功能膜覆蓋好氧堆肥過程氨氣減排性能研究

馬雙雙 孫曉曦 韓魯佳 李仁權 UWE Schlick 黃光群

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.青海藏地堂生物科技開發有限公司， 西寧 810000 3.UTV AG公司， 巴登巴登 76534)

功能膜覆蓋好氧堆肥過程氨氣減排性能研究

馬雙雙1孫曉曦1韓魯佳1李仁權2UWE Schlick3黃光群1

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.青海藏地堂生物科技開發有限公司， 西寧 810000 3.UTV AG公司， 巴登巴登 76534)

畜禽糞便高溫好氧堆肥過程中氨氣的排放不僅污染環境，而且會降低有機肥氮素含量。因此，控制好氧堆肥過程中氨揮發是降低氮損失及減少堆肥周邊環境惡臭的關鍵。為研究膜覆蓋對畜禽糞便好氧堆肥過程氨氣揮發的影響，以豬糞和小麥秸稈為試驗原料，采用具有選擇滲透性的Gore膜作為覆蓋材料，在實驗室好氧堆肥反應器系統中進行了為期27 d的好氧堆肥試驗。試驗設置覆膜組和對照組，采用開啟1 h、關閉1 h間歇通風方式，通風速率為3 L/min，重點監測堆肥過程堆體溫度、氧濃度和NH3排放速率等。研究表明：覆膜組比對照組高溫期持續時間略長，更有利于殺死堆體有害病原菌；相比于對照組，覆膜組NH3排放量減少18.87%；相比于溫度峰值出現的時間，兩組試驗NH3峰值出現時間均延后，且覆膜組延后時間更長。

氨氣； 減排； 膜覆蓋； 好氧堆肥

引言

好氧堆肥是解決畜禽糞便污染問題、實現其資源化利用的重要有效途徑之一。但在好氧堆肥過程中，常伴隨惡臭的產生，對周圍的環境和人畜健康造成威脅[1]。臭氣主要成分為氨氣和硫化氫等，大量的臭氣排放不僅污染環境，而且會減低有機肥氮素含量[2]。因此，控制堆肥過程中氨氣的揮發是降低氮損失及減少堆肥周邊環境惡臭的關鍵。

國內外控制堆肥過程氨氣揮發研究主要措施有添加添加劑和覆蓋處理。如添加過磷酸鈣，其主要原理是其酸性對堆肥過程pH值的升高具有調節作用，并且游離酸可以與氨氣發生反應，生成磷酸銨和硫酸銨等[3]。但只能少量使用，否則其較高的酸性會影響堆肥的過程和品質[4]。目前，覆蓋處理多見于覆蓋腐熟堆肥和無紡土工布的應用，但多由于覆蓋處理導致堆體厭氧，從而使溫室氣體排放量增加[5]。

近年來，功能膜覆蓋好氧堆肥技術以其對氣候、氣溶膠和臭氣的綜合防治功能[6]，已被廣泛應用到廢棄物好氧堆肥。其核心覆蓋材料Gore膜，中間層采用膨體聚四氟乙烯膜(e-PTFE)，膜上均布0.2 μm孔徑的微孔，內外層則采用具有防紫外和耐腐蝕特點的聚酯膜。但關于膜覆蓋畜禽糞便好氧堆肥及與不覆膜好氧堆肥系統的對比研究鮮見報道。

本文采用Gore膜作為覆蓋材料，試驗設置覆蓋和不覆蓋的對比處理，以研究膜覆蓋對好氧堆肥過程氨氣減排的影響及其作用機制。

1 材料與方法

1.1 試驗方法

新鮮豬糞采自中國農業科學院昌平試驗場，小麥秸稈采自中國農業大學上莊實驗站，切短至3～5 cm備用。按碳氮比15、含水率60%對上述物料進行均勻混合調配。

好氧堆肥試驗設置對照組和覆膜組兩個處理，兩組試驗分別采用好氧堆肥反應器系統[7]和膜覆蓋好氧堆肥反應器系統[8]，其主體結構如圖1、2所示。兩組反應器系統主體相同且有效容積均為90 L(內徑為450 mm，高度為600 mm)。因實驗室規模好氧堆肥過程連續通風易加劇堆體熱量損失，不利于升溫和殺滅病原菌[9]，結合已有相關研究[8]，本研究采用開啟1 h、關閉1 h間歇通風方式，根據前期預試驗，通風速率采用3 L/min。

堆肥過程每隔12 h記錄堆體上、中、下層溫度及氧濃度數值；使用500 mL鋁箔采氣袋采集反應器出口氣體；分別在初始和第3、6、9、12、15、18、21、27天取堆體固體樣品，-20℃保存備用。

圖1 好氧堆肥反應器系統主罐體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of intelligent aerobic composting reactor system1.物料艙 2.攪拌系統 3.入料口 4.取樣口 5.布氣篩網 6.出料口 7.進氣口 8.補水口 9.出氣口 10.溫度傳感器通道 11.氧濃度傳感器通道 12.瀝出液收集口 13.可移動式支撐底座

