中药渣堆肥化过程中温室气体排放研究

2014-09-24孙利鑫常生华张金林王引权高小迪

现代农业科技 2014年11期

孙利鑫+常生华+张金林+王引权+高小迪

摘要[目的]通过对黄芪和白芷药渣好氧堆肥过程中温室气体排放的研究，为中药渣堆肥化温室气体减排提供理论依据。[方法] 采用发酵装置进行了为期28 d的模拟堆肥过程，测定了不同堆肥时期的温室气体排放量。[结果] 黄芪和白芷药渣在高温好氧发酵过程中CH4、CO2和CO温室气体排放量均在高温期（7~14 d）达到峰值，N2O的排放量主要集中在7 d（高温期）和21 d（降温期）。[结论]通过对黄芪和白芷药渣在高温好氧发酵过程中CH4、CO2、N2O和CO温室气体排放特征的研究，明确了2种药渣温室气体排放的规律，为此2种药渣温室气体减排提供试验依据。

关键词中药渣；好氧发酵；堆肥化；温室气体；排放量

中图分类号S141.4文献标识码A文章编号 1007-5739（2014）11-0236-02

伴随着人类科技文明的飞速前进，尤其是发展中国家的以环境交换经济的发展策略，致使地球环境面临着严重的威胁，导致全球变暖、土地沙漠化、淡水资源紧缺等环境问题已逐步替代饥荒、瘟疫等成为制约人类发展繁荣的瓶颈。近些年来，由于温室气体的大量排放而得不到有效处理，促使全球变暖的环境问题逐渐成为人们关注的焦点。随着哥本哈根会议的召开，全球气候变暖和温室气体的排放等环境问题，被人们推向了一个新的高度。随着近100年来温室气体的大量排放，造成全球的年平均气温也逐渐上升，冰川消融，导致海水总量增加，进一步导致海平面上升，大陆面积减少。据调查显示，从20世纪初到现在的100年间，全球海平面升高了10~20 cm，而20世纪之前的每100年海平面平均升高仅1.2~2.3 cm，上升幅度高出近9倍。IPCC（Intergovernmental Panel Oil Climate Change）第三次评估报告指出：如果不对人类排放温室气体的行为加以限制，则从1990年后的110年间，全球平均气温很有可能上升1.4~5.8 ℃[1]。

全球变暖的主要原因是因为地球大气层中温室气体浓度的大量增加导致的。目前已知的最重要的温室气体是二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O），这些温室气体在大气层中的浓度主要受人类活动的影响。温室气体排放源有很多，农业源是温室气体的重要排放源，农业固体废弃物在处理过程中易产生大量温室气体[2-6]。中药渣属于农业固体废弃物之一，但目前有关研究中药渣堆肥过程中温室气体排放的报道还较少。因此，研究植物类中药渣在堆肥化处理过程中温室气体的排放特征对于控制温室气体的排放具有重要的现实意义。

1材料与方法

1.1试验材料

供试材料为甘肃陇西一方制药厂提供的黄芪和白芷药渣，人工调节水分至60%左右，且粒径分别为5 mm和10 mm，堆肥物料的理化性质见表1。试验仪器采用美国LGR公司出品的GGA温室气体分析仪（型号：908-0015）。

1.2试验方法

试验在甘肃中医学院实验室进行，采用不锈钢垃圾好氧堆肥发酵实验装置，发酵罐由不锈钢制成（直径29 cm，高37.7 cm）。由于供试药渣均为干基，初始含水率极低，需加入适量的水以调节物料初始含水率至60%左右；药渣自然堆放于堆肥发酵罐中，进行发酵；以7 d为1个堆肥周期，进行翻堆补水处理，并采用铝箔集气袋收集一次发酵罐中所排放出的气体。测定气体样品中CO2、CH4、N2O和CO的排放量。

