污泥是污水处理过程中产生的沉淀物质以及污水表面漂出的浮沫所得的残渣。据统计数据，截至2011 年，全国各省、市、县累计建成城镇污水处理厂3 115 座，污水处理能力达到496 亿t ^[1]，由此将产生巨量的污泥，如处置不当将会引发严重的环境污染问题。污泥中主要成分为有机物，含有丰富的氮磷钾等养分，如能将其进行合理的堆肥处理，可转害为利。堆肥处理已经成为污泥无害化和资源化的重要途径之一^[2]。堆肥中氮含量是确定其农用价值最重要的参数之一，然而，在堆肥化过程中，氨挥发是高温好氧堆肥过程中氮素损失的主要途径^{[3, 4]}，其造成的大气污染在堆肥工程实践中也受到越来越多的关注^{[5, 6]}。

沸石作为一种非金属矿物材料，晶体中具有大量的孔穴和孔道^{[7, 8]}，孔穴度高达40%~50%，使沸石具有很大的比表面积，因而沸石有很好的吸附能力。利用沸石吸附能力强的特点，将沸石应用到污泥堆肥工程中，对于降低氨挥发、减少大气污染具有重要的意义。

本研究以污泥和秸秆为堆肥基本原料，通过添加不同比例的沸石，分析了堆肥过程中的氨挥发速率以及影响氨挥发的相关因素，旨在探讨沸石作为调理剂在污泥堆肥工程中的应用潜力。

污泥取自北京排水集团污泥处置分公司庞各庄污泥处置厂。秸秆为玉米秸秆，是长度0.5 cm 左右的秸秆粉。沸石取自河北赤城。堆肥原料理化性质见表 1。

表 1 堆肥原料理化性质 Table 1 Physicochemical property of composting materials

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试验于2013 年4 月26 日—5 月20 日在北京市农林科学院植物营养与资源研究所日光温室内进行。

污泥堆肥试验采用容积为3 600 mL 的保温壶作为装置。以污泥和秸秆为堆肥基本原料，试验设置3个处理，分别是：污泥和秸秆作为基础堆肥材料，记作S；基础堆肥原料中添加沸石，沸石设置2 个水平，添加量分别是污泥和秸秆总鲜重的5%和10%，分别记作S+5%Z和S+10%Z。污泥与秸秆的重量比（以鲜重计）为4：1，污泥秸秆基础物料重为1.25 kg。每个处理3 次重复。堆体初始含水率控制在60%~65%。污泥堆肥过程中保温壶不盖盖子以保证好氧条件。试验第2、8、18 d 翻堆。

温度测定：试验每日9:00 am 测定堆体温度，测量深度为距堆体表面5 cm处，并记录气温。

氨挥发速率：采用密闭室动态吸收法测定。进气口和出气口位于保温壶橡胶塞中央，为了防止来源于其他处理或周围空气中的氨对试验结果的影响，进气口连接装有硼酸的广口瓶用以吸收空气中的氨。测定氨挥发时，盖上橡胶塞，各处理的出气口并联后连接到抽气泵上。密闭室换气频率为每分钟15 次以上。从堆肥第2 d 开始测定，每日上午9 点抽气10 min，收集气体，用标准酸滴定。直到连续3 d 监测不到氨挥发时停止。

pH 值和EC：称取5.0 g样品，加入50 mL 去离子水，振荡浸提30 min，测定悬浮液的pH值及电导率。

铵态氮：称取鲜样10.0 g，加入50.0 mL 1.0 mol·L-1 的NaCl 浸提，振荡15 min，然后取上清液测定NH₄⁺-N。

含水量：用80 °恒温箱烘至恒重，含水量=（湿重原干重）伊100%/湿重。

采用SAS6.12 中ANOVA 程序对数据进行单因素方差分析，显著性水平取5%。

由图 1可以看出，氨挥发主要发生在堆肥前9 d，集中在3~7 d。试验第2 d，添加沸石的2个处理（S+5%Z 和S+10%Z）堆肥氨挥发速率低于S 处理，降低比例分别为61.2%和76.2%。之后随着堆肥高温阶段的到来各处理的氨挥发速率均迅速上升，S 处理于试验第3 d出现氨挥发峰值，S+5%Z、S+10%Z 处理于试验第4 d出现氨挥发峰值，且后两者氨挥发速率峰值与前者相比可分别降低28.7%和43.1%。试验第5~8d，堆肥氨挥发速率逐渐降低，试验第9 d，氨挥发出现小幅上升，主要是由于试验第8 d堆体翻堆所致。试验第10 d以后，随着堆肥由高温发酵阶段过渡到腐熟阶段，氨挥发速率逐渐下降，并趋于零。添加沸石的2 个处理，堆肥过程中氨挥发速率均低于S 处理，其中S+5%Z 处理降幅为2.70%~46.5%，S+10%Z处理降幅为30.0%~78.6%。

