史昌明，佟敏，崔亞茹，楊森，王體朋

(1. 國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，呼和浩特市，010000；2. 華北電力大學(xué)生物質(zhì)發(fā)電成套設(shè)備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京市，102206)

0 引言

飛灰是生物質(zhì)發(fā)電的主要副產(chǎn)物之一，具有產(chǎn)量大、密度小容揚(yáng)散等特點(diǎn)，僅一個(gè)25 MW的生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組的飛灰年產(chǎn)量就達(dá)到了10 kt[1]，處理不當(dāng)容易造成二次污染[2]，因此如何安全高效地利用這些飛灰已成為制約生物質(zhì)電廠可持續(xù)發(fā)展的重要問題之一。

飛灰處置的主流處置手段有飛灰活化、制備化工品和土壤修復(fù)等。李景偉[3]對(duì)秸稈飛灰進(jìn)行活化后用于脫硝，發(fā)現(xiàn)了活化飛灰對(duì)NO2的脫除效果明顯。梁光兵利用生物質(zhì)飛灰制備ZSM-5分子篩，發(fā)現(xiàn)了其具有優(yōu)異的離子燃料吸附性能。葛景崗[4]研究發(fā)現(xiàn)通過將爐渣和飛灰進(jìn)行合理配比用于土壤修復(fù)，可以使土壤中鎘的穩(wěn)定化率達(dá)91.1%，鉛的穩(wěn)定化率達(dá)85.6%。然而，上述處置方式仍存在缺陷，如飛灰活化和制備分子篩均需要進(jìn)行高溫處理，需要耗費(fèi)大量能源；而直接用于土壤改良則有可能導(dǎo)致土壤的鹽堿化[5]。因此，需要需求一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益更高的處置手段。

好氧堆肥是處理有機(jī)固廢的主要方法之一，利用沼渣與糞便共堆肥可以發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，提高產(chǎn)品的品質(zhì)[6]。目前，有關(guān)糞便和沼渣共堆肥的研究相對(duì)較多。張浩等[7]對(duì)沼渣和黑水虻蟲糞共堆肥的效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)添加蟲糞有固氮作用。黃光群等[8]對(duì)沼渣和雞糞共堆肥中甲烷(CH4)、氨氣(NH3)及氧化亞氮(N2O)等排放氣體進(jìn)行了研究。然而，僅僅利用沼渣和糞便兩種原料制備的有機(jī)肥鉀含量相對(duì)較低[9]，需要添加一定的添加劑來提高產(chǎn)品品質(zhì)。生物質(zhì)飛灰中含有大量堿金屬元素，尤其是鉀[10]，是植物生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)元素，因此飛灰是一種良好的有機(jī)肥添加劑[11]。為了研究生物質(zhì)電廠飛灰對(duì)好氧堆肥過程的影響，本文以玉米秸稈沼渣、生物質(zhì)電廠飛灰和牛糞為原料進(jìn)行共堆肥，探究飛灰添加量對(duì)堆肥過程中含水率、電導(dǎo)率、總碳、總氮、總磷和總鉀變化的影響，為生物質(zhì)電站飛灰的高效利用提供依據(jù)。

1 原料與方法

1.1 堆肥材料

堆肥原料的基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1和表2。

堆肥材料包括玉米秸稈沼渣、牛糞和牛糞發(fā)酵劑。牛糞來自密云區(qū)河南寨鎮(zhèn)西田各莊村；玉米秸稈沼渣來自密云區(qū)高嶺鎮(zhèn)石匣村沼氣站；生物質(zhì)電廠飛灰來自發(fā)電有限公司；粉狀牛糞發(fā)酵劑為珺興有機(jī)肥發(fā)酵菌劑。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在圓柱形好氧發(fā)酵反應(yīng)器中進(jìn)行，直徑為0.3 m、高為0.6 m。牛糞和沼渣比例為4∶1，并添加0.05%好氧發(fā)酵菌劑，飛灰添加量為8%、12%、20% 和25%，通風(fēng)量為200 mL/min，初始含水率為55%～60%；堆肥試驗(yàn)時(shí)間為60 d；發(fā)酵溫度為55 ℃～65 ℃；每10天翻堆一次。用秸稈發(fā)酵沼液來調(diào)節(jié)原料含水率及堆肥過程含水率。

1.3 分析方法

各理化指標(biāo)分析方法如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)室堆肥過程樣品理化指標(biāo)分析方法Tab. 3 Laboratory composting process sample physical and chemical index analysis method

