豬場沼渣與玉米芯混合槽式堆肥氨氣排放特征*

余 鑫，鄭云昊，朱志平，張 羽，曹起濤

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京100081）

畜禽廢棄物無害化處理和資源化利用是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的關(guān)鍵。堆肥是養(yǎng)殖廢棄物處理的有效技術(shù)措施，一方面，堆肥過程溫度升高可有效殺滅多種病原微生物，從而實現(xiàn)糞污的無害化；另一方面，通過堆肥處理可將有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為相對穩(wěn)定的肥料和土壤改良劑，實現(xiàn)對廢棄物的資源化利用。

大型養(yǎng)殖場堆肥過程一般采用好氧發(fā)酵工藝，堆肥過程中會產(chǎn)生和排放NH3、CH4、N2O、CO2和VOCs 等氣體[1-2]，不僅會造成氮等營養(yǎng)元素的流失，還會產(chǎn)生二次污染。NH3的揮發(fā)會造成堆肥中氮素的損失，降低堆肥肥效，而且進(jìn)入大氣中的NH3既是惡臭空氣污染物的主要組成，同時也是霧霾形成的重要前體物之一，可與二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)等酸性氣體發(fā)生中和反應(yīng)生成銨鹽氣溶膠，是霧霾期間大氣細(xì)顆粒物（PM2.5）的主要成分，對周圍環(huán)境質(zhì)量及大氣污染均有較大影響[3]。在應(yīng)對全球變暖和大氣污染防治的迫切需求下，了解畜禽養(yǎng)殖廢棄物實際堆肥生產(chǎn)過程中氨氣的排放情況，掌握其排放特征，進(jìn)而有針對性選擇減排措施尤為重要。

關(guān)于畜禽糞便堆肥處理過程氨氣排放特征的研究已有較多報道，但是不同的研究結(jié)果差異較大。丁鋼強(qiáng)等研究了冬季5～15℃條件下固體豬糞堆放過程氨氣排放特征，結(jié)果表明氨氣排放占初始總氮的2.1%～2.6%[4]；Szanto 等研究發(fā)現(xiàn)靜態(tài)堆肥中產(chǎn)生的氨氣含量占初始總氮的3.9%[5]；Wang 等研究了不同通風(fēng)形式下堆肥排放特征，結(jié)果也存在較大的差異，正壓和負(fù)壓通風(fēng)條件下氨氣排放量分別約占初始總氮的36.7%和15.8%～16.8%[6]。此外，也有研究報道了不同堆肥物料[7-8]、堆肥方式[9]及不同添加劑[10]等條件下氨氣的排放情況，由于原料不同，堆肥方式不同，相應(yīng)的研究結(jié)果也存在差異。國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》中提出，畜禽糞污以農(nóng)村能源和農(nóng)用有機(jī)肥為主要利用方向，沼氣發(fā)酵后產(chǎn)生的大量沼渣進(jìn)行進(jìn)一步無害化處理生產(chǎn)農(nóng)用有機(jī)肥將會越來越多，但目前堆肥氨氣排放的主要研究對象為畜禽糞便，針對以豬糞沼渣為原料的槽式堆肥實際生產(chǎn)過程的現(xiàn)場試驗研究較少，不僅缺乏氨氣排放的數(shù)據(jù)，而且實際堆肥生產(chǎn)過程氨氣的排放特征尚不明確。因此，本研究選取河北省某規(guī)模化養(yǎng)豬場槽式堆肥發(fā)酵場，以沼渣和玉米芯混合物為堆肥原料，通過實時在線監(jiān)測系統(tǒng)追蹤監(jiān)測槽式堆肥完整堆肥周期內(nèi)（38d）堆體理化性質(zhì)變化，揭示車間氨氣排放特征及日變化規(guī)律，以期為了解沼渣槽式堆肥實際生產(chǎn)中氨氣排放特征及減排策略的制定提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)施和材料

