畜禽糞便堆肥臭氣過程脫除裝置的設計與除臭效果分析

張 昊,王 雷,鄭 超,2,朱巖巖,梁逸夫,陳 芳,申 杰,皮勁松*

(1. 湖北省農業科學院 畜牧獸醫研究所，湖北 武漢 430064；2. 西南科技大學 生命科學與工程學院，四川 綿陽 621010)

根據生態文明建設的總體要求，中國各地養殖企業均開展畜禽養殖糞污無害化處理工作。堆肥是畜禽養殖固體廢棄物無害化處理的有效方式，處理成本低，同時可以滿足廢棄物無害化要求[1]，養雞設施化程度高，鮮雞糞由傳送帶運出雞舍，適于集中進行堆肥處理[2]。但堆肥過程中臭氣擾民是技術應用的最大問題[3-4]。堆肥臭氣的主要成分包括氨氣、硫化氫、揮發性有機物(VOC)[5]，其中氨氣在各臭氣組分中濃度最高，硫化氫惡臭潛力最高[6]。

堆肥臭氣脫除主要通過3種方式，分別是源頭減排、過程減排和末端減排[7]。其中，過程減排是臭氣減排的重要環節，在(半)開放堆肥車間極具應用價值。常規堆肥發酵過程的臭氣釋放可分為集中釋放和無序釋放兩個階段，集中釋放階段主要在堆體翻拋過程中及翻拋后的1～2 h，其他時段為臭氣無序釋放階段。從翻堆頻率導致的氮素損失數據不難發現，在臭氣集中釋放階段，氨氣釋放量巨大[8]。在臭氣無序釋放階段堆肥的臭氣釋放量相對較少。因此，堆肥臭氣過程減排應重點關注集中釋放階段，兼顧無序釋放階段。但目前而言，相關除臭措施主要著眼于源頭減排和末端減排兩個階段，過程減排環節的設備及工藝較為缺乏。

臭氣脫除在城市污泥處理過程中積累了大量研究經驗，目前主要采用物理法、化學法和生物法3種[9]。物理法主要是采用比表面積較大的物理吸附劑將臭氣吸附[10]。化學吸收法主要包括化學吸收法和燃燒法，化學吸收法適合大氣量、中等濃度的廢氣處理，其適用范圍較廣；燃燒法主要是利用臭氣的可燃性將其氣化燃燒或高溫分解，轉化為無臭物質，但易導致二次污染，且需要燃料助燃，其運行復雜。生物除臭法主要是通過功能性微生物的生理代謝將具有臭氣中的某些組分利用，實現目標臭氣成分去除[7,11]。基于上述除臭方法，為了保障除臭性能的持續高效，根據畜禽糞便堆肥臭氣的特點，研究團隊綜合應用化學吸附法和生物法，試制了一種應用于堆肥的臭氣過程脫除裝置，并進行試驗應用。

1 材料和方法

1.1 采樣準備

1.1.1 試驗地點與時間 試驗地點位于湖北省農業科學院金水試驗雞場槽式堆肥車間。由于夏季高溫、高濕、低氣壓，好氧堆肥升溫快，臭氣濃度高，且不利于惡臭物質的擴散，臭氣對周邊環境的影響更大，因此，相關試驗在2019年5-8月開展。

1.1.2 堆體準備 堆肥車間堆肥槽高80 cm，寬4 m。堆肥時，利用谷糠調整堆體碳氮比至30:1，含水率55%。堆體堆滿12 m槽體后開始試驗，每日翻堆。一次發酵15 d，將堆體轉至熟化車間后，開展另一批次堆肥。

1.2 除臭裝置與運行

1.2.1 除臭裝置及運行情況 除臭設備由翻拋機上的高位噴灑單元和低位噴灑單元組成(圖1)，其中，每個單元包括除臭液儲存罐、增壓泵機、輸送管路支架、輸送管路、噴頭和控制系統，所述除臭劑儲存罐通過增壓泵機，經輸送管路與噴頭連接(圖2)。除臭劑儲存罐內有渦旋混勻裝置，同時內表面涂有防粘層。翻堆時，自動控制系統增壓泵機開啟，兩個除臭單元同時運行，兩臺泵機分別抽取除臭劑向已翻拋的堆體表面噴灑。

