添加含镁废渣对牛粪堆肥及沼液中氨氮的影响研究

摘要

近年来，随着畜禽养殖业向规模化、集约化迅猛发展，产生的畜禽废弃物的数量迅速增加，其中含有大量的氮、磷、有机物及致病菌，若这些废弃物不经过处理而随意向周边环境排放，会对环境造成严重污染并影响人体健康。当前该类废弃物较为普遍和有效的处理模式是固废堆肥化和液废沼气化。
　　好氧堆肥是畜禽粪便无害化、减量化、资源化的主要处理方法。传统的堆肥处理往往造成氮素的大量损失，不仅降低堆肥产品的肥效，而且产生臭气，影响周边环境。有研究表明，镁盐作为固定剂减少堆肥过程中氮素的挥发，其瓶颈是药剂成本较高。
　　利用厌氧发酵技术处理养殖废水，具有回收沼气资源，降低化学/生物需氧量等优势。但沼气池产生的具有高氨氮、低 C/N比的沼液难以直接采用生化处理。磷酸铵镁（MAP）沉淀法去除废水中的氨氮具有快速高效的优点，然而沼液中镁、磷浓度远低于氮，需要添加大量的镁盐和磷酸盐，导致药剂成本较高，限制MAP沉淀法的推广与应用。
　　镁盐在畜禽废弃物处理中具有广阔的应用前景，传统所采用的镁盐主要是氯化镁和硫酸镁药剂，药剂成本较高。含镁废渣是镁法烟气脱硫的副产物，其主要成分是硫酸镁和亚硫酸镁。目前我国针对含镁废渣的处理处置方法是以抛弃法为主，这不仅是一种资源浪费，也容易造成二次污染。
　　基于此，本文主要研究含镁废渣在畜禽废弃物处理中利用的可行性。主要研究内容是含镁废渣在牛粪堆肥中的固氮效果及作为廉价镁盐在MAP沉淀法处理猪场沼液中的应用研究：（1）高温期是堆肥过程中氮素损失的主要阶段。在恒温培养箱模拟堆肥高温期，通过添加磷酸二氢钾、磷酸二氢钾+硫酸镁、磷酸二氢钾+硫酸钾研究影响MAP法中各离子的相关性机制。（2）在（1）的基础上以含镁废渣作为堆肥固定剂，硫酸镁为对照，研究含镁废渣的固氮效果。（3）采用白萝卜种子测定堆肥产品种子发芽指数（GI），检验添加含镁废渣对堆肥产品品质的影响（4）以含镁废渣作为添加剂，采用 MAP沉淀法预处理猪场沼液，以降低沼液中氨氮对微生物的抑制作用，与氯化镁作处理效果及药剂成本比较。本研究结果如下：
　　（1）经过15 d的高温培养，与对照相比，添加2％（质量比，下同）磷酸二氢钾、2%磷酸二氢钾+5%硫酸镁、2%磷酸二氢钾+3.5%硫酸钾三个处理的固氮率分别为10.11%、20.19%、11.77%。说明单独添加磷酸二氢钾可有效减少堆肥高温期的氮素挥发，与单独添加磷酸二氢钾相比，添加硫酸镁处理可大大提高其固氮效果，而添加硫酸钾并不能有效提高其固氮效果，说明镁离子在堆肥过程中具有固氮作用，且在添加磷源条件下，固氮效果更好，可能是由于形成 MAP结晶而起到固氮效果。
　　（2）含镁废渣具有与硫酸镁相近的固氮效果，且随着含镁废渣用量越来越多，固氮效果越好，添加质量比为2%、4%、8%含镁废渣的固氮率分别为6.15%、10.13%、19.51%。添加含镁废渣和硫酸镁可显著降低堆体中的pH值，提高堆体中的氨氮浓度，添加2%、4%、8%含镁废渣处理中氨氮浓度比对照处理提高分别提高了6.85%、57.55%、77.11%；而添加2%、4%硫酸镁处理中氨氮浓度提高了14.47%、54.81%，表明利用含镁废渣代替硫酸镁作为堆肥氮素固定剂具有环境效益和经济效益。
　　（3）对照的种子发芽指数（GI）为113%，其他处理的GI值均小于80%，说明添加镁盐一定程度降低了种子发芽指数。一方面可能是添加固定剂提高堆肥的电导率（EC），高温期结束时，对照、2%的硫酸镁、4%的硫酸镁、2%的含镁废渣、4%的含镁废渣、8%的含镁废渣处理的EC值分别为0.97、1.32、1.69、1.44、1.91、2.72 ms·cm-1；另一方面可能是由于添加镁盐显著提高了堆体中的NH4+-N浓度而抑制种子发芽。
　　（4）通过研究pH值、n(P):n(Mg):n(N)和HRT三个主要因素对MAP沉淀反应的影响，将猪场沼液中的NH3-N浓度从440.39 mg/L降为200 mg/L以下，并得出最优处理方案。结果表明：当 pH值为9.5、HRT为10 min时、n(P):n(Mg):n(N)=0.6:0.7:1时，沼液中的NH3-N、PO43--P、Mg2+残留量分别为183.20 mg/L、3.64 mg/L、67.17 mg/L。同时与氯化镁对比，减少了29%的药剂成本。通过对反应沉淀物进行SEM-EDS及XRD分析证明得出，该沉淀物含有MAP沉淀。
　　综上，在牛粪堆肥高温期添加含镁废渣可有效减少堆肥过程中的氮素挥发，具有较好的固氮效果；在沼液预处理中，添加含镁废渣可回收沼液中的氮、磷元素，提高沼液可生化性。添加含镁废渣可显著降低堆肥化和沼液预处理过程中的药剂成本，具有较好的环境效益和经济效益。