試驗在河北省某規(guī)模化養(yǎng)豬場槽式堆肥車間進(jìn)行。堆肥車間尺寸為80m×27m×6.5m（長×寬×高），采用槽式堆肥結(jié)構(gòu)，車間設(shè)有6 條堆肥槽，每條槽堆體尺寸為60m×4m×1.5m（長×寬×高）。堆肥采用底部通風(fēng)-鏈板式機(jī)械翻堆模式，每翻堆一次前進(jìn)4m，同時在堆肥槽起始端加入同等體積新鮮堆肥原料。

堆肥原料為豬糞厭氧發(fā)酵消化液固液分離后的固體部分（沼渣）與粉碎后的玉米芯混合物，混合的體積比為2:3。試驗對一個完整堆肥周期內(nèi)堆體氨氣的排放特征進(jìn)行了追蹤監(jiān)測，即從新鮮原料加入堆肥槽初始端開始至腐熟后從末端轉(zhuǎn)移，共38d，期間翻堆14 次（日常翻堆在8：00-16：00 進(jìn)行），翻堆間隔為2～3d，分別在堆肥的第3、6、9、12、15、18、21、24、26、28、30、33、36、38 天進(jìn)行。堆肥過程采用12 臺混流式風(fēng)機(jī)(LFB-C-4)進(jìn)行底部通風(fēng)，額定風(fēng)量總計28000m3·h-1，通風(fēng)口位于堆肥槽底端，采用間歇式通風(fēng)方式，風(fēng)機(jī)運行通停時間比為5min/15min。同時，為了保證車間通風(fēng)，在車間頂部設(shè)有4 條排風(fēng)通道與車間外除臭系統(tǒng)相連，并通過4 臺大型離心風(fēng)機(jī)(YTCZ-F)將車間內(nèi)的污濁空氣引到除臭系統(tǒng)，每臺排風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量為15500m3?h-1，24h 連續(xù)運行。

1.2 氨氣濃度在線監(jiān)測及通量計算

氨氣濃度使用在線監(jiān)測系統(tǒng)24h 持續(xù)監(jiān)測。采用梅花布點方式在堆肥車間設(shè)置5 個監(jiān)測點（圖1），為了避免攪拌設(shè)備的干擾，所有氣體的采樣點高度均為6m，距離堆體表面4.5m，各采樣點氣體通過采樣管路（聚四氟乙烯材質(zhì)）分別經(jīng)過過濾器、多通道采樣器后進(jìn)入 INNOVA1412i 氣體監(jiān)測儀（LumaSense，丹麥），在線連續(xù)監(jiān)測排放氣體中氨氣的濃度；同時在堆肥車間外上風(fēng)向距離車間墻體22m處設(shè)置空氣背景值監(jiān)測點，每個點連續(xù)采樣監(jiān)測6次，以最后一次監(jiān)測值作為計算值，每次采樣監(jiān)測時間為2min，所有采樣點監(jiān)測循環(huán)一次的時間為72min。

堆肥車間氨氣排放通量的計算式為

式中，E 為單位堆體的氨氣排放通量（mg·m-3·h-1）；Q 為堆肥車間通風(fēng)量，為4 臺排氣風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量之和（m3·h-1）；V 為堆肥車間堆體體積，取值為2160m3；Cout和Cin分別為堆肥車間氨氣平均濃度和氨氣背景值（mg·m-3）。

1.3 堆體樣品采集及理化指標(biāo)檢測

利用一條堆肥槽（長×寬×高為60m × 4m×1.5m）和一個堆體（長×寬×高為4m × 4m × 1.5m）完成一次堆肥過程，根據(jù)槽式堆肥運行工藝及堆體深度，在2018年12月14日-2019年1月20日對一條槽內(nèi)的同一段堆體進(jìn)行追蹤樣品采集，每次翻堆后進(jìn)行一次采樣，采樣點分別距離堆體表層0.5m 和1.0m深處，采樣量均為500g，共采集15 次，每次將兩層的樣品混合均勻后保存于4℃條件下，用于后續(xù)理化指標(biāo)測試。試驗堆肥指標(biāo)檢測方法見表1。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析處理使用IBM SPSS Statistics25和Excel2019，相關(guān)性分析采用Pearson 相關(guān)檢驗和Kruskal-Wallis 秩和檢驗。使用SigmaPlot12.5 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程物料理化性質(zhì)及氮含量變化特征

