通风速率对鸡粪-烟末联合堆肥腐熟度和污染气体排放的影响

芶久兰，罗文海，袁 京，李国学，柳玲玲，张邦喜*

(1.贵州省农业科学院 土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；2. 中国农业大学 资源与环境学院，北京 100193)

【研究意义】堆肥化是集有机废弃物处理和有机肥生产于一体的生物化学过程，具有成本低、除臭灭菌效果好、水分含量低、体积小和重量轻等优点，契合可持续农业的发展方向[1-2]。【前人研究进展】由于不同地区间种养结构差异较大，导致堆肥工艺、堆肥原料类型及水分调节材料混合比例等存在差异[3]。北方平原地区年产农作物秸秆数亿吨，收集方便，成本较低，可作为畜禽粪便堆肥的主要辅料；南方丘陵山区地块零碎，作物秸秆收集成本较高，堆肥往往以量多且易收集的加工副产物(如烟末等)为辅料，集中处理中小规模养殖场的畜禽粪便。堆肥主料总体呈水分高，辅料多以水分低、颗粒细且能掩盖臭味的烟末为主[4-5]，从而导致堆肥过程中堆体升温慢且难腐熟等问题；同时，厌氧和兼氧存在可能性较高，致使堆肥过程排放NH3、H2S等臭气组分和CH4、N2O等温室气体，在一定程度上造成空气污染。通风量是堆肥工艺中极为重要的参数之一[6-7]。有研究表明，通风量过低容易造成堆体缺氧，延长堆肥周期和降低堆肥产品品质，增加堆肥过程中污染气体的排放量，而通风量过高则导致堆体升温慢、水分损失严重，同时造成大量的氮素损失。一般认为，较为合适的通风速率为0.2～0.4 L/(kg DM·min)[6-9]。GAO等[10]研究表明，通风率为0.5 L/(kg DM·min)时，鸡粪秸秆混合堆肥高温期持续时间最长，堆肥效果最佳。RASAPOOR等[11]研究发现，生活垃圾堆肥前期适宜通风量为0.6 L/(kg DM·min)，约9周后调整通风量为0.4 L/(kg DM·min)，如此既能减少能耗又能达到较好的堆肥效果。【本研究切入点】目前，畜禽粪便与烟草废弃物联用是西南地区堆肥产业选择较多的原料搭配方式[4-5]，而有关通风速率对鸡粪-烟末堆肥影响的研究还较少。【拟解决的关键问题】以鸡粪-烟末联合堆肥为研究对象，探究不同通风速率对其堆肥腐熟度及典型污染气体(NH3、N2O和CH4)排放的影响，以期为减少堆肥过程中NH3、N2O及CH4排放造成环境污染，并改善有机粪肥堆肥的腐熟度提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 堆肥物料 试验用鸡粪和玉米秸秆取自中国农业大学上庄试验站，玉米秸秆风干后切碎至3 cm左右；烟末取自贵州开阳南江现代农业发展有限公司，粉末状，粒径1～1.5 mm。3种物料的基本理化性质详见表1，其中，所有物料均基于干物料质量(DM)进行研究。

1.1.2 仪器设备 发酵罐(图1)内底采用多孔筛板支撑物料，双层隔热不锈钢制成，并连接温度反馈自动控制系统，底部连接空气泵，顶部设置安全瓶，末端采气口用于采集气体样品。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 根据通风速率试验设3个处理，AR0.2，通风速率为0.2 L/(kg DM·min)；AR0.4，通风速率为0.4 L/(kg DM·min)；AR0.6，通风速率为0.6 L/(kg DM·min)。原料配比均为鸡粪(主料)23.27 kg+烟末(辅料)9.98 kg+玉米秸秆(膨松剂)1.75 kg，C/N为14.8、13.9和14.2。为得到适宜的C/N和含水率，选择粒径相对较大的玉米秸秆进行孔隙度调节。

1.2.2 试验过程 添加蒸馏水控制鸡粪、烟末和玉米秸秆混合物料的含水率为60 %，装入60 L(r=0.36 m，h=0.6 m)的密闭式发酵罐[12]，压实。通过调节空气泵流量将通风率控制在0.2、0.4和0.6 L/(kg DM·min)3个水平，堆肥周期为35 d，分别在堆肥第0、7、14、21和28天进行翻堆、取样。每次随机选取5个点混合成1个样品(200～300 g)，然后平均分为2份，1份于4 ℃条件下储存备用；另1份自然风干、粉碎后过0.5 mm筛备用。堆置期间采取强制通风+人工翻堆方式进行供氧，通风方式为间歇通风，每次通风时间为30 min，间隔时间为30 min。

