通風方式對牛糞堆肥氨氣排放與氮素轉化的影響

王友玲 邱慧珍 PHILIP Ghanney 李孟嬋 張春紅

(1.甘肅農業大學資源與環境學院， 蘭州 730070;2.甘肅省畜禽廢物資源化利用工程研究中心， 蘭州 730070)

0 引言

好氧堆肥因其處理效率高、成本低、可資源化利用等特點而廣泛應用于有機廢棄物的處理[1]。然而，堆肥過程中氨氣(NH3)和氧化亞氮(N2O)的產生會導致大量氮素損失。據資料統計，堆肥過程中，以NH3形式損失的氮占 TN的9.6%～46%[2]，占氮素總損失量的79%～94%；以N2O形式損失的氮占氮素總損失量的0.1%～5%[3]。不僅造成了環境二次污染，而且降低了堆肥成品有機肥的品質[4-5]。因此，探明堆肥過程中影響氮素轉化和氨揮發的因素和機理、減少堆肥過程中含氮氣體的排放、控制氮素損失是當前亟待解決的問題。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

堆肥試驗在反應器中進行。供試牛糞由甘肅省白銀鑫昊奶牛場提供，玉米秸稈取自甘肅省榆中縣農田，并粉碎成1～2 cm的小段。供試材料的基本理化特性見表1。

表1 堆肥物料的理化性質Tab.1 Physical and chemical properties of composting materials

1.2 堆肥試驗

試驗在圖1所示的密閉式強制通風反應器系統中進行。反應器有效容積約60 L，采用溫度傳感器記錄溫度數據。試驗以牛糞和玉米秸稈為原料，調節物料碳氮比為29，含水率為60%進行好氧發酵試驗。

試驗設置連續通風和間歇通風2個處理，記為T1、T2處理。通風速率采用小型反應器堆肥中的推薦值0.2 L/(min·kg)[15]。已有研究[16-17]表明，在連續通風10 min的時間內，通風后期的O2濃度變化很小，說明通風10 min堆體內的O2供應充分。通風結束后，10 min內堆體O2消耗速度最快，之后O2消耗速度較慢，故設置間歇通風處理通風10 min，停止10 min。每個處理設置3個重復。

圖1 堆肥反應器示意圖Fig.1 Sketch of composting vessel

1.3 試驗樣品采集

1.3.1固體樣品采集

1.3.2氣體樣品采集

氣體樣品(N2O)用注射器收集到0.2 L的采氣袋里備用。前10 d每天收集，后10 d隔天收集，每天08:00采樣，沒有測定日期的數據通過對最近前后測量日進行平均計算得出，累積排放量則是通過日通量計算得出。

1.4 測定指標與分析方法

1.5 氮素損失計算方法

TN損失率計算公式為

式中X——TN損失率，%

C0——初始TN質量比,g/kg

C1——結束時TN質量比,g/kg

M0——初始物料干質量,kg

M1——結束時物料干質量,kg

1.6 數據分析

2 結果分析

2.1 堆肥過程中溫度和pH值的變化

2.1.1溫度

如圖2所示，在堆肥初期，T1、T2處理的溫度迅速升高并在第2天達到峰值70.77、69.15℃。這是由于強制曝氣促進了有機物質的降解，導致溫度迅速升高[14]。T2處理溫度低于T1處理，是因為在升溫階段O2消耗速度很快[16]，T2處理可能因為缺氧而影響微生物的活性，進而影響堆體的升溫。隨后堆體溫度逐漸下降，到堆肥結束時，易分解有機物質基本完全降解，微生物代謝活動減弱，2個處理的溫度接近環境溫度，均低于30℃。可能因為T2處理較高的瞬時曝氣速率造成更多的熱量和水分損失，使得T2處理溫度低于T1處理。2個處理高溫期(溫度大于50℃)持續時間均為9 d，達到《畜禽糞便無害化處理技術規范》[20]規定的密閉倉式堆肥保持發酵溫度50℃以上不少于7 d的要求。

圖2 堆肥過程中溫度的變化曲線Fig.2 Change curves of temperature during composting

2.1.2pH值

圖3 堆肥過程中pH值的變化曲線Fig.3 Change curves of pH value during composting

2.2 堆肥過程中 TN含量的變化

由圖4可見，T1和T2處理TN含量呈先下降后上升的趨勢。T2處理TN含量高于T1處理。2個處理TN含量均隨溫度升高而下降，主要是由于高溫和高pH值條件下有機氮的分解和NH3的揮發[22]。到堆肥結束時，2個處理TN質量比均高于初始值并達到峰值，分別為15.91、16.35 g/kg。已有研究[23-24]表明，TN含量增加的主要原因是濃縮效應，因為堆肥質量減少的速度比氮素減少的速度更快，導致堆肥過程中氮相對富集。在本研究中，T1處理TN顯著增加，說明有機碳化合物的強烈降解可能也是TN含量增加的原因[25]。試驗結束后，T2處理TN含量高于T1處理，說明通風方式可能也是造成這一差異的原因。

