豬場沼渣與玉米芯混合槽式堆肥氨氣排放特征*

余 鑫，鄭云昊，朱志平，張 羽，曹起濤

（中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所/農業農村部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京100081）

畜禽廢棄物無害化處理和資源化利用是農業綠色發展的關鍵。堆肥是養殖廢棄物處理的有效技術措施，一方面，堆肥過程溫度升高可有效殺滅多種病原微生物，從而實現糞污的無害化；另一方面，通過堆肥處理可將有機廢棄物轉化為相對穩定的肥料和土壤改良劑，實現對廢棄物的資源化利用。

大型養殖場堆肥過程一般采用好氧發酵工藝，堆肥過程中會產生和排放NH3、CH4、N2O、CO2和VOCs 等氣體[1-2]，不僅會造成氮等營養元素的流失，還會產生二次污染。NH3的揮發會造成堆肥中氮素的損失，降低堆肥肥效，而且進入大氣中的NH3既是惡臭空氣污染物的主要組成，同時也是霧霾形成的重要前體物之一，可與二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)等酸性氣體發生中和反應生成銨鹽氣溶膠，是霧霾期間大氣細顆粒物（PM2.5）的主要成分，對周圍環境質量及大氣污染均有較大影響[3]。在應對全球變暖和大氣污染防治的迫切需求下，了解畜禽養殖廢棄物實際堆肥生產過程中氨氣的排放情況，掌握其排放特征，進而有針對性選擇減排措施尤為重要。

關于畜禽糞便堆肥處理過程氨氣排放特征的研究已有較多報道，但是不同的研究結果差異較大。丁鋼強等研究了冬季5～15℃條件下固體豬糞堆放過程氨氣排放特征，結果表明氨氣排放占初始總氮的2.1%～2.6%[4]；Szanto 等研究發現靜態堆肥中產生的氨氣含量占初始總氮的3.9%[5]；Wang 等研究了不同通風形式下堆肥排放特征，結果也存在較大的差異，正壓和負壓通風條件下氨氣排放量分別約占初始總氮的36.7%和15.8%～16.8%[6]。此外，也有研究報道了不同堆肥物料[7-8]、堆肥方式[9]及不同添加劑[10]等條件下氨氣的排放情況，由于原料不同，堆肥方式不同，相應的研究結果也存在差異。國務院辦公廳印發的《關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》中提出，畜禽糞污以農村能源和農用有機肥為主要利用方向，沼氣發酵后產生的大量沼渣進行進一步無害化處理生產農用有機肥將會越來越多，但目前堆肥氨氣排放的主要研究對象為畜禽糞便，針對以豬糞沼渣為原料的槽式堆肥實際生產過程的現場試驗研究較少，不僅缺乏氨氣排放的數據，而且實際堆肥生產過程氨氣的排放特征尚不明確。因此，本研究選取河北省某規模化養豬場槽式堆肥發酵場，以沼渣和玉米芯混合物為堆肥原料，通過實時在線監測系統追蹤監測槽式堆肥完整堆肥周期內（38d）堆體理化性質變化，揭示車間氨氣排放特征及日變化規律，以期為了解沼渣槽式堆肥實際生產中氨氣排放特征及減排策略的制定提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設施和材料

試驗在河北省某規模化養豬場槽式堆肥車間進行。堆肥車間尺寸為80m×27m×6.5m（長×寬×高），采用槽式堆肥結構，車間設有6 條堆肥槽，每條槽堆體尺寸為60m×4m×1.5m（長×寬×高）。堆肥采用底部通風-鏈板式機械翻堆模式，每翻堆一次前進4m，同時在堆肥槽起始端加入同等體積新鮮堆肥原料。

堆肥原料為豬糞厭氧發酵消化液固液分離后的固體部分（沼渣）與粉碎后的玉米芯混合物，混合的體積比為2:3。試驗對一個完整堆肥周期內堆體氨氣的排放特征進行了追蹤監測，即從新鮮原料加入堆肥槽初始端開始至腐熟后從末端轉移，共38d，期間翻堆14 次（日常翻堆在8：00-16：00 進行），翻堆間隔為2～3d，分別在堆肥的第3、6、9、12、15、18、21、24、26、28、30、33、36、38 天進行。堆肥過程采用12 臺混流式風機(LFB-C-4)進行底部通風，額定風量總計28000m3·h-1，通風口位于堆肥槽底端，采用間歇式通風方式，風機運行通停時間比為5min/15min。同時，為了保證車間通風，在車間頂部設有4 條排風通道與車間外除臭系統相連，并通過4 臺大型離心風機(YTCZ-F)將車間內的污濁空氣引到除臭系統，每臺排風系統風機排風量為15500m3?h-1，24h 連續運行。

