处理阶段和季节对猪场粪污碳氮气体排放规律的影响

问 鑫，王 卉，钟元春，邓奇风，高凤仙※

（1.湖南畜禽安全生产协同创新中心，湖南长沙410128；2.湖南农业大学动物科技学院，湖南长沙410128）

处理阶段和季节对猪场粪污碳氮气体排放规律的影响

问 鑫1,2，王 卉1,2，钟元春1,2，邓奇风1,2，高凤仙1,2※

（1.湖南畜禽安全生产协同创新中心，湖南长沙410128；2.湖南农业大学动物科技学院，湖南长沙410128）

为研究南方集约化猪场粪污“厌氧发酵—一级氧化塘—二级氧化塘”三级处理不同处理阶段及不同季节甲烷、二氧化碳、氨气、氧化亚氮和一氧化氮的排放规律。试验结果表明，同一处理阶段不同季节，粪水中NH3的排放均按秋、春、夏、冬依次降低且各季间差异显著（P＜0.05）；N2O在厌氧发酵及一级氧化塘处理阶段排放规律是随秋、春、夏、冬依次降低，除在一级氧化塘春、夏季间无显著差异（P＞0.05）外其他各季间差异显著（P＜0.05），二级氧化塘夏、冬节连续监测结果为0，春、秋节排放量仅为0.47mg/(m2·h)和0.43mg/(m2·h)，春秋与夏冬排放通量差异显著（P＜0.05）；CO2排放则在三级处理中分别为秋春夏冬、春冬夏秋、秋春冬夏依次降低，一级氧化塘夏秋季间差异不显著（P＞0.05），其他各季间差异显著（P＜0.05）；CH4在厌氧发酵处理阶段夏春秋冬依次降低，春与夏秋季无显著差异（P＞0.05），其他各季间差异显著（P＜0.05），而一二级氧化塘春秋夏冬依次降低，各季间差异显著（P＜0.05）；一、二级处理过程中NO排放秋、春、夏、冬依次降低且各季间差异显著（P＜0.05），三级处理则按春、夏、秋、冬依次降低，夏季排放与秋季排放差异不显著（P＞0.05），其他各季间差异显著（P＜0.05）。相同季节不同处理阶段，随着处理的进行，粪水中NH3、N2O、CO2、CH4和NO的排放通量逐步减少且各处理间差异显著（P＜0.05），而且CO2和CH4的排放量均与粪水中DM、DOM和TOC含量具有相关性；N2O、NH3和NO的排放量均与粪水中氨氮、硝氮和DON含量具有相关性。

猪场粪污；处理阶段；季节；碳氮气体；排放规律

畜禽养殖业的快速发展对环境造成了很大压力[1,2]，并快速发展成为非点源污染的重要原因之一[3,4]。畜禽养殖、粪便堆积、粪水处理等过程的时间、空间跨度大，畜禽代谢或者排泄物经水解、硝化、反硝化、分解等一系列反应释放出大量的二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等温室气体及氨气、一氧化氮等有直接或间接毒副作用的气体，从而导致了大气环境污染和温室效应，同时造成了土壤营养元素的流失[5]。为了控制规模化养殖对空气环境的不良影响，研究工作者针对动物呼吸[6,7]、粪便堆积[8]、粪水贮存、垫料、厌氧发酵、堆肥等单一环节的CO2、CH4排放进行了大量的研究，董红敏、朱志平等对畜舍内CH4、NH3等的排放与测试进行了系统的研究[9,10]，但对规模化养殖场粪污处理工艺全过程的碳氮气体全年的排放量及排放规律的研究未见报道。本试验研究了南方集约化猪场粪污三级处理工程“厌氧发酵—一级氧化塘—二级氧化塘”不同处理阶段与不同季节碳氮气体（CO2、CH4、N2O、NH3、NO）的排放通量及排放规律，为研究猪场粪污中有害气体排放量提供基础数据，并为探索减少有害气体排放措施提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间与方法

