棉稈木醋液對牛糞堆肥過程中CH4和CO2排放的影響

劉飛等

摘要：為研究不同濃度棉稈木醋液對畜禽糞便高溫堆肥的溫室氣體排放的調(diào)控作用，以牛糞和鋸末為試驗材料，用生物質(zhì)熱裂解試驗裝置熱解棉稈得到的木醋液作為添加劑，在自制的發(fā)酵倉內(nèi)進(jìn)行好氧堆肥試驗，檢測添加不同濃度木醋液對牛糞堆肥過程中溫室氣體排放情況和碳損失率。結(jié)果表明：在堆肥物料中添加木醋液對提高升溫速率、縮短堆肥時間、降低碳損失率均有明顯效果；與其他處理組相比，添加3%的棉稈木醋液對堆肥過程中CH4產(chǎn)生有顯著抑制作用，降低了15%左右，對CO2的排放抑制作用3#>2#>1#。

關(guān)鍵詞：棉稈；好氧堆肥；溫室氣體；木醋液；糞便

中圖分類號：S141.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2015）09-0364-06

全球每年產(chǎn)生大約80億～100億t固體廢棄物，其中有機(jī)固體廢棄物占了很大比例[1]。如果不能及時有效地處理這些有機(jī)固體廢棄物，將會對環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危害，制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展，影響人類生活。近年來，隨著堆肥技術(shù)的發(fā)展，一方面有效合理地處理了有機(jī)固體廢棄物，并獲得有機(jī)肥料，減少了化肥的使用量；另一方面卻產(chǎn)生了溫室氣體和臭氣，增加了溫室氣體濃度、污染環(huán)境、降低堆肥產(chǎn)品質(zhì)量，成為制約堆肥化的主要因素[2]。堆肥是實現(xiàn)廢棄物減量化、資源化、無害化的主要技術(shù)途徑。在堆肥過程中，有機(jī)態(tài)氮的降解及其硝化、反硝化作用會產(chǎn)生一定量的N2O，其產(chǎn)生量約占堆肥總氮質(zhì)量的0.2%～6%，CH4的產(chǎn)生量約占堆肥總碳質(zhì)量的0.8%～6%[3]，其100年溫室效應(yīng)分別是CO2的25倍和298倍[4]。NH3是堆肥過程中產(chǎn)生臭氣和降低堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的主要原因[2]。

國內(nèi)外學(xué)者對堆肥過程中溫室氣體的排放已開展了廣泛的研究。Chowdhury等報道低通風(fēng)速率和添加生物炭能夠顯著降低NH3和CH4的揮發(fā)[5]。趙晨陽等研究發(fā)現(xiàn)翻堆頻率顯著提高了豬糞堆肥過程中溫室氣體和NH3的排放[6]；而江滔等發(fā)現(xiàn)冬季翻堆能夠顯著降低N2O和CH4的排放[7]。目前關(guān)于堆肥過程溫室氣體的減排主要集中在堆肥條件的調(diào)節(jié)和控制[5-10]，也有學(xué)者通過混合堆肥[11-12]、添加過磷酸鈣[3]、明礬和沸石[13]、蚯蚓輔助堆肥[14]達(dá)到溫室氣體減排的目的。木醋液（wood vinegar & pyroligneous acid）具有促進(jìn)生物生長、土壤消毒、殺菌、防蟲、防腐、保鮮等作用，在農(nóng)牧業(yè)應(yīng)用廣泛。Chen等只是在豬糞堆肥中添加竹炭和竹木醋液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有效地減少了氮素?fù)]發(fā)并鈍化了銅、鋅重金屬[15]。目前關(guān)于添加木醋液在調(diào)節(jié)種子發(fā)芽和根的生長[16-18]、殺菌[19-20]和育肥豬[21-22]方面已有很多研究，但是對堆肥過程溫室氣體影響的研究相對較少。本試驗以牛糞為研究對象，通過添加不同濃度梯度的棉稈木醋液，對比研究堆肥過程CH4和CO2的排放和其他指標(biāo)變化規(guī)律，探討添加不同濃度木醋液對牛糞堆肥的處理效果并提供實踐參考。

1材料與方法

1.1試驗原料

試驗設(shè)在塔里木大學(xué)動物科技學(xué)院試驗站，堆體物料由牛糞和鋸末組合而成，按質(zhì)量比17.8 ∶1混合。牛糞取自該試驗站，試驗站的牛主要以麥秸和干草等粗飼料為主食；鋸末購自阿拉爾市某木材加工廠。物料的初始性質(zhì)見表1。

