有机固废好氧发酵过程中的pH变化与原材料性质对产物pH的影响

摘要

随着我国农业和工业的快速发展以及城市生活水平的提高，我国有机固体废弃物的产量逐年增加。有机固废来源十分广泛，种类繁多，成分复杂，产生量巨大。有机固废乱堆乱排乱放，得不到合理有效的处理处置，一方面会造成大量土地资源被占用和有机资源的浪费，另一方面会造成严重的环境污染以及对人体健康的危害。好氧堆肥是目前国内外应用比较广泛的污泥处置方式，是解决可生物降解有机固废的有效途径之一。好氧堆肥化过程是一个较为复杂的生物发酵过程。不同有机物转化过程中，由于其本身物质组成的不同和C/N的不同，产生的中间产物种类和量也会有所不同。pH值对参与发酵过程的微生物区系组成和作用效率均有较大影响，通过对原料的合理配置从而将pH值控制在合理的范围内不仅影响到发酵的过程，也会影响到产物的性质特别是包括产物的pH，但有关这方面的研究很少。
　　本文通过以下三个不同规模的试验对有机固废好氧发酵过程的pH变化规律进行了探究。(1)在实验室条件下对三种具有不同C/N比的有机固废材料（小麦秸秆、毛豆叶、牛粪）进行的单独好气矿化培养试验:将麦秸秆、毛豆叶和牛粪三种材料分别以1∶20质量比与石英砂充分混合均匀，加入相同体积的土壤提取液，调至最大持水量的50％，于恒温30℃进行为期30天的培养试验，测定培养过程中的pH、全氮、铵态氮、硝态氮、CO2释放速率。(2)利用木屑、水稻秸秆、玉米秸秆与污泥混合进行小堆体好氧发酵试验:设置污泥与材料的湿重比为6∶1，好氧发酵全过程60天，发酵过程中测定温度、pH、TOC、DOC、全氮、铵态氮、硝态氮。(3)工厂化生产条件下进行的药渣与污泥不同混合比发酵试验:设置药渣与污泥的体积比分别为0.5∶1、1∶1、1.5∶1和2∶1共四个处理，发酵堆肥全长58天，测定堆肥过程中的温度、pH、铵态氮、硝态氮、有机碳等。通过三个不同规模的试验，初步得到以下结论:
　　(1)试验室单独好气培养发现，有机碳的矿化与有机材料本身总有机碳和可溶性有机碳的含量有关。高含量总有机碳和可溶性有机碳会增加材料的有机碳分解和CO2释放量。有机材料的氮释放与含氮量及C/N比有一定的联系:较高的氮含量和较低的C/N比会促进氮的释放，并且在培养初期释放量最多，释放速率最快。
　　(2)试验室单独好气培养结果显示，在好气培养过程中，C/N比较小的牛粪与毛豆叶处理的铵态氮和硝态氮呈现此消彼长的状态，意味着铵态氮向硝态氮的转化。但C/N比较大的麦秸秆在培养过程中，其铵态氮和硝态氮之间这种关系不够明显。材料在培养初期发生的氨化作用会导致pH的上升，随后的铵态氮向硝态氮的转化会导致pH值的下降。C/N最低的毛豆叶在培养结束时的pH增加最多。
　　(3)由于矿化过程中有机酸的脱羧作用属于消耗H+的过程，会导致pH值的升高，因此材料体内的DOC含量和有机酸含量对产物pH有着极大的影响。试验的结果证实，三种材料最终pH的升高程度是毛豆叶＞麦秸秆＞牛粪，这与它们体内可溶性有机碳与有机酸的含量顺序是一致的。
　　(4)三种材料的小堆体污泥发酵试验表明，由于堆体中的污泥部分含氮量较高，其中的氮释放后最终会大部分转化成硝酸根，释放出大量H+，因此添加三种材料后的污泥堆肥的最终堆体pH均低于最初的堆体pH。
　　(5)小堆体好氧发酵试验显示，随着铵态氮的下降和硝态氮的上升，堆体的pH呈现相应的下降趋势。堆体的最终pH是玉米秸秆处理＞水稻秸秆处理＞木屑处理，这与它们体内的有机酸含量顺序一致，与实验室单独材料培养试验的结果也一致，再次证实了原料中可溶性有机酸根的含量越高，由于脱羧基的过程的存在，最终产物的pH也越高。
　　(6)工厂化生产条件下有机物料好氧堆肥过程中pH的变化与铵态氮和硝态氮的产生和转化有关，氨化作用较强时，铵态氮上升，pH上升;硝化作用较强时，铵态氮转化为硝态氮，pH下降。堆肥起始阶段的原料pH影响最终的产物pH，但堆肥过程的进行总体上缩小了它们之间的差异。