圖1 噴灑系統示意簡圖Fig.1 Schematic diagram of the spraying system

圖2 裝置整體示意圖Fig.2 Overall schematic of the device

1.2.2 除臭菌劑配制 高位噴灑單元噴灑除臭微生物，通過生物法降低臭氣含量。其除臭菌劑為短小芽孢桿菌、努比鹵地無氧芽孢桿菌、中間硫桿菌、糞腸球菌和短程硝化細菌，從各菌株108cfu/mL保存液中各取3 mL，按1：1：1：1：1比例混合后，加入富集培養基，28 ℃轉速150～300 r/min搖床培養2～4 d后，100目篩網過濾制得。富集培養基配方為：葡萄糖10.0 g，NaCl 1.0 g，Na2S2O3 5 g，K2HPO4·2H2O 2.0 g，KH2PO4·2H2O 2.0 g，NH4Cl 0.5 g，MgCl20.2 g，微量元素溶液1.0 mL，水1 000 mL，pH7.2～7.4。其中，微量元素水溶液配方為：EDTA 10.0 g，ZnSO41.2 g，CaCl21.5 g，MnCl2o4H2O 1.0 g，FeSO4oH2O 2.0 g，(NH4)6Mo7O24·4H2O 1.0 g，CuSO4·5H2O 1 g，CoCl2·6H2O 1.0 g，水1 000 mL，pH7.2～7.4。

低位噴灑單元小分子有機酸，其除臭液由固態檸檬酸、80%的液體乳酸稀釋后制得，本試驗噴灑劑由150 g檸檬酸、150 mL乳酸，用水稀釋至20 L制得。

1.3 檢測指標

氨和硫化氫的測定采用泵吸氨氣檢測儀(檢出范圍1～2 000 mg/m3)和泵吸式硫化氫檢測儀(檢出范圍0.1～100 mg/m3)進行，泵吸式電化學檢測儀經化學法進行標定后使用。標定方法：制備一定濃度的氨氣和硫化氫氣體，兩種臭氣分別進行濃度梯度稀釋后，通過納氏試劑比色法檢測氨氣濃度，通過亞甲基藍分光光度法檢測硫化氫濃度。同時，通過泵吸氨氣檢測儀和泵吸式硫化氫檢測儀對臭氣濃度進行檢測和校準。

1.4 試驗方法

氨氣和硫化氫釋放量檢測項目分為4組：未開啟除臭設備，翻拋組；開啟除臭設備，翻拋組，未開啟除臭設備，堆肥翻拋后4 h組；開啟除臭設備，堆肥翻拋后4 h組。

堆肥第3～6天檢測臭氣濃度，每次測定5 min，檢測儀隨翻拋機前進，每間隔30 s實時記錄一次數值。每組試驗重復3次，臭氣檢測時，檢測設備置于距除臭劑噴灑區后方20 cm，距堆體表面70 cm處。

1.5 數據處理

采用Excel軟件對試驗數據進行t檢驗進行分析，數據以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 翻拋時氨氣和硫化氫含量的變化

翻拋時，對照組氨氣高峰濃度可達750 mg/m3，試驗組氨氣高峰濃度95 mg/m3。從表1看出，試驗組氨氣檢測濃度與對照組氨氣檢測濃度差異顯著(P<0.05)，除臭組氨氣濃度可降低90%以上。在翻拋時，試驗組硫化氫檢測濃度與對照組硫化氫檢測濃度差異顯著(P<0.05)，硫化氫濃度可降低85%以上。可見，除臭設備可顯著降低堆肥翻拋過程釋放的氨氣和硫化氫含量。

2.2 翻拋后4 h氨氣和硫化氫含量的變化

從表2看出，翻拋后4 h，試驗組與對照組氨氣檢測濃度差異顯著(P<0.05)，試驗組氨氣濃度可降低40%以上。翻拋后4 h，對照組硫化氫釋放濃度較穩定，為1.1～1.3 mg/m3，而試驗組中檢測設備無法檢出硫化氫濃度。

