適量通風顯著降低雞糞好氧堆肥過程中氮素損失

聶二旗，鄭國砥*，高 定，劉曉燕

（1 中國科學院地理科學與資源研究所環境修復中心，北京 100101；2 中國科學院大學資源與環境學院，北京 100049；3 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

雞糞中有機氮含量較高，存儲過程中易降解為氨氮，如果不能進行合理的處理處置，將會造成一系列的環境問題[1]，將雞糞進行無害化處理，則可以實現資源的回收[2]。高溫好氧堆肥是目前被廣泛應用于畜禽糞便無害化資源化處理的方式之一，雞糞經過好氧堆肥可以轉化為有機肥料，用于提高土壤肥力和改良土壤[3]。

雞糞在進行好氧堆肥時一個關鍵的問題就是氨排放造成的氮素損失，氨排放不僅會造成嚴重的大氣污染，還會降低堆肥成品有機肥的品質[4]。多數研究表明，好氧堆肥過程中氮素損失占全氮的16%～74%[5-6]。因此，控制雞糞好氧堆肥中的氮素損失一直是近幾年環境領域研究的重點。

影響堆肥過程中氮素損失的因素有很多，目前的研究包括C/N[7-8]、含水率[7]、添加劑[7,9]、調理劑[10-11]、溫度[5]、通風量[4,12]等，而在所有的影響因素中通風是較為關鍵的影響因素[13]。通風作為好氧堆肥的關鍵工藝參數在堆肥過程中主要起著供氧、調節溫度和脫水的作用[14]。通風不足會導致堆體產生厭氧環境，影響微生物的活性，進而影響堆體的升溫。而通風量過大會增加能耗，造成熱量逸散和氮素的大量損失，這不但會影響堆體的升溫，還會降低堆肥成品的品質[8]。最佳的通風量取決于堆肥過程中物料的組成和微生物對氧氣的需求量[15]。

目前關于通風量對好氧堆肥過程中氮素損失影響的相關研究多集中于實驗室規模[12]，而對于在工廠化好氧堆肥過程中通風量對氮素損失影響的相關研究較少。由于實際工廠化好氧堆肥過程中發酵槽體積較大，翻拋機、鼓風機和閥門等設備與實驗室存在差異，這就造成實驗室中得出的有關通風量的工藝參數在實際工廠化應用過程中并不能達到理想效果。研究通風量對工廠化雞糞好氧堆肥過程和氮素轉化的影響有助于優化工廠化好氧堆肥過程中的通風工藝參數，進一步減少雞糞好氧堆肥過程中的能耗損失和氮素損失，提高雞糞堆肥成品中的養分含量。

1 材料與方法

1.1 堆肥材料

試驗于2018年3月在山東某有機肥廠的好氧堆肥車間進行。供試原料主要是雞糞和稻殼，均取自山東某養雞場，供試材料的具體特性見表1。

1.2 堆肥方法

將雞糞和稻殼以濕基質量比1∶1 經混料機混合均勻后，堆置在發酵槽中進行高溫好氧堆肥。好氧堆肥堆體結構如圖1，為了保證堆體正常升溫，第一階段 (0～2 d) 設定每1 m3物料的通風量均為0.1 m3/min，第二階段 (3～28 d) 設定每1 m3物料的通風量分別為 0.1 m3/min、0.2 m3/min、0.3 m3/min(分別記為低、中、高通風量)。三個處理均采用間歇性強制通風好氧發酵技術，設定好氧堆肥周期為28 天。采用PT100探頭連續監測記錄好氧堆肥過程中的溫度變化，堆肥的第14 天進行翻拋，在發酵的第0、2、3、6、9、12、15、19、25、28 天進行多點混合取樣，樣品經過充分混合后帶回實驗室，4℃冰箱冷藏保存，用于相關理化指標的測定。

表1 試驗材料及其混合物基本性質 (平均值 ± 標準差，以干基計)Table 1 Basic properties of composting raw materials and their mixture (means ± SD, in dry base)

