禽畜糞便堆肥溫室氣體排放及其控制研究進展

石建新

(塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

引言

我國是禽畜養殖大國，根據資料顯示，2020年底，我國豬、牛、羊存欄數分別為40650.4萬頭、9562.1萬頭和30654.8萬頭[1]，其中豬、牛、羊每日糞便產量達5.5kg、27.2kg、2.6kg[2]，再加上雞、鴨、鵝等家禽，我國畜禽糞便年產生量近40億t,資源化利用率達到75%左右，但是仍有近25%的畜禽糞便尚未得到利用,畜禽糞便污染的壓力長期存在[3]。如此多的禽畜糞便如果處理不當，將會對環境產生巨大的危害。好氧堆肥是禽畜糞便資源化利用的重要技術手段，好氧堆肥是在有氧參與的條件下，利用微生物把堆肥原料分解、氧化為穩定的物質，同時放出熱量的過程。在實際應用中，好氧堆肥過程總是伴著厭氧堆肥。堆肥過程主要經歷4個階段，即升溫期、高溫期、降溫期、腐熟期。堆肥過程中，在微生物的活動下，隨著有機物的降解，會有CO2、CH4、N2O氣體逸出，CO2、CH4、N2O是堆肥過程中產生的主要溫室氣體，不僅破壞環境，同時還會降低堆肥品質。

國內外針對禽畜糞便好氧堆肥過程中CO2、CH4、N2O等溫室氣體的排放和控制的研究，已有較多的報道，并取得了一定進展，本文對近年來國內外專家學者在利用禽畜糞便堆肥中對CO2、CH4、N2O等溫室氣體的排放和減排技術研究成果進行了分析，同時結合已有研究成果，提出了禽畜糞便堆肥溫室氣體減排控制路線，以期為我國禽畜糞便堆肥過程中溫室氣體減排提供參考。

1 溫室氣體排放特性

堆肥過程中產生的溫室氣體主要有CO2、CH4、N2O，這些氣體排放量過高會損失堆肥中的C元素和N元素，造成堆肥肥效下降。據資料顯示，N2O溫室效應是CO2的265～298倍，CH4溫室效應是CO2的25～28倍[4]。近年來因溫室氣體排放過多造成的全球變暖問題日益凸顯，為應對這一嚴峻挑戰，我國于2020年提出2030年前實現碳達峰目標、2060年前實現碳中和目標。積極穩妥推進“雙碳”目標是我們的責任和義務。

1.1 CO2排放

根據世界氣象組織(WMO)發表的《溫室氣體公報》,大氣中的溫室氣體濃度在2018年再創新高，并指出，2018年全世界CO2排放量平均值為407.8ppm，此數據比工業化前(1850—1900年)水平高出了近50%。通過歷史數據來看，CO2的釋放速度還在不斷加快。堆肥過程本身就是復雜的氧氣消耗過程，堆肥過程中CO2的大量排放反映了堆體中有機物的快速降解以及堆體內腐殖質的形成。堆肥中CO2的釋放主要來自于堆體中有機物礦化過程和微生物呼吸過程。堆肥過程中CO2排放主要集中在升溫期和高溫期。堆肥初期，部分可溶性糖、有機酸、淀粉等易降解的有機物先被微生物利用，微生物數量呈指數增長，生物活性增強，釋放出能量和CO2，促使堆體溫度快速升高，堆肥高溫期。CO2排放升溫期和高溫期，CO2排放量占堆肥全過程排放量的78.5%～86.2%。堆肥降溫腐熟期，易分解的有機質減少，微生物活動減弱，CO2排放量相對較少且排速率較為穩定。堆肥中約有60%～70%的碳轉化為CO2[5]。

1.2 CH4排放

好氧堆肥過程中，因通風不暢或者過高的含水率等情況,堆體內部空氣擴散不均勻，易出現缺氧區域，產甲烷菌主要活動在缺氧區域，產甲烷菌代謝獲得能量并釋放出CH4。CH4的產生主要分3個階段：水解過程，堆體內的碳水化合物被厭氧或兼性厭氧微生物分解成有機酸；產氫產乙酸過程，經產氫產乙酸菌群作用，將堆體內的有機酸分解為乙酸、氫和二氧化碳氣體；產甲烷過程，堆體內的產甲烷菌通過消耗氫將含碳物質轉變為甲烷氣體[6]。CH4是嚴格厭氧發酵過程的產物，堆肥過程中CH4的釋放速率直接反映了堆體內部厭氧區域的多少。由CH4排放導致的碳素損失可占初始碳含量的0.08%～10%[7]。

