隋炀帝艳史低碳氮比条件下猪粪堆肥氨气和温室气体排放-黄楼壹诺农资

时间：2018年01月30日 | 作者 : admin | 分类 : 全部文章 | 浏览: 579次

低碳氮比条件下猪粪堆肥氨气和温室气体排放-黄楼壹诺农资

作者：周谈龙，尚斌，董红敏**，朱志平，陶秀萍，张万钦
（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081）
来源:中国有机肥协会
堆肥作为畜禽粪便资源化利用的关键技术已经得到广泛应用，但粪便堆肥过程中排放的NH3、N2O、CH4等气体，不仅会造成氮等营养元素的流失，还会产生二次污染，并直接影响堆肥技术的推广与应用。目前，国内外针对畜禽粪便、城市固体废弃物等堆肥过程中NH3和GHG排放开展了一定研究，且物料特性、堆肥参数及堆肥规模对氨气和温室气体排放都具有较大影响。但关于猪粪堆肥过程中NH3和GHG的排放研究大多集中在实验室条件下，且以往研究推荐的最佳碳氮比（C/N）为25～30。本研究以猪粪和秸秆为原料地震哥，通过减少秸秆等碳源添加物，达到低C/N水平，在相同条件下处理更多的猪粪，以减少养殖场对秸秆等外加碳源物质的经济投入，研究低C/N条件下堆肥过程中NH3和GHG的排放规律，为猪粪堆肥中气体减排提供数据支持。
1.材料与方法
1.1试验原料
堆肥试验于2015年10月18日-11月21日在北京市大兴区某猪场进行，原料包括猪粪和玉米秸秆，猪粪为猪场内产生的鲜猪粪；玉米秸秆来自养殖场附近的村庄，秸秆经过粉碎机切割成2～5cm长。玉米秸秆与猪粪混合体积比为2∶1，混合物容重约为630kg·m-3，C/N为13.2，秸秆和猪粪具体特性如表1所示。

1.2试验装置和运行参数
试验采用密闭式强制通风好氧箱式发酵，共设置3个堆肥箱，堆肥箱体有效体积为0.95m3，尺寸为1m×1m×1m，主体结构采用1cm厚聚氯乙烯（PVC）板，采用5cm聚乙烯作为保温层（图1），间歇式通风，每通风10min停止30min，通风率为60L·min-1·m-3[20-22]，进气通过筛板进入箱体并实现均
匀布气，发酵周期为31d，仅在第21天进行了翻堆象山港论坛，在试验第18天出现连续26h停电，造成风机和检测装置Innova1312停止运行。

1.3采样与分析
1.3.1气体排放通量
使用Innova1312实时监测3个箱体排放的混合气体中NH3、N2O、CH4和CO2的浓度蜜桃派官网。Innova1312使用前采用标准气体NH3、N2O、CH4、CO2（中国计量科学研究院提供）进行标定，每个采样点每隔2min采1次样，重复测定5次，取最后1次读数进行计算，24h连续测定。根据进气口和出气口浓度、通风量和堆体的初始质量，计算单位初始物料的气体排放通量，计算式为

式中，ERj表示单位质量（湿重）初始物料排放第j种气体的排放速率（mg·kg-1·h-1），j=1、2、3、4，分别表示NH3、N2O、CH4、CO2，Co,j和Ci,j分别表示堆肥箱排气口和进气口处所测第 j 种气体的浓度（mg·m-3），Qair表示堆肥箱的通风率（m3·h-1），m表示堆体原料的质量（kg）
1.3.2日平均温度
堆肥箱内和环境温度采用温度自动采集器（HOBO Pro V2 U23-003）进行测定，温度探头放在堆肥箱体中轴处50cm左右的深度，记录间隔为1h，日平均温度为24h的平均值。
1.3.3堆肥物料特性
分别在堆肥第1、5、9、12、15、20、22、26、31天时，从堆肥箱体上、中、下3层取等量样品，均匀混合后送农业部畜禽环境设施设备质检中心进行检测，测定含水率、pH、总碳和总氮等指标。含水率采用烘箱干燥法测定；pH采用便携式pH计法；总氮采用杜马斯燃烧法隋炀帝艳史。
1.3.4C、N损失

