木醋液对禽畜粪便好氧堆肥中温室气体产排调控分析

张红美 ，孔德国 ，周 岭 ，张春友 ，弋晓康 ※

（1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔843300；2.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室）

0 引言

近几年，我国畜禽养殖逐渐趋向规模化、集约化，随着畜禽养殖规模的不断扩大，畜禽粪便的产量也随之增加，畜禽粪便是一种具有重大利用价值的可再生资源。畜禽粪便的不完全处理会造成环境污染和资源的巨大浪费。好氧堆肥是常见无害化、资源化和减量化利用大量有机固体废弃物的重要途径。在好氧堆肥过程中可产生能够被植物吸收利用的有效态氮、磷、钾化合物，并且合成腐殖质，增加土壤肥力，同时堆肥过程中释放的热量使堆体温度升高致使病原体和杂草种子失活。然而，好氧堆肥过程中也会产生二次污染物，如二氧化碳、甲烷和氨气等有害气体。如果堆肥过程中通风不足、物料分布不均或不及时翻堆，均会产生厌氧环境，从而在堆体内部产生甲烷。氧化亚氮可通过硝化反应和反硝化反应产生。而氨气的排放会使堆体氮素大量流失，氨气排放是降低堆肥品质的一个主要因素。

因此，研究好氧堆肥过程中温室气体产排规律，实现对温室气体的调控，一方面可减少环境污染，另一方面可为禽畜粪便的无害化利用提供相关的数据支撑，实现农业资源的循环利用和可持续发展。

1 堆肥对温室气体产排影响因素

好氧堆肥过程中影响温室气体产排的因素主要有温度、含水量、碳氮比、pH 值和通风等。

1.1 温度

堆肥过程中微生物的活性可通过堆体温度的高低反映出来，因此堆体的温度和堆肥速度的快慢有着密切联系。升温阶段、高温阶段和降温阶段是好氧堆肥温度的基本变化特征。当堆体温度达到40 ℃时，剧烈的氨化反应使得大量氨气产生，当pH＞8，温度高于60 ℃时，氨气大量挥发，使得氮素以气体形式溢出，造成氮素损失[1]。

1.2 含水量

在堆肥过程中水分的作用很多，如提供微生物生长环境、参与微生物代谢、溶解有机物、调节温度和堆肥速度等，适当的水分含量在堆肥过程中保证了堆肥的品质，通常认为堆体水分含量为50%~70%为宜。当水分含量较高时，堆体的透气性降低，堆体内部易产生厌氧环境，从而产生氨气和氧化亚氮，造成氮素流失，降低有机物降解速度，碳氮转化能力也随之降低[2]。

1.3 碳氮比

在堆肥过程中可通过调整碳氮比加快堆体腐熟速度，从而减少氮素损失。通常认为碳氮比在20~30 之间比较合适，一般认为当碳氮比为25 左右时为最佳值。秦莉等[3]研究结果表明，氨气挥发量随碳氮比增加而降低，当碳氮比为25 时有机物的降解速度最快。由于禽畜粪便碳氮比较低，碳氮比在5~20 左右，因此在堆肥过程中通过添加秸秆、锯末等调理剂，调节碳氮比达到最佳比例，有利于堆肥的进行。

1.4 pH值

pH 值是畜禽粪便发酵过程的关键影响因素。大量研究表明，畜禽粪便管理过程中NH3挥发量与pH 值成正比[4]。因此，部分学者建议在堆肥过程中向堆肥物料中加入调理剂使禽畜粪便混合物料的发酵pH 值在7~7.5 之间，抑制 NH4+-N 转化为 NH3，保留氮素养分[5]。

1.5 通风条件

在好氧堆肥过程中良好的通风环境可提供大量的氧气，满足微生物生长需要，从而提升堆肥质量。一般堆肥通风方法有三种：自然通风、强制通风和翻堆。堆体中氧气含量决定微生物活性，从而影响堆肥速度、腐熟度、无害化程度及稳定程度。因此在好氧堆肥过程一定要保证合适的氧气供应量。强制通风和人工翻堆是目前常被采用的控制通风量的两种方式。

