含N有機(jī)物在堆肥過程中的氮素轉(zhuǎn)化

NitrogentransformationduringorganicwastecompostingbytheRutgerssystemanditseffectsonpH,ECandmaturityofthecompostingmixtures背景堆肥是去除廢物、保護(hù)環(huán)境的最佳方式之一。有必要了解堆肥中的過程，來評價(jià)最佳運(yùn)行條件。廢物中的N濃度用于確定堆肥的農(nóng)業(yè)價(jià)值的最重要的因素之一。對堆肥中N可能存在的形式及測定這些轉(zhuǎn)化過程的研究非常值得注意。亞硝化細(xì)菌：2NH4++3O232NO2-+4H++2H2O硝化細(xì)菌：2NO2-+O232NO3-在以上N轉(zhuǎn)化中，從農(nóng)業(yè)角度看，NH4+和NO3-最受關(guān)注，因?yàn)樗麄兛芍苯颖恢参锔滴铡Ｏ趸^程已作為堆肥的腐熟指標(biāo)。目的：1、評價(jià)4中混合物堆肥中N的不同形式（總氮、有機(jī)氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮）2、數(shù)學(xué)相關(guān)性分析評價(jià)無機(jī)氮對pH、電導(dǎo)率和腐熟度的影響。實(shí)驗(yàn)方法四組混合物，取自六種原料。每種混合物取1500-2000kg用于中試裝置，采用新澤西大學(xué)靜態(tài)垛堆肥系統(tǒng)。溫度維持在55°C一下，當(dāng)溫度穩(wěn)定并接近室溫時(shí)，認(rèn)為生物氧化階段結(jié)束，停止通氣，腐熟2月。溫度：通過通風(fēng)按需除熱的方法使系統(tǒng)溫度維持在55C以下。供氣：從料堆底部通過PVC管（3m長，直徑12cm）孔供氣，在微生物活動(dòng)階段每15min供氣30s。含水量:生物氧化階段的含水率每周測定1次，并且通過澆水的方式調(diào)節(jié)干物質(zhì)量在45-65%之間。取樣：每周從每個(gè)料堆取6個(gè)子樣品（從下到上均勻），混合后作為一個(gè)代表樣品。將代表樣品分成兩份，一份立即冷凍保存用于測NH4-N，另一份風(fēng)干、磨碎至5mm用于其它分析。Table1Generalcharacteristicsofthewastematerialsused(%,drymatter)3ssMSWBSSSB1SSB2CWPBMoisture(%)4L459.45L478.068J10.59.2pH6.86.67.66.37.87.75.3EC(dSm1)0.425.501.600.39Z360.410.20OM(%)67.365354196.78?86.6TOC(%)35.431526.347344.842.253.9Nt(%)5J92J74.540.42L491.820.28NH4-N(%)0.570.190.700.010.030.06NO3-N(%)0.000.000.000.040.000.015.4014.955.80113.830.0123.21191.0cw(%)2J73.241.642.282152.491.88aSS:sewagesludge;MSW:municipalsolidwaste;BS:brewerysludge;SSB1andSSB2:sweetsorghumbagasse,CW:cottonwaste;PB:pinebark;EC:electricalconductivity;OM:organicmatter;TOC:totalorganiccarbon;Nt：totalnitrogen;Cw：watersolublecarbon.Thecoefficientofvariationforallparameterswaslessthan5%.分析方法有機(jī)物含量：樣品在430CT灼燒24小時(shí)的損失量。