通風(fēng)速率對雞糞-煙末聯(lián)合堆肥腐熟度和污染氣體排放的影響

芶久蘭，羅文海，袁 京，李國學(xué)，柳玲玲，張邦喜*

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193)

【研究意義】堆肥化是集有機(jī)廢棄物處理和有機(jī)肥生產(chǎn)于一體的生物化學(xué)過程，具有成本低、除臭滅菌效果好、水分含量低、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，契合可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向[1-2]。【前人研究進(jìn)展】由于不同地區(qū)間種養(yǎng)結(jié)構(gòu)差異較大，導(dǎo)致堆肥工藝、堆肥原料類型及水分調(diào)節(jié)材料混合比例等存在差異[3]。北方平原地區(qū)年產(chǎn)農(nóng)作物秸稈數(shù)億噸，收集方便，成本較低，可作為畜禽糞便堆肥的主要輔料；南方丘陵山區(qū)地塊零碎，作物秸稈收集成本較高，堆肥往往以量多且易收集的加工副產(chǎn)物(如煙末等)為輔料，集中處理中小規(guī)模養(yǎng)殖場的畜禽糞便。堆肥主料總體呈水分高，輔料多以水分低、顆粒細(xì)且能掩蓋臭味的煙末為主[4-5]，從而導(dǎo)致堆肥過程中堆體升溫慢且難腐熟等問題；同時(shí)，厭氧和兼氧存在可能性較高，致使堆肥過程排放NH3、H2S等臭氣組分和CH4、N2O等溫室氣體，在一定程度上造成空氣污染。通風(fēng)量是堆肥工藝中極為重要的參數(shù)之一[6-7]。有研究表明，通風(fēng)量過低容易造成堆體缺氧，延長堆肥周期和降低堆肥產(chǎn)品品質(zhì)，增加堆肥過程中污染氣體的排放量，而通風(fēng)量過高則導(dǎo)致堆體升溫慢、水分損失嚴(yán)重，同時(shí)造成大量的氮素?fù)p失。一般認(rèn)為，較為合適的通風(fēng)速率為0.2～0.4 L/(kg DM·min)[6-9]。GAO等[10]研究表明，通風(fēng)率為0.5 L/(kg DM·min)時(shí)，雞糞秸稈混合堆肥高溫期持續(xù)時(shí)間最長，堆肥效果最佳。RASAPOOR等[11]研究發(fā)現(xiàn)，生活垃圾堆肥前期適宜通風(fēng)量為0.6 L/(kg DM·min)，約9周后調(diào)整通風(fēng)量為0.4 L/(kg DM·min)，如此既能減少能耗又能達(dá)到較好的堆肥效果。【本研究切入點(diǎn)】目前，畜禽糞便與煙草廢棄物聯(lián)用是西南地區(qū)堆肥產(chǎn)業(yè)選擇較多的原料搭配方式[4-5]，而有關(guān)通風(fēng)速率對雞糞-煙末堆肥影響的研究還較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】以雞糞-煙末聯(lián)合堆肥為研究對象，探究不同通風(fēng)速率對其堆肥腐熟度及典型污染氣體(NH3、N2O和CH4)排放的影響，以期為減少堆肥過程中NH3、N2O及CH4排放造成環(huán)境污染，并改善有機(jī)糞肥堆肥的腐熟度提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 堆肥物料 試驗(yàn)用雞糞和玉米秸稈取自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗(yàn)站，玉米秸稈風(fēng)干后切碎至3 cm左右；煙末取自貴州開陽南江現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，粉末狀，粒徑1～1.5 mm。3種物料的基本理化性質(zhì)詳見表1，其中，所有物料均基于干物料質(zhì)量(DM)進(jìn)行研究。