1.2 氨氣濃度在線監測及通量計算

氨氣濃度使用在線監測系統24h 持續監測。采用梅花布點方式在堆肥車間設置5 個監測點（圖1），為了避免攪拌設備的干擾，所有氣體的采樣點高度均為6m，距離堆體表面4.5m，各采樣點氣體通過采樣管路（聚四氟乙烯材質）分別經過過濾器、多通道采樣器后進入 INNOVA1412i 氣體監測儀（LumaSense，丹麥），在線連續監測排放氣體中氨氣的濃度；同時在堆肥車間外上風向距離車間墻體22m處設置空氣背景值監測點，每個點連續采樣監測6次，以最后一次監測值作為計算值，每次采樣監測時間為2min，所有采樣點監測循環一次的時間為72min。

堆肥車間氨氣排放通量的計算式為

式中，E 為單位堆體的氨氣排放通量（mg·m-3·h-1）；Q 為堆肥車間通風量，為4 臺排氣風機的通風量之和（m3·h-1）；V 為堆肥車間堆體體積，取值為2160m3；Cout和Cin分別為堆肥車間氨氣平均濃度和氨氣背景值（mg·m-3）。

1.3 堆體樣品采集及理化指標檢測

利用一條堆肥槽（長×寬×高為60m × 4m×1.5m）和一個堆體（長×寬×高為4m × 4m × 1.5m）完成一次堆肥過程，根據槽式堆肥運行工藝及堆體深度，在2018年12月14日-2019年1月20日對一條槽內的同一段堆體進行追蹤樣品采集，每次翻堆后進行一次采樣，采樣點分別距離堆體表層0.5m 和1.0m深處，采樣量均為500g，共采集15 次，每次將兩層的樣品混合均勻后保存于4℃條件下，用于后續理化指標測試。試驗堆肥指標檢測方法見表1。

1.4 數據統計分析

數據統計分析處理使用IBM SPSS Statistics25和Excel2019，相關性分析采用Pearson 相關檢驗和Kruskal-Wallis 秩和檢驗。使用SigmaPlot12.5 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程物料理化性質及氮含量變化特征

圖1 堆肥車間布局及氨氣濃度采樣點分布示意圖 Fig.1 Trough composting layout and ammonia sampling points distribution in the composting plant

表1 堆肥物料的理化性質測定方法 Table 1 Analytical method for physical and chemical properties of composting materials

圖2 堆肥周期內堆體理化性質及氮含量的變化 Fig.2 Physicochemical properties and nitrogen contents of composting materials during a composting period

由圖2 可見，在一個堆肥周期內，堆體的含水率峰值為 56.73%，隨著堆肥的進行降至最低值49.47%，堆肥周期內堆體平均含水率52.71%；堆體pH 值變化范圍為7.33～8.19，平均7.81，堆料在堆肥過程中始終處于堿性狀態，且在堆肥的第9 天-第15 天內pH 值（＞ 8.0）相對較高（圖2a），至堆肥結束時pH 值呈極顯著降低（P＜0.01）。至堆肥第38 天，堆體總固體含量（Total solid，TS）較堆肥初始極顯著增加（P＜0.01），堆體揮發性固體含量（Volatile solid，VS）變化并不顯著（Kruskal-Wallis 秩和檢驗），平均為20.78%（圖2b）。堆肥周期內堆體干物質的總碳含量平均為231.57g·kg-1DM；C/N 的值為10.74～12.35，總體呈下降趨勢，至堆肥結束時降低了1.46（P ＜0.05）（圖2c）。

