木醋液對(duì)禽畜糞便好氧堆肥中溫室氣體產(chǎn)排調(diào)控分析

張紅美 ，孔德國(guó) ，周 嶺 ，張春友 ，弋曉康 ※

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

近幾年，我國(guó)畜禽養(yǎng)殖逐漸趨向規(guī)?；?、集約化，隨著畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大，畜禽糞便的產(chǎn)量也隨之增加，畜禽糞便是一種具有重大利用價(jià)值的可再生資源。畜禽糞便的不完全處理會(huì)造成環(huán)境污染和資源的巨大浪費(fèi)。好氧堆肥是常見無(wú)害化、資源化和減量化利用大量有機(jī)固體廢棄物的重要途徑。在好氧堆肥過程中可產(chǎn)生能夠被植物吸收利用的有效態(tài)氮、磷、鉀化合物，并且合成腐殖質(zhì)，增加土壤肥力，同時(shí)堆肥過程中釋放的熱量使堆體溫度升高致使病原體和雜草種子失活。然而，好氧堆肥過程中也會(huì)產(chǎn)生二次污染物，如二氧化碳、甲烷和氨氣等有害氣體。如果堆肥過程中通風(fēng)不足、物料分布不均或不及時(shí)翻堆，均會(huì)產(chǎn)生厭氧環(huán)境，從而在堆體內(nèi)部產(chǎn)生甲烷。氧化亞氮可通過硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)產(chǎn)生。而氨氣的排放會(huì)使堆體氮素大量流失，氨氣排放是降低堆肥品質(zhì)的一個(gè)主要因素。

因此，研究好氧堆肥過程中溫室氣體產(chǎn)排規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室氣體的調(diào)控，一方面可減少環(huán)境污染，另一方面可為禽畜糞便的無(wú)害化利用提供相關(guān)的數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展。

1 堆肥對(duì)溫室氣體產(chǎn)排影響因素

好氧堆肥過程中影響溫室氣體產(chǎn)排的因素主要有溫度、含水量、碳氮比、pH 值和通風(fēng)等。

1.1 溫度

堆肥過程中微生物的活性可通過堆體溫度的高低反映出來，因此堆體的溫度和堆肥速度的快慢有著密切聯(lián)系。升溫階段、高溫階段和降溫階段是好氧堆肥溫度的基本變化特征。當(dāng)堆體溫度達(dá)到40 ℃時(shí)，劇烈的氨化反應(yīng)使得大量氨氣產(chǎn)生，當(dāng)pH＞8，溫度高于60 ℃時(shí)，氨氣大量揮發(fā)，使得氮素以氣體形式溢出，造成氮素?fù)p失[1]。

1.2 含水量

在堆肥過程中水分的作用很多，如提供微生物生長(zhǎng)環(huán)境、參與微生物代謝、溶解有機(jī)物、調(diào)節(jié)溫度和堆肥速度等，適當(dāng)?shù)乃趾吭诙逊蔬^程中保證了堆肥的品質(zhì)，通常認(rèn)為堆體水分含量為50%~70%為宜。當(dāng)水分含量較高時(shí)，堆體的透氣性降低，堆體內(nèi)部易產(chǎn)生厭氧環(huán)境，從而產(chǎn)生氨氣和氧化亞氮，造成氮素流失，降低有機(jī)物降解速度，碳氮轉(zhuǎn)化能力也隨之降低[2]。

1.3 碳氮比

在堆肥過程中可通過調(diào)整碳氮比加快堆體腐熟速度，從而減少氮素?fù)p失。通常認(rèn)為碳氮比在20~30 之間比較合適，一般認(rèn)為當(dāng)碳氮比為25 左右時(shí)為最佳值。秦莉等[3]研究結(jié)果表明，氨氣揮發(fā)量隨碳氮比增加而降低，當(dāng)碳氮比為25 時(shí)有機(jī)物的降解速度最快。由于禽畜糞便碳氮比較低，碳氮比在5~20 左右，因此在堆肥過程中通過添加秸稈、鋸末等調(diào)理劑，調(diào)節(jié)碳氮比達(dá)到最佳比例，有利于堆肥的進(jìn)行。

1.4 pH值

pH 值是畜禽糞便發(fā)酵過程的關(guān)鍵影響因素。大量研究表明，畜禽糞便管理過程中NH3揮發(fā)量與pH 值成正比[4]。因此，部分學(xué)者建議在堆肥過程中向堆肥物料中加入調(diào)理劑使禽畜糞便混合物料的發(fā)酵pH 值在7~7.5 之間，抑制 NH4+-N 轉(zhuǎn)化為 NH3，保留氮素養(yǎng)分[5]。

1.5 通風(fēng)條件

在好氧堆肥過程中良好的通風(fēng)環(huán)境可提供大量的氧氣，滿足微生物生長(zhǎng)需要，從而提升堆肥質(zhì)量。一般堆肥通風(fēng)方法有三種：自然通風(fēng)、強(qiáng)制通風(fēng)和翻堆。堆體中氧氣含量決定微生物活性，從而影響堆肥速度、腐熟度、無(wú)害化程度及穩(wěn)定程度。因此在好氧堆肥過程一定要保證合適的氧氣供應(yīng)量。強(qiáng)制通風(fēng)和人工翻堆是目前常被采用的控制通風(fēng)量的兩種方式。