1.1.2 儀器設(shè)備 發(fā)酵罐(圖1)內(nèi)底采用多孔篩板支撐物料，雙層隔熱不銹鋼制成，并連接溫度反饋?zhàn)詣涌刂葡到y(tǒng)，底部連接空氣泵，頂部設(shè)置安全瓶，末端采氣口用于采集氣體樣品。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)通風(fēng)速率試驗(yàn)設(shè)3個處理，AR0.2，通風(fēng)速率為0.2 L/(kg DM·min)；AR0.4，通風(fēng)速率為0.4 L/(kg DM·min)；AR0.6，通風(fēng)速率為0.6 L/(kg DM·min)。原料配比均為雞糞(主料)23.27 kg+煙末(輔料)9.98 kg+玉米秸稈(膨松劑)1.75 kg，C/N為14.8、13.9和14.2。為得到適宜的C/N和含水率，選擇粒徑相對較大的玉米秸稈進(jìn)行孔隙度調(diào)節(jié)。

1.2.2 試驗(yàn)過程 添加蒸餾水控制雞糞、煙末和玉米秸稈混合物料的含水率為60 %，裝入60 L(r=0.36 m，h=0.6 m)的密閉式發(fā)酵罐[12]，壓實(shí)。通過調(diào)節(jié)空氣泵流量將通風(fēng)率控制在0.2、0.4和0.6 L/(kg DM·min)3個水平，堆肥周期為35 d，分別在堆肥第0、7、14、21和28天進(jìn)行翻堆、取樣。每次隨機(jī)選取5個點(diǎn)混合成1個樣品(200～300 g)，然后平均分為2份，1份于4 ℃條件下儲存?zhèn)溆茫涣?份自然風(fēng)干、粉碎后過0.5 mm篩備用。堆置期間采取強(qiáng)制通風(fēng)+人工翻堆方式進(jìn)行供氧，通風(fēng)方式為間歇通風(fēng)，每次通風(fēng)時(shí)間為30 min，間隔時(shí)間為30 min。

表1 堆肥物料的基本理化性質(zhì)

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2000和Spss 16進(jìn)行處理與分析，采用Origin 8.5制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中溫度和氧氣濃度的變化特征

從圖2看出，3種通風(fēng)速率條件下堆體溫度和氧氣(O2)濃度隨時(shí)間的變化趨勢。

2.1.1 溫度 堆肥溫度是反映堆體內(nèi)微生物活性的變化和堆肥物料降解的關(guān)鍵參數(shù)，也是堆肥發(fā)酵成功與否的重要指標(biāo)[15]。堆體溫度55 ℃以上保持5～7 d，是殺滅堆料所含致病微生物和害蟲卵，達(dá)到堆肥衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)和腐熟度的重要條件[16]。堆肥開始后各處理堆溫快速上升進(jìn)入高溫期。其中，AR0.2的堆溫于第4天進(jìn)入50 ℃高溫分解階段，第5天達(dá)最高溫(66.7 ℃)；后期翻堆后溫度略有回升但持續(xù)時(shí)間較短；整個堆肥周期內(nèi)堆溫大于55 ℃為15 d。AR0.4的堆溫于第2天進(jìn)入50 ℃高溫分解階段，第9天達(dá)最高溫度(65.3 ℃)；后期翻堆后溫度回升持續(xù)時(shí)間大于AR0.2；整個堆肥周期內(nèi)堆溫大于55 ℃為11 d。AR0.6的堆溫于第2天進(jìn)入50 ℃高溫分解階段，后期翻堆又分別持續(xù)3和7 d的高溫期，整個堆肥周期內(nèi)堆溫大于55 ℃為13 d。至35 d堆肥結(jié)束時(shí)，堆體溫度接近環(huán)境溫度，3個處理的堆溫(>55 ℃)均滿足無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求的8 d以上，處理間差異不顯著。說明，不同通風(fēng)量條件下堆體溫度均能達(dá)到無害化標(biāo)準(zhǔn)要求，與AR0.2和AR0.6相比，AR0.4可以縮短堆肥周期。