2013年1月至12月在湖南正虹种猪场进行为期1年的试验，该猪场粪污进行厌氧发酵、一级氧化塘和二级氧化塘三级处理，试验监测全年各处理单元碳氮气体（CO2、CH4、N2O、NH3和NO）逸散到空气中的排放通量以及同期各处理单元粪水中的碳氮物质（NH4+-N、NO3--N、DON、DM、DOM、TOC）的含量。

1.2 样品采集与处理

气体样的采集：每级处理设置3个重复气体采样点，每个采样点设置1个动态采样箱，共设置9个气体动态采样箱，每个点单个样品分析12分钟，从第1个箱体顺次到第9个，依此反复，24小时连续进行。水样的采集：实验在各级处理入水口、出水口分季度采集粪水水样，每个季节连续采集5天的水样，采集后的粪水样中按照1∶100加入1%硫酸进行固氮，立即放入-20℃冰箱中进行保存，采集完5天的水样后统一测定。

1.3 测定项目及方法

粪水水质测定项目有pH值（精密pH计）、氨态氮（HJ/535-2009纳氏试剂分光光度法）、硝态氮（HJ/T346-2007紫外分光光度法）、凯氏氮（GB/11891-1989）、溶解性有机氮（有机氮=凯氏氮—氨氮）、总有机碳（HJ/T104-2003）、干物质和总有机干物质（烘干法）；各处理连续监测的碳氮气体指标包括CO2、CH4、N2O、NH3和NO（ThermoScientific Model 17i NH3converter、NH3analyzer气体分析仪，INNOVA 1424 Photoacoustic Field Gas-Monitor气体测定仪）[11]。

1.4 粪水水质

不同季节进入不同处理单元的猪场粪水的碳氮物质的含量及pH值见表1。

表1 不同季节进入不同处理单元粪水水质状况

1.5 统计分析

试验结果采用平均值±标准差（X±SD）表示。用EXCEL对数据进行初步整理，采用SPSS17.0进行方差分析，再进行DUNCAN多重比较；之后，对数据进行回归分析（P＜0.05表示差异显著，P＞0.05表示差异不显著）。

2 结果与分析

在春、夏、秋、冬四个季节，猪场粪水经厌氧发酵、一级氧化塘、二级氧化塘三级处理（分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示），在各单元处理过程中碳氮气体（CO2、CH4、N2O、NH3和NO）排放通量见表2。

图1 厌氧发酵池碳氮气体排放通量的季节变化

2.1 同一处理单元碳氮气体排放通量的季节变化

2.1.1 厌氧发酵单元碳氮气体排放通量的季节变化

高浓度猪场粪水在厌氧发酵过程中，经醋酸菌及甲烷细菌的代谢作用，含碳物质分解产生CH4和CO2，同时粪水中的有机氮在氨化细菌的作用下固化为氨态氮，而反硝化菌则以有机物为碳源将粪水中的硝酸盐和亚硝酸盐还原为N2、NO、N2O、CO2[11]。厌氧发酵池产生的气体大多被收集利用，但密封不良也会逸散到空气中（见表2）。由表2可知，厌氧发酵池CO2排放通量远远高于CH4的排放通量，与沼气池产生的沼气的气体组分含量[12,13]（CH4：60%～70%、CO2：30%～40%）明显不符，可能的原因是从发酵池逸散出来的气体接触空气中的氧从而阻断了氢还原CO2生成甲烷的进程，从而导致厌氧发酵池空气中二氧化碳含量很高。在厌氧发酵池含氮物质也发生了一系列的变化。从表2可以看出，NH3、NO排放通量较高，可能是粪水中原有的及厌氧环境新生成的氨态氮[14-15]逸散，而空气中相对较高的排放气体的存在减少了NO被氧化的几率。由图1可知，NH3、N2O、CO2、NO 4种气体排放通量变化规律相似，春季排放通量较高，夏季较低，秋季最高，冬季最低，且各气体排放通量在各季节间均表现出显著性差异（P＜0.05）（表2）；CH4排放通量变化规律则是春季较高，夏季最高，秋季较低，冬季最低，CH4在春、秋两季无显著性差异（P＞0.05），且春季与夏季也无显著性差异（P＞0.05），冬季CH4的排放通量分别与春季、夏季及秋季排放通量均存在差异显著（P＜0.05），夏季排放通量与冬季排放通量也存在显著性差异（P＜0.05）（表2）。这可能是因为季节的交替导致环境温度变化，从而影响了氨化细菌、产甲烷菌及反硝化菌的代谢活动，致使粪水中的碳氮物质向碳氮气体转化几率降低[16]，同时因为气象因素如风向风速、光照、太阳辐射等的变化也可能影响了气体的产生和向空气逃逸。由于气体排放量的大小与其排放通量值呈正比关系，因此上述结果说明养猪场粪水在厌氧发酵池发酵后碳氮气体如NH3、N2O、CO2、NO排放量从秋季、春季、夏季到冬季依次减小，且各个季节间差异显著，而CH4排放量则是夏季、春季、秋季、冬季依次降低，春季与夏、秋两季排放量间均差异不显著，其他季节两两间差异显著[11]。

