通風方式對豬糞堆肥主要臭氣物質控制的影響研究

沈玉君，張朋月，孟海波※，趙立欣，程紅勝，周海賓，張 曦

（1. 農業農村部規劃設計研究院 農村能源與環保研究所，北京 100125； 2. 農業農村部規劃設計研究院，北京 100125；3. 農業農村部資源循環利用技術與模式重點實驗室，北京 100125）

0 引 言

據統計，中國每年產生大量的有機垃圾，其中農作物秸稈10.4億t、畜禽糞污38億t、尾菜2.3億t，生活垃圾2.03億t[1-3]，常見的廢棄物處理方式主要有堆肥、厭氧發酵、填埋和焚燒等，其中堆肥以其快速的處理效率同時兼具廢棄物資源化利用等特點成為農業廢棄物的主要處理利用方式之一，然而在堆肥過程中會產生嚴重的惡臭氣味，這些惡臭氣味主要來自堆肥過程中產生的氨氣、硫化氫及少量的揮發性有機物（volatile organic compounds，VOCs）[4-5]，不僅污染環境，還對從事堆肥生產的工人及附近居民的身體健康造成了威脅。

最初，針對堆肥臭氣的研究與控制主要集中于氨氣和硫化氫2種氣體上，直至20世紀末期，以Eitzer等[6-9]為代表的學者提出堆肥過程中也會產生微量的VOCs，且大部分 VOCs具有惡臭氣味。張紅玉等[10]認為廚余垃圾堆肥中應重點監控硫化氫、甲硫醇、二甲基苯、鄰二甲苯、二甲二硫和對二甲苯，Tolvanen等[11]發現生活垃圾堆肥中d-檸檬烯的濃度最高，沈玉君等[4]研究表明豬糞堆肥中排放量最大的臭氣組分氨氣和硫化氫，二甲二硫、二甲三硫和甲硫醚與堆肥臭氣濃度具有極顯著相關性。VOCs種類繁多，從物質代表性上看，TVOCs是表征VOCs的重要參數，一定程度上可以反映VOCs的總含量，二甲二硫和二甲三硫為豬糞堆肥中最具代表性的致臭VOCs[4,6-9]。

目前，降低堆肥臭氣產生與釋放的技術主要可以分為 3個方面[12-13]，一是改善堆肥工藝，主要從調節通風狀況、C/N比、含水率、pH值、電導率等因素，達到降低堆肥臭氣的目的，Delgado-Rodríguez 等[9,14]通過調控含水率、通風速率和碳氮比獲得了降低堆肥中 VOCs的最佳參數；二是原位添加除臭菌劑、表面活性劑以及吸附劑，達到降低堆肥臭氣的目的，杜龍龍等[15-16]通過向堆體中添加秸稈、活性炭等外源添加劑降低了堆肥中VOCs的排放；三是異位除臭技術，主要是將堆肥中產生的臭氣收集、傳送至廢氣處理裝置/設施進行處理，可以有效去除堆肥中產生的臭氣，陸日明等[17]通過向生物濾池通入堆肥臭氣，明顯降低了堆肥中氨和VOCs的排放。在以上 3種方式中，通過改善堆肥工藝，調節工藝參數來控制臭氣，具有效果好、成本低、易操作等優點。

研究表明氧氣供應與通風量是影響堆肥中臭氣排放的重要因素[5,13,18]，改進通風形式能夠有效控制堆肥臭氣，Shen等[19]研究發現減排臭氣最優的通風速率為0.1 m3/(min·m3)，然而通風方式對堆肥臭氣的影響卻鮮有研究，陳同斌等[20-21]的研究表明通風5 min可以保證堆體中O2的充分供應，通風結束后，前10 min堆體內氧氣供應充足，微生物活動旺盛，氧氣濃度呈快速下降趨勢，10～20 min時由于氧氣的降低，微生物活性下降，氧氣濃度下降趨勢有所減緩，20～40 min時氧氣濃度趨于平緩，堆體中各部位氧氣濃度不再降低，微生物基本無法再利用堆體中的氧氣，呈現缺氧狀態。本試驗采用豬糞與玉米秸稈進行堆肥，選取氨氣、硫化氫、TVOCs以及二甲二硫和二甲三硫作為堆肥中臭氣的主要參考指標，設置通風5 min間隔30 min，通風5 min，間隔15 min和持續通風3種通風方式，調節堆體中氧氣供應情況，探尋不同通風方式對堆肥臭氣產生與釋放的影響，為堆肥工程優化鼓風方式及臭氣控制提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在北京市大興區青云店鎮農業農村部規劃設計研究院試驗基地進行。供試豬糞取自大興區青云店鎮某養豬場；玉米秸稈取自大興區孝義營村周圍農田，經過粉碎機切割為1～2 cm左右的小段。供試材料的基本性狀見表1。

