有机固废好氧堆肥中氮素转化的研究现状

亢涵 陈亚欣 姜浩

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳 110168）

1 引言

我国有机固废年产量较大，占固体废物总产生量的比例较高。有机固废成分复杂，包含厨余垃圾、污水厂剩余污泥以及畜禽粪便等。

好氧堆肥是有机固废资源化利用的有效技术手段［1］。通过好氧堆肥一系列生化过程，有机固废能够转化为相对稳定的腐殖质，腐殖质经过处理可以用作有机肥或土壤改良剂。在好氧堆肥的过程中，普遍存在氮素损失的现象，如何降低氮素损失、实现高效固定直接影响堆肥产品的质量，可以通过控制堆体参数、添加生物菌剂以及物理化学添加剂来降低氮素损失。本文总结了厨余垃圾、污水厂剩余污泥以及畜禽粪便等有机固废好氧堆肥中氮素转化的研究现状，并据此对其发展趋势进行展望，旨在为科研工作和技术推广提供参考。

2 好氧堆肥过程中氮素转化原理

氮素主要是以有机氮、铵态氮、亚硝态氮和硝态氮等形态存在于堆肥的物料中［2］，在堆肥过程中，氮素经过一系列生化反应进行转化，包括氨化作用、氨同化作用、硝化作用以及反硝化作用等，其转化途径如图1 所示［3］。

图1 堆肥过程中氮素转化途径

氨化作用主要发生在堆肥的高温阶段，在此阶段，堆体中的有机酸被降解，pH 升高，堆体呈碱性，铵态氮转化成氨气挥发到环境中，进而造成氮素损失。堆肥过程中产生的一些可溶性有机氮，如氨基酸、氨基糖、核苷酸以及氨化作用所产生的铵态氮均可被氨同化细菌利用同化成其细胞的组成部分，氨被转化为生物氮［4］。铵态氮通过硝化作用氧化为亚硝态氮，继而氧化为硝态氮。硝化作用有利于降低堆肥中氨气的浓度，从而减少氨气的挥发损失。当堆肥通气情况不良时，堆体内会造成局部的厌氧环境，继而导致反硝化作用产生。硝态氮、亚硝态氮在反硝化细菌作用下被还原，释放出氮气、氧化亚氮、一氧化氮和二氧化氮［5］。反硝化作用产生的这些气态氮挥发，同样会造成氮的损失，但占比较小。

综上所述，堆肥过程中有机氮的氨化作用和反硝化作用会造成氮素损失，其中氨气挥发是氮素损失的主要原因。

3 有机固废好氧堆肥过程中氮素转化的研究现状

有机固废主要包括厨余垃圾、污水厂剩余污泥以及畜禽粪便等废弃物。在好氧堆肥中，氮素损失的主要原因是氨挥发、转化以及无机氮转化等，其中氨气挥发所导致的氮素损失占主要部分［6］。研究发现，控制氮素损失的技术主要包括通风与控制氧气供应、接种微生物菌剂、添加物理吸附剂和化学添加剂等［7］。

3.1 厨余垃圾好氧堆肥中氮素转化的研究现状

厨余垃圾在生活垃圾中占比较大，为40%～60%［8］。厨余垃圾中含有丰富的有机物质，含水量较高，并且易腐败变质，需要采用及时高效的处理方式来减少其造成的环境污染和资源浪费。好氧堆肥作为处理厨余垃圾的有效手段，在世界范围内被广泛应用［9］。

为探究厨余垃圾好氧堆肥中控制氮素损失的问题，胡亚冬等［10］在厨余垃圾好氧堆肥过程中加入复合菌剂，其研究表明，实验所采用的复合微生物菌剂可以通过减少腐熟时间来降低反硝化造成的氮素损失。范鑫祺等［9］通过设置不同通风速率的堆体实验，探究对氮素形态转化的影响，其研究表明，氨挥发量和氮素损失随着通风速率的增加而增加。王佳等［11］研究不同填充剂对厨余垃圾堆肥过程中氮素转化的影响，其研究表明，氨气排放的趋势均呈先升高后降低，其中添加树叶填充剂的堆体具有最好的氨气减排效果。薛晶晶等［12］以厨余垃圾和园林废物进行好氧堆肥，探究其质量比对氮素转化的影响，其研究表明，厨余垃圾与园林废物质量比为2∶1 时，能有效促进铵态氮向有机氮和硝态氮转化，氮素损失最小。

控制厨余垃圾好氧堆肥过程中的氮素损失，可以采用加入复合菌剂或者填充剂、设置适宜的通风速率以及利用厨余垃圾和其他废弃物联合好氧堆肥等方式。

3.2 污水厂剩余污泥好氧堆肥中氮素转化的研究现状

剩余污泥是在污水处理过程中产生的废弃物，未经过合理处置的污泥如果直接进入环境中，会给环境带来二次污染［13］。同时，污泥中的有机质和氮、磷、钾等营养元素如果能被合理地开发使用，不但可以解决环境污染问题，还能将其转化为有用的资源［14］。目前我国大部分污泥处理厂采用好氧堆肥技术处理污泥。