式中，碳损失（μC,i）为不同形式碳损失相对于物料初始总碳质量分数所占的比例，μC,i表示堆肥过程中第i种气体排放的C损失率，i=1和2，分别表示CH4和CO2；mC,i表示每千克初始原料第i种气体累计排放的C量（g·kg-1
）；MTC表示每千克初始原料中总C含量（g·kg-1）。

式中，氮损失（μN惑世血莲,i）为不同形式氮损失相对于物料初始总氮质量分数所占的比例，μN,i表示堆肥过程中第i种气体排放的N损失率，i=1和2，分别表示NH3和N2O；mN金智善,i表示每千克初始原料第i种气体累计排放的N含量（g·kg-1）；MTN表示每千克初始原料中总N含量（g·kg-1）。
1.4数据处理与分析
数据统计和分析利用SPSS statistics 20和Excel 2016，绘图利用Sigma Plot 12.5软件完成。
2.结果与分析
2.1猪粪堆肥过程中温度的变化
由图2可见，试验期间（2015年10月18日-11月21日）堆肥箱外环境气温在10℃上下，最高13.76℃，最低3.74℃。箱体内日平均温度从第1天开始就远高于箱外，达30.93℃；随后大幅升高，至第4天已超过50℃，并保持高温较长时间；第21天翻堆时温度略有下降，随后继续升高，最高时达到70℃。在整个堆肥31d过程中，温度持续超过50℃的天数达18d，符合粪便无害化卫生要求（GB 7959-2012）中人工堆肥≥50℃至少持续10d[23]和畜禽粪便无害化处理技术规范（NY/T1168-2006）中密闭式堆肥保持发酵温度≥50℃不少于7d[24]的要求。

2.2猪粪堆肥过程中物料特性的变化
由图3a可见，试验过程中堆体pH整体呈现增长的趋势，从堆肥开始的7.1左右，经过31d的好氧发酵达到8.0左右，满足《有机肥料》（NY 525-2012）标准中pH应在5.5～8.5的要求。堆肥物料pH在6.7～9.0范围内，堆肥过程中的微生物具有较高的活性[25]，但相关研究表明，pH不是影响堆肥微生物活性的主要因素，几乎所有物料的 pH 都在这个范围内[25]。堆体含水率变化如图3b所示，水分是堆肥内微生物生长繁殖的环境条件，又是物质交换的媒介[26]，在堆肥过程中具有重要的作用，在整个堆肥过程中呈现下降趋势，但在未补充水分的条件下，试验结束时堆肥物料的含水率仍在52%左右，在微生物生长适宜的含水率（50%～60%）范围内日食妖后。

TC在整个堆肥过程中呈现下降趋势，试验结束时堆肥物料的TC比初始值下降了10.9%，有机物的降解产生的挥发性含碳气体是造成碳损失的主要原因。堆肥过程中虽然NH3和N2O等气体的挥发造成氮含量的损失，但TN量出现了升高的趋势，堆肥结束时，TN含量达3.1%，与尚斌等的研究[22,26-27]具有相似的结论，主要是由于干物质下降的幅度超过TN下降的幅度，造成TN相对含量出现增加（如图3c、d）。
2.3猪粪堆肥过程中气体排放规律
2.3.1 NH3排放
NH3是好氧发酵过程中主要挥发性物质之一，NH3排放不仅造成环境污染，还会造成氮流失。由图4可见，试验期间NH3的日均排放量在16.8～164.1mg·kg-1（排放浓度在 116.5～1137mg·m-3），排放主要集中在堆肥第1周和翻堆后。在堆肥第2天NH3排放迅速升高，苏拉文雅随后缓慢下降；在翻堆前，NH3浓度出现缓慢下降，是由于底部堆肥产生的NH3受到抑制贤士榜，直到在翻堆作用下物料的重新分配[28]。NH3排放峰值出现在第21天翻堆后，达到1137mg·m-3，远远超过《恶臭污染物排放标准》（GB 14554-93）[20]三级排放标准中5.0mg·m-3的要求，高达其227倍。在整个堆肥过程中，每千克初始堆肥混合料的NH3排放为2265.48mg。