圖1 好氧發酵堆體結構圖Fig. 1 Schematic diagram of aerobic fermentation structure

1.3 測定項目與方法

1.3.1 測定指標 堆肥物料含水率采用烘干法測定， (105℃、24 h) 烘至恒重，灰分的測定采用馬弗爐灼燒 (550℃、6 h)。pH值 (固液比為1∶10)，浸提過濾后，用S-3C型pH計測定；總碳 (TC) 和總氮(TN) 采用Flash2000元素分析儀測定[16]。采用2 mol/L KCl 溶液 (m∶V=1∶10) 浸提，振蕩30 min后過濾，濾液采用連續流動分析儀 (Auto Analyzer-III, 德國 BranLuebbe 公司) 測定[17]。種子發芽指數 (GI) 的測定方法為，首先用去離子水浸提液5 mL于墊有濾紙的培養皿中，并以添加等量去離子水的培養皿作對照，然后各加入10粒小油菜種子，每個處理重復3次，放置在 (20 ± 1)℃的培養箱中培養48 h 后測定發芽率和根長，并根據以下公式計算GI值[18]。

1.3.2 氮素損失的計算方法 氮素損失計算方法參照Paredes 等[19]的方法，根據好氧堆肥過程中物質守恒和氮素平衡原理，假定在堆肥全過程中灰分總量無損失，因此可得出堆肥過程中氮素損失率的計算公式：

式中，Nloss表示氮損失率 (%)；A0表示初始的灰分含量 (%)；Ai表示第i天的灰分含量 (%)；N0表示初始的全氮含量 (%)；Ni表示第i天的全氮含量 (%)。

1.4 數據分析方法

數據采用Excel 2010進行整理，采用SPSS 19.0進行單因素方差分析 (One-Way ANOVA)，并對各指標進行顯著性檢驗，顯著性水平P ＜ 0.05，Sigma Plot 10.0制圖。

2 結果與分析

2.1 通風對堆肥過程的影響

2.1.1 溫度的變化 從圖2可以看出低通風量、中通風量和高通風量的最高溫度分別達到68.3℃、71.8℃和68.6℃，且各處理的堆肥高溫期 (≥ 50℃)持續時間均超過12 天，達到糞便無害化衛生要求(GB 7959-2012) 的人工堆肥溫度大于50℃至少持續10 天的標準。其中在第14 天三個處理的溫度均明顯下降，這是由于第14 天進行翻拋所致。翻拋在好氧堆肥過程中有利于打破堆體的層次效應，增加堆體物料的均一性，同時翻拋過程中也會帶走大量的熱量，降低堆體的溫度。14 天之后的溫度又逐漸上升然后逐漸下降，至堆肥結束，堆體的溫度逐漸接近環境溫度。

圖2 不同通風量條件下堆體溫度變化Fig. 2 Temperature during chicken manure composting process under different ventilation intensities

2.1.2 pH值和含水率的變化 各處理的初始pH均為8.3左右，且各處理的pH變化趨勢基本保持一致，均呈現出先下降后上升再下降的趨勢，三個處理的pH在3 天之內均降到了7.2～8.1，而后低通風量和中通風量的pH都呈現出上升趨勢，高通風量的pH較低通風量和中通風量的pH呈現出較長時間的降低趨勢 (圖3)。統計分析結果表明，至堆肥結束三種處理堆肥成品的pH無顯著差異 (P = 0.432)，在7.8～8.0之間，符合《有機肥料》(NY525-2012) 中要求的堆肥成品pH為5.5～8.5的要求。

三個處理初始混合后的物料含水量在63%～65%之間，好氧堆肥過程中整體都呈現出降低的趨勢。其中，前3 天各處理的含水率呈現少量增加的趨勢。各處理的堆體含水率至堆肥結束分別降到32.3%、30.6%、29.3% (圖 4)。

圖3 不同通風量條件下堆體pH變化Fig. 3 The pH of the chicken manure during composting process under different ventilation intensities

圖4 不同通風量條件下堆料含水率的變化Fig. 4 Moisture content during chicken manure composting process under different ventilation intensities

2.1.3 種子發芽指數 (GI) 的變化 各堆肥處理初始物料的GI為30%左右。在堆肥初期各處理的GI稍微降低，隨著好氧堆肥過程的進行，各處理的GI逐漸增加，到發酵第24 天各處理的GI均達到了80%以上，堆肥結束后三個處理的GI分別達到了83.1%、96.7%和85.8% (圖5)。

圖5 不同通風量下的雞糞堆肥產品對種子發芽指數的影響Fig. 5 Germination index of rape seeds affected by produced chicken manure under different ventilation intensities