表2 不同季节不同处理碳氮气体排放通量（mg/(m2·h)

2.1.2 一级氧化塘碳氮气体排放通量的季节变化

图2 一级氧化塘碳氮气体排放通量的季节变化

从厌氧发酵池出来的粪水碳氮物质含量已明显降低，在经氧化塘处理过程中，通过物理、化学及生物的作用使粪水中碳氮物质含量进一步下降（表1）。由表2可知，从一级氧化塘逃逸出来的碳氮气体排放通量比厌氧发酵池显著降低。由图2可知，含氮气体NH3、N2O、NO的排放通量季节变化规律相同，秋季最高，春季较高，夏季较低，冬季最低。一级氧化塘逸散出来的碳气体依然有较高的排放通量，但较厌氧发酵池已显著减低。CH4排放通量以春季最高、秋季较高、夏季较低、冬季最低，CO2排放通量则是春季最高，秋季最低。NH3、NO、CH4各季节的排放通量相互之间均呈显著性差异（P＜0.05），而N2O春季和夏季差异不显著（P＞0. 05），其他季节两两间差异显著（P＞0.05），CO2夏季排放通量与秋季排放通量差异不显著性（P＞0.05），但分别与春、冬两季排放通量差异显著（P＞0.05），且春、冬两季排放通量也具有显著性差异（P＞0.05）（表2）。出现该结果的原因是，进入一级氧化塘的的猪场粪水依然含有较高浓度的氨态氮、硝态氮及溶解性有机氮，动态连续进水及曝气促进了氧化塘内硝化与反硝化持续交替进行，同时动态进水及大的曝气面也有利于氨的挥发，所以一级氧化塘含氮气体的排放通量较高，粪水中含氮物质含量显著降低。随着季节的交替，由于温度、光照及风速等自然因素的变化，影响了氧化塘内内藻菌共生体的光合作用和塘面挥发，从而影响粪水中的碳氮物质的转化和利用，对氧化塘气体代谢、逸散、氮物质沉积有很大影响[17-18]。

2.1.3 二级氧化塘碳氮气体排放通量的季节变化

图3 二级氧化塘碳氮气体排放通量的季节变化

由表2可知，经前两个单元处理过的粪水经二级氧化塘处理，碳氮气体向空气仍有排放但排放通量已显著降低且排放通量值较少。由图3可知碳氮气体的排放规律是：NH3排放通量在秋季最高，春、夏、冬次序逐渐降低；而NO排放随着春夏秋冬季节的更替依次降低；N2O在二级氧化塘处理阶段夏和冬季节排放量为0，春和秋两季排放量很低分别为0.47 mg/(m2·h)和0.43 mg/(m2·h)。CH4排放规律是春季最高，秋季次之，夏季较低，冬季最低；CO2排放规律是秋、春、冬、夏季依次降低即从377.87 mg/ (m2·h)下降至39.2 mg/(m2·h)。由表2可知，在二级氧化塘处理单元，NH3、CO2、CH4各季节的排放通量两两之间均具有显著性差异（P＜0.05）；N2O春和秋两季排放量很低且差异不显著（P＜0.05），夏冬分别与春秋排放差异显著（P＜0.05）；NO夏秋排放差异不显著（P＜0.05）；其他各季差异显著（P＜0.05）。由一级氧化塘出来的猪场粪水碳氮物质的浓度已经很低（表1），再经二级氧化塘时，经氧化塘内生物深度处理过程中降解生成的碳、氮物质经过挥发和生物吸收以及氧化塘水的稀释浓度进一步降低，从而从二级氧化塘表面逃逸出来的碳氮气体的排放通量也进一步减少（表2）。季节的更替和环境条件的变化使得气体逃逸同样出现季节差异。氧化塘的串联处理强化并互补了塘内生物对粪水中有机物质的分解作用[19-20]，进一步验证了Mara和R．S．Ramalho等人提出串联氧化塘可以提高水处理效率的结论[21]。