在觀測的堆肥周期內，堆體總氮含量平均為20.54g·kg-1DM（2d）。圖2e 顯示，堆體內銨態氮（NH4+-N）含量隨堆肥時間延長呈現先上升后下降的趨勢，前5 次取樣檢測時銨態氮含量迅速上升，至第12 天達到峰值（3516.85mg·kg-1），然后逐漸降低，中間雖有波動但總體呈下降趨勢，至堆肥結束時，堆體內銨態氮含量降低了763.05mg·kg-1DM，僅為1193.93mg·kg-1DM；硝態氮（NO3--N）含量的變化趨勢與銨態氮相似，其變化范圍為 22.06 ～60.98mg·kg-1DM，二者的變化趨勢在時間上不一致，硝態氮較早達到峰值（第6 天），呈顯著正相關關系（r = 0.74，P＜0.05）。可見，在適宜含水率水平（50%左右）和堿性條件下，沼渣中豐富的氮逐漸轉化為NH4+-N、NO3--N 等含氮化合物，且部分含氮物質在堿性條件下以NH3形式揮發到大氣中。

2.2 堆肥車間NH3濃度變化特征

堆肥過程中，物料中產生的部分氮素以氨氣的形式排放到空氣中。由圖3 可見，在堆肥周期內（38d），車間內氨氣濃度變化范圍為 0.85 ～22.40mg·m-3，日平均濃度為3.63mg·m-3。堆肥前2周氨氣平均濃度為4.70mg·m-3，在堆肥第7 天氨濃度達到峰值，之后逐漸降低；堆肥第15 天-第38 天，氨氣平均濃度為3.00mg·m-3（圖3a）。此外，車間氨氣濃度日變化特征（圖3b）表現為午后高于上午和夜間，不同時間段堆肥車間氨濃度波動較大。其中12：00-16：00 時段車間氨氣濃度最高，且波動最大，最高可達22.40mg·m-3，平均為6.77mg·m-3；其次是16：00-20：00 時段和8：00-12：00 時段，氨氣濃度平均分別為4.26mg·m-3和3.62mg·m-3；堆體在夜間保持較低的氨排放濃度，其中0：00-4：00 時段和4：00-8：00 時段氨濃度分別為2.32±0.76mg·m-3和2.03±0.62mg·m-3。日間濃度高的原因主要是翻堆通常在8：00-16：00 進行，翻堆過程造成氨氣擴散，并逐步上升到堆肥車間內部上方積累，導致白天的濃度高于夜間。

圖3 堆肥車間氨氣濃度變化過程 Fig.3 Variation of ammonia concentrations in the composting plant

2.3 堆肥過程中NH3排放通量變化特征

利用式（1）對堆肥周期內堆肥車間氨氣排放通量進行計算，結果如圖4 所示。由圖可見，單位堆體的排放通量為50.25～196.59mg·m-3·h-1，平均103.99mg·m-3·h-1。整體來看，氨氣的排放通量與堆肥車間氨氣濃度的變化規律相似。堆肥前13d 氨氣的排放通量波動較大，平均為140.60mg·m-3·h-1，堆肥第14 天-第22 天氨氣排放通量呈逐漸增加趨勢，之后再逐漸降低。將堆肥排放的氨氣日排放量進行累積加權求和得到累積排放量，整個堆肥周期內，單位堆體的氨氣累積排放量為94.84g·m-3，堆肥前10d 氨氣的累積變化趨勢較快，之后漸緩，表明堆肥前期氨氣的排放量高于后期。另外，計算結果顯示，豬糞沼渣經過38d 的好氧堆肥發酵，堆體以氨氣形式損失的氮含量占堆肥原料初始總氮的1.75%。

圖4 堆肥車間氨氣排放通量和累積排放量 Fig.4 Ammonia emission flux and cumulative emissions in the composting plant

3 結論與討論

3.1 討論

沼渣堆肥期間物料的含水率變化范圍為49.47%～56.73%，與豬糞堆肥常見含水率（50%～65%）接近[11]。堆體pH 值變化范圍為7.33～8.19，符合農業行業標準-有機肥料（NY525-2012）pH 應在5.5～8.5 的要求[15]。由于堆體含水率變化，堆肥結束后樣品中TS 和VS 相對堆肥初始值分別增加了12.45%和2.28%。堆肥過程中C/N 值為10.74～12.35，總體呈下降趨勢，堆體C/N 由初始的12.35±0.73 降為堆肥結束時的10.89±0.38，這與楊國義等[13]的研究結果相似，隨著堆肥的進行，C/N 比降低。在堆肥周期內，堆體銨態氮（NH4+-N）和硝態氮（NO3--N）含量變化范圍分別為1193.93～3516.85mg·kg-1DM和22.06～60.98mg·kg-1DM，呈現先上升后下降的趨勢，這與Wang 等[14]的研究結果相似，可能是由于有機氮的降解和NH3的排放導致。