pH,EC,Cw?watersolublecarbon):樣品與水1：10(w/v)混合后的水溶性浸出物進(jìn)行測定。TN:automaticmicroanalysisNH4-N:冷凍樣品溶于2MKCl后提取物用比色法測定NO3-N:樣品與水1：10（w/v）混合后的水溶性浸出物用電導(dǎo)率檢測器進(jìn)行離子色譜分析。N-losses：由開始和結(jié)束的灰分含量及氮濃度計(jì)算得到。N-losses^%）=100-B2x2%結(jié)果討論3.1N的變化有機(jī)氮Norg是通過比較總氮和無機(jī)氮得出。1、總氮和有機(jī)氮變化相似，隨著過程的發(fā)展略微增加，這是由于有機(jī)物礦化引起重量減少而導(dǎo)致的濃縮效應(yīng)造成的。2、無機(jī)氮，即銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，因?yàn)槠涓鬃兓荜P(guān)注。鉉態(tài)氮的最高濃度出現(xiàn)在堆肥的最初幾周，此時(shí)的有機(jī)物降解也是最強(qiáng)烈的。銨態(tài)氮通過有機(jī)氮礦化作用產(chǎn)生。圖1、圖2、圖4（溫度反應(yīng)微生物活性）混合物1最高銨態(tài)氮濃度在堆肥后第三周到達(dá)，這是由城市污泥中有機(jī)氮的快速降解引起的。其中不穩(wěn)定氮的主要來源是由蛋白質(zhì)降解產(chǎn)生的低分子質(zhì)量的伯胺。混合物2提供的初始銨態(tài)氮濃度最高，在堆肥第一周內(nèi)銨態(tài)氮最大值超過0.7%，但此時(shí)降解過程才剛剛開始。這可能是因?yàn)樽鳛榈醇尤氲哪蛩氐目焖偎猱a(chǎn)生銨態(tài)氮引起的。大量銨態(tài)氮的產(chǎn)生可能會(huì)暫時(shí)抑制為生物活性的發(fā)展，因此微生物活性的增長比其他組滯后。（圖4）混合物3、4的銨態(tài)氮濃度最低。混合物3中的低濃度可能由于有機(jī)物降解強(qiáng)度較弱和使用的氮源引起。盡管啤酒污泥富含N素（TN4.5%），但其水溶性碳含量比表一中其他材料都低。這意味著供微生物使用的有機(jī)物較少，或許因?yàn)槠【莆勰嘀凶钜捉到獾某煞衷谥暗陌l(fā)酵過程中已經(jīng)被部分降解了，導(dǎo)致了剩余有機(jī)物的降解較慢?；旌衔?盡管經(jīng)歷了最大程度的有機(jī)物降解，但是其銨態(tài)氮的濃度依然很低且初始的氮濃度在幾組中最低。銨態(tài)氮可能在高pH高溫條件下以氨氣揮發(fā)的形式散失。在銨態(tài)氮濃度方面，四組實(shí)驗(yàn)在前2,3周取得的高水平在高溫階段都下降，最后達(dá)到0.04%。硝態(tài)氮通過檢測NO3-N發(fā)現(xiàn)硝化反應(yīng)僅當(dāng)溫度小于40°C時(shí)發(fā)生。（圖4）此過程的強(qiáng)度取決于硝化菌可獲得的NH4-N的量。因此，高溫階段結(jié)束后NH4-N含量較高的1、2組（0.25%,0.27%）進(jìn)行了更高程度的硝化反應(yīng)，反應(yīng)后的NO3-N水平分別達(dá)到0.51%，0.52%。而3、4組的最終硝態(tài)氮濃度較低。這似乎表明：有機(jī)氮的礦化反應(yīng)是硝化反應(yīng)的限制步驟，因?yàn)樵诙逊实淖詈箅A段，有機(jī)氮的礦化作用是不足的，可供硝化菌使用的銨態(tài)氮也將減少。硝化反應(yīng)在高溫階段幾乎不能進(jìn)行，而是主要在溫度降低至環(huán)境溫度的腐熟階段中進(jìn)行。3.2N的損失圖3所示，N損失存在兩種明顯不同的行為模式：木質(zhì)纖維素含量很高的前三組和用城市生活垃圾配比的第四組，也是N損失最高的一組。前三組木質(zhì)纖維素含量很高，N損失相對第四組較少，這與之前研究表明加入木質(zhì)纖維素材料作為膨脹劑可以減少堆肥中的N損失的結(jié)論一致。