肥初期,即温度较高的时期达到大部分; VOCs 的释放量在夏季达到最大值,而在秋季和冬季则相对较低[12]。所以,温度是污泥堆肥过程之中臭气生成并排放的重要因素
2.1.3 pH 值
堆体的pH值会随着污泥堆肥过程的不断进行先减少,而后增加。硫化氢气体则通过微生物在厌氧发酵过程被释放,但其中的一部分会溶解在水中,一部分被吸附到堆肥物料内,剩余的则会被释放出去[13]。高温阶段时期,多种含硫化合物会大批量的分解,根据硫元素的守恒,生成一定数量的负二价的硫离子,
其会与堆体中的氢离子结合生成硫化氢气体释放,随着氢离子不断被消耗,那么堆体的 pH 则会提高,即呈上升趋势。在堆肥初期,物料含有能够满足微生物生长、繁殖等各种生理活动所需的大量的营养物质,有机氮则会被微生物迅速矿化分解而生成氨态氮,但此时的硝化细菌活动性较差,不能够将氨态氮实时的转变为硝态氮,从而导致堆体内 pH 值较高。在污泥堆肥的中后期,硝态氮的浓度会随氨态氮浓度逐渐减小而持续增加,而此时pH 值将会稍许有所下降。Liang 等研究发现,当堆体 p H 值较高时,有利于氨的大量挥发[7]。翁焕新等[14]研究发现,酸性污泥释放硫化氢的量多于碱性污泥的释放量,这是因为偏碱性的污泥既可以中和掉一部分的硫化氢,还能够遏抑硫酸盐还原菌的生长繁殖,从根本上遏制了硫化氢的释放。
有研究表明硫化氢的释放量在相对于碱性污泥来说,在酸性污泥中更多。这是由于碱性污泥能够中和部分的硫化氢,并且还能够减少硫酸盐的含量,从而遏制了硫酸盐还原菌的滋生,因此硫化氢的释放量会较酸性污泥低。所以,pH是堆肥过程之中臭气排放的一项重要指标。
2.1.4 微生物活性
伴随着氨化细菌数目的持续增长,氨态氮的浓度以及氨的生成量均会同时大范围的增长。而氨经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用转化为硝酸的过程、脱氮作用、亚硝酸菌和硝酸菌以及将硝态氮转化为气态氮的细菌群的数量会随着堆肥时间的逐渐增长而有慢慢增加。刘学玲等[15]研究表明,由于高温时期的氨化细菌数量会显著增长,从而氨态氮浓度和氨的生成量都将会抵达峰值,而在降温时期,在好氧条件下把氨氧化成亚硝酸的细菌和能将硝态氮还原为气态氮的细菌群数量的不断增长,而硝态氮含量也将随之增加。翁焕新等[14]发现,污泥中的硫酸盐还原菌的数目与活性越大,硫化氢的生成量就越高。微生物分解有机质的本领也对会VOCs 的生成有一定的影响有研究表明在中温时期,变形杆菌和可发酵碳水化合物产生大量乳酸的细菌的大量出现可加速有机质降解,从而进一步增加 VOCs 的释放量。
此外,高温时期的优势菌主要是蜡样芽孢杆菌,其可以分解与部分的 VOCs (例如有机硫)作用,使得此时的 VOCs 释放量最低[16]。所以,有机质降解与 VOCs 的释放量受不同时期的微生物数量和类型的制约。此外,污泥堆肥过程之中 VOCs 生成并排放的至关重要的时期为中温期,需引起重视。
3、结论与展望
3.1臭气减排的方法
在污泥堆肥过程之中,有两种臭气减排的方法,其一是过程控制,经改良堆肥物料的配比、堆体的孔隙率、改善通风情况等,尽可能的在污泥堆肥进程之中抑制臭气的生成;另一种是末端控制,顾名思义也就是收集并处理已经产生了的臭气,最后排放达标的气体,可以有效减轻臭气对周边环境的污染。但相较之下,过程控制可以有效遏制污泥好氧堆肥过程中臭气的生成与排放,既可以达到保氮除臭的目的,降低氮素的流失,又可以改善工作环境,降低对周边社区环境的影响,可从根本上解决堆肥的臭气问题[17]。
优化堆肥工艺参数、添加除臭菌、添加调理剂等是目前过程控制的主要处理方法。
优化堆肥工艺参数与添加调理剂从根本上来说均是控物料的 C/N 比、含水率、孔隙率、堆料有机质含量,等达到除臭保氮的效果。微生物除臭则是利用自然界中广泛存在的微生物来分解堆肥过程中产生的恶臭气体。生物除臭法较其他方法具有成本低、易管理等一系列优点,因此发展十分迅速[2]。童正明等[18]在生活垃圾堆肥过程中添加了除臭菌(由8个菌种和两种天然植物提取物按一定比例调配而成),研究结果表明,除臭菌的投加可有效抑制去除生活垃圾堆肥过程的恶臭气体。
3.2结论与展望
在污泥堆肥过程之中,氨、硫化氢、 VOCs 是主要的致臭物质,而有机氮的矿化和氮素转化、pH 值、温度、微生物活性等均为遏制臭气生成与排放的关键影响因素。而目前的各种臭气减排的技术方法均各有利弊。其中,除臭菌无疑具有较广阔的开发前景,更多的适合不同条件的除臭菌的种类仍有待研究学者们的发掘。但就现阶段来说,若能将多重方法联合使用,取长补短,可能会获得意想不到的效果,建议污泥堆肥厂结合自身污泥堆肥情况,采取多重方法联合使用。
参考文献
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[18] 童正明,叶立,杨征宇,黄为民.除臭菌在城市生活垃圾堆肥处理中的应用[J].能源研究与信息,2005(03):132-136.
第一作者简介:
刘洁 女
出生年月:2000 9
籍贯:山东禹城
在读本科
研究方向:固体废物处理与资源化利用
民族:汉族
详细联系地址:
541004
广西壮族自治区 桂林市 雁山区 雁山镇 桂林理工大学
联系电话:13884682098
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