2 堆肥对温室气体的调控措施

众多研究工作者通过向堆肥物料中添加调理剂等方法实现调控堆肥过程中温室气体的产排。目前的添加剂主要有物理添加剂、生物添加剂及化学添加剂。

2.1 物理添加剂

目前常用的物理添加剂主要有锯末、沸石、分子筛、硅胶和活性炭，农业废弃物如秸秆、稻草、膨润柑橘皮等是天然吸附材料。物理添加剂对堆肥过程中温室气体产排效果与添加剂的种类和添加量有关，需要根据不同的堆肥原料选择不同的添加剂和添加比例[6]。

2.2 化学添加剂

化学添加剂对禽畜粪便发酵过程中的碳氮转化主要有氧化剂的氧化作用和中和剂的中和反应起作用。化学添加剂可减少氨气挥发、抑制臭气，具有用量小、保氮效果显著等优点[7]。但化学添加剂成本高而会造成重金属污染，因此化学添加剂难以在中小型与散养农户中推广应用。

2.3 微生物菌剂

在禽畜粪便管理中，微生物的代谢活动能够实现对能量物质的降解，从而使得碳氮转化，添加微生物菌剂可有效的调控禽畜粪便发酵速度及碳氮转化结果。但微生物菌剂保存和添加环境要求比较严格，因此推广范围有限。

2.4 生物质炭添加剂

生物炭中有机碳含量丰富，具有发达的孔隙结构和较大的比表面积，可改善堆肥过程中发酵条件，提高禽畜养殖中固体废弃物的肥料化产品品质。在禽畜粪便堆肥时加入生物炭可显著提高堆肥温度，加快堆肥速度，延长高温期，有利于杀灭有害细菌。陈伟等的[8]研究表明生物炭提高了堆体温度，降低了堆肥周期。由于生物炭呈碱性，会增加堆体pH 值，加快NH4+-N 向气态NH3转化，可见生物炭并不是禽畜粪便好氧堆肥过程中最佳添加剂。

3 木醋液在堆肥中应用的研究现状

制备木醋液原料来源广泛，对环境无污染，对人畜无毒害作用，因此近年来逐渐被人们认识。木醋液的化学成分和性质因原材料的不同而不同。Khin 等[9]研究结果表明，木醋液在牛粪堆肥过程中能够有效的抑制氨气挥发，达到减排效果。周岭等[10]研究表明木醋有抑制CH4排放的作用，CO2与 O2存在一元线性关系，CH4与O2存在二元线性关系。秦翠兰等[11]研究结果表明木醋液添加处理堆肥能够改善堆体的容重，使堆体容重减小，孔隙度增大，有利于堆肥的供氧、水分及热量的扩散且使堆体空间容重差异减小，从而提高堆肥效率，改善堆肥产品质量。刘飞等[12]研究表明在牛粪堆肥过程中加入木醋液能够有效降低甲烷和二氧化碳的产排，当棉秆木醋液的添加量为3%时可显著降低碳素损失，提升堆肥品质。王磊元等[13]研究结果表明木醋液对堆肥过程产生的氨气有吸附作用，使大量氨气沉淀以铵态氮的形式存在从而减少了氮素损失，还能促进堆肥后期铵态氮向硝态氮的转化，从而促进堆肥物料的快速腐熟。

4 可行性分析

综上可知，众多学者广泛开展了好氧堆肥工艺、机理的研究，揭示了堆肥工艺、添加剂等对堆体微观结构和理化性能的影响，这些研究为揭示木醋液对禽畜粪便好样堆肥过程中温室气体产排的调控机理提供了研究方法，同时众多学者开展了采用SEM、FTIR 检测微观结构和表面官能团研究，多样性的检测设备为从微观角度揭示木醋液对禽畜粪便好氧堆肥过程中温室气体产排的调控机理提供了技术方法。