MSW,whichshowedhigherN-losses.ThesefindingsagreewiththoseofMorisakietaL（1989）,Paredesetal.（1996）andWitterandLopez-Real（1988）,whoem-第四組中城市生活垃圾的高可降解性、長時(shí)間的高溫階段及整個(gè)過程的高pH導(dǎo)致了氨氣揮發(fā)形式的氮損失。第2、3組在整個(gè)堆肥過程中的N損失變化平緩，而且在活動(dòng)期內(nèi)未超出25%。兩組的pH總是低于7.3有利于銨根離子-氨氣的平衡向質(zhì)子化方向移動(dòng)。第2組實(shí)驗(yàn)第一周，盡管銨態(tài)氮的濃度很高，但是N損失較低?？赡苡捎谶@組實(shí)驗(yàn)到達(dá)溫度閾值55r的時(shí)間比其他組晚了一周而導(dǎo)致的低溫造成的。第1組在過程將近結(jié)束的時(shí)候與其他組不同，從第五周以后尤其是腐熟階段其N水平比前幾周有所增加，可能是由于N的固定第4組的N損失最高（41%），此組由城市生活垃圾配成，其有機(jī)物降解最強(qiáng)烈并且可能由于第四周pH超過7.5而促進(jìn)了氨氣揮發(fā)。3.3無機(jī)氮對pH和電導(dǎo)率的影響堆肥第一周強(qiáng)烈的微生物活性及有機(jī)物降解導(dǎo)致有機(jī)氮氨化形成氨氣。氨氣的溶解導(dǎo)致銨態(tài)氮的形成，并且增加了料堆的pH，尤其在第1、4組實(shí)驗(yàn)中，由初始的7.6、6.8升高到到8.2。第2組尿素快速的水解導(dǎo)致pH的快速升高，從原高粱蔗渣的6.3幾小時(shí)后升高至7.2一周后升高至7.4。之后由于有機(jī)物的慢速降解導(dǎo)致銨態(tài)氮的形成較弱，同樣的現(xiàn)象發(fā)生在第3組。高溫階段后，一旦硝化反應(yīng)開始，四組中的pH均降低，但第四組中的pH下降程度較小。第4組（用MSW配比）的硝化強(qiáng)度較弱，對pH的影響不太明顯。（與之前一些人的研究相符）。第1、2、3組的NO3-N濃度與pH呈顯著負(fù)相關(guān)，證實(shí)了堆肥中的pH與硝化過程直接相關(guān)。第1、2、3組的NO3-N濃度與EC呈顯著正相關(guān)（表2），故NO3-N的產(chǎn)生可以解釋EC的增加。這一點(diǎn)從農(nóng)業(yè)觀點(diǎn)來看十分重要，因?yàn)镋C的上升是由營養(yǎng)物質(zhì)濃度的上升直接導(dǎo)致的，可以通過調(diào)整堆肥過程來校正電導(dǎo)率。3.4NH4-N及NH4-N和NO3-N的比值作為堆肥的腐熟指標(biāo)NH4-N/NO3-N的比值已經(jīng)被用作評價(jià)堆肥腐熟的標(biāo)準(zhǔn)。堆肥結(jié)束時(shí)的NH4-N濃度大于NO3-N濃度時(shí)，才能反映堆肥過程中的供氣是充足的。堆肥中高NH4-N濃度預(yù)示著不穩(wěn)定性，在腐熟的堆肥中不應(yīng)超過0.04%。4組實(shí)驗(yàn)NH4-N濃度的初值都較高，隨著堆肥的進(jìn)行而降低，最后降至0.04%以下，表明堆肥過程運(yùn)行良好。NH4-N/NO3-N的比值可以明顯表征硝化反應(yīng)。4組實(shí)驗(yàn)的比值在高溫階段都＞1，最終分別降低至0.08,0.04,0.16,0.11，都不超過表征堆肥腐熟的限值0.16.4組中都未監(jiān)測出NO2-N，表明堆肥中未出現(xiàn)厭氧條件?？偨Y(jié)堆肥中不同形式的N的濃度及他們在堆肥中的演變，取決于首先加入的供N的物料及物料中有機(jī)物的降解速率。NH4-N濃度在第一周達(dá)到峰值（與有機(jī)物降解最強(qiáng)烈的階段一致），逐漸降低，最終降至0.04%以下。用尿素做氮源時(shí)，第一周尿素的快速水解使NH4-N濃度達(dá)到很高的值。NO3-N濃度在腐熟之后達(dá)到最高值，硝化反應(yīng)的強(qiáng)度取