目录

摘要

第1章 文献综述

1．1 有机固废的概述

1．1．1 有机固废的概念、来源和分类

1．1．2 有机固废的基本性质

1．1．3 有机固废的特点和危害

1．2 国内外有机固废的处理处置方法

1．2．1 填埋处理

1．2．2 焚烧处理

1．2．3 好氧堆肥

1．2．4 厌氧消化

1．3 有机固废好氧堆肥处理过程中的pH问题

1．3．1 堆肥的基本原理

1．3．2 影响堆肥过程中酸碱度变化的因素

第2章 研究目的、研究内容和技术路线

2．1 研究目的

2．2 研究内容

2．3 主要技术路线

第3章 不同有机固废材料在实验室培养条件下的pH变化与矿化特征

3．1 试验材料

3．2 试验方法

3．3 测定项目和方法

3．4 结果与分析

3．4．1 不同有机固废材料在化学组成上的差异

3．4．2 不同有机固废材料培养过程中pH随时间的变化

3．4．3 不同有机固废材料培养过程中全氮随时间的变化

3．4．4 不同有机固废材料培养过程中铵态氮随时间的变化

3．4．5 不同有机固废材料培养过程中硝态氮随时间的变化

3．4．6 不同有机固废材料培养期间CO2释放随时间的变化

3．5 讨论

3．5．1 不同有机物培养过程中有机碳矿化与TOC和DOC的关系

3．5．2 不同有机物培养过程中的氮释放与含氮量及C／N比的关系

3．5．3 不同有机物培养过程中铵态氮与硝态氮彼此间的动态关系

3．5．4 不同有机物培养过程中pH变化与各自的C／N比和氮形态转化之间的关系

3．5．5 不同有机物的碱度和有机酸根含量对产物pH的影响

3．6 小结

第4章 不同有机固废材料对污泥好氧堆肥的pH影响

4．1 试验材料

4．2 试验方法

4．2．1 试验设计与处理

4．2．2 测定项目与方法

4．3 结果与分析

4．3．1 好氧发酵过程中pH值的变化

4．3．2 好氧发酵过程中的温度变化

4．3．3 好氧发酵过程中pH值与有机碳变化之间的关系

4．3．4 好氧发酵过程中pH值与氮素形态变化之间的关系

4．4 讨论

4．5 小结

第5章 药渣与污泥不同混合比对好氧堆肥过程pH的影响

5．1 试验材料

5．2 试验方法

5．2．1 试验设计

5．2．2 堆肥过程与参数测定

5．3 原材料不同混合比对堆肥过程堆体性质的影响

5．3．1 不同混合比堆肥过程中堆体温度的变化

5．3．2 不同混合比堆肥过程中有机碳的变化

5．3．3 不同混合比堆肥过程中铵态氮的变化

5．3．4 不同混合比堆肥过程中硝态氮的变化

5．3．5 不同混合比堆肥过程中pH值的变化

5．4 讨论

5．5 小结

第6章 结论

参考文献

附录

致谢

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