不同用量竹炭对污泥堆肥过程温室气体排放的影响

向秋洁¹ , 杨雨浛¹ , 张成^1,3 , 相欣奕² , 木志坚^1,3     

摘要: 采用城市污泥为堆肥基质，设置4个堆肥处理，分别为添加2.5%竹炭（S1，占污泥的质量分数）、添加5%竹炭（S2）、添加10%竹炭（S3）和未添加竹碳（CK），研究城市污泥堆肥过程中温室气体的动态变化特征及添加不同用量竹炭的影响.结果表明，CH₄排放主要在升温期和高温前期，占排放总量的99.01%~99.81%.当竹炭添加量低于5%时，CH₄排放量随添加量的增加而减少；竹炭添加量高于5%时，其排放量又明显增加.CO₂排放集中在升温期和高温期，占排放总量的75.65%~86.58%；添加竹炭可减少3.37%~13.48%的CO₂排放，但处理间不存在显著差异（P＞0.05）.N₂O排放集中在升温期和降温腐熟期，添加竹炭能减少16.37%~41.52%的N₂O排放，竹炭添加量越多，减排效果越好（P < 0.05）.S1、S2和S3处理CO₂排放当量（以干污泥计）分别为37.57、35.10和35.44 kg·t^-1，比CK处理减少了14.81%~20.41%.添加竹炭能降低污泥堆肥温室气体排放，其中，以S2处理的减排效果较为显著.

关键词: 城市污泥      堆肥处理      竹炭      温室气体      排放特征     

Effects of Bamboo Biochar on Greenhouse Gas Emissions During the Municipal Sludge Composting Process

XIANG Qiu-jie¹ , YANG Yu-han¹ , ZHANG Cheng^1,3 , XIANG Xin-yi² , MU Zhi-jian^1,3     

Abstract: Effect of adding bamboo biochar into the compost at different dosages on greenhouse gas emissions was investigated by analyzing the dynamic characteristics of the process of municipal sludge composting with four different composts (S1:adding 2.5% bamboo biochar, S2:adding 5% bamboo biochar, S3:adding 10% bamboo biochar, CK:without bamboo biochar). The results showed that CH₄ emissions mainly occurred during the heating period and the beginning of the altithermal period, accounting for 99.01%-99.81% of the total emissions. When the added bamboo biochar is less than 5%, CH₄ emissions decrease with the increase in the amount of bamboo biochar. If it is more than 5%, CH₄ emissions will clearly increase. CO₂ emissions mainly occurred during the heating period and the altithermal period, accounting for 75.65%-86.58% of the total emissions. Adding bamboo biochar can reduce 3.37%-13.48% of the CO₂ emissions but there is no significant difference between the treatments (P > 0.05). N₂O emissions mainly occurred during the heating period and the rotten period. Adding bamboo biochar can reduce the emissions of N₂O; the more the amount of bamboo biochar, the less N₂O emissions (P < 0.05). The emission factors of CK, S1, S2, and S3 were 44.10, 37.57, 35.10, and 35.44 kg·t^-1 of dry sludge, respectively. S1, S2, and S3 showed 14.81%-20.41% reduction in greenhouse gas emissions owing to the addition of bamboo biochar, indicating that bamboo biochar can reduce the carbon emissions in the process of sludge composting.

Key words: municipal sludge      compost      bamboo biochar      greenhouse gas      emission characteristics     

随着我国城市化进程的加快, 污水处理规模连年增长, 污泥产量也随之增加.据报道, 我国污泥年产量已高达7000万t, 包括3500万t城市污泥和3500万t工业污泥, 而污泥处理处置和资源化利用率却不足50%^[1]. 2015年, 我国新环境保护法和《水污染防治行动计划》的实施强调了污泥处理处置的迫切性.高温好氧堆肥因其成本低、时间短、有机物降解充分以及堆肥品质高等优点而被广泛用于污泥稳定化处理^[2], 同时, 由于污泥含有大量的有机物质, 堆肥过程会排放大量的温室气体, 因而引起了国内外学者的广泛关注.研究表明, 一些外源添加剂能有效降低好氧堆肥产生的温室气体排放.如Luo等^[3]研究表明添加10%磷石膏会明显减少猪粪和秸秆混合堆肥过程中的CH₄和NH₃的排放量. Wang等^[4]发现添加芦苇秆和沸石的堆肥预处理结合蚯蚓处理技术能有效减少鸭粪中温室气体的排放. Yang等^[5]研究认为在餐厨垃圾中添加膨松剂可明显减少CH₄、N₂O的排放. Lehmann^[6]的研究表明生物质炭农用是提高土壤肥力、减少温室气体排放的新途径.陈是吏等^[7]研究发现添加过磷酸钙和双氰胺可以显著减少污泥堆肥CH₄和N₂O排放. Chowdhury等^[8]用不同调理剂进行禽畜粪便堆肥, 发现堆体温室气体排放当量大小为生物质炭＜塑料软管＜木片.目前, 有关堆肥过程温室气体排放的研究多集中在畜禽粪便、农业废弃物等固体废物, 而有关城市污泥堆肥过程中温室气体排放特征以及添加生物质炭对碳排放的影响研究还较少.竹炭作为生物质炭的一种, 具有性质稳定、孔隙结构丰富、比表面积大和吸附能力强等优点.因此, 本文在课题组前期研究^[9]的基础上, 进一步分析添加不同用量竹炭对城市污泥堆肥过程CH₄、CO₂和N₂O排放的影响, 以期为进一步开展污泥堆肥处理处置碳减排研究提供基础数据.

1 材料与方法1.1 试验设计

本试验于2015年10月11日~11月24日在西南大学试验大棚中进行, 以50 kg城市污泥为堆肥基质, 12.5 kg稻草为调理剂, 分别添加0、2.5%、5%和10%(占污泥的质量分数)的竹炭, 即CK(污泥:稻草=100:25)、S1(污泥:稻草:竹炭=100:25:2.5)、S2(污泥:稻草:竹炭=100:25:5) 和S3(污泥:稻草:竹炭=100:25:10), CK、S1、S2和S3处理初始物料总量分别为62.50、63.75、65.00、67.50 kg, 各混合堆体基本性质见