1.2堆肥裝置設(shè)計

堆肥裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。反應(yīng)器內(nèi)部尺寸為 0.6 m×0.6 m×0.6 m，外部尺寸為1 m×1 m×1 m，保溫層材料為聚乙烯泡沫板。在堆體中心距離底部15 cm、30 cm、45 cm處放置溫度傳感器（Pt100電阻）；同樣在每一層高度上均勻布置3個氣體采集點，從中心到邊緣分別為1、2、3號位置（圖2），在箱壁一側(cè)同等位置打孔，插入PVC管用于導(dǎo)出氣體；反應(yīng)器底部有通風(fēng)管道。試驗采用4組規(guī)格相同的反應(yīng)器。

1.3試驗設(shè)計

堆肥試驗從2014年1月開始，持續(xù)11周。試驗設(shè)置3個處理組，1個對照組，處理組根據(jù)堆肥物料的起始質(zhì)量設(shè)3

個不同棉稈木醋液水平，分別為0.5%、1.7%和3.0%（木醋液添加量均為木醋液與堆肥物料鮮質(zhì)量的比值）。具體原料配比如下：CK，牛糞66 kg+鋸末3.69 kg+水23.8 kg；1#，牛糞 66 kg+鋸末3.69 kg+水23.8 kg+0.5%棉稈木醋液；2#，牛糞66 kg+鋸末3.69 kg+水23.8 kg+1.7%棉稈木醋液；3#，牛糞66 kg+鋸末3.69 kg+水23.8 kg+3.0%棉稈木醋液。

堆體溫度超過60 ℃時通風(fēng)30 min，前4周每周翻堆1次，以后每2周翻堆1次，翻堆前采集堆體不同位置的試樣并保存在4 ℃下。

1.4測定項目與方法

堆體溫度每天測量3次計算平均溫度；總有機(jī)碳用重鉻酸鉀外加熱法測定[23]。

溫室氣體和O2均采用靜態(tài)箱法采集氣體，前4周每2 d采集1次，以后逐漸隔4～7 d采集1次。其中翻堆前1 d和翻堆后2 d采集氣體。采集的氣體樣品用Agilent公司生產(chǎn)的7890B氣相色譜儀分析氣體樣品中CH4、CO2和O2的濃度，其中氫火焰離子化檢測器（flame ionization detector，F(xiàn)ID）檢測CH4，熱導(dǎo)檢測器（thermal conductivity detector，TCD）檢測CO2和O2。

堆肥有機(jī)質(zhì)的損失量計算公式[2]：

OMLossj=（OMi-OMj）OMi（1-OMj）×100%。

式中：OMLossj為堆肥j d有機(jī)質(zhì)的損失量，%；OMi為堆肥開始時有機(jī)質(zhì)百分含量；OMj為堆肥第j 天有機(jī)質(zhì)百分含量。

2結(jié)果與討論

2.1棉稈木醋液對堆肥溫度變化的影響

溫度是表征堆肥進(jìn)程的參數(shù)，溫度的變化情況反映堆肥化程度。圖3至圖5分別為不同濃度水平處理下堆體各層溫度的變化情況。從圖3至圖5中可以看出，不同濃度水平處理堆體溫度變化都經(jīng)歷類升溫期、高溫期和降溫期3個階段。但是不同濃度水平處理和對照組在不同階段和不同位置存在顯著差異。

在升溫期階段，處理組比對照組先到達(dá)高溫期，提前進(jìn)入高溫期不僅殺死物料中的病原菌，減少惡臭氣體的產(chǎn)生，而且能夠縮短堆肥周期。本試驗中處理組3#提高了堆體的溫度，

并提前進(jìn)入腐熟階段，這表明高濃度木醋液的添加可加速堆肥進(jìn)程，縮短堆肥周期，與陳英旭在用竹炭和竹醋液處理豬糞時結(jié)論一致[15]。

2.2棉稈木醋液對堆肥中CH4和CO2排放特征的影響

CH4的產(chǎn)生是在厭氧條件下，由甲烷菌還原CO2或含碳有機(jī)物產(chǎn)生的；CO2是微生物新陳代謝的主要產(chǎn)物，畜禽糞便堆肥損失大約50%的總碳。圖6至圖8分別為堆肥上、中、下層CH4和CO2的排放情況。整體來看，堆體中CH4和CO2的變化趨勢基本一致，但各處理組間差異顯著。