沼渣與玉米芯混合原料好氧堆肥過程中，氨氣濃度的變化范圍為0.85～22.40mg·m-3，日平均值為3.63mg·m-3，很多時間超過了《惡臭污染物排放標準》（GB 14554-93）對氨氣三級排放標準濃度5.0mg·m-3的要求[12]，需要采取合理有效的措施進行控制。堆肥前2 周氨氣濃度較高，且午后氨氣濃度高于早晨和夜間，這一方面歸因于午后環境溫度相對較高，有利于氨氣的擴散；另一方面，翻堆一般在下午進行，堆體的機械翻堆對氨氣排放有促進作用，研究表明[16-17]，翻堆會增加堆體NH3的排放。與其它研究相比，本研究監測到的堆肥車間氨氣濃度偏低。周談龍[18]研究指出，豬糞堆肥過程NH3排放濃度為116.5～1137mg·m-3，死豬與豬糞堆肥過程最高排放濃度可達970mg·m-3，而朱海生等[19]報道的牛糞堆肥過程氨氣的排放結果表明，氨氣排放濃度隨著堆體規模的增大而增加，最高排放濃度為30.6mg·m-3。本試驗氨氣濃度較低的原因，一方面是堆肥原料中僅由沼渣（占比40%）提供氮源，剩余部分為不提供氮源的玉米芯，因此，產生的NH3較少；另一方面本研究為實際工程堆肥車間，其它研究為實驗室監測試驗，實驗室堆肥設備的頂部預留空間僅堆體的十分之一或更小，而本實驗的實際生產堆肥車間為保證翻堆設備的移動，預留空間高達5m，預留空間體積是堆體的5 倍，對堆體排放的氨氣產生了稀釋作用，再加上氨氣采樣點高度距堆體表面4.5m，氨氣濃度必然小于堆體表面濃度。此外，為控制堆肥車間氨氣排放，堆肥車間安裝了通風排氣系統，換氣率為6 次·h-1，進一步降低了采樣點的氨氣濃度。因此，實際的堆肥過程氨氣濃度不僅與堆肥原料和管理有關，也與車間的控制及排氣系統直接相關，應根據實際生產過程中的氨氣濃度選擇合理的減排措施。

整個堆肥周期內，氨氣的排放通量變化波動較大，為103.99±37.93mg·m-3·h-1，堆肥初始階段排放通量較高，主要原因是堆肥中有機質的降解使堆體溫度升高，從而促進了氨氣的排放[20]。本研究中單位堆體的氨氣累積排放量為94.84g·m-3，低于低碳氮比條件下豬糞堆肥（1456.6g·m-3）[21]、脫水污泥高溫好氧堆肥（2.19g·kg-1）[22]、以及純豬糞堆肥過程（7.836 g·kg-1）[23]氨氣的排放量，但與奶牛場等單位體積堆肥墊料的氨氣排放量相近（75～236g·m-3）[24]。這表明，不同原料堆肥的氨氣排放相差較大，為進一步明確沼渣堆肥的氨氣排放特征，建議開展不同畜禽沼渣的堆肥試驗研究。

3.2 結論

（1）38d 內槽式好氧堆肥車間NH3的濃度變化范圍為0.85～22.40mg·m-3，堆肥前兩周氨氣濃度高于后期。盡管全程平均值為3.63mg·m-3，但多數時間的氨濃度高于《惡臭污染物排放標準》的限量值。

（2）堆肥過程中氨氣排放受外界環境溫度和翻堆的影響，12：00-16：00 堆肥車間氨氣濃度最高，平均為6.77mg·m-3，4：00-8：00 時段氨氣濃度最低，平均為2.03mg·m-3，白天堆肥車間的氨氣濃度明顯高于夜間。

（3）堆肥過程氨氣排放通量為 103.99± 37.93mg·m-3·h-1，整個堆肥過程的累積排放量94.84g·m-3。堆體以氨氣形式損失的N 占堆體初始TN 的1.75%。