图 1 添加沸石对堆肥氨挥发速率的动态影响 Figure 1 Effects of zeolite on the ammonia volatilization rate

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由表 2 可知，堆肥氨挥发累积速率S+10%Z 处理显著低于S处理，降低比例为48.7%；S+5%Z处理与S 处理相比、S+10%Z 处理与S+5%Z 相比，堆肥氨挥发累积速率分别降低27.9%和28.9%，但均未达到显著差异水平。

表 2 氨挥发累积速率 Table 2 Ammonia volatilization cumulative rate

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温度变化由图 2可以看出，试验第2 d，堆体温度即开始上升，达到了40~50 °。第3 d，堆体温度达到了60 °以上，之后55 °以上的高温阶段持续了9~12 d（S处理12 d，S+5%Z 和S+10%Z处理均为9 d），满足了堆肥卫生学指标的要求（堆体温度在55 °以上保持时间大于3 d（或50 °以上保持5~7 d）能杀灭物料中致病微生物）。随着堆肥腐熟阶段的到来，堆体温度逐渐下降，直至趋近于环境温度。沸石作为添加剂，对堆肥前期主要是试验3~7 d的温度影响不大，但对试验8~16 d的堆肥温度有降低的作用，降幅为0.17~13.5 °。

图 2 污泥堆肥温度变化 Figure 2 Temperature changes of sludge compost

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由图 3可以看出，试验前期（第1~8 d），由于有机质在微生物的强烈作用下分解产生大量NH₃，堆体pH值较堆肥原始材料升高；随试验继续进行，堆体NH₃挥发速率和强度不断下降，硝化作用加强，以及有机质分解产生有机酸，从而使堆体pH 值稳中有降^[9]。试验第8 d，S+5%Z和S+10%Z 2个处理的堆体pH 值显著高于S 处理0.09 和0.15 个pH 单位；试验第18、25d，S+10%Z 处理的堆体pH 值显著高于S 处理0.22和0.20个pH单位。

“*”表示该取样时间处理间有显著差异，P<0.05，下同 图 3 不同处理堆肥过程中pH值变化 Figure 3 Effects of zeolite on the pH of compost

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由图 4 可以看出，本试验的3 个处理EC 值维持在1 876.7~2 893.3 μS·cm^-1之间。试验初始，3个处理堆体的EC 没有显著差异，随着试验开展，试验第8、18、25 d，堆体EC 值S>S+5%Z>S+10%Z，差异显著，说明添加沸石可以显著减少堆体中可溶性盐含量，沸石添加比例越大，EC值减少越多。

图 4 不同处理堆肥过程中电导率的变化 Figure 4 Effects of zeolite on the EC of compost

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从图 5 可以看出，整个堆肥过程中，铵态氮含量呈现先升高后降低的现象。试验初始，各处理的堆体铵态氮含量均较低，添加沸石的2 个处理与S 处理相比，降幅为14.7%~22.5%；试验进行到第8 d，堆体铵态氮含量迅速增加；之后，堆肥由高温阶段过渡到腐熟阶段而逐渐稳定，堆体铵态氮浓度不断下降。添加沸石的2 个处理，堆肥始末，堆体中的铵态氮含量显著低于S 处理，其中S+5%Z 处理降低比例为9.07%~10.7%，S+10%Z处理降低比例为13.3%~22.2%。

图 5 添加沸石对堆肥铵态氮含量的影响 Figure 5 Effects of zeolite on the amount of NH4+-N of compost

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水分是影响堆肥腐熟速度的重要参数，合适的水分是保持微生物最佳活性的必要条件^[10]。图 6 是污泥堆制过程中水分含量的动态变化。如图 6 所示，堆肥中含水量整体呈现下降的趋势。堆肥开始，堆体含水量控制在60%~65%，随着堆肥进行，微生物活动消耗水分以及堆体高温使水分蒸发，堆体含水量迅速下降，试验第18 d至堆肥结束，微生物活动微弱，堆肥稳定，水分含量只受蒸发因素影响，堆体含水量变化较小，保持在33.1%~40.0%之间。S+10%Z的处理，堆体含水量低于S 和S+5%Z处理，但差异并不显著。

图 6 添加沸石对堆体水分含量的影响 Figure 6 Effects of zeolite on the water content of compost

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堆肥过程中，伴随着有机物料的快速分解产生大量的氨挥发损失，主要发生在堆肥的高温阶段^[11]。污泥堆肥中添加不同比例的沸石，降低氨挥发速率的效率不同。沸石添加5%，试验第2~9 d，与S 处理同天相比降低氨挥发速率2.70%~61.2%；试验第10~12 d，氨挥发速率反而增加，增加比例为11.8%~136.5%，其原因可能是添加5%的沸石，前期吸附氨气效果较好，氨挥发速率较低，随着试验进行，添加的沸石吸附效率达到饱和以及一部分氨解吸出来，增加了氨挥发速率。沸石添加10%，与S 处理同天相比降低氨挥发速率30.0%~89.6%。可见，堆肥时添加10%的沸石，对降低氨挥发速率的效果优于添加5%沸石的处理。

