好氧高温堆肥氮素损失及保氮技术研究进展

冯蓉　刘丽　杨胜竹　李响　陆引罡

摘 要：好氧高温堆肥是实现农业有机废弃物无害化、资源化的有效途径。但在堆肥中氮素极易挥发损失，如何有效控制氮素的挥发损失成为优化堆肥工艺的关键技术之一。本文综述了好氧高温堆肥氮素损失及保氮技术研究进展，分别从氮素转化机理，氮素损失现状、影响氮素损失因素和各种调控措施等方面进行了探讨，以期为降低好氧高温堆肥氮素损失提供参考依据。

关键词：好氧高温堆肥;氮素转化;氮素损失;保氮技术;控氮

中图分类号：S606+.1文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2020）06-0047-06国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2020.06.008

Abstract：Aerobic hightemperature composting is an effective way to realize the  and resource utilization of agricultural organic waste. The nitrogen is easy to los，how to effectively control the loss of nitrogen volatilization.The progress of nitrogen loss and nitrogen conservation techniques in the aerobic hightemperature composting， discuss the mechanism and the status of nitrogen loss，the influencing factors and the regulation measures of nitrogen loss， in order to provide a reference for the realization of aerobic hightemperature composting nitrogen loss.

Keywords：aerobic hightemperature composting;nitrogen transformation;nitrogen los;nitrogen retention technology;nitrogen control

随着城镇化进程的加快，人们对肉禽蛋类的需求不断增加，使我国畜禽养殖业逐渐向规模化、产业化、结构化的方向发展[1]。大规模的畜禽养殖产生了大量畜禽粪污。根据农业农村部数据，我国每年产生的畜禽粪污总量达到近40亿t，是同期工业固体废物产生量的1倍以上，是造成农业源面源污染的重要部分[2]。

畜禽粪便富含植物生长所需的各类营养元素，是十分宝贵的农业资源[3]，将这些营养物质归还于土地是能有效促进养分循环和增加土壤有机质含量的可持續措施[4]。与囤积和直接施用于土地相比，畜禽粪便好氧高温堆肥能更好地降低其污染环境和危害人体健康的风险[4]，堆肥终产物更是良好的土壤调理剂和有机肥料[5]。因此，好氧高温堆肥是实现畜禽粪便无害化和资源化的有效途径。然而，在好氧高温堆肥的升温和高温阶段，由于微生物的大量繁殖，有机物加速分解，畜禽粪污中有机氮极易被微生物分解并转化为铵态氮[6]，并在堆体中积聚。研究指出，在高温、高pH的诱导下，家禽粪便堆肥中铵态氮挥发损失量达62%[7]，氨挥发造成的氮素损失可达总量的44%～99%[8]。这不仅降低了肥料中的养分含量，也加剧了堆肥场的恶臭，造成环境的二次污染[9]。因此，在高温堆肥过程中有效控制氮素的挥发损失成为优化堆肥工艺的关键技术之一。本文综述了好氧高温堆肥过程中氮素存在形态、损失途径、影响因素及控制方法，以期为好氧高温堆肥过程中控制氮素挥发损失提供一定的参考依据。

1 好氧高温堆肥中氮素形态及其转化

畜禽粪便的氮主要以有机物的形式存在。经过微生物作用，氮素主要以有机氮、铵态氮、亚硝态氮及硝态氮等形态存在于堆肥物料中，各个形态间存在如下转化过程：

氨化作用：微生物分解有机氮化物产生氨的过程，即有机氮的矿化。微生物常常通过各种酶将复杂的含氮有机物逐级分解形成简单的氨基化合物如多肽、氨基酸等，再将简单的氨基化合物分解成NH3。且在堆肥过程中，NH+4-N主要以NH3的形式挥发损失掉，占总氮的44%～99%，此外还可经氨化作用转化成有机氮被微生物固定于堆肥中，或经硝化作用形成NO-3-N[8]。

硝化作用：在有氧条件下，NH+4或NH3经氨氧化细菌的氨氧化作用氧化成NO-2后，再在硝化细菌的作用下被氧化成NO-3的过程。

反硝化作用：在嫌气条件下，硝态氮在反硝化微生物作用下还原为N2、N2O或NO的过程。

以粪便进行堆肥时氨态氮在堆肥的最初时期呈增加趋势，而后急剧下降。其变化趋势主要是取决于温度、pH值和物料中微生物的活性。形成的NH3，或作为微生物氮源被同化利用，或通过硝化作用形成硝态氮，或以氨气的形式挥发，这主要依赖于堆肥的环境条件。在好氧高温堆肥中，升温阶段微生物活动不断加剧，加速堆体中蛋白质、脂肪、碳水化合物等易分解物质的降解，使堆体温度不断升高，在这个阶段铵态氮会快速积累并使pH值提高，在高温、高pH条件下以氨的形式大量损失[10]。因此，控制堆肥的升温和高温阶段氨的转化是减少氨挥发损失的关键。

