鸡粪堆肥过程中的氮素转化及损失控制

闫荣荣

（太原工业学院环境与安全工程系，山西太原 030008）

鸡粪堆肥过程中的氮素转化及损失控制

闫荣荣

（太原工业学院环境与安全工程系，山西太原 030008）

对鸡粪好氧堆肥过程中氮素的各种存在形态进行研究，发现在堆肥的不同阶段中氮素的主要存在形式，研究氮素损失的主要途径。通过实验，发现氨气是氮素损失的主要形式，占总氮素损失的50%以上，寻找减少氨气排放的方案，就可以减少氮素损失，使更多的氮素固定到堆体中。

鸡粪;好氧堆肥;氮素转化;损失控制

随着我国养殖业的迅速发展，畜禽粪便的产量越来越多，这些固体废弃物的处理处置是一个很大的难题[1]。畜禽粪便中存在着大量的有毒有害物质，如细菌、病毒等，还有大量的有机物，如果不进行妥善处理而随意丢弃的话，会对环境造成很大的污染[2]。好氧堆肥是畜禽粪便的处理方式之一，具有操作简单、成本低、管理方便等优点，得到了广泛的应用，可以使畜禽粪便达到稳定化、无害化[3]。

但是在畜禽粪便的堆肥过程中，氮素损失较为严重，会以氨气、氧化亚氮等形式释放到空气中，污染环境，影响周围居民的正常生活[4]。堆肥结束后，氮素损失严重还会使堆肥产品的肥效下降，回用到土壤中还会影响植物的生长。

我们在实验室里将鸡粪进行好氧堆肥，观察CO2，NH3，NH4+，NO3-等的变化规律，研究其氮素形态转化，寻找氮素损失控制的途径和方法，减少堆肥过程中的氮素损失。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所用的鸡粪取自山西省某养殖场，木屑取自山西某木材加工厂，鸡粪初始的含水率为73.67%，挥发性有机质含量（VS）为65.45%；初始的碳素含量为30.87%，氮素含量为3.12%，碳氮比为9.89；初始的pH值为8.0。

1.2 实验装置

堆肥反应装置如图1所示，1为鼓气泵，向堆体提供氧气；2为流量计，控制通风速率为0.2 L/min，3为NaOH溶液，浓度为4 mol/L，用来吸收空气中的CO2，4为反应主体，体积大约为20 L，5为NaOH溶液，浓度为4 mol/L，吸收反应器出来的CO2；6为缓冲瓶，避免硼酸倒流；7为硼酸溶液，浓度为1 mol/L。

1.3 实验安排

图1 堆肥反应装置

堆肥周期为50 d，每天测定堆体的温度，二氧化碳的产生速率；在高温期结束之前，每天测定氨气的产生速率，高温期过后，每2 d测定一次氨气的产生速率。在0～30 d之间，每2 d取1次样，分3份，1份用来测定鸡粪的含水率、挥发性有机质含量，1份用来测定鸡粪的pH值，1份用来浸提，测定鸡粪中的NH4+，NO3-。

二氧化碳用NaOH溶液吸收，然后用HCL溶液滴定，测定二氧化碳的产生速率。氨气用硼酸来吸收，之后用硫酸溶液滴定，测定其产生速率。含水率的测定要在烘箱中105℃下持续烘24 h；VS的测定用马弗炉在550℃烧2 h。pH值的测定是将新鲜样品和去离子水以1∶10的比例混合，搅拌30 min后测定。浸提液是将5 g新鲜样品用50 mL去离子水浸提，之后用来测定其NH4+，NO3-等指标。NH4+用分光光度法来测定，NO3-用离子色谱测定，样品中的氮素含量用元素分析仪测定。

2 结果与讨论

2.1 鸡粪堆肥过程中温度、含水率的变化

鸡粪堆肥过程中温度、含水率的变化如图2所示，可以发现，在0～3 d，堆体中有机物较多，好氧环境中，微生物生命活动旺盛，迅速增长繁殖，产生了大量的热量，堆体温度迅速增加，属于堆肥的升温期。在第5 d，堆体温度升高至59℃，高于55℃，进入了堆肥的高温期，堆肥高温期持续了8 d，高温期间，大部分微生物的生命活动受到了抑制，可以杀死大部分的病原菌、寄生虫卵等[5]。从第13 d开始，堆体的温度开始下降，这是因为容易被微生物利用的有机质被消耗殆尽，微生物的生命活动减弱，因此温度逐渐降低，最终降至室温。

图2 堆肥过程中温度、含水率的变化

堆肥过程中的含水率会对堆肥的效果产生很大的影响：含水率过高，会阻碍氧气的传递，不利于堆肥过程的进行；含水率过低时，会使堆体中溶于水的氨氮较少，在高温情况下，容易以氨气的形式排放到空气中，使氮素损失增加[6]。观察鸡粪堆肥过程中物料，含水率逐渐降低，从初始的73.67%降低到57.17%，最终的含水率降低到60%以下。

2.2 鸡粪堆肥过程中VS，pH值的变化

鸡粪堆肥过程中的VS，pH值的变化如图3所示，可以发现，堆肥过程中物料的挥发性有机质含量是逐渐降低的，堆肥结束时，物料的VS值从65.42%，降低到44.71%，降低了31.66%，有机质含量被微生物利用，使VS含量降低。而pH值的变化趋势则是先升高，再降低，0～4 d，堆体中的有机氮被微生物分解，通过氨化作用产生氨氮，使pH值从8.0升到8.9。之后进入高温期，5～12 d是属于高温期。高温期中，有机氮继续被分解，氨氮浓度升高，pH值增加，高温下，氨氮会以氨气的形式释放到空气中，使体系中的pH值降低，最终降至8.6左右。