2.2 通風對堆肥過程中氮素變化的影響

2.2.1 堆肥過程中NH4+-N含量的變化 各處理的初始NH4+-N含量均為14 g/kg以下，在升溫期 (前3 d) 各處理的NH4+-N含量均呈現增長的趨勢，中通風量處理和高通風量處理的NH4+-N含量在3 天之后開始出現明顯下降的趨勢，而低通風量處理的NH4+-N含量則呈現出緩慢遞增甚至保持平穩的趨勢；此外，低通風量處理的pH在第3 天也呈現出明顯降低的趨勢 (圖3)，說明有機質分解過程中產生的有機酸釋放出的H+和堆體內部的部分NH3結合，以此維持NH4+含量的穩定。到高溫后期和腐熟期 (15 天之后)(圖2)，各處理的NH4+-N含量均呈現出下降的趨勢，至堆肥結束低通風量、中通風量和高通風量處理的NH4+-N 含量分別為 (6.63 ± 0.03)、(8.23 ± 0.15)和 (7.33 ± 0.64) g/kg (圖 6)。

圖6 不同通風量條件下雞糞堆肥過程中銨態氮的變化Fig. 6 NH4+-N content during chicken manure composting process under different ventilation intensities

2.2.2 堆肥過程中NO3--N含量的變化 各處理的初始NO3--N含量均在0.26 g/kg以下，且NO3--N含量在整個堆肥周期內呈現出逐漸增加的趨勢。在堆肥的前10天NO3--N含量增長趨勢不明顯，而10 天之后NO3--N含量呈現明顯的增加趨勢 (圖7)，至堆肥結束三個處理的NO3--N含量分別為 (0.42 ±0.08)、(0.36 ± 0.01) 和 (0.32 ± 0.02) g/kg，表明較低的通風量更有助于NH4+-N的轉化和NO3--N的積累。

2.2.3 堆肥過程中總氮含量的變化 如圖8所示，三個處理的初始全氮 (TN) 含量均為34 g/kg，在整個堆肥周期內呈現先降低后增加的趨勢。3 天之后低通風量處理的TN含量則開始出現緩慢增加趨勢，而中通風量處理和高通風量處理的TN含量仍然呈現出降低的趨勢，至堆肥28 天結束時各處理的TN含量分別為 (38.33 ± 0.54)、(37.82 ± 0.50) 和 (36.41 ± 0.09)g/kg。統計分析結果表明，低通風量與中通風量處理間的TN含量無顯著差異 (P = 0.074)，而低通風量、中通風量與高通風量處理間的TN含量有明顯差異 (P =0.024，P = 0.038)，說明在雞糞好氧堆肥過程中，在一定范圍內較高的通風量伴隨著較高的氮素損失。

圖7 不同通風量條件下雞糞堆肥過程中硝態氮的變化Fig. 7 NO3--N content during chicken manure composting process under different ventilation intensities

圖8 不同通風量條件下雞糞堆肥過程中全氮的變化Fig. 8 Total nitrogen content during chicken manure composting process under different ventilation intensities

2.3 不同通風量條件下氮素損失率

由好氧堆肥處理的起始和結束 (28 d) 時的全氮和灰分數據 (表2) 計算可知，不同處理在好氧堆肥結束時，氮素損失率分別為19.8%、20.2%和29.6%，說明隨著通風量的增加氮素損失率增加，這與其他研究結果[4]基本一致。因為在堆肥升溫期高通風量伴隨著NH3的大量釋放。至堆肥結束，低通風量處理與中通風量處理之間氮損失的差異不顯著 (P =0.476)，而低通風量處理、中通風量處理與高通風量處理之間的氮損失差異均較為顯著 (P = 0.018，P =0.024) ，說明在好氧堆肥過程中選擇合適的通風量能夠有效減小氮素的損失。

3 討論

3.1 通風量對堆肥過程中溫度、pH、含水率和發芽指數的影響

在好氧堆肥過程中溫度是反映堆體中有機物降解狀況和微生物活性變化的重要指標[20]，它起著決定堆肥過程能否順利進行、堆肥物料是否完全腐熟的重要作用[21]。通風是影響堆肥過程中溫度變化的主要因素[22]。低通風量在14 天之前的溫度均低于中通風量和高通風量 (圖2)，這可能是因為較低的通風量不能滿足微生物代謝活動所需要的氧氣，導致微生物的代謝活性較弱。而在堆肥的第14 天各處理的溫度均明顯降低，原因是翻拋導致堆體熱量散失。翻拋有助于低通風量處理中處于厭氧狀態的物料充分接觸氧氣，進而能夠增加微生物的代謝活動，使得14天之后堆體的溫度升高。到了堆肥后期由于堆體中易降解有機物質基本已降解完全，微生物代謝活動減弱，所以各處理堆體溫度持續降低，直至堆肥結束堆體溫度接近環境溫度 (圖2)。