圖1 堆肥車間布局及氨氣濃度采樣點分布示意圖 Fig.1 Trough composting layout and ammonia sampling points distribution in the composting plant

表1 堆肥物料的理化性質(zhì)測定方法 Table 1 Analytical method for physical and chemical properties of composting materials

圖2 堆肥周期內(nèi)堆體理化性質(zhì)及氮含量的變化 Fig.2 Physicochemical properties and nitrogen contents of composting materials during a composting period

由圖2 可見，在一個堆肥周期內(nèi)，堆體的含水率峰值為 56.73%，隨著堆肥的進(jìn)行降至最低值49.47%，堆肥周期內(nèi)堆體平均含水率52.71%；堆體pH 值變化范圍為7.33～8.19，平均7.81，堆料在堆肥過程中始終處于堿性狀態(tài)，且在堆肥的第9 天-第15 天內(nèi)pH 值（＞ 8.0）相對較高（圖2a），至堆肥結(jié)束時pH 值呈極顯著降低（P＜0.01）。至堆肥第38 天，堆體總固體含量（Total solid，TS）較堆肥初始極顯著增加（P＜0.01），堆體揮發(fā)性固體含量（Volatile solid，VS）變化并不顯著（Kruskal-Wallis 秩和檢驗），平均為20.78%（圖2b）。堆肥周期內(nèi)堆體干物質(zhì)的總碳含量平均為231.57g·kg-1DM；C/N 的值為10.74～12.35，總體呈下降趨勢，至堆肥結(jié)束時降低了1.46（P ＜0.05）（圖2c）。

在觀測的堆肥周期內(nèi)，堆體總氮含量平均為20.54g·kg-1DM（2d）。圖2e 顯示，堆體內(nèi)銨態(tài)氮（NH4+-N）含量隨堆肥時間延長呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，前5 次取樣檢測時銨態(tài)氮含量迅速上升，至第12 天達(dá)到峰值（3516.85mg·kg-1），然后逐漸降低，中間雖有波動但總體呈下降趨勢，至堆肥結(jié)束時，堆體內(nèi)銨態(tài)氮含量降低了763.05mg·kg-1DM，僅為1193.93mg·kg-1DM；硝態(tài)氮（NO3--N）含量的變化趨勢與銨態(tài)氮相似，其變化范圍為 22.06 ～60.98mg·kg-1DM，二者的變化趨勢在時間上不一致，硝態(tài)氮較早達(dá)到峰值（第6 天），呈顯著正相關(guān)關(guān)系（r = 0.74，P＜0.05）。可見，在適宜含水率水平（50%左右）和堿性條件下，沼渣中豐富的氮逐漸轉(zhuǎn)化為NH4+-N、NO3--N 等含氮化合物，且部分含氮物質(zhì)在堿性條件下以NH3形式揮發(fā)到大氣中。