2.3.2 N2O排放
堆肥过程中铵态氮的硝化与硝态氮的反硝化过程均有可能产生N2O，图5为N2O日均排放量和累计排放量，由图可见，堆肥前期N2O的排放相对较稳定，后期出现较大的波动。N2O日均排放浓度范围在8.7～33.3.7mg·m-3，并且排放峰值出现在翻堆后，达33.37mg·m-3，随后迅速下降，翻堆后N2O达到峰值可能是由于有氧条件下产生的硝酸盐，进入厌氧区域或微氧环境后，通过反硝化作用产生N2O，翻堆能够显著增加N2O的释放，本试验N2O排放在第18天时出现了短暂的上升，并保持2d较高的排放浓度，随后恢复到之前水平扔蛇狂魔，可能与堆肥第18天时出现的连续26h停电有关，但其出现短暂上升的机理需要进一步深入研究。N2O的累计排放量如图5所示，在整个堆肥过程中，每千克初始堆肥混合料的N2O排放为66.83mg。

2.3.3 CH4排放
堆肥过程中CH4排放变化规律如图6所示，由图可见，堆肥初期CH4排放浓度较高，中后期较低。CH4排放的高浓度出现在堆肥后的前2d，随后迅速下降，CH4浓度保持40mg·m-3左右持续10d，但在堆肥的第18天时，主要是由于出现超过26h的停电，氧气供应不足，造成CH4排放增加，浓度达到110mg·m-3。第21天翻堆后CH4浓度出现了小幅增长，主要是由于翻堆作用下，堆体内的CH4得以释放。堆肥后期几乎不产生CH4，主要是由于有机物的大量减少，且随着堆肥物料含水量的下降，厌氧区域减少。图6表明，在整
个堆肥过程中，每千克初始堆肥混合料的CH4累计排放量为237.36mg。

2.3.4 CO2排放
CO2排放主要集中在堆肥的开始阶段和翻堆后，CO2的释放速度表征了有机物的降解率和微生物活性[14]，CO2排放规律与温度具有相似的变化规律。在试验过程中，CO2的排放浓度为15.58～46.83mg·m-3韬客。CO2排放峰值在堆肥翻堆后，浓度高达46.83g·m-3，随后迅速下降，翻堆能够显著促进CO2的排放，与Zhu 等[28,30-31]具有相似的结论。CO2的累计排放量如图7所示，在整个堆肥过程中，每千克初始堆肥混合料的CO2的累计排放量为135.72g。

根据IPCC第五次评估报告[32]，按100a尺度计算，CH4和N2O的全球增温潜势（GWP）分别是28和256，将CH4和N2O转化成二氧化碳当量（CO2-eq），计算出堆肥过程中温室气体排放如表2和表3所示，考虑和不考虑CO2排放时的每千克初始原料的温室气体（CO2-eq）排放总量分别为159.48和23.75g。考虑CO2时，CO2、CH4和N2O累计排放分别占温室气体（CO2-eq）排放的85.10%、4.17%和10.73%。如果不考虑CO2史来贺，温室气体的排放以N2O为主，N2O和CH4的贡献率分别为72.02%和27.98%。NH3的排放主要集中在第1周和翻堆后，分别占总排放的31.09%和36.15%，NH3挥发的氮素损失分别占初始TN的7.40%和8.61%；堆肥后期N2O排放占总排放的39.14%，以N2O形式挥发的氮素占初始总氮的0.21%；CH4排放各个阶段差异性不大大国海魂，第3周排放最高，占总排放的30.32%，占初始总碳的0.05%。可见，在本试验中NH3-N是主要的氮损失来源知页，占初始TN的23.81%，CO2-C是主要的碳损失来源，占初始TC的35.83%。气体累计排放量变化规律与物料特性相关性分析如表4所示。由表可见，物料pH值与气体累计排放呈现良好的正相关（P＜0.01），相关系数都在0.9以上；含水率与气体累计排放量呈现良好的负相关（P＜0.01），除了对NH3的相关系数小于0.9，其余均在0.9以上；C/N与气体排放呈现良好的负相关（P＜0.01），相关系数均在0.9以上。