图3 堆肥过程中VS、pH值的变化

2.3 鸡粪堆肥过程中CO2，NH3产生速率的变化

堆肥过程中CO2的产生速率如图4所示，在堆肥的升温期，CO2的产生速率迅速增加，在0～4 d，产生速率从4.88 g/kg·d增加到16.16 g/kg·d，是0 d的3.3倍，CO2的累积量增加速率也达到最大，曲线出现斜率最大值，这期间微生物迅速生长繁殖，消耗大量有机物，CO2的累积量达到总累积量的26.83%。升温期之后，第5 d进入高温期，CO2的产生速率开始降低，可能是高温期微生物的生命活动受到抑制；同时，CO2的累积量的变化曲线增加速度也减慢，但高温期是CO2积累最多的阶段，占总累积量的42.06%。第13 d进入降温期之后，易降解的有机物被微生物利用，开始利用难降解的有机物，因此，CO2的产生速率到达最低值0.59 g/kg·d，CO2累积量的曲线开始变得平缓，这一阶段CO2的累积量占整个堆肥周期的31.11%。

图4 堆肥过程中CO2产生速率及累积量的变化

NH3是鸡粪堆肥过程中氮素的损失形式之一，研究NH3的产生速率可以为氮素损失控制提供方法。NH3产生速率及累积量的变化如图5所示，可以看出，在升温期的1～2 d，堆体中不产生NH3，从第3 d开始，才产生NH3，且产生速率较慢。升温期是堆体产生速率最快的阶段，因为在这个阶段，氨氮浓度较高，温度较高，容易挥发，产生氨气，所以从第5 d开始，氨气的产生速率迅速增加，从27.41 g/kg·d开始，到第9 d增加至最大值，105.27 g/kg·d，之后开始降低，这个阶段的氨气累积量也迅速增加，斜率达到最大，累积量占整个堆肥周期的50%。在第13 d开始，堆体进入降温期，随着有机物被消耗，氨气的产生速率开始降低[7]，累积量的变化曲线也慢慢变缓，这个阶段积累量占整个堆肥过程的48.51%。

图5 堆肥过程中NH3产生速率及累积量的变化

2.4 鸡粪堆肥过程中NH4+，NO3-含量的变化

在鸡粪堆肥过程中，NH4+，NO3-是堆肥过程中氮素存在的2种形态，通过观察其含量的变化可以提出减少堆肥过程中氮素损失的方法。其含量变化如图6所示。可以发现，硝酸盐含量远低于氨氮的含量，氨氮是主要的氮素存在形式。在升温期，0～4 d内，有机物被微生物利用，发生氨化作用，使堆体中的氨氮含量迅速增加，从初始的5.91g/kg升高至9.39 g/kg，增加了58.88%。从第5 d，堆体进入了高温期，氨氮含量增加，pH值升高，堆体中的氨氮以氨气的形式从堆体中释放出来，使堆体中的氨氮含量降低，降低了30.67%。降温期后，堆体中的氨氮含量继续减少，但是氨气释放量很低，减少的氨氮发生了硝化作用，将NH4+转化为NO3-，因此在堆肥后期NO3-浓度升高，但含量还是相对较低。

2.5 鸡粪堆肥过程中氮素含量的变化

鸡粪堆肥过程中氮素含量的变化如图7所示，可以发现，氮素含量是逐渐降低的，从初始的3.12%，堆肥结束时降低到2.08%，氮素损失为58%。而氨气是氮素损失的主要形式，占总的氮素损失的50%以上，因此，控制氨气的挥发，可以有效的控制氮素损失。

图6 堆肥过程中NH4+含量的变化

图7 堆肥过程中N素含量的变化

3 结语

通过实验可以发现，氨气是氮素损失的主要途径，因此，减少氨气的挥发，就可以有效控制堆体中的氮素损失。

首先，氨气的挥发主要是在高温期的高氨氮、高温条件下产生的，因此可以适当的降低高温期的温度，只要高于55℃即可；其次，也可以提高初始物料的含水率，或者在高温期向堆体表面喷洒适当的水分，使得产生的氨气再次溶于水中，不再挥发到空气中。第三，也可以在堆体中添加一些吸附剂[8]，可以吸附堆体中的氨气，减少氨气的释放。第四，可以在堆体中加入一些微生物菌剂[9]，起到固氮作用，将氨氮转化成有机氮，不再产生氨气。也可以从堆肥工艺条件优化方面考虑，比如改变物料的C/N比，堆肥过程中的通风速率等，减少氮素的损失[10]。

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〔责任编辑 杨德兵〕

Nitrogen Transformation and Loss Control in Composting of Chicken Manure

YAN Rong-rong
(Department of Environmental and Safety Engineering，Taiyuan Institute of Technology，Taiyuan Shanxi,030008)

This paper studies the form of nitrogen in compost of chicken manure，found the form of nitrogen in different stages and researched the main way to reduce the nitrogen loss.Through the experiment，we found that the ammonia is the main form of nitrogen loss，the total loss of nitrogen is more than 50%.The nitrogen loss can be reduced if the way can be found.In the end，more nitrogen will be fixed in the chicken manure.

chicken manure;aerobic composting;nitrogen transformation;nitrogen loss control

X131

A

1674-0874(2016)03-0044-04

2016-03-21

山西省卫生计生委中医科研课题项目[2014ZY14]

闫荣荣（1981－），女，山西霍州人，硕士，助教，研究方向：水体污染处理。