2.2 同一季节不同处理单元气体通量变化

猪场粪水在一年四季连续依次经由厌氧发酵池、一级氧化塘、二级氧化塘三级处理，粪水中的碳氮物质由于微生物的作用转化成碳氮气体，并逃逸到空气中。由表2可知，同一季节，NH3、N2O、CO2、CH4和NO排放通量均表现为厌氧发酵池、一级氧化塘、二级氧化塘依次降低，且在厌氧发酵池、一级氧化塘和二级氧化塘两两之间均存在显著性差异（P＜0.05）。随着处理的进行，粪水中的有机物质被微生物分解利用，以致粪水中碳氮物质浓度降低，因此所产生的气体也逐渐减少；氧化塘曝气不断补充水中的溶解氧，因此氧化塘水体较厌氧发酵阶段具有更多的氧，导致参与反硝化作用的活性菌减少，因此氧化塘水样中的硝态氮与氨态氮含量均显著低于厌氧发酵阶段，随之产生的氨气与氧化亚氮也会减少。系统中有机物质被微生物逐渐分解以致越来越少，甲烷菌用之来产生的甲烷也会逐渐减少；随着污水处理的进行，从厌氧发酵到一级氧化塘，再到二级氧化塘，系统中的活性污泥越来越少及有机物减少，所以微生物所能产生的二氧化碳或一氧化氮均会减少[11]。

3 结论

（1）相同处理阶段不同季节，由于季节性温度、光照、生物活动性等差异导致在同一处理阶段不同季节粪水中碳氮气体排放通量及变化规律不同。厌氧发酵处理阶段氨气、氧化亚氮、二氧化氮和一氧化氮排放规律是春季较高，夏季较低，秋季最高，冬季最低，而甲烷表现为春夏秋冬依次降低；一级氧化塘氮气体秋春夏冬依次降低，而甲烷为春、秋、夏、冬依次降低，二氧化碳则是春季最高，秋季最低；二级氧化塘氨气、二氧化氮、甲烷和一氧化氮排放通量秋季、春季、秋季、冬季依次降低，而氧化亚氮四季排放通量均较低，即春季较高、秋季较低，夏季和冬季排放通量为0。

（2）相同季节不同处理阶段，随着处理的进行，粪水中氨气、氧化亚氮、二氧化碳、甲烷和一氧化氮的排放通量逐步减少（P＜0.05）。处理后的粪水中氨气、氧化亚氮、二氧化碳、甲烷和一氧化氮的排放通量在春季分别为100.43mg/(m2·h)、0.47mg/(m2·h)、170.9mg/(m2·h)、89.18mg/(m2·h)、35.37mg/(m2·h)，在夏季分别为71.03mg/(m2·h)、0.00mg/(m2·h)、39.2mg/ (m2·h)、39.29mg/(m2·h)、23.31mg/(m2·h)，在秋季分别为141.09mg/(m2·h)、0.43mg/(m2·h)、377.89mg/(m2·h)、6.44mg/(m2·h)、20.5mg/(m2·h)，在冬季分别为49.64mg/(m2·h)、0.00mg/(m2·h)、115.43mg/(m2·h)、12.3mg/(m2·h)、9.68mg/(m2·h)。□

[1]王方浩,马文奇,窦争霞,等.中国畜禽粪便产生量估算及环境效应[J].中国环境科学,2006,26(5):614-617.