堆肥過程中每10天翻堆一次，充分混合均勻后按四分法各取約200 g樣品進(jìn)行理化特性分析，測(cè)試內(nèi)容包括含水率、電導(dǎo)率、總碳、總氮、總磷和總鉀等指標(biāo)。其中一部分樣品烘干，用于測(cè)試含水率、總氮、總碳和總鉀；另一部分則保持原樣，用于測(cè)試酸堿度、電導(dǎo)率和總磷。

2 結(jié)果與討論

2.1 飛灰添加量對(duì)含水率影響

含水率是影響堆肥的主要因素，水的存在阻隔了氧氣，降低了發(fā)酵溫度，同時(shí)降低微生物活，因此高的含水率不利于好氧堆肥。由圖1可知，飛灰添加量對(duì)含水率影響很大，當(dāng)添加量由8%增加到25%時(shí)，堆體的含水率增加，但是當(dāng)飛灰添加量超過12%時(shí)，對(duì)堆體的含水率影響不大，最終維持在58%左右。隨著堆肥的進(jìn)行，堆體中的含水率均呈先增后減的趨勢(shì)。當(dāng)發(fā)酵時(shí)間超過40 d時(shí)，飛灰含量增加，堆體的含水率降低。隨著堆體飛灰添加量的增加，其含水率的最大值和最小值均降低。這可能主要是由于生物質(zhì)電廠飛灰中的生物炭具有好的吸附作用，致使發(fā)酵過程產(chǎn)生的水汽難以蒸發(fā)；另一方面飛灰中的堿金屬和堿土金屬元素在溶于水后會(huì)增加堆體的吸水性，提高了水分蒸發(fā)的難度，導(dǎo)致含水率增加。

圖1 飛灰添加量對(duì)堆體含水率的影響

2.2 飛灰添加量對(duì)pH影響

根據(jù)靳熹等[12]研究表明，好氧堆肥過程酸堿度可以影響微生物的活性并最終改變堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量。由圖2可以看出，隨著飛灰添加量由8%增加到25%，堆體pH呈增加趨勢(shì)。這可能主要是由于增加飛灰的添加量會(huì)提高堆體中堿金屬和堿土金屬元素的含量。

在發(fā)酵過程中這些金屬元素因溶解和微生物等作用而溶于水，從而提高了堆體的pH值。另一方面，好氧堆肥過程會(huì)產(chǎn)生一定的有機(jī)酸，導(dǎo)致堆體pH值降低，但是低的pH值不利于微生物的生長(zhǎng)。然而，添加飛灰后，飛灰中的堿金屬氧化物或鹽能夠中和發(fā)酵過程產(chǎn)生的有機(jī)酸，從而使堆體的pH值維持在一個(gè)較好的范圍內(nèi)，有利于改善發(fā)酵環(huán)境，促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)繁殖[13]，有助于提高發(fā)酵效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

圖2 飛灰添加量對(duì)pH值的影響

2.3 飛灰添加量對(duì)總碳、總氮和C/N比影響

生物質(zhì)電廠飛灰添加量對(duì)堆體總碳、總氮和C/N的影響較顯著，如圖3～圖5所示。

圖3 飛灰添加量對(duì)TC的影響

圖4 飛灰添加量對(duì)TN的影響

圖5 飛灰添加量對(duì)C/N的影響

隨著飛灰添加量的增加，總碳含量提高，60 d腐熟后，堆體的總碳含量由37.37%增加到47.81%；總氮含量變化不大，C/N比增加。這主要是由于生物質(zhì)電廠飛灰中含有大量的金屬氧化物和未燃盡的生物炭等成分[14]，在好氧堆肥過程，生物炭很難被分解轉(zhuǎn)化，因此隨著其添加量的增加，堆體中總碳含量增加。同時(shí)較高的生物質(zhì)飛灰含量會(huì)擬制堆肥過程微生物的代謝活動(dòng)[14]，降低了物料的分解程度，也有利于增加總碳含量。由于氮的含量比較小，且是微生物代謝的主要營(yíng)養(yǎng)元素之一，在發(fā)酵過程消耗嚴(yán)重，因此隨著飛灰添加量的增加，會(huì)導(dǎo)致總氮含量相對(duì)降低。另外，由圖4可以看出，當(dāng)發(fā)酵時(shí)間超過20 d時(shí)，飛灰添加量為25%的總氮含量明顯高于20%的，這可能主要是由于高的飛灰添加量抑制了微生物的生長(zhǎng)，降低了氮的消耗，從而提高了堆體中總氮的含量。