表1 堆肥物料的基本理化性质

1.3 数据处理

数据采用Excel 2000和Spss 16进行处理与分析，采用Origin 8.5制图。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度和氧气浓度的变化特征

从图2看出，3种通风速率条件下堆体温度和氧气(O2)浓度随时间的变化趋势。

2.1.1 温度 堆肥温度是反映堆体内微生物活性的变化和堆肥物料降解的关键参数，也是堆肥发酵成功与否的重要指标[15]。堆体温度55 ℃以上保持5～7 d，是杀灭堆料所含致病微生物和害虫卵，达到堆肥卫生学指标和腐熟度的重要条件[16]。堆肥开始后各处理堆温快速上升进入高温期。其中，AR0.2的堆温于第4天进入50 ℃高温分解阶段，第5天达最高温(66.7 ℃)；后期翻堆后温度略有回升但持续时间较短；整个堆肥周期内堆温大于55 ℃为15 d。AR0.4的堆温于第2天进入50 ℃高温分解阶段，第9天达最高温度(65.3 ℃)；后期翻堆后温度回升持续时间大于AR0.2；整个堆肥周期内堆温大于55 ℃为11 d。AR0.6的堆温于第2天进入50 ℃高温分解阶段，后期翻堆又分别持续3和7 d的高温期，整个堆肥周期内堆温大于55 ℃为13 d。至35 d堆肥结束时，堆体温度接近环境温度，3个处理的堆温(>55 ℃)均满足无害化卫生标准要求的8 d以上，处理间差异不显著。说明，不同通风量条件下堆体温度均能达到无害化标准要求，与AR0.2和AR0.6相比，AR0.4可以缩短堆肥周期。

2.1.2 氧气(O2)浓度 MAGALHAES等[17]研究表明，堆体排出的O2浓度为10 %～18 %时，堆体中微生物活性最佳，有机物迅速降解，耗氧量逐渐增大，而后随着可降解有机物减少，微生物对O2的需求量逐渐减少，O2浓度又开始增加。在35 d堆肥过程中，各处理O2浓度均呈降-升-降-升波浪型变化。至35 d堆肥结束时，O2浓度趋近于环境氧浓度。在整个堆肥过程中，AR0.4和AR0.6的O2浓度均≥10 %，而AR0.2的O2浓度有<10 %的情况产生。说明，通风速率为0.2 L/(kg DM·min)时，在堆肥高温期存在供氧不足，不能满足好氧微生物的需氧量，导致厌氧发酵过程的发生。

2.2 堆肥产品的理化指标与腐熟度

由图3看出，3种通风速率条件下堆肥产品的理化指标与腐熟度随时间的变化趋势。

2.2.2 发芽率指数(Germination index，GI) GI是评价堆肥腐熟度的重要指标，也是检测堆肥产品是否安全的重要指标之一[25]。当GI>50 %时，表明堆肥产品对作物生长无毒害作用；当GI>80 %时，则认为堆肥达腐熟程度[25]。经过35 d的堆肥后，各处理堆肥产品的GI均呈上升趋势。其中，在堆肥前期(0～7 d)，各处理堆肥产品的GI基本未变化，可能是因为堆肥前期有机碳、氮分解产生大量有机酸和铵，导致种子发芽受到抑制，与李春萍等[20，26-27]的研究结果一致；堆肥中期(7～21 d)，随着物料中有害物质的逐步降解，各处理堆肥产品的GI呈明显上升趋势，尤其是AR0.6，说明不同通风速率对鸡粪-烟末联合堆肥产品生物毒性有影响；堆肥中期(21～35 d)，AR0.4和AR0.6堆肥产品的GI达50 %以上，满足堆肥产品对作物生长无毒害作用的要求，但均未达GI>80 %的腐熟要求。再一次验证，在低C/N堆肥中采用GI评价堆肥产品腐熟度的局限制性。