2 好氧高温堆肥氮素损失现状

铵态氮、硝态氮及有机氮是堆肥中氮素存在的主要形态。其损失路径主要有三种：经过氨化作用转变成硝态氮;以氨气形态挥发损失;以NH+4化合物的形式固定在堆肥中[11]。其中以NH3的形式挥发是堆肥中氮素损失的主要形式，占氮素损失总量的44%～99%[12]，不仅降低堆肥品质，还污染环境，是目前堆肥过程中的难点，就此人们做了大量的研究。郑瑞生等[13]研究指出，城市垃圾堆肥化处理过程中氮的损失为50%～60%，粪便高温堆肥处理过程氮的损失最高可达77%。有研究表明，好氧高温堆肥中总氮素损失达16%～74%，平均为40%左右[14]。其中猪粪堆肥过程中氮素损失一般为23.3%～77.0%，平均在40.0%左右，且堆肥中氮素损失主要发生在升温期和高温期[15-17]。姜继超等[18]研究表明，好氧高温堆肥过程中氮素的损失占总氮的68.4%。此外，堆肥中氮素的损失还与堆肥物料、堆肥装置、添加剂等因素有关。王守红等[19]向发酵残余物（猪场沼渣、城市生活垃圾）中添加了芽孢杆菌、霉菌及酵母菌（1：2：2）混合菌液发现，堆体高温期可达16d，最高温度为69.5℃，全氮损失最少，仅为8.72%。而黄懿梅等[20]的研究结果则表明，在鸡粪小麦秸秆和鸡粪玉米秸秆堆肥的降温期，氨氮分别减少了69.9%和57.0%。 因此，控制堆肥中氮素挥发损失是提高堆肥品质和质量的关键。

3 好氧高温堆肥氮损失的影响因素

堆肥过程中氮以氨气的形式挥发损失是造成堆肥质量和品质降低最主要的原因。其中，温度、pH、供氧量、含水率和C/N共同影响着堆肥中氮素的转化，因此，合理地对这些因素进行调控将有利于提高堆肥的利用率。

3.1 温度

温度制约着堆体中微生物的生命活动，它不仅可以判断堆肥是否达到无害化，还可以直观地判断堆肥的腐熟度。在堆肥初期，嗜温性微生物分解淀粉，糖类等物质并释放大量的热量，使堆体温度升高，同时产生有机酸，堆体的酸度降低，随着温度不断升高，嗜热性微生物分解物质加快，物料中的酸度逐渐增加，当其超过一定的量时有效氮就会以氨气的形式挥发损失，降低堆肥氮含量[21-22]。Raviv等[23]发现，当温度超过60℃时，在高温、高pH的条件下堆肥中的氮难溶于水并以NH3的形式大量挥发损失。李吉进等[24]的研究也表明，鸡粪堆肥中氮素挥发损失与温度呈显著性正相关关系（r=0.098），当4℃≤T≤20℃时，氮素损失不明显，但当20℃≤T≤35℃时，氮素损失与温度达P<0.05显著水平 。此外，高温还会产生CH4、N2O、NO等有害气体，对环境造成污染[25]。因此，在堆肥过程中对物料温度的有效控制是保证堆肥品质的关键技术之一。

3.2 pH

pH的高低严重影响着堆肥中微生物的活性，且不同的微生物适宜的pH各不相同。研究指出，pH为6.7～9.0时最利于微生物的生长活动，且在堆制过程中pH值随物料分解的快慢呈现动态变化的趋势[26]。在堆肥过程中，尿素和蛋白质等物质不断降解产生有机酸，使pH发生变化，打破了NH3和NH+4之间的动态平衡，pH值不断升高，不仅造成氮素大量损失，而且还降低了堆肥的品质。研究发现，当pH在5～7时，氨气损失最少，pH≥8时，堆肥中氨气的挥发损失最大[27]。且在高温、高pH的条件下，氨气几乎不溶于水，导致堆肥中氨气大量挥发损失[14]。