1.2 測試方法

參照TMECC標準方法(03.09-A和05.07-A)分別測定豬糞、麥秸和初始混合物料的含水率和揮發性固體含量；利用Vario ELIII型元素分析儀測定總碳、總氮質量分數并計算碳氮比。每個樣品做3個平行試樣，取平均值作為最終結果。

溫度的測定采用PT100型傳感器；氨氣含量采用比色管測量(日本GASTEC公司)，用氣泵每次抽取50 mL或100 mL氣袋中的氣體，待比色管顏色不再變化，讀數并記錄對應數值。

將鮮樣按液料比10 mL/g浸提過濾取上清液，利用酸堿度計和電導率儀測定樣品pH值和電導率。

1.3 數據分析

分別利用Excel 2013和OriginPro 2015進行數據處理及圖形繪制。

2 結果與討論

2.1 堆肥物料基礎特性

表1所列為堆肥原料及初始混合物料基本理化特性。由表1可知，豬糞碳氮比較低，秸稈碳氮比較高，二者相結合可以很好地調節初始物料的碳氮比；且添加秸稈可以增加堆體孔隙率，以滿足好氧堆肥過程微生物對氧氣的需求。

2.2 堆肥過程主要理化指標動態變化

2.2.1溫度

圖3所示分別是對照組和覆膜組堆體溫度動態變化曲線，兩組試驗上、中、下層溫度變化趨勢相同，升溫期、高溫期和降溫期整體保持一致，符合堆肥溫度變化趨勢；且均在堆肥第3天達到高溫期，是微生物快速降解有機物所致[10]。覆膜組高溫期時間比對照組略長，更有利于殺死堆體有害病原菌。在堆肥第12天，覆膜組溫度開始回升，并直至堆肥結束，堆體中心溫度維持在31℃左右，更有利于堆體后腐熟，與已有文獻研究一致[8]。

表1 堆肥原料及初始混合物料基本理化特性Tab.1 Basic physicochemical properties of rawmaterials and mixture

注：表中數值為3次重復測量結果的平均值±標準差。

圖3 堆肥過程溫度變化曲線Fig.3 Changes of temperature during composting

2.2.2氧氣

微生物在氧氣的作用下降解有機質，生成水和二氧化碳，故堆體中氧氣含量可以反映微生物的活動情況。圖4所示為兩堆體中層氧氣體積分數動態變化曲線。在堆肥開始3 d內，覆膜組和對照組氧氣體積分數分別下降到2.2%和13.9%，這由微生物大量分解有機質所致。在整個堆肥過程，對照組氧氣體積分數均高于覆膜組，可能是由于覆膜后堆體產生微正壓環境，微生物對氧氣利用率提高[8]。

圖4 堆肥過程氧氣體積分數變化曲線Fig.4 Changes of oxygen content during composting

2.2.3揮發性固體質量分數

圖5是兩堆體揮發性固體質量分數隨時間的變化曲線。初始物料揮發性固體質量分數為79.51%，堆肥結束時，對照組和覆膜組揮發性固體質量分數分別為77.27%和74.79%。覆膜后，曝氣時堆體內氧氣分布更均勻，致使覆膜組揮發性固體降解率較高。因兩組試驗均為實驗室規模，體積偏小，揮發性固體降解有限，但符合中小型反應器好氧堆肥揮發性固體降解規律[7]。

圖5 堆肥過程揮發性固體質量分數變化曲線Fig.5 Dynamics of volatile solid during composting

2.2.4pH值和電導率

已有研究表明[11-12]，堆肥過程氨氣揮發與堆體pH值呈現高度相關。這主要是因為堆體中銨態氮的累積，氨濃度上升，導致pH值上升，同時也加劇了氨以氣體的形式揮發到環境中。圖6所示兩組試驗的pH值變化均呈現先升后降的趨勢。其中對照組上升較快，第3天達到8.82，而覆膜組在第9天達到8.87，pH值增大是由有機物質的劇烈分解引起的[13]；最后均穩定在8.75左右。

圖6 堆肥過程pH值和電導率變化曲線Fig.6 Dynamics of pH value and EC during composting

堆肥浸提液電導率數值能反映堆肥含鹽量的高低。在兩組試驗中，堆肥前9 d，隨著溫度的升高，大量的有機養分被微生物消耗，導致電導率有明顯的下降。隨著堆肥的進行，電導率開始緩慢上升，這可能與有機質降解過程中釋放可溶性鹽有關[14]。