2 堆肥對(duì)溫室氣體的調(diào)控措施

眾多研究工作者通過向堆肥物料中添加調(diào)理劑等方法實(shí)現(xiàn)調(diào)控堆肥過程中溫室氣體的產(chǎn)排。目前的添加劑主要有物理添加劑、生物添加劑及化學(xué)添加劑。

2.1 物理添加劑

目前常用的物理添加劑主要有鋸末、沸石、分子篩、硅膠和活性炭，農(nóng)業(yè)廢棄物如秸稈、稻草、膨潤(rùn)柑橘皮等是天然吸附材料。物理添加劑對(duì)堆肥過程中溫室氣體產(chǎn)排效果與添加劑的種類和添加量有關(guān)，需要根據(jù)不同的堆肥原料選擇不同的添加劑和添加比例[6]。

2.2 化學(xué)添加劑

化學(xué)添加劑對(duì)禽畜糞便發(fā)酵過程中的碳氮轉(zhuǎn)化主要有氧化劑的氧化作用和中和劑的中和反應(yīng)起作用?；瘜W(xué)添加劑可減少氨氣揮發(fā)、抑制臭氣，具有用量小、保氮效果顯著等優(yōu)點(diǎn)[7]。但化學(xué)添加劑成本高而會(huì)造成重金屬污染，因此化學(xué)添加劑難以在中小型與散養(yǎng)農(nóng)戶中推廣應(yīng)用。

2.3 微生物菌劑

在禽畜糞便管理中，微生物的代謝活動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)能量物質(zhì)的降解，從而使得碳氮轉(zhuǎn)化，添加微生物菌劑可有效的調(diào)控禽畜糞便發(fā)酵速度及碳氮轉(zhuǎn)化結(jié)果。但微生物菌劑保存和添加環(huán)境要求比較嚴(yán)格，因此推廣范圍有限。

2.4 生物質(zhì)炭添加劑

生物炭中有機(jī)碳含量豐富，具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，可改善堆肥過程中發(fā)酵條件，提高禽畜養(yǎng)殖中固體廢棄物的肥料化產(chǎn)品品質(zhì)。在禽畜糞便堆肥時(shí)加入生物炭可顯著提高堆肥溫度，加快堆肥速度，延長(zhǎng)高溫期，有利于殺滅有害細(xì)菌。陳偉等的[8]研究表明生物炭提高了堆體溫度，降低了堆肥周期。由于生物炭呈堿性，會(huì)增加堆體pH 值，加快NH4+-N 向氣態(tài)NH3轉(zhuǎn)化，可見生物炭并不是禽畜糞便好氧堆肥過程中最佳添加劑。

3 木醋液在堆肥中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀

制備木醋液原料來源廣泛，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，對(duì)人畜無(wú)毒害作用，因此近年來逐漸被人們認(rèn)識(shí)。木醋液的化學(xué)成分和性質(zhì)因原材料的不同而不同。Khin 等[9]研究結(jié)果表明，木醋液在牛糞堆肥過程中能夠有效的抑制氨氣揮發(fā)，達(dá)到減排效果。周嶺等[10]研究表明木醋有抑制CH4排放的作用，CO2與 O2存在一元線性關(guān)系，CH4與O2存在二元線性關(guān)系。秦翠蘭等[11]研究結(jié)果表明木醋液添加處理堆肥能夠改善堆體的容重，使堆體容重減小，孔隙度增大，有利于堆肥的供氧、水分及熱量的擴(kuò)散且使堆體空間容重差異減小，從而提高堆肥效率，改善堆肥產(chǎn)品質(zhì)量。劉飛等[12]研究表明在牛糞堆肥過程中加入木醋液能夠有效降低甲烷和二氧化碳的產(chǎn)排，當(dāng)棉稈木醋液的添加量為3%時(shí)可顯著降低碳素?fù)p失，提升堆肥品質(zhì)。王磊元等[13]研究結(jié)果表明木醋液對(duì)堆肥過程產(chǎn)生的氨氣有吸附作用，使大量氨氣沉淀以銨態(tài)氮的形式存在從而減少了氮素?fù)p失，還能促進(jìn)堆肥后期銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，從而促進(jìn)堆肥物料的快速腐熟。

4 可行性分析

綜上可知，眾多學(xué)者廣泛開展了好氧堆肥工藝、機(jī)理的研究，揭示了堆肥工藝、添加劑等對(duì)堆體微觀結(jié)構(gòu)和理化性能的影響，這些研究為揭示木醋液對(duì)禽畜糞便好樣堆肥過程中溫室氣體產(chǎn)排的調(diào)控機(jī)理提供了研究方法，同時(shí)眾多學(xué)者開展了采用SEM、FTIR 檢測(cè)微觀結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)研究，多樣性的檢測(cè)設(shè)備為從微觀角度揭示木醋液對(duì)禽畜糞便好氧堆肥過程中溫室氣體產(chǎn)排的調(diào)控機(jī)理提供了技術(shù)方法。