2.1.2 氧氣(O2)濃度 MAGALHAES等[17]研究表明，堆體排出的O2濃度為10 %～18 %時(shí)，堆體中微生物活性最佳，有機(jī)物迅速降解，耗氧量逐漸增大，而后隨著可降解有機(jī)物減少，微生物對O2的需求量逐漸減少，O2濃度又開始增加。在35 d堆肥過程中，各處理O2濃度均呈降-升-降-升波浪型變化。至35 d堆肥結(jié)束時(shí)，O2濃度趨近于環(huán)境氧濃度。在整個堆肥過程中，AR0.4和AR0.6的O2濃度均≥10 %，而AR0.2的O2濃度有<10 %的情況產(chǎn)生。說明，通風(fēng)速率為0.2 L/(kg DM·min)時(shí)，在堆肥高溫期存在供氧不足，不能滿足好氧微生物的需氧量，導(dǎo)致厭氧發(fā)酵過程的發(fā)生。

2.2 堆肥產(chǎn)品的理化指標(biāo)與腐熟度

由圖3看出，3種通風(fēng)速率條件下堆肥產(chǎn)品的理化指標(biāo)與腐熟度隨時(shí)間的變化趨勢。

2.2.2 發(fā)芽率指數(shù)(Germination index，GI) GI是評價(jià)堆肥腐熟度的重要指標(biāo)，也是檢測堆肥產(chǎn)品是否安全的重要指標(biāo)之一[25]。當(dāng)GI>50 %時(shí)，表明堆肥產(chǎn)品對作物生長無毒害作用；當(dāng)GI>80 %時(shí)，則認(rèn)為堆肥達(dá)腐熟程度[25]。經(jīng)過35 d的堆肥后，各處理堆肥產(chǎn)品的GI均呈上升趨勢。其中，在堆肥前期(0～7 d)，各處理堆肥產(chǎn)品的GI基本未變化，可能是因?yàn)槎逊是捌谟袡C(jī)碳、氮分解產(chǎn)生大量有機(jī)酸和銨，導(dǎo)致種子發(fā)芽受到抑制，與李春萍等[20，26-27]的研究結(jié)果一致；堆肥中期(7～21 d)，隨著物料中有害物質(zhì)的逐步降解，各處理堆肥產(chǎn)品的GI呈明顯上升趨勢，尤其是AR0.6，說明不同通風(fēng)速率對雞糞-煙末聯(lián)合堆肥產(chǎn)品生物毒性有影響；堆肥中期(21～35 d)，AR0.4和AR0.6堆肥產(chǎn)品的GI達(dá)50 %以上，滿足堆肥產(chǎn)品對作物生長無毒害作用的要求，但均未達(dá)GI>80 %的腐熟要求。再一次驗(yàn)證，在低C/N堆肥中采用GI評價(jià)堆肥產(chǎn)品腐熟度的局限制性。

2.3 堆肥過程中污染氣體排放特征

2.3.1 氨氣(NH3) 堆肥過程中大量氮素以氨氣(NH3)的形式揮發(fā)損失，NH3損失量可達(dá)物料初始總氮的40 %～80 %[28-29]。從圖4看出，不同通風(fēng)速率條件下NH3的排放速率及累積排放量存在差異。①NH3排放速率。堆肥前2 d堆體溫度低，NH3產(chǎn)生量較小；隨著堆體溫度升高，NH3濃度隨之增大。AR0.6在處理第8天出現(xiàn)NH3排放速率最大值，為0.91 g/(kg DM·d)；而AR0.4和AR0.2的NH3排放速率均延遲至第16天產(chǎn)生最大值，分別為0.97和0.35 g/(kg DM·d)。表明，同一物料配比條件下，高通風(fēng)量處理NH3的排放速率高于低通風(fēng)量處理，與SHEN等[30]的研究結(jié)果相似；也有可能是因?yàn)榈屯L(fēng)量無法滿足堆體內(nèi)部好氧要求，進(jìn)而局部區(qū)域發(fā)生厭氧發(fā)酵產(chǎn)生有機(jī)酸，導(dǎo)致堆體pH減低，從而影響體系NH3的揮發(fā)。經(jīng)過35 d的堆肥，NH3排放在整個堆肥周期均有產(chǎn)生，與雞糞含有機(jī)質(zhì)較高，每次翻堆后溫度均有回升有關(guān)。②NH3累積排放量。在整個堆肥過程中，各處理的NH3累積排放量呈：AR0.6>AR0.4>AR0.2。AR0.2、AR0.4和AR0.6的NH3累積排放量隨時(shí)間延長呈增加趨勢，堆肥35 d時(shí)分別為18.1、30.6、35.5 g/kg DM。表明，NH3的累積排放量隨通風(fēng)速率增大而增大。

