好氧堆肥过程中碳素损失及其控制技术研究进展

曹晓晓，和苗苗

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036)

随着人们生活水平的提高以及农村城市化的迅速发展，有机固体废弃物的产生量逐年增加，对它们的不适处理与处置将严重影响生态环境[1-2].由于有机固体废弃物中碳素含量高、营养成分丰富，对其进行资源化再利用已成为近几年的研究热点.好氧堆肥是一种成本低、效益高的处理处置技术[3]，目前被广泛应用于有机固体废弃物的资源化再利用.

好氧堆肥过程能够将固体废弃物转化为稳定、无害的有机质，进而用作益于植物生长、改良土壤质量的肥料以及栽培苗木的无土基质等[4].堆肥物料中碳素与氮素物质是微生物活动的物质能量基础，好氧堆肥实际上是在碳、氮循环中对有机物稳定化与腐殖化的过程[5].近年来，国内外在堆肥过程中氮素转化以及保氮措施等方面的研究日趋全面和系统[6-7]，但堆肥发酵过程中碳素损失问题却很少受到学者们的关注.一些研究数据表明，有机固体废弃物含碳量可达30%～55%[8]，经好氧堆肥并充分腐熟后一般有10%～40%的碳被降解，其中以CO2、CH4等温室气体形式排放的碳量高达70%以上[9].随着固体废弃物排放量的增加以及堆肥技术更广泛的应用，势必有更多无意识的温室气体释放到大气中，这将使好氧堆肥成为温室气体的又一排放源.本文综述了好氧堆肥过程中的碳素损失途径、影响因素及其控制措施，并对今后该领域的研究方向进行了展望，以期为低碳型堆肥资源化技术的研发与应用提供理论基础和实践参考.

1 好氧堆肥过程碳素转化及其损失途径

1.1 好氧堆肥过程中的碳素转化过程

好氧堆肥是微生物集中降解含碳有机物的过程.一方面，堆料中的有机质被微生物分解为小分子有机物、CO2、H2O和能量;另一方面，一部分有机物在微生物的作用下又重新合成稳定的腐殖质[10](图1).同时，由于好氧堆肥过程中的环境因子可能不均匀，因此容易在局部形成厌氧环境，导致CH4的产生.

在堆肥的升温期和高温期，由于微生物数量和生物活性均较高，一些简单、易降解的有机物(可溶性糖、有机酸和淀粉等)主要在这一阶段被利用.这部分有机物大多在微生物的矿化作用下转化为CO2，只有小部分聚集成腐殖物质. 随着大量易降解有机物充分被利用，堆体温度开始下降，微生物种群结构也同时发生转变，一些中等和难降解的有机物(纤维素、半纤维素和木质素)逐渐成为主要的碳源，它们在微生物的代谢作用下分解成酚类、醌类以及芳香族等化合物. 这些中间产物进一步分解生成CO2或者转化成腐殖质.以CO2排放为主，而腐殖质的形成则利于废弃物的稳定与腐熟，对堆肥的进一步利用有益.

—代表易降解有机质的转化途径;代表中等和难降解有机质的转化途径

1.2 好氧堆肥过程中碳素损失途径

好氧堆肥过程中碳素的损失途径主要有两条：一是以CO2和CH4等气体形式的损失；二是堆肥淋失液中以可溶性有机碳形式的淋溶损失[11].以气体形式损失的碳素主要发生在堆肥的升温期与高温期，该阶段微生物的数量和生物活性比较高且代谢旺盛[5].Hellmann等[9]的研究表明，在堆肥过程中有60%～70%的碳水化合物被微生物分解后以CO2的形式损失，是碳素的主要损失形式，而CH4—C损失仅占0.39%～1.24%.随着堆肥物料的分解，堆料中的水分一部分蒸发，一部分被微生物利用，还有一部分则带着未分解的有机物进入渗滤液中，造成含碳有机物的淋溶损失，但随渗滤液淋失的碳素仅占总损失量的0.3%～0.6%，可忽略不计[11].由图1可知，在堆肥的进程中，堆料中的含碳有机质的转化包括固定和释放两个方面，即通过微生物的作用在被降解的同时还伴随着腐殖质的合成.大量的碳素形成腐殖质，则意味着少量碳素会以气体形式释放或者随渗滤液损失.由此可见，促进腐殖质的形成、增加腐殖质的绝对值应是好氧堆肥过程碳素减排的关键.