在堆體上層，升溫期CH4和CO2的排放量達(dá)到峰值，隨后下降，在前7 d，中心點CH4和CO2排放較多，在這個時間段，說明溫度與CH4和CO2排放成正相關(guān)，可能與堆肥初期大量微生物快速繁殖并發(fā)生生化反應(yīng)有關(guān)。在前7 d，3個處理相對對照有促進(jìn)CH4排放的作用，3個處理組試驗在2周后CH4排放基本為零，說明有抑制CH4排放的作用，3#處理組在7 d后就抑制了CH4排放。CO2在前7 d釋放量最大，占到16%～24%，隨后迅速下降，14周后緩慢下降，3#處理組在第7周后進(jìn)一步抑制CO2的排放，維持在2%左右。從整體上看木醋液處理后CH4和CO2的排放基本穩(wěn)定，波動不大，根據(jù)圖形的斜率可知，CH4和CO2的排放隨著木醋液濃度的增大抑制作用就越強，說明木醋液的添加有利于減少CH4和CO2的排放。

在堆體中層，3#處理組的CH4和CO2的排放規(guī)律與上層基本一致，其他試驗組規(guī)律呈現(xiàn)一致，在3周后都出現(xiàn)CH4第二個峰值。CH4出現(xiàn)第二個峰值可能與翻堆調(diào)節(jié)含水率有關(guān)，導(dǎo)致堆體空隙率降低造成厭氧。CO2在翻堆后出現(xiàn)不同程度的增加，很可能與翻堆后微生物新陳代謝增強有關(guān)。與對照組相比，處理組CO2的排放量有不同程度的抑制，3#在2周后使CO2排放量降低到5%以下。

CH4和CO2在堆體下層的排放規(guī)律與中層相一致，下層中心位置CH4的排放量高于其外側(cè)，而CO2在2號位置排放量較大。3#處理組與上層、中層CH4排放規(guī)律一致。

值得注意的是3#處理組在7 d后開始抑制CH4排放，前7 d CH4的排放量要高于對照組；CO2排放規(guī)律與之類似，并且1#和2#處理組在堆肥的前幾天CH4排放量的峰值比對照組高，最后又表現(xiàn)出抑制其排放的情況。對此，可能的解釋是棉稈木醋液成分復(fù)雜，本身的酸性物質(zhì)一方面腐蝕牛糞顆粒表層形成空隙；另一方面殺死某些細(xì)菌，造成某一菌種占優(yōu)勢；另外木醋液可能起到表面活性劑的作用，改善降解體系的

微環(huán)境，是綜合作用的結(jié)果[17]。

2.3物料平衡及溫室效應(yīng)分析

堆肥過程中總碳損失率如表3所示。從表3可以看出，在前期碳損失量最大，對照組比其他處理組損失量高出 14%～26%，與前期CH4、CO2排放量大相吻合。隨著木醋液濃度的增加，碳損失量降低，堆肥結(jié)束碳損失量比對照組減少34%，提高了堆肥產(chǎn)品中有機(jī)質(zhì)的含量。

堆肥過程中產(chǎn)生的CH4和CO2均是主要溫室氣體，目前對有機(jī)廢氣物降解產(chǎn)生CO2的溫室效應(yīng)的計算方法存在爭議[25]，就CH4排放情況來說，高濃度木醋液使總溫室氣體排放量顯著降低，比對照組減少15%左右。添加3%棉稈木醋液可以縮短堆肥周期、減少溫室氣體、提高堆肥品質(zhì)。

3結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在好氧堆肥中，添加棉稈木醋液可以提

高堆肥溫度，縮短堆肥周期。

添加棉稈木醋液能夠有效降低牛糞堆肥CH4和CO2的排放。添加3%的棉稈木醋液CH4總排放量比對照組減少15%左右。

添加3%的棉稈木醋液能夠顯著降低堆肥過程中碳損失率，提高堆肥品質(zhì)。

綜上所述，畜禽糞便堆肥過程中添加3%的棉稈木醋液能夠降低溫室氣體排放、提高堆肥品質(zhì)。熱解棉稈制取木醋液為農(nóng)業(yè)廢棄物的合理利用提供了可能，在生物質(zhì)資源利用中具有一定的應(yīng)用價值。

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