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1 前言

1.1 畜禽养殖废弃物的处理现状

1.1.1 畜禽粪便处理

1.1.2 沼液

1.2 含镁废渣

1.2.1 国内外镁法烟气脱硫发展现状

1.2.2 国内外对含镁废渣主要处理方法

1.3 本论文研究的内容、目的及创新点

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究的目的及意义

1.3.3 创新点

1.3.4 技术路线图

2 材料与方法

2.1 MAP反应中磷、镁在堆肥高温期的固氮效应研究

2.1.1 材料

2.1.2 实验方法

2.1.3 采样及分析方法

2.2 含镁废渣在牛粪堆肥高温期的固氮效果研究

2.2.1 材料

2.2.2 实验方法

2.2.3 采样及分析方法

2.3 含镁废渣在预处理沼液中氨氮的应用

2.3.1 材料

2.3.2 实验方法

2.3.3 实验流程图

2.3.4 采样及分析方法

3 结果与分析

3.1 MAP反应中磷、镁在堆肥高温期的固氮效应研究

3.1.1 NH4+-N和NO3--N

3.1.2 TN的变化及固氮效果

3.1.3 pH值

3.1.4 EC值

3.2含镁废渣在牛粪堆肥高温期的固氮效果研究

3.2.1 NH4+-N的变化

3.2.2 TN的变化及固氮效果

3.2.3 pH值及OM降解率

3.2.4 EC值

3.3 种子发芽指数GI

3.4 含镁废渣在沼液预处理的应用研究

3.4.1 含镁废渣浆液的制备

3.4.2 pH值的影响

3.4.3 HRT的影响

3.4.4 n(P):n(Mg):n(N)的影响

3.4.5 MAP反应沉淀物的表观分析

3.4.6 经济性分析

4 讨论与结论

4.1 讨论

4.1.1含镁废渣在堆肥高温期的固氮效果研究

4.1.2含镁废渣在对猪场沼液预处理中氨氮的影响研究

4.2建议与改进

4.3 结论

致谢

参考文献

附录A

附录B