棉秆木醋液对牛粪堆肥过程中CH4和CO2排放的影响

刘飞等

摘要：为研究不同浓度棉秆木醋液对畜禽粪便高温堆肥的温室气体排放的调控作用，以牛粪和锯末为试验材料，用生物质热裂解试验装置热解棉秆得到的木醋液作为添加剂，在自制的发酵仓内进行好氧堆肥试验，检测添加不同浓度木醋液对牛粪堆肥过程中温室气体排放情况和碳损失率。结果表明：在堆肥物料中添加木醋液对提高升温速率、缩短堆肥时间、降低碳损失率均有明显效果；与其他处理组相比，添加3%的棉秆木醋液对堆肥过程中CH4产生有显著抑制作用，降低了15%左右，对CO2的排放抑制作用3#>2#>1#。

关键词：棉秆；好氧堆肥；温室气体；木醋液；粪便

中图分类号：S141.4文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）09-0364-06

全球每年产生大约80亿～100亿t固体废弃物，其中有机固体废弃物占了很大比例[1]。如果不能及时有效地处理这些有机固体废弃物，将会对环境生态系统产生危害，制约经济发展，影响人类生活。近年来，随着堆肥技术的发展，一方面有效合理地处理了有机固体废弃物，并获得有机肥料，减少了化肥的使用量；另一方面却产生了温室气体和臭气，增加了温室气体浓度、污染环境、降低堆肥产品质量，成为制约堆肥化的主要因素[2]。堆肥是实现废弃物减量化、资源化、无害化的主要技术途径。在堆肥过程中，有机态氮的降解及其硝化、反硝化作用会产生一定量的N2O，其产生量约占堆肥总氮质量的0.2%～6%，CH4的产生量约占堆肥总碳质量的0.8%～6%[3]，其100年温室效应分别是CO2的25倍和298倍[4]。NH3是堆肥过程中产生臭气和降低堆肥产品质量的主要原因[2]。

国内外学者对堆肥过程中温室气体的排放已开展了广泛的研究。Chowdhury等报道低通风速率和添加生物炭能够显著降低NH3和CH4的挥发[5]。赵晨阳等研究发现翻堆频率显著提高了猪粪堆肥过程中温室气体和NH3的排放[6]；而江滔等发现冬季翻堆能够显著降低N2O和CH4的排放[7]。目前关于堆肥过程温室气体的减排主要集中在堆肥条件的调节和控制[5-10]，也有学者通过混合堆肥[11-12]、添加过磷酸钙[3]、明矾和沸石[13]、蚯蚓辅助堆肥[14]达到温室气体减排的目的。木醋液（wood vinegar & pyroligneous acid）具有促进生物生长、土壤消毒、杀菌、防虫、防腐、保鲜等作用，在农牧业应用广泛。Chen等只是在猪粪堆肥中添加竹炭和竹木醋液，结果发现有效地减少了氮素挥发并钝化了铜、锌重金属[15]。目前关于添加木醋液在调节种子发芽和根的生长[16-18]、杀菌[19-20]和育肥猪[21-22]方面已有很多研究，但是对堆肥过程温室气体影响的研究相对较少。本试验以牛粪为研究对象，通过添加不同浓度梯度的棉秆木醋液，对比研究堆肥过程CH4和CO2的排放和其他指标变化规律，探讨添加不同浓度木醋液对牛粪堆肥的处理效果并提供实践参考。

1材料与方法

1.1试验原料

试验设在塔里木大学动物科技学院试验站，堆体物料由牛粪和锯末组合而成，按质量比17.8 ∶1混合。牛粪取自该试验站，试验站的牛主要以麦秸和干草等粗饲料为主食；锯末购自阿拉尔市某木材加工厂。物料的初始性质见表1。

1.2堆肥装置设计

堆肥装置系统结构如图2所示。反应器内部尺寸为 0.6 m×0.6 m×0.6 m，外部尺寸为1 m×1 m×1 m，保温层材料为聚乙烯泡沫板。在堆体中心距离底部15 cm、30 cm、45 cm处放置温度传感器（Pt100电阻）；同样在每一层高度上均匀布置3个气体采集点，从中心到边缘分别为1、2、3号位置（图2），在箱壁一侧同等位置打孔，插入PVC管用于导出气体；反应器底部有通风管道。试验采用4组规格相同的反应器。

1.3试验设计

堆肥试验从2014年1月开始，持续11周。试验设置3个处理组，1个对照组，处理组根据堆肥物料的起始质量设3

个不同棉秆木醋液水平，分别为0.5%、1.7%和3.0%（木醋液添加量均为木醋液与堆肥物料鲜质量的比值）。具体原料配比如下：CK，牛粪66 kg+锯末3.69 kg+水23.8 kg；1#，牛粪 66 kg+锯末3.69 kg+水23.8 kg+0.5%棉秆木醋液；2#，牛粪66 kg+锯末3.69 kg+水23.8 kg+1.7%棉秆木醋液；3#，牛粪66 kg+锯末3.69 kg+水23.8 kg+3.0%棉秆木醋液。

堆体温度超过60 ℃时通风30 min，前4周每周翻堆1次，以后每2周翻堆1次，翻堆前采集堆体不同位置的试样并保存在4 ℃下。

1.4测定项目与方法

堆体温度每天测量3次计算平均温度；总有机碳用重铬酸钾外加热法测定[23]。

温室气体和O2均采用静态箱法采集气体，前4周每2 d采集1次，以后逐渐隔4～7 d采集1次。其中翻堆前1 d和翻堆后2 d采集气体。采集的气体样品用Agilent公司生产的7890B气相色谱仪分析气体样品中CH4、CO2和O2的浓度，其中氢火焰离子化检测器（flame ionization detector，FID）检测CH4，热导检测器（thermal conductivity detector，TCD）检测CO2和O2。