3.结论与讨论
本试验以猪粪和秸秆为发酵原料，经过31d好氧发酵，堆肥发酵温度超过50℃的持续天数均在10d以上，满足现行相关标准的无害化卫生要求；NH3排放浓度与温度变化规律具有一定的相似性，NH3排放主要集中在堆肥高温期（堆肥第1周和翻堆后），这与Zhu等[28,32]研究具有相似的结论；N2O排放主要集中在堆肥后期关贵敏，翻堆后N2O达到峰值可能是由于有氧条件下产生的硝酸盐，进入厌氧区域或微氧环境后，通过反硝化作用产生N2O，翻堆能够显著增加N2O的释放，与Ahn等[30,33]具有相似的结论。Ahn等[30]认为牛粪堆肥翻堆N2O排放是不翻堆处理的3.5倍，但是Zhu等[28]认为N2O排放在堆肥早期，翻堆不会对N2O浓度造成影响，江滔等[17]也认为N2O排放与温度变化趋势相同无敌福禄寿，在堆肥的初期达到高峰，翻堆对N2O排放影响出现不同的研究结论，可能是由于试验原料、运行控制条件和堆肥方式等对气体的产生和排放的影响。本研究CH4的排放主要集中在第3周，可能是由于第18天出现了超过26h的停电造成的，由于氧气不足造成CH4排放增加，但后期几乎不产生CH4，主要是由于有机物的大量减少，且随着堆肥物料含水量的下降，厌氧区域减少。CH4产生于厌氧条件下，在厌氧区域减至消失时，标志着堆肥的成熟[34]。
在整个堆肥过程中，每千克初始原料的NH3、N2O、CO2和CH4的累计排放分别为2.27、0.07、135.72、0.24g，并且堆肥过程中气体累计排放量与物料pH呈现良好的正相关（P＜0.01），与含水率和C/N呈负相关（P＜0.01）。其中NH3和N2O损失的氮占初始原料TN的23.81%和0.54%，CH4和CO2形式损失的碳占初始原料TC的0.17%和35.83%。整个堆肥过程中以NH3形式损失与Osada等[35]在猪粪堆肥过程中初始原料中10%～25%的氮是以NH3的排放而损失具有相似的结论；Beck-Friis等[36]认为，生活垃圾和麦秆堆肥过程中大于98%的氮损失是以NH3的形式释放，可以通过调节C/N，以减少NH3的排放，或减少翻堆的频率和添加覆盖材料均可较好地实现减少NH3的释放[19]；Boucher等[37]通过添加FeCl3降低污泥堆肥过程中NH3的排放。本研究以CH4形式损失的碳占原料总碳低于Hao等[31]牛粪堆肥过程中的CH4形式损失的2%～3%，主要是由于原料的C/N不同和堆肥工艺的差异性。相关研究表明，增加孔隙率和曝气量可以减少CH4的排放[13]《灯草和尚》，对于CH4的控制应集中在堆肥前期[16,38]。
综上所述，在本研究工艺条件下，经过31d好氧发酵，满足现行相关标准的无害化卫生要求，在整个堆肥过程中，每千克初始原料的NH3、考虑和不考虑CO2的温室气体（CO2-eq）的累计排放分别为2.27、159.48和23.75g。建议对猪粪堆肥过程中NH3排放的控制集中在堆肥第1周和翻堆后，GHG减排应重点关注堆肥后期N2O的排放。

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