2.4 飛灰添加量對(duì)總磷和總鉀影響

磷、鉀作為植物生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)元素，是評(píng)價(jià)堆肥品質(zhì)的重要指標(biāo)[15]。由圖6和圖7可以看出，添加飛灰能夠增加產(chǎn)物中總磷和總鉀的含量，當(dāng)飛灰添加量為20%時(shí)，60 d發(fā)酵后堆體的總鉀含量達(dá)到最大值35.74 g/kg。

圖6 飛灰添加量對(duì)總磷的影響

圖7 飛灰添加量對(duì)總鉀的影響

這主要是因?yàn)轱w灰中磷元素的含量為10 mg/g、鉀含量為49 mg/g，有助于增加堆體中這兩種元素的含量。然而由于磷元素的含量相對(duì)較低，約為鉀的五分之一，而且磷元素也是微生物代謝的營(yíng)養(yǎng)元素之一[16-20]，在堆肥過程中會(huì)被微生物消耗一部分，從而導(dǎo)致總磷含量的增加不如總鉀的明顯?？傊?，添加富含鉀和磷的飛灰有利于提高有機(jī)肥中的鉀和磷等植物營(yíng)養(yǎng)元素的含量，提高有機(jī)肥的品質(zhì)。

2.5 飛灰添加量對(duì)電導(dǎo)率影響

生物質(zhì)電廠灰渣的添加量對(duì)物料的電導(dǎo)率有顯著影響(圖8)。隨著飛灰添加量由8%增加到25%，經(jīng)過60天發(fā)酵后堆體的電導(dǎo)率由8.7 ms/cm逐漸增加到9.9 ms/cm。另外由圖8也可以看出，隨著飛灰添加量的增加，在60 d發(fā)酵周期內(nèi)，堆體的電導(dǎo)率變化越來越不明顯，這說明添加飛灰有助于穩(wěn)定堆體的環(huán)境。這主要是由于生物質(zhì)電廠灰渣中含有較高的堿金屬和堿土金屬的氧化物或鹽，這些物質(zhì)易溶于水，導(dǎo)致堆體電導(dǎo)率增加。但是過高的電導(dǎo)率或離子濃度，可能會(huì)抑制堆肥過程微生物的代謝活動(dòng)，從而降低堆肥效率，影響產(chǎn)物品質(zhì)，因此在堆肥過程不宜添加過多的生物質(zhì)電廠飛灰。

圖8 飛灰添加量對(duì)電導(dǎo)率的影響

2.6 結(jié)果分析

綜上所述，飛灰的添加量對(duì)于堆肥60天堆體的總氮、總磷和pH值影響不大。而飛灰中的生物炭雖然很難被分解轉(zhuǎn)化，但是有助于土壤中的重金屬離子吸附，這是因?yàn)樯镔|(zhì)飛灰中的生物炭比表面積相對(duì)較高，吸附位點(diǎn)多，對(duì)Cd、Pb等重金屬離子的吸附效果顯著。添加飛灰對(duì)堆體的總鉀含量影響最為明顯，隨著飛灰添加量的提高，總鉀含量先增后減。這可能是因?yàn)榭傗浟窟^高抑制了堆肥過程微生物的代謝活動(dòng)，使得堆肥效果不明顯，總鉀含量反而下降。

3 結(jié)論

1) 分析與歸納了生物質(zhì)電廠飛灰添加量對(duì)玉米秸稈沼渣和牛糞共堆肥特性的影響。

2) 隨著飛灰添加量的增加，堆體的含水率增加，但是當(dāng)添加量超過12%時(shí)，增加飛灰的添加量對(duì)堆體的含水率影響不大。

3) 添加飛灰對(duì)堆體的總氮、總磷和pH值的影響并不顯著。然而添加過多飛灰會(huì)擬制微生物的生長(zhǎng)，降低發(fā)酵效率和產(chǎn)品品質(zhì)。

4) 添加飛灰使堆體總鉀含量先增后減，總鉀含量在飛灰添加量為20%時(shí)達(dá)到最大值(35.74 g/kg)；此外，添加飛灰使得堆體的導(dǎo)電率增加，且發(fā)酵過程變化逐漸變小，穩(wěn)定性提高，發(fā)酵環(huán)境得到改善。生物質(zhì)飛灰中含有生物炭也有助于土壤中的重金屬吸附。