2.2 堆肥車間NH3濃度變化特征

堆肥過程中，物料中產(chǎn)生的部分氮素以氨氣的形式排放到空氣中。由圖3 可見，在堆肥周期內(nèi)（38d），車間內(nèi)氨氣濃度變化范圍為 0.85 ～22.40mg·m-3，日平均濃度為3.63mg·m-3。堆肥前2周氨氣平均濃度為4.70mg·m-3，在堆肥第7 天氨濃度達(dá)到峰值，之后逐漸降低；堆肥第15 天-第38 天，氨氣平均濃度為3.00mg·m-3（圖3a）。此外，車間氨氣濃度日變化特征（圖3b）表現(xiàn)為午后高于上午和夜間，不同時間段堆肥車間氨濃度波動較大。其中12：00-16：00 時段車間氨氣濃度最高，且波動最大，最高可達(dá)22.40mg·m-3，平均為6.77mg·m-3；其次是16：00-20：00 時段和8：00-12：00 時段，氨氣濃度平均分別為4.26mg·m-3和3.62mg·m-3；堆體在夜間保持較低的氨排放濃度，其中0：00-4：00 時段和4：00-8：00 時段氨濃度分別為2.32±0.76mg·m-3和2.03±0.62mg·m-3。日間濃度高的原因主要是翻堆通常在8：00-16：00 進(jìn)行，翻堆過程造成氨氣擴(kuò)散，并逐步上升到堆肥車間內(nèi)部上方積累，導(dǎo)致白天的濃度高于夜間。

圖3 堆肥車間氨氣濃度變化過程 Fig.3 Variation of ammonia concentrations in the composting plant

2.3 堆肥過程中NH3排放通量變化特征

利用式（1）對堆肥周期內(nèi)堆肥車間氨氣排放通量進(jìn)行計算，結(jié)果如圖4 所示。由圖可見，單位堆體的排放通量為50.25～196.59mg·m-3·h-1，平均103.99mg·m-3·h-1。整體來看，氨氣的排放通量與堆肥車間氨氣濃度的變化規(guī)律相似。堆肥前13d 氨氣的排放通量波動較大，平均為140.60mg·m-3·h-1，堆肥第14 天-第22 天氨氣排放通量呈逐漸增加趨勢，之后再逐漸降低。將堆肥排放的氨氣日排放量進(jìn)行累積加權(quán)求和得到累積排放量，整個堆肥周期內(nèi)，單位堆體的氨氣累積排放量為94.84g·m-3，堆肥前10d 氨氣的累積變化趨勢較快，之后漸緩，表明堆肥前期氨氣的排放量高于后期。另外，計算結(jié)果顯示，豬糞沼渣經(jīng)過38d 的好氧堆肥發(fā)酵，堆體以氨氣形式損失的氮含量占堆肥原料初始總氮的1.75%。

圖4 堆肥車間氨氣排放通量和累積排放量 Fig.4 Ammonia emission flux and cumulative emissions in the composting plant

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

沼渣堆肥期間物料的含水率變化范圍為49.47%～56.73%，與豬糞堆肥常見含水率（50%～65%）接近[11]。堆體pH 值變化范圍為7.33～8.19，符合農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-有機(jī)肥料（NY525-2012）pH 應(yīng)在5.5～8.5 的要求[15]。由于堆體含水率變化，堆肥結(jié)束后樣品中TS 和VS 相對堆肥初始值分別增加了12.45%和2.28%。堆肥過程中C/N 值為10.74～12.35，總體呈下降趨勢，堆體C/N 由初始的12.35±0.73 降為堆肥結(jié)束時的10.89±0.38，這與楊國義等[13]的研究結(jié)果相似，隨著堆肥的進(jìn)行，C/N 比降低。在堆肥周期內(nèi)，堆體銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）含量變化范圍分別為1193.93～3516.85mg·kg-1DM和22.06～60.98mg·kg-1DM，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這與Wang 等[14]的研究結(jié)果相似，可能是由于有機(jī)氮的降解和NH3的排放導(dǎo)致。