表1 試驗材料基本性質Table 1 Basic properties of experimental materials%

1.2 試驗方法

本試驗采用密閉式強制通風好氧發酵工藝進行研究。試驗中豬糞和秸稈以質量比 5:2進行好氧發酵試驗，其物料C/N質量比為29，調節含水率為63%，混合均勻，啟動好氧發酵，發酵過程在60 L發酵裝置中進行（見圖 1），發酵罐內徑 46 cm，可填充試驗物料50 L左右，發酵周期為30 d左右，在堆肥第15天進行翻垛1次。在好氧發酵第0天、第3天、第7天、第12天、第18天和第25天采集，分析常規理化性質樣品及二甲二硫和二甲三硫氣體樣品，采用靜態箱法每天測定堆體氧氣濃度、氨氣、硫化氫、TVOCs的濃度變化，分析不同通風方式下致臭物質的產生與釋放狀況。

試驗設置 3個處理，采用強制通風方式進行通風，選取最優通風速率0.1 m3/(min·m3)[19]，依據堆體中氧氣在通風后10 min氧氣供應充足，10～20 min氧氣消耗有所減緩，20～40 min氧氣消耗基本不變[20-21]，設置通風頻次分別為間隔30 min鼓風曝氣5 min，間隔15 min鼓風曝氣5 min以及持續通風3種通風頻次，試驗方案詳見表2。

圖1 好氧發酵裝置圖Fig.1 Schematic diagram of aerobic fermentation device

表2 試驗方案Table 2 Experimental scheme

1.3 分析方法

含水率、VS采用質量法測定；pH值和EC值分別采用上海雷磁pH計PHS-3C和DDS-307型電導率儀，固液比1:10；C、N含量采用元素分析儀進行測定，元素分析儀型號：PerkinElmer Series Ⅱ CHNS/O Analyser；采用PT100探頭連續監測記錄好氧發酵中堆體上中下 3部分溫度變化；TVOCs、氨氣、硫化氫、O2濃度利用復合氣體測試儀采用泵吸式測量方式監測發酵罐氣體采樣口內部氣體濃度，該儀器可實現實時監測堆肥罐內部氣體組分濃度，其中，TVOCs測定采用美國PID-TECH檢測器，量程0～2 000 ×10-6（以異丁烯計）；O2濃度采用電化學傳感器，氧氣檢測器量程 0～30%；氨氣和硫化氫采用電化學傳感器，量程分別為150和300 mg/m3。采用靜態箱法采集堆肥罐內堆體上部的氣體，受“箱式效應”的影響，抑制了堆體上部暫存的氣體與外部環境空氣進行氣體交換，可將整個堆肥罐中的氣體濃度視為均勻分布[22-23]，由于通風會引起堆肥罐中短期內氣體濃度分布的不均，因此T1和T2處理采氣時間安排在鼓風前采集數據，即T1在通風25 min后開始數據采集，T2在通風10 min后開始數據采集，在5 min內完成；二甲二硫和二甲三硫參照GBZ.T 160.38-2007 （工作場所空氣有毒物質測定 烷烴類化合物）和GBZ/T 160.39-2007（工作場所空氣有毒物質測定 烯烴類化合物）進行采樣，使用生物炭對二甲二硫和二甲三硫進行吸附，委托中日友好環境保護中心參考 HJ584-2010（環境空氣苯系物的測定 活性炭吸附/二硫化碳解析—氣相色譜法），經二硫化碳解析后通過GC-MS進行測定。

2 結果與分析

2.1 基礎理化性質變化

圖2為堆肥過程中不同通風方式下溫度的變化情況，從圖 2可以看出堆體溫度在堆肥第 1～4天全部上升至60 ℃左右，但T3處理由于持續通風的影響，使得堆體溫度快速降低，高溫期（＞50 ℃）僅維持了4 d，未達到《糞便無害化衛生要求》（GB 7959-2012）規定的堆肥中堆體要保持50 ℃持續10 d的要求，T1和T2處理高溫期均維持了10 d以上，在堆肥第15天時進行翻垛，堆體溫度均明顯上升，T1和T2處理在翻垛后溫度上升到了50 ℃以上，持續了1 d，T3處理翻垛后沒有進入高溫期，據此，堆肥過程中通入過量的空氣會導致堆體難以維持高溫，使堆體溫度經短暫高溫期后快速下降，不利于堆體腐熟及消滅糞便中的有害微生物。