表1 不同堆肥天數翻堆時臭氣濃度Table 1 Odor concentration during different compost days mg/m3

表2 不同堆肥天數翻堆4 h后臭氣濃度Table 2 Odor concentration after turning over for 4 h on different days of composting mg/m3

3 討 論

3.1 除臭裝置的使用對翻拋過程臭氣釋放的影響

本除臭裝置在翻拋階段各除臭單元采用水泵加壓使除臭液從微孔中噴出，形成大量的水霧，利用生物法和化學法除臭。低位噴灑單元的小分子有機酸水霧在向下降落的過程中與翻堆釋放的水蒸汽及臭氣充分接觸，將臭氣中的可溶性成分溶解，并通過酸堿中和反應將氨氣轉化成銨鹽。化工生產中，通過細水霧對氨氣的洗消研究也發現，含酸性添加劑的細水霧能夠有效提高氨氣的洗消率，其洗消率可達90%以上[12]。高位噴灑單元噴灑出的功能微生物菌劑與臭氣接觸時，同樣能夠有效溶解臭氣中的可溶性組分。但由于該階段時間短，功能微生物的生物轉化有限，因此，翻拋期高位噴灑單元的除臭效果主要通過溶解作用實現。翻堆期試驗結果表明，該裝置在翻拋時除臭效果明顯，但未達到環境空氣功能二類區域氨氣、硫化氫排放標準(NH32 mg/m3，H2S 0.1 mg/m3)，因此該設備需結合臭氣源頭減排[13-14]和末端脫除[15-17]方法，實現翻堆期畜禽糞便堆肥過程臭氣達標排放。

3.2 除臭裝置的使用對翻拋后臭氣釋放的影響

在堆體靜置期，除臭裝置噴灑在堆體表面的除臭液能夠通過堆體表面的功能微生物轉化、水溶解和小分子有機酸中和顯著降低氨氣的釋放量，表明功能微生物能夠將堆體釋放的銨態氮有效轉化為硝態氮，這與劉春梅[18]的結果相一致。本試驗選用的功能微生物短小芽孢桿菌、努比鹵地無氧芽孢桿菌和短程硝化細菌可能在氨氮轉化過程中發揮重要作用[19]。檢測數據顯示，氨氣釋放濃度仍高于嗅閾值，需要一定空間范圍稀釋。硫化氫主要由厭氧發酵生成，由于上層糞便的遮蔽效應，翻拋后對照組僅檢測到微量的硫化氫釋放，試驗組檢測未檢出。該結果可能由于3方面原因造成：一是翻堆供氧有效降低了硫化氫的產生和釋放[6]；二是表層堆肥的覆蓋效應使大部分硫化氫被固定在堆體內部；三是噴灑的水氣將硫化氫溶解，由于硫化氫濃度較低，功能微生物菌劑完成了硫化氫的生物學轉化。本試驗選用的功能微生物包括硫桿菌，具有脫除硫化氫的功能，在此過程中發揮了作用[20]。

4 小 結

該裝置使用后，通過堆肥車間周邊小范圍空間稀釋，釋放至場外的臭氣濃度即可達到環保規定的排放標準，表明裝置應用的可行性和有效性。該裝置操作簡便、維護方便，能夠應用于(半)開放的堆肥環境，設備正常運行只需定期更換儲存罐內的除臭液，對比封閉收集、集中處理而言，有效降低了堆肥臭氣處理成本。此外，可通過如下措施進一步優化該裝置的脫除效果：一是在堆肥發酵所需含水率的合理范圍內，改進噴霧裝置的數量、高度，減少臭氣逸出；二是應用更為有效的功能微生物，提高氨氣、硫化氫生物轉化效率；三是對低位噴灑單元中的除臭液進行優選、改性，提高臭氣組分的中和能力。后續相關試驗在進一步開展中，以期為畜禽糞便無害化處理工作提供支撐。