表2 堆肥初始和結束時全氮及灰分含量 (%, 以干基計)Table 2 Total N and ash contents in the compost at the beginning and end of composting (%, dry matter)

pH 值在堆肥過程中不僅會影響微生物的活性，而且與NH3的釋放量也存在顯著的正相關。NH3在堿性條件下釋放量較大，所以pH 值過高會造成氮素損失[23]。本研究中各處理的初始pH均為8.3左右，且各處理的pH變化趨勢基本一致，都呈現出先下降后上升再下降的趨勢 (圖3)，三個處理的pH值在3天之內均降至7.2～8.1，這是因為堆肥初期微生物利用糖類、淀粉等物質分解生成了小分子的揮發性有機酸如丁酸、乙酸等，致使各堆體在堆肥早期均有明顯的酸化過程等[24]。3 天之后低通風量和中通風量的pH均呈現出上升趨勢，這主要是因為微生物的活性增強，導致堆體內溫度升高，而堆體中的氨化作用又隨著溫度的升高而增強，氨化作用增強使有機氮向NH4+-N的轉化量增加，進而導致堆體的pH值上升[4]。高通風量導致堆體內礦化作用產生的NH4+-N多以NH3的形式揮發，使得堆體內由礦化作用產生積累的NH4+-N含量低于微生物分解過程中產生的有機酸量，所以pH值呈現出較長時間的降低趨勢。高通風量的pH較低通風量、中通風量呈現出較長時間的降低趨勢。到了發酵的第18 天之后堆體內有機物料降解已基本完成，微生物代謝活性逐漸減弱，堆體的溫度也逐漸接近環境溫度 (圖2)，此時NH4+-N逐漸快速向NOx--N轉化，導致堆體的pH進一步降低[25]。

好氧堆肥過程中水分脫除的主要機理是通過鼓風曝氣增加對流蒸發和利用微生物分解有機物產生的熱量帶走水分[26]。好氧堆肥過程中堆體的含水率與通風量和翻拋頻率呈顯著的相關性 (P ＜ 0.00001)[27]，含水率是好氧堆肥過程中的關鍵參數，它影響著與有機物生物降解相關的復雜生化反應[28]。堆肥過程中初始物料含水率應保持在60%～70%之間，以此滿足微生物代謝過程對水分的需求，保證堆肥過程中微生物較高的代謝活性[29]。當含水率過高時，導致堆體內的孔隙結構不良，影響堆體內部氧氣的傳導擴散，微生物因缺氧活性降低，不能完成正常的升溫過程[30]。本研究中三個處理的初始物料含水量均在63%～65%之間，在堆肥過程中整體均呈現出降低的趨勢。其中，前3 天各處理的含水率均稍微增加，這主要因為在堆肥初期微生物的代謝產水速率大于堆體的蒸騰作用[31]，3 天之后各處理含水率呈現降低趨勢，中通風量和高通風量的降低趨勢要明顯高于低通風量，這主要是因為在3 天之后，各處理的鼓風策略進入第二階段，此時中通風量和高通風量兩處理較第一階段的風量均增加，而低通風量仍維持第一階段每立方米0.1 m3/min的風量所致。

種子發芽指數是評價堆肥成品腐熟度的有效指標，它可以反映堆肥成品的植物毒性[32]。研究中初始堆肥物料的種子發芽指數為30%左右，在堆肥初期各處理的GI稍微降低，這主要與堆肥初期低分子短鏈揮發性脂肪酸和毒性物質的釋放有關[33]。第10 天以后各處理的GI呈現明顯增加，但統計結果顯示差異不顯著 (P = 0.328)。這和Guo等[32]以豬糞和玉米秸稈為原料堆肥的研究結果一致，該結果也表明通風對堆肥過程中的GI影響不顯著。一般認為如果GI ＞80%，堆肥成品對植物基本無毒性[34]。本研究中三個處理的GI均大于80%，這說明至堆肥結束各處理的成品均滿足腐熟度要求。