2 影响堆肥过程碳素损失的主要因素

2.1 堆肥初始物料成分及结构

常用于堆肥的原料包括动物粪便、园林垃圾，城市生活垃圾以及农业生产废弃物等[4].堆肥物料的组成成分不同，其在堆制过程中的碳素损失量也不同[12].Komilis等[13]用相同的堆肥工艺对C/N分别为120，18，8.4的混合废纸、庭院垃圾和厨余垃圾等三种城市固体废弃物进行堆制，发现每千克堆肥分别产生了150、220和370 g CO2—C，这可能与物料中含碳有机物的种类、结构与含量之间的差异有关.Adhikari等[14]就曾表明堆肥的降解过程与初始物料中含碳有机物的化学结构息息相关.Paillat等[15]的研究也发现堆肥物料的有机物组成不同会影响堆肥过程中CO2的累积排放量，进而影响堆肥过程的碳素损失量，其中以猪粪、小麦秸秆和锯屑混合物为原料的堆肥CO2的累积排放量少，原因是这种堆肥原料中可溶性含碳有机物的含量低.近年来有学者发现，在堆肥过程中添加“惰性有机碳”(recalcitrant carbon)能够促进堆肥的腐殖化过程[16-17].生物炭是一种高度芳香化的难溶性物质，被广泛应用于环境保护领域[18].Jindo等[19]在畜禽粪便堆肥中加入2%(v/v)的生物炭进行堆肥后，发现碳素形成腐殖质的比例增加了10%，而减少了30%的可溶性碳成分，碳素损失有所降低.添加生物炭会改变堆料的结构(如芳烃组分增加)，另外堆肥原料的有效表面积增大，吸附作用增强，堆肥内部通气状况也得到改善.这些条件更利于高温阶段木质素降解菌等微生物的生长，促进了腐殖化程度.此外，不同堆肥物料的物理性质，如颗粒大小、密度、透气性和导热系数等[20-21]参数也会对堆肥过程中微生物的降解能力以及物质和能量的转换产生影响[5, 20]，进而影响碳素的损失量与腐殖化程度.

2.2 物料初始C/N

堆肥物料初始C/N的大小会影响微生物数量与活性，C/N过高会导致微生物生长过程中“氮饥饿”，使微生物不能正常繁殖；C/N过低则会造成碳素不足，而过量的氮素不利于微生物细胞的合成，还会影响微生物的生长，进而影响堆肥进程及碳素的转化.有研究表明在一定范围内，适当降低C/N可以降低堆肥过程碳素的损失[5].秦莉等[22]以猪粪和秸秆为原料，采用密闭堆肥装置研究了不同初始C/N(分别为15、20、25、30)对堆肥过程中碳素损失的影响，发现高C/N处理中碳素损失量显著多于低C/N处理，其中碳素的主要损失形式是CO2—C，CH4—C，损失仅占初始碳的0.39%～1.24%.然而，当C/N过低时有机物的降解率也低，堆肥无法得到充分腐熟[5].有研究结果[23]表明，当初始C/N值为15时堆肥不能充分腐熟.堆肥的目的是对有机体固废弃物进行资源化处理处置并最终获得较高品质的有机肥料，因此，当探讨C/N大小对堆肥碳素损失影响的问题时，需要以堆肥得到充分腐熟为前提.

2.3 物料初始含水率

好氧堆肥过程中水是不可缺少的，合适的含水率一般为60%～80%[5]，过高或过低都会影响堆体中微生物代谢[24]，进而影响好氧堆肥碳素的转化以及有机物料的腐熟.施林林等[25]对比研究了含水率分别为65%、70%、75%、80%的堆肥过程中温室气体排放情况，结果表明，75%初始含水率处理的CO2排放通量最高，是其他处理的1.9～2.5倍，不同的初始含水率水平对堆肥过程中富里酸、胡敏酸等腐殖质含量的变化没有显著影响.堆肥物料初始含水率的差异也会影响以CH4形式损失的碳量.Chang等[26]发现较高的堆肥初始含水率会促进CH4排放.但Jiang等[27]以猪粪和玉米杆作为原料进行堆肥，发现不同初始含水率对CH4排放量没有显著的影响.这可能与堆肥原料的透气性有关[20].

2.4 通气方式与通气量

通气方式与通气量会影响好氧堆肥过程的堆体温度、微生物生长活动、病原菌的杀灭以及有机质的分解[28].杨国义等[29]采用猪粪与稻草作为堆料，分别采用单一机械翻堆、单一强制通风、强制通风与机械翻堆相结合等3种通风方式堆肥，发现单一强制通风条件下碳素损失最少为12.6%，强制通风与机械翻堆相结合的通风方式使碳素损失最高，可达18.4%.