堆肥有机质的损失量计算公式[2]：

OMLossj=（OMi-OMj）OMi（1-OMj）×100%。

式中：OMLossj为堆肥j d有机质的损失量，%；OMi为堆肥开始时有机质百分含量；OMj为堆肥第j 天有机质百分含量。

2结果与讨论

2.1棉秆木醋液对堆肥温度变化的影响

温度是表征堆肥进程的参数，温度的变化情况反映堆肥化程度。图3至图5分别为不同浓度水平处理下堆体各层温度的变化情况。从图3至图5中可以看出，不同浓度水平处理堆体温度变化都经历类升温期、高温期和降温期3个阶段。但是不同浓度水平处理和对照组在不同阶段和不同位置存在显著差异。

在升温期阶段，处理组比对照组先到达高温期，提前进入高温期不仅杀死物料中的病原菌，减少恶臭气体的产生，而且能够缩短堆肥周期。本试验中处理组3#提高了堆体的温度，

并提前进入腐熟阶段，这表明高浓度木醋液的添加可加速堆肥进程，缩短堆肥周期，与陈英旭在用竹炭和竹醋液处理猪粪时结论一致[15]。

2.2棉秆木醋液对堆肥中CH4和CO2排放特征的影响

CH4的产生是在厌氧条件下，由甲烷菌还原CO2或含碳有机物产生的；CO2是微生物新陈代谢的主要产物，畜禽粪便堆肥损失大约50%的总碳。图6至图8分别为堆肥上、中、下层CH4和CO2的排放情况。整体来看，堆体中CH4和CO2的变化趋势基本一致，但各处理组间差异显著。

在堆体上层，升温期CH4和CO2的排放量达到峰值，随后下降，在前7 d，中心点CH4和CO2排放较多，在这个时间段，说明温度与CH4和CO2排放成正相关，可能与堆肥初期大量微生物快速繁殖并发生生化反应有关。在前7 d，3个处理相对对照有促进CH4排放的作用，3个处理组试验在2周后CH4排放基本为零，说明有抑制CH4排放的作用，3#处理组在7 d后就抑制了CH4排放。CO2在前7 d释放量最大，占到16%～24%，随后迅速下降，14周后缓慢下降，3#处理组在第7周后进一步抑制CO2的排放，维持在2%左右。从整体上看木醋液处理后CH4和CO2的排放基本稳定，波动不大，根据图形的斜率可知，CH4和CO2的排放随着木醋液浓度的增大抑制作用就越强，说明木醋液的添加有利于减少CH4和CO2的排放。

在堆体中层，3#处理组的CH4和CO2的排放规律与上层基本一致，其他试验组规律呈现一致，在3周后都出现CH4第二个峰值。CH4出现第二个峰值可能与翻堆调节含水率有关，导致堆体空隙率降低造成厌氧。CO2在翻堆后出现不同程度的增加，很可能与翻堆后微生物新陈代谢增强有关。与对照组相比，处理组CO2的排放量有不同程度的抑制，3#在2周后使CO2排放量降低到5%以下。

CH4和CO2在堆体下层的排放规律与中层相一致，下层中心位置CH4的排放量高于其外侧，而CO2在2号位置排放量较大。3#处理组与上层、中层CH4排放规律一致。

值得注意的是3#处理组在7 d后开始抑制CH4排放，前7 d CH4的排放量要高于对照组；CO2排放规律与之类似，并且1#和2#处理组在堆肥的前几天CH4排放量的峰值比对照组高，最后又表现出抑制其排放的情况。对此，可能的解释是棉秆木醋液成分复杂，本身的酸性物质一方面腐蚀牛粪颗粒表层形成空隙；另一方面杀死某些细菌，造成某一菌种占优势；另外木醋液可能起到表面活性剂的作用，改善降解体系的

微环境，是综合作用的结果[17]。

2.3物料平衡及温室效应分析

堆肥过程中总碳损失率如表3所示。从表3可以看出，在前期碳损失量最大，对照组比其他处理组损失量高出 14%～26%，与前期CH4、CO2排放量大相吻合。随着木醋液浓度的增加，碳损失量降低，堆肥结束碳损失量比对照组减少34%，提高了堆肥产品中有机质的含量。

堆肥过程中产生的CH4和CO2均是主要温室气体，目前对有机废气物降解产生CO2的温室效应的计算方法存在争议[25]，就CH4排放情况来说，高浓度木醋液使总温室气体排放量显著降低，比对照组减少15%左右。添加3%棉秆木醋液可以缩短堆肥周期、减少温室气体、提高堆肥品质。

3结论

本研究结果表明，在好氧堆肥中，添加棉秆木醋液可以提

高堆肥温度，缩短堆肥周期。

添加棉秆木醋液能够有效降低牛粪堆肥CH4和CO2的排放。添加3%的棉秆木醋液CH4总排放量比对照组减少15%左右。

添加3%的棉秆木醋液能够显著降低堆肥过程中碳损失率，提高堆肥品质。

综上所述，畜禽粪便堆肥过程中添加3%的棉秆木醋液能够降低温室气体排放、提高堆肥品质。热解棉秆制取木醋液为农业废弃物的合理利用提供了可能，在生物质资源利用中具有一定的应用价值。

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