2.4 物料平衡與溫室效應(yīng)

有研究表明，在堆肥過程中碳素主要以CO2和CH4等氣體形式釋放出來，有機(jī)碳損失率達(dá)31 %～68 %[35]，而氮素主要以有機(jī)氮礦化、硝化/反硝化作用下，大部分以NH3揮發(fā)的形式排放到大氣中，損失率達(dá)13 %～78 %[28]。IPCC第四次評估報(bào)告《氣候變化2007》[36]指出，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動排放的CO2、CH4和N2O等溫室氣體已成為全球溫室氣體的第2大重要來源。CH4和N2O的全球變暖潛勢值是CO2的25和298倍，對全球變暖的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于CO2。從表2看出，雞糞-煙末聯(lián)合堆肥過程中氮素?fù)p失水平為37.56 %～46.83 %，其中以NH3-N形式損失的氮素占堆肥總氮損失的44.67 %～74.22 %，與NAKHSHINIEV等[28，35]的研究結(jié)果一致。AR0.2的N2O排放速率高于AR0.4和AR0.6，整個堆肥過程以NO2-N形式損失的氮素占堆肥總氮損失量的0.06 %～0.55 %，顯著低于羅俊丞等[36]的研究結(jié)果(0.1 %～1.9 %)。表明，控制雞糞-煙末聯(lián)合堆肥過程中NH3排放尤為重要。因此，調(diào)控好氧堆肥過程中碳、氮損失成為提升堆肥品質(zhì)的關(guān)鍵。

對于各處理碳的變化趨勢，雞糞-煙末聯(lián)合堆肥過程中碳素主要以CO2-C形式損失，占堆肥總有機(jī)碳損失的17.72 %～19.06 %，以CH4-C形式損失僅占堆肥總有機(jī)碳損失的0.04 %～0.10 %，遠(yuǎn)低于楊帆等[9，13]的研究結(jié)果，可能與堆肥物料不同有關(guān)。該試驗(yàn)所用雞糞-煙末與豬糞玉米秸稈混合相比，物料粒徑小，C/N比低，極易形成包覆區(qū)域，導(dǎo)致有機(jī)物降解不完全，因而CH4-C損失量偏低。堆肥過程中除排放CH4和N2O等溫室氣體外，還產(chǎn)生大量CO2。在整個堆肥過程中，AR0.2、AR0.4和AR0.6的溫室氣體排量分別為147.88、36.50和15.05 kg CO2-eq t-1DM，AR0.2顯著高于AR0.4和AR0.6。表明，AR0.6條件下雞糞-煙末聯(lián)合堆肥的溫室氣體減排效果最好。

3 討 論

4 結(jié) 論

不同通風(fēng)速率條件下雞糞-煙末聯(lián)合堆肥溫度均能達(dá)到無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，至堆肥結(jié)束時(shí)，堆肥GI達(dá)50 %以上，滿足堆肥產(chǎn)品對作物生長無毒害作用的要求。

NH3排放發(fā)生在整個堆肥周期，而N2O和CH4排放主要集中在堆肥的升溫期和后腐熟階段。NH3和CH4累積排放量隨通風(fēng)速率呈增長趨勢，N2O累積排放量與通風(fēng)速率則呈負(fù)相關(guān)，但過低通風(fēng)條件可導(dǎo)致較高的N2O排放，總體呈低通風(fēng)有利于保留銨態(tài)氮，而高通風(fēng)有利于堆肥腐熟。

整個堆肥過程以CH4-C和CO2-C形式損失的碳素占堆肥總有機(jī)碳損失的38.57 %～49.97 %，以NH3-N和N2O-N形式損失的氮素占37.56 %～46.83 %，尤以AR0.4處理碳和氮損失量最小。綜合考慮堆肥的腐熟度、典型污染氣體排放控制效果及碳氮損失量，雞糞-煙末聯(lián)合堆肥適宜通風(fēng)速率為0.4 L/(kg DM·min)。