3.3 C/N

在堆肥物料中，碳、氮的含量严重制约着微生物的生命活动。其中碳作为能源物质为微生物的生长活动提供能量，而氮素则是组成核酸和蛋白质的重要元素。因此，适宜的C/N是堆肥得以有效进行的关键因素之一。大量研究表明，C/N为25时最有利于堆肥的进行。C/N过低，氮的含量相对过剩，如遇上高温、高pH，堆肥中的N就会以NH3的形式逸出，产生恶臭，污染环境。而C/N过高，堆肥中的微生物则会经过多次的生命代谢活动消耗掉过多的C，使C/N达到适宜的水平再进行新陈代谢，即过高的C/N会降低堆肥的降解速率，不利于堆肥的腐熟。郑瑞生等[13]研究表明，低的C/N氨挥发明显高于高的C/N，其中C/N比为17.6的处理氮素损失率为32.19%，而C/N为40.3时，仅为7.66%。KIRCHMANN等[28]的研究也表明，C/N越低，NH3的挥发损失量越严重，当C/N为36时，氮素损失仅为8%，而当C/N为24和18时，氮素损失分别为15%和38%。且未腐熟的堆肥施入土壤，堆肥中的微生物还会和土壤微生物竞争氮素，影响作物的生长。此外吴银保等[29]研究表明，高C/N能够提高猪粪的温度、钾和腐殖质的含量。目前，常通过添加一些枯枝落叶物（如秸秆、木屑等）调节堆肥中的C/N。

3.4 微生物

堆肥过程中氮的转化主要是依靠微生物的作用来驱动的，尤其是有机氮和无机氮之间的转化。在堆肥中参与氮素转化的微生物主要有细菌、真菌、放线菌和少量的原生动物[30]。其中细菌在各个阶段最为活跃。主要有氨化细菌、硝化细菌和反硝化细菌。氨化细菌是一类分解含氮有机物释放出氨气的菌的总称。在堆肥初期，由于微生物的活动和数量不断增加，氨化细菌通过氨化作用将含氮有机物分解为NH3，并转化为NH+4-N，随着堆体中NH3和NH+4-N浓度不断增加，堆体内pH升高，由于微生物大量活动不断释放出热量，堆温逐渐升高，导致NH3不断释放，此阶段NH3的挥发是氮素损失的主要方式，达44%～99%[15， 31]。随着微生物活动减弱，有机物质不断分解，堆体温度逐渐降低进入腐熟期，硝化细菌经过硝化作用将NH+4-N转化为NO-3-N，堆体中NH+4-N含量减少，NO-3-N含量增加[32]。此外真菌、放线菌等的生命活动也会固定一部分的氮素，减少堆肥中氮的含量。由此可见，了解堆肥中微生物的运动规律及特性对保氮十分重要。

4 好氧高温堆肥的保氮技术研究

目前，调控堆肥中氮素挥发损失的方法有很多，最常见的有添加物理保氮剂、化学保氮剂和生物保氮剂，且取得了一定成效。

4.1 物理保氮劑

氮素的损失与堆肥中原料的性质和种类密切相关。因此，通过添加保氮剂改变堆肥物料的物理性质可以有效地减少氮素的损失。这些添加剂常具有多孔、比表面积大和吸附性强的特点，加入堆肥中能够有效的调节堆肥的孔隙度，改善通风条件，促进有机物降解。此外，多孔的物质还有利于堆料中微生物的生长繁殖，大的比表面积可以保留更多的养分等作用[1]。吴飞龙等[33]研究发现，当菌糠作为保氮剂添加于猪粪中能够促进堆肥快速进入高温期，且干物质的降解率和有机碳的损失率与菌糠的添加量成反比，当菌糠含量大于0.3%时，保氮效果明显。于洪久等[34]研究表明，把糠醛渣作为保氮剂添加于鸡粪堆肥中，可有效减少18.3%以上的氮素损失。藏冰等[35]研究发现向猪粪堆肥中添加锯末、稻草和沸石等物质也能控制NH3的挥发损失。ZHANG等[36]研究也指出天然沸石通过其吸附能力吸收NH3可有效增加堆肥产品的氮含量达到保氮效果。可见，添加物理保氮剂具有一定的保氮效果，但在复杂的堆肥过程中，这些措施尽管减少了氨挥发量，氮仍多以NH+4-N形态存在，始终存在挥发的风险。