2结果与分析

2.1CH4排放量

由图1可见，黄芪和白芷药渣在整个堆肥化过程中CH4的排放量趋势基本相同，均呈现先升高后下降的趋势，黄芪和白芷药渣CH4的排放量均在堆肥开始后14 d达到最大值，分别为2.67 mg/kg和3.18 mg/kg。黄芪和白芷药渣的CH4排放量在达到峰值后，逐步下降，最后稳定在较低的水平。

2.2CO2排放量

由图2 可见，黄芪和白芷药渣在整个堆肥化过程中CO2的排放量趋势基本相同，均呈现先升高后下降的趋势，黄芪和白芷药渣CO2的排放量均在堆肥开始后14 d达到峰值，分别为52 250 mg/kg和96 440 mg/kg。黄芪和白芷药渣的CO2排放量在达到峰值以后，均逐步下降，最后稳定在较低的水平。

2.3CO排放量

由图3可见，黄芪和白芷药渣在整个堆肥化过程中CO的排放量趋势基本相同，均呈现先升高后下降的趋势，黄芪和白芷药渣CO的排放量均在堆肥开始后的7 d达到峰值，分别为47.3 mg/kg和55.9 mg/kg。黄芪和白芷药渣的CO排放量在达到峰值后，呈波动状下降，最后稳定在较低的水平。

2.4N2O排放量

由图4可见，黄芪和白芷药渣在整个堆肥化过程中N2O的排放量趋势均呈波动状下降，黄芪和白芷药渣N2O的排放量均在堆肥开始后的7 d达到峰值，分别为0.33 mg/kg和0.31 mg/kg，随后下降，在堆肥开始后的21 d迎来了第2次峰值，分别为0.33 mg/kg和0.31 mg/kg。黄芪和白芷药渣的N2O排放量在达到第2次峰值后，迅速下降，最后堆肥结束时稳定在较低的水平。

3 结论与讨论

通过本次试验明确了黄芪和白芷药渣堆体温室气体排放的特征。本试验各处理CH4、CO2和CO排放主要集中在堆肥的高温期，N2O的排放曲线则在整个堆肥过程中呈“M”形。物料初始理化性质的不同，导致温室气体排放的峰值有差异，其中白芷药渣CH4、CO2和CO的排放要明显高于黄芪药渣，N2O的排放则相反。有研究表明，CH4在堆肥过程中的排放量与通风量和通风方式有关。De Guardia[7]通风量越高，CH4累积排放量呈线性增加。Hao等[8]到机械翻堆的条垛猪粪堆肥的CH4排放量高于被动通风堆肥系统。因此，本试验采用曝气装置和机械翻堆相结合的方式为堆体进行通风，且2种药渣的翻堆频率与曝气量相一致。研究数据表明，黄芪和白芷药渣在整个堆肥化过程中CH4的排放量与堆肥化温度的变化息息相关，各处理CH4的排放主要集中在堆肥化过程中的升温期和高温期（图2）。在降温期和腐熟期，各处理CH4的排放逐步降低，最后趋于平缓。堆肥开始阶段，各处理CH4排放量较低，是因为堆体中含氧量充足，且温度较低，微生物不活跃[9]高温期CH4排放量较大，主要是因为在此阶段微生物活性较强，在快速分解有机物的同时，消耗掉了大量的氧气，致使堆体局部有厌氧情况发生，CH4菌新陈代谢活跃从而产生了大量的CH4，伴随着易分解有机物含量的下降，堆肥温度也逐渐下降，CH4的排放量也随之呈下降趋势[10]。

黄芪和白芷药渣在整个堆肥化过程中CO2和CO的排放量与CH4的排放量相类似。在各处理的升温期和高温期，堆肥微生物的活性较强，分解含碳有机质的速率较快，从而在此阶段释放出大量的CO2和CO，而随着易分解有机物的减少，各处理的堆体温度也逐渐下降，微生物活性减弱，CO2和CO的释放量也随之减少，最后趋于稳定，维持在较低的水平。