[2]张绪美,董元华,王辉,等.中国畜禽养殖结构及其粪便N污染负荷特征分析[J].环境科学,2007,28(6):1311-1318.

[3]Doole G J.Evaluating Input Standards for Non-Point Pollution Control under FirmHeterogeneity[J].Journal of Agricultural Economics, 2010,61(3):680-696.

[4]Wang Xiao,Hao Fanghua,Cheng Hongguang,et al.Estimating non-point source pollutant loads for the large-scale basin of the Yangtze River in China[J].Environmental Earth Sciences,2011,63(5): 1079-1092.

[5]Changsheng Li,William Salas,Ruihong Zhang et al.Manure-DNDC:a biogeochemical process model for quantifying greenhouse gas and ammonia emissions from livestock manure systems[J].Nutrient Cycling in Agroecosystem,2012，93:26-63.

[6]Anderson G A,Smith R J,Bundy D S,et al.Model to predict gaseous contaminants in swine confinement buildings[J].J.Agri.Engineering Research,1987,37(4):235-253.

[7]Van’t Klooster C E,Heitlager B P.Determination of minimum ventilation rate in pighouses with natural ventilation based on carbon dioxide balance[J].Journal of Agricultural Engineering Research, 1994,57(4):279-287.

[8]Ni J Q,Vinckier C,Hendriks J,et al.Production of carbon dioxide in a fattening pig house under field conditions.II.Release from the manure[J].Atmospheric Environment,1999,33(22):3697-3703.

[9]董红敏,朱志平,陶秀萍,等.育肥猪舍甲烷排放浓度和排放通量的测试与分析[J].农业工程学报,2006,22(1):123-128.

[10]朱志平,董红敏,尚斌,等.育肥猪舍氨气浓度测定与排放通量的估算[J].农业环境科学学报,2006,25(4):1076-1080.

[11]王卉.处理阶段与季节对猪场粪污碳氮物质排放规律影响的研究[D].长沙:湖南农业大学,2014.

[12]周宗茂,谢丽,罗刚,等.厌氧发酵沼气提纯技术研究进展[J].环境工程,2013,31(3):46-50.

[13]Petrsson A,Wellinger A.biogas upgrading technologies developments and innovations[J].IEA Bioenergy,2009:1-9

[14]王惠,刘研萍,陶莹,等.厌氧氨氧化菌脱氮机理及其在污水处理中的应用[J].生态学报,2011,31(7):2019-2028.

[15]靳红梅,付广青,常志州,等.猪、牛粪厌氧发酵中氮素形态转化及其在沼液和沼渣中的分布[J].农业工程学报,2012,28(21):208-214.

[16]郭建斌,董仁杰,程辉彩,等.温度与有机负荷对猪粪厌氧发酵过程的影响[J].农业工程学报,2011,27(12):217-222.

[17]鲁秀国,饶婷,范俊,等.氧化塘工艺处理规模化养猪场污水[J].中国给水排水,2009,25(8):55-58.

[18]李瑜,白璐,姚慧敏.谈氧化塘法处理集约化畜禽养殖场污水[J].现代农业科技,2009,(5):248-253.

[19]王珺.组合稳定塘系统对污水处理厂CAST工艺出水深度处理试验研究[D].重庆:重庆大学,2011.

[20]陈菁.IC+BCO+氧化塘工艺处理养猪废水的工程应用研究[D].南昌:南昌大学,2010.

[21]张江山.N级串联氧化塘设计优化模型[J].环境科学学报,1996, 16,(3):276-281.

X731

A

1006-4907（2017）01-0022-04

10.3969/j.issn.1006-4907.2017.01.011

2016-09-02

湖南省研究生创新项目（CX2014B316）。

问 鑫（1989～），男，汉族，硕士，从事动物生产研究，wenxin19890404@sina.com。

※通讯作者：高凤仙（1964～），女，汉族，博士，教授，从事动物环境研究，gaofx1964@163.com。