圖2 堆肥過程中溫度變化Fig.2 Temperature change during composting process

圖3 為堆肥過程中氧氣濃度變化情況，從圖3可以看出在堆肥過程中堆體中氧氣濃度呈先下降后上升的趨勢。T1和T2處理在堆肥的第2至13天保持較低濃度，T1氧氣體積分數保持在3.96%～4.85%區間，T2保持在5.47%～6.14%區間，T3在堆肥第1～5天氧氣濃度最低，其保持在11.27%～11.68%區間。結合圖2可以看出，T1、T2和T3氧氣濃度較低時對應好氧發酵的高溫期，且這3個處理堆肥溫度和氧氣濃度均存在極顯著負相關關系（PT1=-0.939**，PT2=-0.863**，PT3=-0.735**），這主要是由于堆肥過程中微生物快速繁殖，消耗大量的氧氣同時釋放出大量熱從而使堆體溫度升高，含氧量下降。

圖3 堆肥過程中氧氣濃度變化Fig.3 Change of oxygen content during composting process

從圖 4可以看出堆肥過程中在不同通風方式下各處理可揮發性固體（VS）的含量整體逐步降低，從堆肥初期的71%左右逐步降低至62%左右，堆肥過程中T3 VS稍高于T1和T2處理，這主要是由于在過量通風下，堆體難以維持高溫，T3可揮發性固體分解率低于T1和T2處理；堆體含水率自堆肥初期至堆肥結束，T1和 T2處理的含水率整體保持在61%～65%的區間內，而T3處理由于過量的通風帶走了堆體中的水分，其含水率由堆肥初期的64%逐步降至57%。

圖4 堆肥過程中含水率及可揮發性固體含量變化Fig.4 Changes of moisture content (MC) and volatile solids (VS)content in composting process

圖5 為堆肥過程中pH值和EC值變化情況，從圖5可以看出堆肥過程中所有處理的pH值和EC值均呈現先升高后降低的趨勢，pH值在堆肥結束時維持在8.0左右，EC值均小于3 mS/cm。隨著通風頻次的增加，pH值呈逐漸降低的趨勢，這可能是由于過多的通風使堆體中的氨氣散逸出去，降低了堆體pH值；T1和T2處理下EC值的變化差異較小，但T3處理EC值在堆肥后期快速降低，在堆肥結束時其EC值明顯小于其他2個處理，產生這一現象的原因可能是由于T1和T2經歷了充分的好氧分解，其無機鹽組分較T3明顯增加，從而使得堆肥后期T1和T2的EC值明顯高于T3。

圖5 堆肥過程中pH值和EC值變化Fig.5 Changes of pH value and EC value during composting process

2.2 氨氣的排放分析

圖 6為堆肥過程中氨氣濃度變化情況，由于便攜式氣體檢測儀氨氣的量程僅為150 mg/m3，無法評價氨氣最大排放濃度。從圖6看出，T1、T2和T3分別有22、20和9 d，沒有獲得氨氣的排放濃度值。T3處理氨氣的排放質量濃度最先降至150 mg/m3以下，T1處理氨氣排放在150 mg/m3以上的持續時間最長，至堆肥結束氨氣的排放濃度隨通風頻次的增加依次降低，分別為 88.1、47.6和29.9 mg/m3。雖然本研究未分析出高溫期氨氣的排放濃度，但從堆肥中后期氨氣濃度排放的趨勢上可以看出隨通風頻次的增加，縮短了氨氣高濃度（＞150 mg/m3）排放的持續時間。

氨氣的產生主要源自含氮有機物的分解，增加通風可以促進微生物的呼吸作用，但過量的通風也會對氨氣起到一定的稀釋作用，雖然沒有文獻表明通風對氨氣濃度的稀釋作用和產生速率的影響規律，但過量的通風對氨氣的稀釋作用要大于產生速率，可以認為T3的最大排放濃度要小于T1和T2。

圖6 堆肥過程中氨氣濃度變化Fig.6 Changes of ammonia content in process of composting

2.3 硫化氫的排放分析

堆肥中硫化氫的排放濃度呈先升高后降低的趨勢（圖 7），最高排放濃度隨通風頻次的增加依次降低，分別為29.4、18.9和10.3 mg/m3，T2和T3處理較T1處理硫化氫的最大排放濃度分別降低了35.8%和64.8%，在堆肥中后期各處理硫化氫的排放質量濃度均降至0.2 mg/m3左右。可見增大堆肥過程中的通風頻次可以縮短堆肥過程中產生的氨氣高濃度排放時間，降低硫化氫的最大排放濃度。