沼渣與玉米芯混合原料好氧堆肥過程中，氨氣濃度的變化范圍為0.85～22.40mg·m-3，日平均值為3.63mg·m-3，很多時間超過了《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 14554-93）對氨氣三級排放標(biāo)準(zhǔn)濃度5.0mg·m-3的要求[12]，需要采取合理有效的措施進(jìn)行控制。堆肥前2 周氨氣濃度較高，且午后氨氣濃度高于早晨和夜間，這一方面歸因于午后環(huán)境溫度相對較高，有利于氨氣的擴(kuò)散；另一方面，翻堆一般在下午進(jìn)行，堆體的機(jī)械翻堆對氨氣排放有促進(jìn)作用，研究表明[16-17]，翻堆會增加堆體NH3的排放。與其它研究相比，本研究監(jiān)測到的堆肥車間氨氣濃度偏低。周談龍[18]研究指出，豬糞堆肥過程NH3排放濃度為116.5～1137mg·m-3，死豬與豬糞堆肥過程最高排放濃度可達(dá)970mg·m-3，而朱海生等[19]報道的牛糞堆肥過程氨氣的排放結(jié)果表明，氨氣排放濃度隨著堆體規(guī)模的增大而增加，最高排放濃度為30.6mg·m-3。本試驗氨氣濃度較低的原因，一方面是堆肥原料中僅由沼渣（占比40%）提供氮源，剩余部分為不提供氮源的玉米芯，因此，產(chǎn)生的NH3較少；另一方面本研究為實際工程堆肥車間，其它研究為實驗室監(jiān)測試驗，實驗室堆肥設(shè)備的頂部預(yù)留空間僅堆體的十分之一或更小，而本實驗的實際生產(chǎn)堆肥車間為保證翻堆設(shè)備的移動，預(yù)留空間高達(dá)5m，預(yù)留空間體積是堆體的5 倍，對堆體排放的氨氣產(chǎn)生了稀釋作用，再加上氨氣采樣點高度距堆體表面4.5m，氨氣濃度必然小于堆體表面濃度。此外，為控制堆肥車間氨氣排放，堆肥車間安裝了通風(fēng)排氣系統(tǒng)，換氣率為6 次·h-1，進(jìn)一步降低了采樣點的氨氣濃度。因此，實際的堆肥過程氨氣濃度不僅與堆肥原料和管理有關(guān)，也與車間的控制及排氣系統(tǒng)直接相關(guān)，應(yīng)根據(jù)實際生產(chǎn)過程中的氨氣濃度選擇合理的減排措施。

整個堆肥周期內(nèi)，氨氣的排放通量變化波動較大，為103.99±37.93mg·m-3·h-1，堆肥初始階段排放通量較高，主要原因是堆肥中有機(jī)質(zhì)的降解使堆體溫度升高，從而促進(jìn)了氨氣的排放[20]。本研究中單位堆體的氨氣累積排放量為94.84g·m-3，低于低碳氮比條件下豬糞堆肥（1456.6g·m-3）[21]、脫水污泥高溫好氧堆肥（2.19g·kg-1）[22]、以及純豬糞堆肥過程（7.836 g·kg-1）[23]氨氣的排放量，但與奶牛場等單位體積堆肥墊料的氨氣排放量相近（75～236g·m-3）[24]。這表明，不同原料堆肥的氨氣排放相差較大，為進(jìn)一步明確沼渣堆肥的氨氣排放特征，建議開展不同畜禽沼渣的堆肥試驗研究。

3.2 結(jié)論

（1）38d 內(nèi)槽式好氧堆肥車間NH3的濃度變化范圍為0.85～22.40mg·m-3，堆肥前兩周氨氣濃度高于后期。盡管全程平均值為3.63mg·m-3，但多數(shù)時間的氨濃度高于《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的限量值。

（2）堆肥過程中氨氣排放受外界環(huán)境溫度和翻堆的影響，12：00-16：00 堆肥車間氨氣濃度最高，平均為6.77mg·m-3，4：00-8：00 時段氨氣濃度最低，平均為2.03mg·m-3，白天堆肥車間的氨氣濃度明顯高于夜間。

（3）堆肥過程氨氣排放通量為 103.99± 37.93mg·m-3·h-1，整個堆肥過程的累積排放量94.84g·m-3。堆體以氨氣形式損失的N 占堆體初始TN 的1.75%。