1.3 N2O排放

N2O也是堆肥過程中釋放的主要溫室氣體。與CO2和CH4造成的溫室效應相比，N2O造成的溫室效應更加嚴重，同時，N2O也是導致臭氧層損耗的物質之一。

堆肥中N2O產生主要來自堆體表層硝化細菌硝化過程和堆體內部缺氧區域反硝化細菌反硝化過程，硝化過程中氨態氮被氨氧化細菌氧化為亞硝酸鹽，產生少量N2O，反硝化過程微生物將NO3-N和NO2-N轉化為N2，過程中產生大量N2O[8]。堆肥過程中，升溫期和降溫期氧氣濃度分布不均，氧氣充足的堆體表面硝化反應和堆體內部缺氧區域反硝化反應同時發生，是N2O的主要排放階段[9]。硝化菌和反硝化菌不耐熱，堆肥高溫期大量菌體死亡或者休眠，N2O排放速率減少約77%[10]。據統計，由N2O逸散損失的氮素比例為0.2%～9.9%[11]。

2 溫室氣體減排研究

針對好氧堆肥中溫室氣體減排，國內外已有很多研究，主要措施：優化堆肥工藝，增加堆體供氧量；堆肥中添加外源性物質；堆肥中添加菌劑；生物協同堆肥等。

2.1 優化堆肥工藝

優化堆肥工藝主要目的是增加堆體供氧量，減少厭氧發酵區域。主要措施有減小堆肥體積、加強翻堆或通風、控制堆體含水率等。

堆體大小對溫室氣體排放影響較大，當堆體體積較大時，內部氧氣不易流動導致了厭氧區域的形成，堆肥時間延長，溫室氣體排放持續時間也較長，增加了累積溫室氣體排放總量。

提高翻堆頻率，增強堆體通氣供氧，減少堆體內部厭氧區域，使CH4形成受到抑制，是CH4減排的有效方法。易建婷[12]研究比較畜禽糞便條垛式、強制通風式及靜態堆置堆肥工藝的溫室氣體排放，發現不通風條件的靜態堆置CH4濃度顯著高于通風條件良好的機械翻堆條垛式和強制通風工藝。劉明輝[13]研究表明，在堆肥過程中間歇供氧可以降低CH4和N2O等溫室氣體的排放，排放量分別減少22.26%～61.36%和8.24%～49.80%。謝軍飛等[14]通過控制通風量研究通風對豬糞堆肥溫室氣體排放的影響，結果發現通風量越大，CO2排放量越大。較高的濕度與缺氧會使CH4的排放量增大，干濕交替的環境會促進N2O大量排放。表明增強堆肥堆體通風可有效降低溫室氣體排放。

Sommer[15]將奶牛糞便堆肥堆體含水率由76%調整至35%，堆體自由空域增加，CH4、N2O排放量顯著減少。調整堆體含水率是CH4和N2O減排的關鍵工藝參數，含水率過高時(65%～52%)堆體內易出現缺氧區域，硝化和反硝化作用共同促進N2O大量排放。

2.2 添加外源性物質

在堆肥中添加外源性物質，可改變堆體孔隙結構，改善通氣條件，調整含水率，改變微生物種類，通過查閱文獻，常用的外源物質添加劑有生物炭、菌渣、木屑、木片、污泥、秸稈、過磷酸鈣、沸石、鳥糞石、木醋液等。

王以祥等[5]研究的生物炭對堆肥溫室氣體和氨氣的減排效果中發現，9%生物炭添加比例能夠減少12.5%的氧化亞氮和29.9%和CH4排放量，隨著生物炭用量的增加，溫室氣體減排效果越好。張向前等[16]在稻稈生物炭對土壤中CH4和氧化亞氮的研究中證明了在土壤中加入生物炭可以顯著減少CH4和N2O的排放。可能是由于生物炭的高孔隙度優化了氧氣的供應和分配，從而限制了產甲烷菌活性，能夠對CH4起到減少排放量的作用，生物炭的多孔結構也為微生物的生存和繁殖提供了場所，同時多孔結構有吸附堆肥中的N2O和NH3的功能，減少N2O和NH3的揮發[6]。