此外，從圖7還可以看出，在堆肥前7天硫化氫的總排放量可以占整個堆肥過程排放總量的 90%以上，堆肥結束時T1、T2、T3硫化氫的累積排放量分別為14.3、13.5、31.5 mg/kg，其中T1和T2處理累積硫化氫的排放量僅為T3處理的45.3%和43.0%，可能是由于通風頻次的增加增大了堆體的通風量，通風量的增加將堆體中存留的硫化氫吹脫到堆體外部，導致了硫化氫累積排放量的增加，這與張玉冬等[24]的研究結果基本一致。

圖7 堆肥過程中硫化氫排放濃度及累積排放量Fig.7 Hydrogen sulfide emission concentration and cumulative emissions during composting process

2.4 TVOCs的變化

從圖8可以看出堆肥過程中不同通風方式下TVOCs的濃度呈先升高后降低的趨勢，且隨著通風頻次的增加，TVOCs的最大排放濃度依次降低，T1、T2和T3處理排放的TVOCs最大體積分數分別為420.3×10-6、382.7×10-6和326.5×10-6，T2和T3處理較T1處理TVOCs的最大排放濃度分別降低了 8.9%和 22.3%，在堆肥初始階段TVOCs的排放濃度隨通風頻次的增加而增加，堆肥中后期TVOCs的排放濃度隨通風頻次的增加而不斷減小，這主要是由于初始階段高頻次的通風使得微生物快速繁殖，雖然好氧條件下單位量的微生物產生的TVOCs會降低，但在大量微生物的作用下TVOCs排放總量會有所升高，堆肥中后期隨著堆體易分解有機物的快速消耗，堆體微生物的活性逐漸降低，TVOCs的產生量下降，同時過量的通風稀釋了堆體中的TVOCs，也使得高頻次通風排放的TVOCs濃度低于低通風頻次的處理。

圖8 堆肥過程中TVOCs排放濃度及累積排放量Fig.8 TVOCs emission content and cumulative emissions during composting process

雖然增加通風頻次降低了TVOCs的排放，但從圖8還可以看出TVOCs的累積排放量隨通風頻次的增加而增加，堆肥結束時T1、T2和T3處理TVOCs的累積排放量分別為1.26、2.00和6.08 L/kg，其中T1和T2處理TVOCs的累積排放量僅為T3處理的20.7%和32.9%。

2.5 二甲二硫和二甲三硫的變化

圖9為堆肥過程中二甲二硫濃度變化和累積排放量，從圖 9可以看出堆肥過程中二甲二硫的排放主要集中在堆肥前期，T1、T2和 T3的最大排放質量濃度分別為1 730.1、3 646.2和3 971.8 ng/L，堆肥結束時T1、T2和T3的累積排放量分別為1.5、4.3和10.6 mg/kg，堆肥前3天二甲二硫的排放量占堆肥過程總排放量的 95%以上，在堆肥過程中T1二甲二硫的排放呈現先升高后降低的趨勢，T2和 T3的二甲二硫的排放濃度自堆肥開始便快速下降，T3較T1和T2處理二甲二硫的排放濃度更早的趨于穩定。

圖10為堆肥過程中二甲三硫的濃度變化和累積排放量，從圖10可以看出堆肥過程中二甲三硫的排放主要集中在堆肥前期，T1、T2和T3的最大排放質量濃度分別為991.4、6 678.8和1 883.4 ng/L，以T2排放二甲三硫濃度最高，堆肥結束時T1、T2和T3的累積排放量分別為0.37、4.37和4.94 mg/kg，堆肥前3天二甲三硫的排放量占堆肥過程總排放量的 99%以上。在堆肥過程中各處理二甲三硫的排放均呈現快速降低的趨勢。

圖9 堆肥過程中二甲二硫濃度變化及累積排放量Fig.9 Dimethyl disulfide emission concentration and cumulative emissions during composting process