通风量主要影响堆肥过程中以气态形式释放的碳素损失.当堆肥通风量大时，堆肥内部氧气充足，微生物的生长繁殖旺盛，使含碳有机物大量分解，特别是以CO2形式损失的碳量显著增加.但是通风量过低会使堆肥难以达到高温阶段[30]，导致堆肥不能充分腐熟且植物毒性高，同时还可能会促进CH4的排放[27]. Jiang等[27]研究了不同通风量对堆肥过程碳素转化的影响，实验结果表明，23.9%～45.6%的总有机态碳以CO2的形式损失，0.8%～7.5%的有机态碳以CH4的形式损失；通风量是影响CH4(p=0.011 3)排放量的主要影响因子，提高通风量能减少CH4的排放.Shen等[31]在间歇通风方式下研究不同通风量对于堆肥过程中温室气体释放的影响，实验设定的通气量分别为0.01、0.1、0.2 m2min-1m-3(通气30 min，停止30 min)，0.01 m2min-1m-3模拟O2含量低的条件，另外两组模拟O2含量高的条件.文章得出堆肥过程中的好氧环境会减少CH4的排放，在通风量为0.01 m2min-1m-3时CH4的浓度比其余两组高通风量条件的高，但是在两个高通风量条件处理之间没有显著地差异.

2.5 微生物

微生物的分解代谢过程是好氧堆肥过程中腐殖质形成的关键，特别是与半纤维素、纤维素和木质素的降解有密切联系[32-35].微生物在分解中等及较难降解有机组分过程中会形成大量酚型化合物、醌型化合物以及脂肪族化合物，这些恰恰是腐殖质形成的最主要前体物质[36-37].微生物再通过对上述有机化合物的合成、与氮化合物的结合、以及酶作用或自身作用的氧化促进腐殖质的形成[38].目前，应用于加快堆肥过程中废弃物降解速率的微生物已有大量研究，其大多是对纤维素、木质素具有高效分解能力的好氧微生物，如白腐真菌(Phanerochaetechrysosporium)、链霉菌(Streptomyces)等[39-42].然而，要减少堆肥碳素的损失、开发低碳堆肥技术、降低堆肥过程中温室气体的排放量，需要获得能够促进腐殖质生成的微生物.据报道，一些放线菌对纤维素、木质素的降解过程中CO2产生量较少，同时其初级代谢生成大量腐殖质形成的前体物质[34, 36].而一些真菌的降解过程发生在次级代谢阶段，从而彻底将较难降解有机物矿化成CO2[39].Ke等[43]研究了高温放线菌ThermoactinomycesvulgarisA31对分解食品废弃物产生腐熟堆肥产品的影响，发现与对照实验相比接种的堆肥缩短了腐熟的时间，并且减少了堆肥过程中以CO2形式损失的碳素.

2.6 堆肥反应器(堆垛)大小和堆放方式

堆垛大小的改变会影响堆肥内部的氧气状况，进而影响CO2和CH4的释放.在没有进行强制通风的堆肥过程中，其厌氧位置通常出现在中心部分，该部分与堆体表面相比气体交换量较少.随着堆垛的增大，厌氧位置的数量和大小也随之变大[44].因此，改变堆垛的大小会引起CO2和CH4等气体的释放速率改变.好氧堆肥的高度会对堆体内部的通风状况造成影响，这使好氧微生物菌群和厌氧微生物菌群的数量都发生改变.陆日东等[45]研究了不同堆肥高度对牛粪堆肥温室气体排放的影响.实验设置了25 cm和50 cm两个堆放高度进行比较，结果表明，堆放高度50 cm处理的相对表面积较小，CO2的排放速率也最小；堆放高度50 cm处理与25 cm处理间CH4的排放速率差异不显著.改变堆肥的规模会改变CH4的排放速率，这是由于大部分CH4都在粪堆的中间部位产生，随着堆肥规模的增大，其厌氧发酵的范围也不断扩大，因此CH4的产生和排放量上升[44-45].

3 好氧堆肥碳素损失的控制技术

基于对好氧堆肥过程中堆肥碳素的损失途径与影响因子的分析，调节好氧堆肥参数，如调理剂、接种微生物菌剂、初始堆体的C/N比、初始含水率等，都有可能降低堆肥过程的碳素损失、促进腐殖质的形成.