Sun Xiangping等[17]用蘑菇渣和木屑作添加劑加入豬糞堆肥中，發現添加蘑菇渣和木屑的處理組堆肥N2O氣體排放量均有所降低，添加木屑處理組CH4排放較其他組更低。張邦喜[18]用雞糞-煙末通過反應器堆肥，發現添加5%菌糠使CH4累積排放量降低了10.03%，添加5%和10%菌糠N2O排放分別降低44.20%和43.00%。將菌糠作為膨松劑加入堆肥，增加了堆體內部氧氣流通，降低了堆體銨態氮和硝態氮濃度。

楊巖等[19]向堆肥中添加過磷酸鈣減少了堆肥15%CO2排放量。劉飛等[20]在堆肥物料中添加3%的棉稈木醋液,不僅降低碳損失率,而且對堆肥過程中CH4的產生有顯著抑制作用。趙明德等[21]在牛糞堆肥中添加氯化鈣、硫酸鋅、氫氧化鎂加磷酸、沸石等物質，發現均能減少溫室氣體排放，減排最優方案為添加氯化鈣組，CO2減排83.1%，CH4減排90.4%。添加合適的外源物質，通過物理和化學的作用，改善了堆體內微生物生存環境，有助于減少溫室氣體排放。

2.3 添加生物協同堆肥

近年來，在堆肥中添加特定微生物菌劑或者添加蚯蚓協同堆肥，逐漸成為研究熱點。

李舒清等[22]通過對條垛式牛糞堆肥接種質量分數5%的解淀粉芽孢桿菌SQR9和灰綠曲霉Z5的混合菌劑，顯著減少了溫室氣體的排放,延長了堆肥高溫期時長，加快了堆肥腐熟及無害化處理。顧沈怡等[23]在雞糞堆肥中用選具有固氨產酸特性的芽孢桿菌和沸石、過磷酸鈣和硫酸亞組成的化學添加劑聯用，N2O減排達25%～26%。盧彬等[24]以牛糞與稻殼為原料，接種3‰自制的復合微生物菌劑，CH4排放減少33%，N2O排放減少45%。接種特定功能外源微生物，可改變堆體內菌群種類和豐度，通過菌群活動影響溫室氣體排放，達到減排效果。

張智等[25]用牛糞與其他廢棄物堆肥5d后加入蚯蚓混合堆肥40d，蚯蚓處理階段，CH4、N2O和NH3均表現出逐漸降低的趨勢，CO2則表現出先增加后降低的趨勢。師恩慧[26]以牛糞堆肥，添加了蚯蚓的9組堆肥實驗，N2O的排放通量和N2O的累積排放量均小于未接種蚯蚓組，表明接種蚯蚓有利于減少堆肥過程中的N2O排放。接種蚯蚓輔助堆肥過程中，蚯蚓腸道可分泌多種酶，和堆體中微生物產生的酶一起協同作用于有機質，能加速有機質分解。蚯蚓蠕動使底物變得均勻從而增大了底物孔隙度，促進氧氣的流通，減少堆體厭氧區域，達到減排效果。

3 結論與展望

綜上，畜禽糞便好氧堆肥過程溫室氣體排放造成約48%碳素、27%的碳素損失，甚至更高。從提升堆肥品質和解決日益突出的全球變暖問題，堆肥溫室氣體減排已成為重要的研究課題。CO2排放與微生物活性有直接關系，微生物活動約活躍，CO2釋放量越多；CH4在厭氧環境下釋放量增多；N2O在升溫期和降溫期硝化菌和反硝化同時作用大量排放。控制堆肥溫室氣體排放，主要從優化堆肥工藝，增加堆體內氧氣供應量，添加膨松劑、吸附劑、調理劑，添加生物協同的方法，減少溫室氣體排放。堆肥是一個復雜的過程，溫室氣體的排放，也是復雜的化學變化的過程，不能只關注其中一個變量來研究堆肥過程產生的影響，當前對堆肥溫室氣體排放機理研究、堆肥工藝優化和加入添加物、生物等對堆肥的協同減排機理研究尚淺，有待進一步深入研究。