從圖9和圖10還可以看出，通風頻次對二甲二硫和二甲三硫的排放影響與TVOCs相一致，雖然增加通風頻次降低了二甲二硫和二甲三硫的排放濃度，但卻增加了其累積排放量。

3 討 論

本試驗分析了不同通風方式下堆肥臭氣的濃度變化及其累積排放量（見表3），從表3可以看出通風頻次越高硫化氫的日均排放濃度和 TVOCs的日均排放濃度越低，但臭氣的累積排放量卻與臭氣濃度呈現相反的趨勢，通風頻次越高，硫化氫和TVOCs的累積排放量越高。堆肥中硫化氫和 VOCs是堆體局部厭氧生成的產物[18]，通過增加通風頻次的方式增加堆體供氧量可以降低硫化氫和TVOCs的生成，本試驗中隨通風頻次的增加，在硫化氫和TVOCs產生量減少和通風量增加對氣體稀釋的雙重作用下，堆體釋放的硫化氫的日均濃度和TVOCs的日均濃度逐漸下降。這主要是由于臭氣累積排放量受臭氣濃度和通風風量2個因素的影響（見公式（1）），從表3可以產出，T2和T3的通風量分別比T1增加了74%和599%，但T2和T3的硫化氫日均濃度分別比T1降低了48%和68%，T2和T3的TVOCs的日均濃度分別比T1降低了9.5%和31.3%，通風量增加的百分比遠大于臭氣濃度下降的百分比，導致堆肥臭氣累積排放量升高，因此可以認為通風量的升高是增加堆肥中臭氣累積排放量的主要因素。

表3 總通風量與臭氣濃度和累積排放量情況Table 3 Total ventilation volume and odor concentration and cumulative emissions

本試驗中通風5 min間隔30 min和通風5 min間隔15 min比連續通風處理下，硫化氫和TVOCs的累積排放量分別降低了45.3%和43.0%以及20.7%和32.9%；二甲二硫和二甲三硫的累積排放量分別降低了85.8%和59.4%以及92.5%和11.5%，結合通風對臭氣累積排放影響的規律來看，本試驗中最佳降低臭氣濃度得處理為通風5 min間隔30 min。

環境承載力是指在某一時期，某種環境狀態下，某一區域環境對人類社會、經濟活動的支持能力的限度，因此污染物的累積排放量比排放濃度更能夠表征污染物對環境的危害程度，本研究中低通風頻次是降低堆肥臭氣的最佳處理，為鼓風5 min間隔30 min。雖然在本試驗中并未得出氨氣的最大排放濃度及其累積排放量，但根據堆肥中NH3高濃度（＞150 mg/m3）排放的持續時間，結合通風對H2S和TVOCs累積排放量的影響規律，可以在一定程度上認為通風頻次越大，氨氣的累積排放量也越大。

本研究與張玉冬等[24]和 Turan等[25]的研究相比，不僅分析了通風對堆肥臭氣濃度的影響，同時分析了通風對臭氣累積排放量的影響，研究結果表明增加通風頻次，雖然降低了臭氣濃度，但會增加臭氣的累積排放量。目前中國《惡臭污染物排放標準》（GB14554-1993）中規定了企業臭氣的有組織排放和無組織排放限值，一般來說堆肥場產生的臭氣屬于無組織排放，僅限制了廠界臭氣的排放濃度，對環境風速及工況并未提出限制或要求。對于部分無法控制臭氣排放量的企業（如堆肥廠），建議從單位質量干物料產生的臭氣累積排放量限制其臭氣濃度，更優于監測廠界臭氣濃度。雖然目前尚未對企業堆肥中無組織臭氣的排放總量做具體限制，通過本試驗可以看出過量增加堆肥通風頻次會提升臭氣的累積排放量，應避免采用增加通風量的方式控制堆肥臭氣排放濃度，另外對于現有企業的臭氣無組織排放而言建議考慮結合環境風速及工況對企業邊界臭氣的排放濃度進行計算，以更好地控制臭氣的排放。

4 結 論

1）增加堆肥過程中的通風頻次可以有效降低臭氣的排放濃度，但會增加臭氣的累積排放量，臭氣累積排放量比臭氣濃度更能表征臭氣對環境危害程度，臭氣累積排放量越大，對環境造成的危害越大。本試驗中通風5 min間隔30 min和通風5 min間隔15 min比連續通風處理下，硫化氫和總揮發性有機物的累積排放量分別降低了45.3%和 43.0%以及 20.7%和 32.9%；二甲二硫和二甲三硫的累計排放量分別下降了85.8%和59.4%以及92.5%和11.5%，綜合考慮，以通風5 min間隔30 min整體控制臭氣累計排放的效果最佳。

2）行業應用以及試驗研究中僅監測臭氣的排放濃度不能科學反應臭氣危害的實際情況，建議重點監測臭氣的累積排放量，對于無組織排放源建議結合工況及風速對企業臭氣的排放進行監測。