4.2 化学保氮剂

化学保氮剂保氮的原理主要是通过改变堆肥中氮素的存在形式来达到保留氮素、提高产品氮含量的目的。主要方法有：（1）向堆肥中添加强氧化剂，如高锰酸钾、次氯酸盐等，通过它们的强氧化作用把NH3和NH+4-N强氧化为NO3-N，减少氨气的挥发损失，达到固氮的目的;（2）利用化学物质的中和反应，调节物料的pH，减少氮的损失。如硫酸亚铁、过磷酸钙和稀硫酸等[37]。（3）利用有机化合物调节堆料的pH，这类物质有脲酶抑制剂脂类和烯醛等芳香物质[38]和浓缩味精废液[6， 29]。目前研究较多的还是利用化学物质的中和反应进行调酸保氮。如，硫酸铝可以水解释放氢离子，在禽畜堆肥过程中添加硫酸铝能够减少高达99%的氨挥发损失[39];1.5%的磷酸添加量就可有效的调节鸡粪堆肥pH，减少54%氨气挥发损失[39];过磷酸钙含有磷酸、硫酸等游离酸并有吸湿性，可通过调节堆肥物料pH值和含水率而减少氨气挥发，1.5%的过磷酸钙就可减少猪粪堆肥中74%的氨挥发损失[40-41]。任丽梅等[42]发现在堆肥中加入一定量的氢氧化镁和磷酸具有很好的保氮效果，且氮素的固定效果和磷酸与混合物的量成正比。胡明勇等[41]向猪粪稻草堆肥中分别添加了10%和15%的氯化钙，与对照相比，氮素损失分别降低了51.57%和50.44%，除臭保氮效果明显。史春梅等[40]向发现堆肥中加入磷酸二氢钾和氯化镁也能有效保留氮素。LIU等[7]研究指出浓缩味精废液能够调节堆肥物料pH，是一类理想的有机保氮剂。孔海民等[43]在此研究上进一步指出，堆肥开始前向物料中添加适当比例的浓缩味精废液比高温期添加更有利于降低物料的pH、促进物料中铵氮的硝化，保氮效果更为明显。

然而，不管是物理保氮剂还是化学保氮剂，都必须达到足够的添加量才能发挥对物料的调酸保氮作用[44]。据王秀娟[45]报道，鸡粪堆肥时添加3%硫酸亚铁、10%过磷酸钙、9%草炭才能达到良好的保氮效果。然而，大量添加硫酸亚铁、氢氧化镁和沸石等保氮剂不仅增加了有机肥生产成本，而且由于稀释效应使产品的养分含量降低。同时，大量添加磷酸或过磷酸钙作为调酸保氮剂会造成堆肥产品的含磷量过高，进而导致有机肥的氮、磷、钾三要素配比失衡，在实践中也难以为堆肥生产企业所广泛接受。

4.3 生物保氮剂

堆肥是在适当条件下由微生物调控的活性有机物转化为稳定腐殖质的过程，添加外源微生物、调节微生物结构是优化堆肥过程的行之有效的方法[46]。目前，用于堆肥的生物保氮剂主要以固氮菌和纤维素分解菌为主。蒲一涛等[47]通过对筛选的自生固氮菌和纤维素分解菌进行混合培养，接种于生活垃圾中发现混合培养的菌液能够加速生活垃圾的降解，提高堆肥的含氮量。有研究指出，把筛选出的对粗纤维素分解能力强的菌株制成菌剂，按不同比例接种于二次发酵的堆肥中发现，堆体温度明显提高、真菌和纤维素分解菌的数量增加，提高了堆体中腐殖质的含量，改善了堆肥的品质，具有一定的保氮效果[48]。石春芝等[49]在垃圾堆肥中接种自生固氮菌和纤维素分解菌也发现，固氮菌能够提高堆肥中氮的含量且纤维素分解菌对固氮菌的生长有一定协同效应。

与物理和化学保氮剂相比，生物保氮剂不仅成本低、无二次污染，还能加速物料的腐熟度，促进畜禽粪中的有机物质分解，提高堆肥的品质，且微生物的加入或可进一步提高堆体温度以快速高效杀灭物料中的病原菌和杂草种子而达到无害化的目的。在高温堆肥中，氮以铵态氮形式挥发损失率极高，倘若生物保氮剂能在高温条件下通过改变铵态氮形态，从而将氮素保留在堆肥产品中，这将有效提高堆肥氮素含量和产品品质。

5 总结与展望

好氧高温堆肥是实现农业废弃物减量化和无害化的有效途径。在堆制过程中，氮极易以NH3的形式挥发损失，不仅污染环境，还易降低堆肥品质。因此在堆肥过程中如何有效控制氮素挥发损失仍是当前的研究重点，未来好氧高温堆肥氮素损失及保氮过程仍需关注以下问题：

在好氧高温堆肥过程中加强过程控制的研究。综合调节温度、C/N、pH、等相关因素，使得堆肥成品的氮素损失足够小。

开展多学科交叉研究。微生物是堆肥中氮素转化的驱动者，但目前并没有专门关于微生物直接引起堆肥中氮素变化的相关性研究，今后应结合多学科交叉知识，利用传统与现代分子生物技术，明确微生物种类及其对氮素转化相关机理，对今后保氮具有指示作用。

加强保氮剂方面研究。筛选高活性、高效率氨氧化细菌，改变氮素存在形态，保证堆肥质量和品质。

室内转向室外。目前，大多数好氧高温堆肥都是室内模拟试验，大田试验较少开展且堆体规模的大小直接影响着堆肥的品质。因此、探究以形成适合于本地的大规模堆肥生产应用的经济有效的保氮方法和技术是对保氮至关重要。

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