圖4 堆肥過程中TN含量的變化曲線Fig.4 Change curves of TN during composting

2.3 堆肥過程中無機態氮的變化

圖5 堆肥過程中含量的變化曲線Fig.5 Change curves of during composting

圖6 堆肥過程中含量的變化曲線Fig.6 Change curves of during composting

2.3.3氨氣的排放

2.4 堆肥過程中有機態氮的轉化

2.4.1酸解總有機氮

堆肥材料中的氮素多以有機氮形態存在。根據 Bremner酸解法將有機氮劃分為非酸解氮(UTHN)和酸解總有機氮(THN)。酸解總有機氮主要包括氨基酸態氮(AAN)、氨基糖態氮(ASN)、酸解氨氮(AN)和酸解未知態氮(HUN)，本研究中酸解總有機氮約占 TN 45%，各種酸解有機氮含量的變化情況見圖8。2個處理的酸解總有機氮在堆肥初期下降，之后逐漸上升。堆肥結束時T1、T2處理的酸解總有機氮含量分別為8.22、9.24 g/kg，說明T2處理具有更強的連續供氮能力。

圖7 堆肥過程中NH3排放量的變化曲線Fig.7 Change curves of NH3 during composting

圖8 堆肥過程中AAN、ASN、AN、HUN和THN含量的變化Fig.8 Changes of AAN, ASN, AN, HUN and THN during composting

2.4.2氨基酸態氮

圖9 堆肥過程中氮素組分的轉化相關性Fig.9 Transformation correlation of nitrogen component during composting

圖10 堆肥過程中氮素損失Fig.10 Losses of nitrogen during composting

2.4.3氨基糖態氮

氨基糖態氮是微生物的重要組成部分，其含量與微生物的生物量有關[26]。如圖8所示，T1和T2處理氨基糖態氮占酸解有機氮的比例約為3%，氨基糖態氮含量呈先上升后下降的趨勢，最后達到一個相對穩定的水平，這和堆肥過程的溫度變化(圖2)是一致的。T1和T2處理的氨基糖態氮質量比在第2天達到最大值0.31 g/kg和0.34 g/kg，這是由于充足的氮、碳和營養物質，增加了微生物的生物量，從而增加了氨基糖態氮含量[11]。T2處理的氨基糖態氮含量高于T1處理，說明間歇曝氣能促進微生物的生長和活性，有利于氨基糖態氮的積累。隨著可利用有機物質的消耗，導致微生物的死亡和分解，氨基糖態氮含量降低[29]。

2.4.4酰胺態氮

如圖8所示，T1和T2處理的酰胺態氮質量比在堆肥初期呈上升趨勢，并在第2天達到最高值1.18、1.01 g/kg。這可能是由于物料中由脫氨基或水解產生的氨基糖和氨基酸合成了酰胺態氮[30]。隨著堆肥的進行，酰胺態氮含量逐漸下降，這主要是由于微生物代謝導致酰胺態氮降解[11]。酰胺態氮是堆肥過程中氨揮發的主要來源之一[29]，酰胺態氮可以向銨態氮轉化，并以氨氣形式揮發[30]，這和圖9的分析結果一致。到堆肥結束時，T2處理的酰胺態氮含量低于T1處理。說明間歇曝氣可以抑制氨揮發。酰胺態氮約占酸解有機氮15%。

2.4.5酸解未知態氮

2.5 堆肥過程中氮素轉化機理

結構方程模型(Structure equation modeling，SEM)是一種將數據擬合到表達因果假設的模型中，探索變量之間因果關系的方法，這種關系用因果模型、路徑圖等形式加以表述[32]。由于有機氮轉化過程的復雜性，不同的生化反應可能產生協同或抑制作用。因此，采用SEM可以使不同有機氮組分之間的轉化關系更加直觀。SEM分析結果表明，該模型的擬合指標已達到估計指標理想擬合的標準(χ2/df<2，P>0.05，GFI(擬合優度指數)大于0.950，CFI(比較擬合指數)大于0.900和RMSEA(漸進殘差均方和平方根)小于0.05)。因此，本試驗中SEM可以有效地研究有機氮組分的轉化。

表2 堆肥過程中有機氮組分轉化對的直接、間接和總影響結果Tab.2 Direct, indirect and total effects of organic nitrogen fractions transformation on during composting

2.6 氮素損失

由圖10可知，T1和T2處理TN損失分別占初始TN的23.25%和21.12%。TN損失的主要原因是NH3揮發。T1和T2處理中通過NH3揮發損失的氮占TN的損失率分別為74.76%和61.84%。而N2O排放損失的氮分別僅占TN損失的1.12%和1.37%。這一結果與文獻[33]研究結果類似。說明減少NH3排放是保氮的關鍵。

3 結論

(1)堆肥結束后，T1和T2處理的TN損失率較高，主要以NH3揮發為主。NH3揮發主要集中在堆肥初期。T2處理的NH3累積排放量比T1處理少24.37%，間歇通風方式有利于減少NH3揮發。