2.3 堆肥过程中污染气体排放特征

2.3.1 氨气(NH3) 堆肥过程中大量氮素以氨气(NH3)的形式挥发损失，NH3损失量可达物料初始总氮的40 %～80 %[28-29]。从图4看出，不同通风速率条件下NH3的排放速率及累积排放量存在差异。①NH3排放速率。堆肥前2 d堆体温度低，NH3产生量较小；随着堆体温度升高，NH3浓度随之增大。AR0.6在处理第8天出现NH3排放速率最大值，为0.91 g/(kg DM·d)；而AR0.4和AR0.2的NH3排放速率均延迟至第16天产生最大值，分别为0.97和0.35 g/(kg DM·d)。表明，同一物料配比条件下，高通风量处理NH3的排放速率高于低通风量处理，与SHEN等[30]的研究结果相似；也有可能是因为低通风量无法满足堆体内部好氧要求，进而局部区域发生厌氧发酵产生有机酸，导致堆体pH减低，从而影响体系NH3的挥发。经过35 d的堆肥，NH3排放在整个堆肥周期均有产生，与鸡粪含有机质较高，每次翻堆后温度均有回升有关。②NH3累积排放量。在整个堆肥过程中，各处理的NH3累积排放量呈：AR0.6>AR0.4>AR0.2。AR0.2、AR0.4和AR0.6的NH3累积排放量随时间延长呈增加趋势，堆肥35 d时分别为18.1、30.6、35.5 g/kg DM。表明，NH3的累积排放量随通风速率增大而增大。

2.4 物料平衡与温室效应

有研究表明，在堆肥过程中碳素主要以CO2和CH4等气体形式释放出来，有机碳损失率达31 %～68 %[35]，而氮素主要以有机氮矿化、硝化/反硝化作用下，大部分以NH3挥发的形式排放到大气中，损失率达13 %～78 %[28]。IPCC第四次评估报告《气候变化2007》[36]指出，农业生产活动排放的CO2、CH4和N2O等温室气体已成为全球温室气体的第2大重要来源。CH4和N2O的全球变暖潜势值是CO2的25和298倍，对全球变暖的贡献远高于CO2。从表2看出，鸡粪-烟末联合堆肥过程中氮素损失水平为37.56 %～46.83 %，其中以NH3-N形式损失的氮素占堆肥总氮损失的44.67 %～74.22 %，与NAKHSHINIEV等[28，35]的研究结果一致。AR0.2的N2O排放速率高于AR0.4和AR0.6，整个堆肥过程以NO2-N形式损失的氮素占堆肥总氮损失量的0.06 %～0.55 %，显著低于罗俊丞等[36]的研究结果(0.1 %～1.9 %)。表明，控制鸡粪-烟末联合堆肥过程中NH3排放尤为重要。因此，调控好氧堆肥过程中碳、氮损失成为提升堆肥品质的关键。

对于各处理碳的变化趋势，鸡粪-烟末联合堆肥过程中碳素主要以CO2-C形式损失，占堆肥总有机碳损失的17.72 %～19.06 %，以CH4-C形式损失仅占堆肥总有机碳损失的0.04 %～0.10 %，远低于杨帆等[9，13]的研究结果，可能与堆肥物料不同有关。该试验所用鸡粪-烟末与猪粪玉米秸秆混合相比，物料粒径小，C/N比低，极易形成包覆区域，导致有机物降解不完全，因而CH4-C损失量偏低。堆肥过程中除排放CH4和N2O等温室气体外，还产生大量CO2。在整个堆肥过程中，AR0.2、AR0.4和AR0.6的温室气体排量分别为147.88、36.50和15.05 kg CO2-eq t-1DM，AR0.2显著高于AR0.4和AR0.6。表明，AR0.6条件下鸡粪-烟末联合堆肥的温室气体减排效果最好。

3 讨 论

4 结 论

不同通风速率条件下鸡粪-烟末联合堆肥温度均能达到无害化卫生标准，至堆肥结束时，堆肥GI达50 %以上，满足堆肥产品对作物生长无毒害作用的要求。

NH3排放发生在整个堆肥周期，而N2O和CH4排放主要集中在堆肥的升温期和后腐熟阶段。NH3和CH4累积排放量随通风速率呈增长趋势，N2O累积排放量与通风速率则呈负相关，但过低通风条件可导致较高的N2O排放，总体呈低通风有利于保留铵态氮，而高通风有利于堆肥腐熟。

整个堆肥过程以CH4-C和CO2-C形式损失的碳素占堆肥总有机碳损失的38.57 %～49.97 %，以NH3-N和N2O-N形式损失的氮素占37.56 %～46.83 %，尤以AR0.4处理碳和氮损失量最小。综合考虑堆肥的腐熟度、典型污染气体排放控制效果及碳氮损失量，鸡粪-烟末联合堆肥适宜通风速率为0.4 L/(kg DM·min)。