3.2 通風量對堆肥過程中氮素轉化的影響

在升溫期 (前3 天) 各處理的NH4+-N含量均呈現少量增長趨勢，這與微生物進行氨化作用將有機氮轉化為NH4+-N有關[4]。中通風量處理和高通風量處理的NH4+-N含量在3 天之后開始出現明顯下降趨勢，這是由于3 天之后中通風量和高通風量處理的通風策略開始進入第二階段，通風量由初始的0.1 m3/(m3·min) 分別增加至 0.2 和 0.3 m3/(m3·min)，導致NH4+-N以NH3的形式釋放。而低通風量處理的NH4+-N含量則呈現出緩慢遞增趨勢，這是因為3 天之后低通風量處理的風量保持不變，而此時微生物的活動明顯增加，使有機氮的分解速率增加所致 (硝化速率比有機氮的分解速率慢)[12]。到高溫后期和腐熟期 (15 天之后)(圖2)，各處理的NH4+-N含量均呈現下降趨勢，這主要因為在該階段堆體內的有機質分解已基本完全，氨化作用逐漸減弱，而此時硝化速率增加，致使NH4+-N向NO3--N和NO2--N的轉化增強 (圖7)。至堆肥結束低通風量處理的NH4+-N含量較中通風量和高通風量處理低的原因可能是低通風量處理的NH4+-N含量在堆肥后期硝化作用增強，導致NH4+-N向NO3--N的轉化量增加 (圖7)。

各處理的NO3--N含量在整個堆肥周期內呈現逐漸增加的趨勢，且前10 天增長趨勢不明顯，而10天之后NO3--N的含量呈現明顯增加趨勢 (圖7)，這是因為在堆肥的初期由于NH3的積累和溫度的升高抑制了硝化細菌和亞硝酸鹽細菌的活性[32]。至堆肥結束三個處理NO3--N的含量呈現出低通風量 ＞ 中通風量 ＞ 高通風量，表明較低的通風量更有助于NH4+-N的轉化和NO3--N的積累。NH4+-N/NOx--N值小于0.16被認為是堆肥腐熟度的判斷指標[35]，而研究中至堆肥結束，三個處理的NH4+-N/NO3--N值分別為15.7、22.8和22.9，均遠大于0.16，這可能是因為堆肥所選用的物料和堆肥周期的長短不同所致。也有研究表明NH4+-N/NOx--N值可能的變化范圍為5.47～48.33[36]，考慮到堆肥結束時的NH4+-N/NO3--N值和堆肥未結束的NH4+-N/NO3--N值均在5.47～48.33范圍內 (例如在堆肥第9 天 三個處理的NH4+-N/NO3--N比值分別為47.8、42.8和48.2)，而在該時間點的GI卻低于50%(圖5)，未滿足腐熟度要求，說明NH4+-N/NOx--N值并不能作為堆肥腐熟度的判斷指標，或者其應用范圍有待進一步探究。

在整個堆肥周期內全氮含量在升溫期 (前3 天)均明顯降低，而后逐漸增加，這與升溫期NH3的大量釋放有關[32]。3 天之后低通風量處理的全氮含量則開始出現緩慢增加趨勢，這是因為在3 天之后堆體的溫度均達到50℃以上 (圖2)，此時微生物代謝較為活躍，大量易降解的有機物質開始礦化分解為CO2和水，堆肥物料質量下降迅速，導致全氮含量增加。而中通風量處理和高通風量處理的全氮含量仍然呈現降低趨勢，這是因為在3 天之后鼓風策略開始進入第二階段，此時中通風量和高通風量處理的風量均由初始的0.1 m3/(m3·min) 分別增加到0.2和0.3 m3/(m3·min)，加劇了堆體內 NH3的釋放。

4 結論

1) 雞糞工廠化好氧堆肥過程中，分別設置通風量1 m3物料為0.1、0.2和0.3 m3/min時，三個處理的堆體高溫 (＞ 50℃) 持續時間均超過12 天、好氧堆肥結束pH為7.8～8.0、含水率29%～32%、種子發芽指數 (GI) 均大于80 %，至堆肥結束時所有處理均已腐熟并且達到無害化要求。

2) 不同通風量條件下NH4+-N含量均呈現先緩慢增長后逐漸降低的趨勢；NO3--N含量前期增加平緩，后期明顯增加；全氮含量先降低后增加；堆肥結束三個處理的氮素損失率分別為19.8%、20.2%和29.6%，低通風量與中通風量處理之間差異不顯著 (P ≥0.05)，低通風量、中通風量較高通風量處理均有明顯差異 (P ≤ 0.05)。在一定的通風量范圍內，雞糞堆肥過程中較高的通風量伴隨著較高的氮素損失，采用中通風量即0.2 m3/(m3·min) 時保氮效果較好。