为探究剩余污泥好氧堆肥中控制氮素损失的问题，葛启隆等［15］在市政污泥与秸秆混合堆肥中加入生物炭与沸石添加剂，其研究表明，加入沸石添加剂使氨气、氧化亚氮累积排放量显著降低。韩梦君等［16］用黑填料球作为调理剂进行污泥堆肥实验，探究氮素转化与氨气挥发的关系，其研究表明，选用黑填料球为调理剂，可以减少氨气的挥发，有效降低氮素损失。曹秀芹等［17］在餐厨垃圾和污泥联合好氧堆肥过程中加入微生物菌剂，发现添加微生物菌剂可以减少氮素损失以提高肥效。宋朝霞等［18］通过在堆体中加入复合菌群（EM）菌液探究其对活性污泥好氧堆肥过程的影响，发现适量添加EM 菌液可有效缩短堆肥发酵周期，降低氮素损失，同时提高堆肥品质。综上所述，在污泥好氧堆肥过程中加入物理调理剂或微生物菌剂有利于降低氮素损失。

3.3 畜禽粪便好氧堆肥中氮素转化的研究现状

我国年畜禽粪便产生量大，全国每年约产生38 亿t畜禽粪污［19］。畜禽粪便含有丰富的有机质、氮、磷、钾等营养元素，利用畜禽粪便进行好氧堆肥，腐熟后的产品可作为化肥来提高农业生产效率。其中，氮素损失量是判断堆肥产品质量的重要指标。

为探究畜禽粪便好氧堆肥中控制氮素损失的问题，李荣华等［20］研究发现，在猪粪堆肥实验中添加生物炭复合菌剂，能够显著降低氨气和氧化亚氮的排放量，增强堆体的氮素保蓄效果。钱靖华［21］为了减少氮素在堆肥过程中的损失，在畜禽粪便堆肥过程中加入不同的添加剂，其研究结果表明，添加过磷酸钙、磷石膏、钙镁磷肥均可提高固氮能力。薛文涛等［22］以鸡粪为发酵原料进行好氧堆肥试验，通过加入有机酸来探究氨气减排效果和氮素形态转化的规律，其研究表明，添加有机酸具有较好的氮素损失控制效果。利用复合添加剂以及加入有机酸调控堆体pH，都能够提高固氮能力。在原料和配比确定的情况下，通过加入化学添加剂降低物料pH、增强铵态氮的化学固定，是目前固氮效果较好的方式［23］。

3.4 其他有机固废好氧堆肥中氮素转化的研究现状

有机固体废弃物除厨余垃圾、污水厂剩余污泥以及畜禽粪便外，还包括农业秸秆等农业废弃物、酒糟等工业废弃物。农业秸秆富含氮、磷、钾等营养元素，因此，秸秆堆制的肥有机质丰富，土壤肥力高。酒糟中除了含有蛋白质、淀粉、纤维素和脂肪外，还有丰富的磷、钾及维生素等成分，利用酒糟作为堆肥物料来生产有机肥，是实现酒糟资源化利用的一种有效途径。

为探究农业秸秆以及酒糟好氧堆肥中控制氮素损失的问题，李雯等［24］以玉米秸秆作为堆肥物料，研究了单独添加纤维素降解菌剂、酶制剂以及菌酶协同处理3 种情况下玉米秸秆堆肥氮损失的变化规律，其研究表明，菌酶协同处理有利于降低玉米秸秆堆肥的氮损失。刘林培等［25］以食用菌菌渣和白酒丢糟为原料进行堆肥，其研究发现，在堆肥过程中堆体的铵态氮含量呈先升后降的趋势，有机氮和总氮的含量均呈逐步升高的趋势。刘阳等［26］以酿酒丢糟与废水污泥为原料进行实验，探究丢糟污泥堆肥的最适原料配比，其研究发现，丢糟与污泥体积比为2∶1时效果最好，氮素损失量小。农业秸秆堆肥过程中利用菌酶协同处理、酒糟与其他废弃物联合堆肥并控制质量比，均有利于减少堆肥氮素损失。

4 结语

好氧堆肥是实现有机固废无害化、资源化的有效途径，降低好氧堆肥过程中氮素损失依然是研究重点。针对未来有机固废好氧堆肥氮素损失的探究，提出以下展望：

（1）关注好氧堆肥过程的参数调控。目前国内外学者针对影响堆肥保氮效果的因素已经进行了诸多研究，但大多数研究是集中在一种或少数几种因素的影响，因此，在研究过程中，要掌握多种因素对有机固废堆体内氮素保持的相互影响，进行更加深入的研究，为好氧堆肥资源化利用提供理论基础。

（2）寻找性价比更高、可循环利用的保氮剂，并探究最合适的添加量。在堆肥过程中仅添加生物炭可以降低氮素损失，但是其难以循环利用而使成本增加。因此，寻找和制备可循环利用的保氮剂，将成为保氮剂研究新的发展方向。

（3）关注好氧堆肥的实际应用。目前有机固废好氧堆肥实验大多在实验室内模拟进行，因此，在今后的研究中应更关注堆肥在实际应用过程中氮素损失的影响。