黄芪和白芷药渣在整个堆肥化过程中N2O的排放量较为一致，均在第1次翻堆前，达到排放高峰（图 4）。图4 显示的各处理N2O排放规律与El Kader 等的研究相类似[11-12]。Sommer等[13]认为，在堆肥的升温阶段，N2O来源于堆肥物料的表层。因为堆肥物料的表层于氧气的接触面积大，温度较底层低，硝化细菌较为活跃，从而释放出大量的N2O。第1次翻堆结束后，黄芪和白芷药渣的N2O排放量均迅速下降，也有学者认为，导致这一结果的原因是由于微生物分解有机物产生的大量的热量和氨氮抑制了硝化细菌的活动[14-15]。堆肥高温期结束之后，在温度降低的同时，伴随着翻堆活动，黄芪和白芷药渣的N2O排放量又出现了1 次高峰[16]。这是因为氧气充足区域产生的NO2-/NO3-经过翻堆活动，转移到了氧气相对缺乏的区域，再通过不完全的反硝化反应产生大量的N2O。

4参考文献

[1] Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC）.Climate change 2007：summary for policymakers[M].UK：Cambridge University Press，2007：1-5.

[2] 谢军飞，李玉娥.不同堆肥处理猪粪温室气体排放与影响因子初步研究[J].农业环境科学学报，2003，22（1）：56-59.

[3] 高丹，张红玉，李国学，等.余热和菌剂对垃圾堆肥效率及温室气体减排的影响[J].农业工程学报，2010，26（10）：264-271.

[4] 郑嘉熹，魏源送，吴晓凤，等.猪粪堆肥过程保氮固磷及温室气体（N2O）减排研究[J].环境科学，2011，32（7）：2047-2055.

[5] 江滔，Frank Schuchardt，李国学，等.冬季堆肥中翻堆和覆盖对温室气体和氨气排放的影响[J].农业工程学报，2011，27（10）：212-217.

[6] 高斌，江霜英.利用生命周期评价方法分析上海市某区生活垃圾处理的温室气体排放[J].四川环境，2011，30（4）：92-97.

[7] DE GUARDIA A，PETIOT C，ROGEAU D.Influence of aeration rate and biodegradability fractionation on composting kinetics[J].Waste Manage-ment，2008，28（1）：73-84.

[8] HAO X，XU S，LARNEY F J，et al.Inclusion of antibiotics in feed alters greenhouse gas emissions from feedlot manure during composting[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems，2011，89（2）：257-267.

[9] 郑玉琪，陈同斌，高定，等.静态垛好氧堆肥堆体中氧气浓度和耗氧速率的垂直分布特征[J].环境科学，2004，25（2）：134-139.

[10] 潘玲阳，叶红，黄少鹏，等.北京市生活垃圾处理的温室气体排放变化分析[J].环境科学与技术，2010，33（9）：116-124.

[11] EL KADER N A，ROBIN P，PAILLAT J M，et al.Turning，compacting and the addition of water as factors affecting gaseous emissions in farm manure composting[J].Bioresource Technology，2007，98（14）：2619-2628.

[12] SZANTO G L，HAMELERS H V M，RULKENS W H，et al.NH3，N2O and CH4 emissions during passively aerated compiosting of straw-rich pig manure[J].Bioresource Technology，2007，98（14）：2659-2670.

[13] SOMMER S G，MOLLER H B.Emission of greenhouse gases during composting of deep litter from pig production-effect of straw content [J].Journal of Agricultural Science，2000，134（3）：327-335.

[14] YAMULKI S.Effect of straw addition on nitrous oxide and methane emissions from stored farmyard manures [J].Agriculture Ecosystems amd Environment，2006，112（2/3）：140-145.

[15] HAO X Y，CHANG C，LARNEY F J.Carbon，nitrogen balances and greenhouse gas emission during cattle feedlot manure composting[J].Jotrnal of Environmental Quality，2004，33（1）：37-44.

[16] ETINGER T R.A Comparative study of nitrification in soils from arid and semi-arid areas of Israel[J].Jourtnal of Soil Science，1969，20（2）：307-315.