3.1 调节堆肥参数

秦莉等[22]用尿素调节猪粪玉米秸秆C/N分别为15、20、25、30进行高温堆肥，碳素损失率分别为46.9%、53.9%、67.7%、73.3%，堆肥结束时，各处理的发芽指数(GI)分别为75%、88.5%、116.05%、146.91%.低C/N处理虽然碳素损失率小，但是存在对植物的毒害作用.综合考虑GI和碳素损失，C/N为20比较合适.Chang等[26]发现调节初始堆肥物料的C/N和含水率会缩短堆肥腐熟的时间并且减少CO2和CH4的释放.在堆肥过程中选择合适的通风方式和通风量同样也能减少气态形式损失的碳素[23, 27].沈玉君等[30]研究表明，通风速率为0.2 m2min-1m-3时，堆肥既能达到腐熟又能减少碳素损失.

3.2 添加调理剂

不同调理剂的添加会影响堆料的初始物料成分及性质.Manios等[46]在污泥中加入不同比例的碎橄榄树枝作为膨胀剂进行堆肥，结果表明，加入的碎橄榄树枝量越大，堆肥过程中CO2和CH4的释放量就越少.Smidt等[37]初步证明，在实验室条件下添加2%～5%的木质素能促进堆肥过程中腐殖质的生成，红外光谱分析结果显示，添加的木质素已整合到了生成的腐植酸分子中.陈广银等[47]研究菇渣添加对落叶与鸡粪堆肥过程中有机物转化的影响，发现蘑菇渣中含有大量能降解木质纤维的微生物和酶，可以有效地提高堆肥终产品中腐殖质的含量.一些学者的研究还发现，添加具有多孔结构、吸附能力强的生物炭可显著降低堆料中可溶性有机质与易氧化有机质含量，且随着堆肥的进行这些有机质的降低量也比常规堆肥小、并促进腐殖化程度[17, 19].

3.3 接种微生物菌剂

接种一些有特殊代谢方式的微生物能减少碳素的矿化、增加腐殖质的生成量，例如链霉菌[46]等微生物(链霉菌是放线菌属的一科)能有效促进堆肥的腐殖化进程减少碳素损失；而高温放线菌ThermoactinomycesvulgarisA31的加入能减少堆肥过程中矿化损失的碳素[43].

总体来说，堆肥包含各种复杂的物理、化学以及生物变化过程[1]，控制碳素排放需要综合考虑各种因素，并通过各因子之间的相互作用来达到碳素减排的目的.

4 展 望

尽管国内外学者对于好氧堆肥过程中碳素损失的影响因素和控制措施已经开展了不少研究，但总体来说尚处于起步阶段，多数研究结果是基于实验室条件下得到的，很多深层次的机制问题和实际工程的研究尚有待进一步的研究：

1)好氧堆肥过程中含碳有机物主要包含矿化和腐殖化两个过程，提高堆肥过程中的腐殖化程度有利于碳素的固定，从而降低以温室气体排放为主的碳素损失.另一方面，如果堆肥过程碳素矿化程度过低，则有机物的降解不彻底，最终会影响堆体的腐熟度.未腐熟的堆肥施入土壤，由于不稳定的有机物会强烈分解，会消耗土壤中的氧气并产生有毒物质，反而抑制作物生长.因此，在增加腐殖质绝对值、减小堆肥植物毒性的同时,又能降低碳素损失至关重要.如何平衡碳素损失与腐殖化之间关系，需要对堆肥物料组成、工艺条件以及微生物等因子进行更深入的研究.

2)目前多数研究是通过改变堆肥技术参数来降低碳素损失，而对于其中深层次机理的探讨较少.例如，堆肥的降解过程与含碳有机物的化学结构息息相关[14-15]，但目前有关堆肥过程中有机物结构的动态变化与碳素损失之间关系的研究还鲜有报导.另外，微生物对堆肥过程有机物的降解与转化起到重要作用，但各类降解微生物对CO2排放以及腐殖质形成的影响研究几乎是空白.所以，揭示堆肥过程中碳素减排机理对低碳型堆肥资源化技术的研发与应用具有重要的指导作用.

3)已有的一些结果表明输入合适的堆肥调理剂可以降低堆肥过程中的氮素损失[3]，这些调理剂是否也能够降低碳素损失、促进堆肥的腐殖化过程并没有相关的研究.因此，寻找合适的堆肥调理剂对于减少堆肥碳素损失和提高腐殖化进程也具有重要意义.

4)对于控制好氧堆肥过程中碳素排放的研究大多集中在实验室条件下，而对于实际堆肥场的减排控制较少.将实验室的研究结果运用到实际生产中是否真正达到减排效果有待进一步考察.

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