影响堆肥氨挥发的因素主要有温度、pH 值、EC和NH₄⁺-N 浓度。

堆肥的温度变化是反映发酵是否正常进行最直接和最敏感的指标，也是影响氨挥发速率大小的重要因素^[12]。本研究中S、S+5%Z和S+10%Z 处理55 °以上的高温期分别持续了12、9 d和9 d，此时期正是氨挥发的主要阶段，由于添加沸石的堆肥其高温阶段与不添加沸石相比持续时间缩短了3 d，而且添加沸石降低了堆肥中后期堆体的温度（降幅为0.17~13.5 °），从而降低了堆肥氨挥发累积速率，本研究中降低比例为27.9%~48.7%。

适宜的pH 值可使微生物有效地发挥作用，减少堆体氨挥发损失，从而保留堆体中的有效氮^[13]。堆肥中添加10%的沸石，对于提高堆体pH 值有一定的促进作用，尤其在堆肥中、后期堆体pH 值较其他2 个处理显著升高，可能是随着试验开展沸石晶体中的NH₄⁺取代其他电荷离子进入堆体^[14]以及沸石本身中性偏碱（pH值为7.87）共同作用造成的。有研究表明，氨挥发主要在pH 值较高的状态下进行^{[15, 16]}，但在本研究中，添加沸石增加了堆体pH 值并未增加氨挥发速率，反而对其有降低作用，可能是随着添加的沸石增多，其中的孔穴和孔道亦随之增多，增加了对NH₃的吸附能力，降低了堆肥氨挥发累积速率，从而保留了堆体中的有效氮。

电导率（EC）反映了堆肥中可溶性盐的含量，沸石用作土壤调理剂时，其浸提液的EC不宜超过4 000μS·cm^{-1 [17, 18]}，否则会影响作物的正常生长。随着沸石添加比例的增加，堆体EC 含量显著降低，其原因可能是沸石对有机质分解产生的无机盐有吸附作用，降低了堆体EC含量。

堆肥中的NH₄⁺-N 是氨挥发的直接来源，并且在氨挥发强度较大时期，NH₄⁺-N 是堆肥中无机氮的主要存在形式^{[19, 20]}。试验初始，微生物活动较弱，有机氮还未开始分解，堆体铵态氮含量普遍较低；随着污泥堆肥继续发酵，有机氮快速分解产生大量的NH₃，由于堆体的含水率较高，生成的氨主要以NH₄⁺-N 的形式存在于堆体中，堆体NH₄⁺-N 含量迅速增加^{[21, 22]}，该段时间氨挥发速率也随之加快；之后，堆肥由高温阶段过渡到腐熟阶段而逐渐稳定，堆体NH₄⁺-N 浓度不断下降，硝化作用加强，氨挥发速率也随之降低。添加沸石，对降低堆体NH₄⁺-N 有显著的影响（降低比例为9.07%~22.2%），说明沸石具有较高的离子交换和吸附性能，对NH₄⁺-N 有很强的亲和性和选择性^[23]，这可能是添加沸石使堆肥氨挥发降低的主要原因。

天然沸石具有强大的吸附功能，对极性分子NH₃有很高的亲和力，即使在低相对湿度、较高温度条件下仍能有效吸附^{[7, 8]}，因此将沸石应用到堆肥工程中，能有效减少氨挥发损失。而且沸石是一种良好的土壤改良剂，堆肥中添加适量的沸石不会对土壤和作物产生不良影响。与传统的堆肥调理剂相比，沸石添加剂具有价格低廉、安全无毒害、富含微量元素等优点，在堆肥工程中具有较为广阔的应用前景。

氨挥发主要发生在污泥堆肥的高温阶段（试验前9 d）。沸石作为添加剂，可以使氨挥发高峰晚1 d出现。堆肥中添加5%和10%的沸石，与对照相比显著降低了氨挥发峰值28.7%和43.1%，降低氨挥发累积速率27.9%和48.7%。

堆肥中添加沸石对堆体温度、pH 值、EC、NH₄⁺-N均有显著影响。添加沸石，使堆体温度高温期持续时间缩短3 d；降低堆肥中、后期堆体的温度，降幅为0.17~13.5 °；增加了堆体0.09~0.22 个pH 单位；维持堆肥更低电导率（1 876.7~2 636.7 μS·cm^-1），降低堆体NH₄⁺-N 9.07%~22.2%。