2.3 堆肥過程總氮質量分數變化

畜禽糞便中的氮素主要以有機氮的形式存在，堆肥過程中在微生物作用下，不斷礦化轉變為銨態氮。銨態氮在高溫和高pH值的作用下，以氨氣的形式揮發到環境中，造成氮素含量下降。圖7所示為兩組試驗的總氮含量變化趨勢圖，整體呈現先下降后上升的趨勢。在堆肥高溫期，氮素主要通過氨氣揮發損失。覆膜組總氮質量分數從初始的3.20%下降到堆肥結束的2.58%，總氮損失19.38%；對照組總氮質量分數從初始的3.17%下降到2.40%，總氮損失24.29%。相比于對照組，覆膜可以減少堆肥過程氮素損失。

圖7 堆肥過程總氮質量分數變化曲線Fig.7 Dynamics of total nitrogen during composting

2.4 堆肥過程氨氣動態變化

兩組堆肥過程氨氣質量濃度變化如圖8所示。堆肥初期，由于含氮有機物的降解及溫度和pH值升高，氨氣排放量增加[15]。對照組和覆膜組氨氣排放質量濃度峰值分別出現在第4天和第7天，基本上與總氮含量急劇下降時間相吻合。覆膜可延緩氨氣的排放，與已有研究報道一致[16]。

圖8 堆肥過程氨氣質量濃度變化曲線Fig.8 Dynamics of ammonia emissions during composting

膜內與對照組對比，氨氣產生量減少9.22%；膜內與膜外相比，堆肥過程中覆膜導致氨氣總排放量減少10.64%。膜外與對照組相比，氨氣累積排放量減少18.87%。減排主要原因是水蒸氣遇冷在膜的內表面凝結成一層水膜，當揮發的氨氣向外逸散遇到膜時會溶解在水膜中，并以銨態氮的形式存在，隨著水膜的不斷積累，在重力作用下氨態氮隨著水的下落再次回到堆體中，繼續被微生物分解，從而阻攔了部分氨氣的逸散[6,17]。

2.5 氨氣減排效果比較分析

圖9 不同覆蓋材料氨氣減排效果對比Fig.9 Comparison of reducing ammonia emission with different covered materials

現有相關研究多集中于覆蓋和翻堆相結合對氨氣減排的影響，氨氣減少量在30%以下，與本研究結果相近。圖9為本研究與其他非生物覆蓋材料氨氣減排效果對比圖，Gore膜與無紡土織布減排效果差異不明顯，但二者都優于塑料覆蓋。

3 結論

(1)覆膜處理比無覆蓋處理好氧堆肥高溫期持續時間長，更有利于殺死堆體有害病原菌；覆膜后堆體氧氣分布更均勻，且利用率提高，有機質降解更完全。

(2)覆膜可以減少氨氣排放。相比于對照組，膜內氨氣產生量減少9.22%，膜外氨氣排放量減少18.87%；由于膜的阻礙和膜內表面水膜吸收作用，膜外比膜內氨氣減少10.64%。

(3)相比于溫度峰值出現的時間，氨氣出現峰值的時間均延后，且覆膜組延后時間更長。

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ReductionofAmmoniaEmissionduringMembrane-coveredAerobicComposting

MA Shuangshuang1SUN Xiaoxi1HAN Lujia1LI Renquan2UWE Schlick3HUANG Guangqun1

(1.CollegeofEngineering，ChinaAgriculturalUniversity，Beijing100083，China2.QinghaiZangditangBiologicalTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Xining810000,China3.UTVAG,Baden-Baden76534,Germany)

The emission of ammonia in manure high temperature aerobic composting not only polluted the air but also reduced the nitrogen content of organic fertilizer. Therefore, the control of composting process of ammonia volatilization is the key of reducing nitrogen loss and environment ordor emission. In order to study the effect of membrane covered on reducing the emission of ammonia in manure aerobic composting, pig manure and wheat straw were used as experimental materials, and Gore film with selective permeability was used as covering material, the aerobic composting trial was carried out in a lab-scale intelligent membrane-covered aerobic composting reactor system for 27 d. There were membrane-covered treatment and control treatment in this trial. Air blown at an hourly interval (flow velocity of 3 L/min through the pipe at the bottom of the reactor diffused through the composting material to maintain aerobic conditions. The composting temperature, oxygen content and ammonia concentration were measured during the composting. The results showed that the high temperature duration of the membrane-covered group was longer than that of the control group, and it was more beneficial to kill the harmful pathogens. Compared with the control group, the NH3emission in the membrane-covered group was decreased by 18.87%. Compared with the peak time of the temperature, the peak time of NH3peak in both groups was delayed, and the delay time of the membrane-covered group was longer, and the phenomenon that peak value of NH3lagged temperature was further revealed.

ammonia; emission reduction; membrane-covered; aerobic composting

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.042

S216

A

1000-1298(2017)11-0344-06

2017-07-21

2017-08-30

國家國際科技合作專項(2015DFA90370)和歐盟框架計劃項目(690142)

馬雙雙(1992—)，女，博士生，主要從事生物質資源利用研究，E-mail： shuangshuangma@cau.edu.cn

黃光群(1979—)，男，副教授，博士生導師，主要從事生物質資源利用研究，E-mail： huangguangqun@126.com