好氧堆肥过程氨气释放和氮素转化影响因素研究进展

魏姣皎， 熊骏生， 袁 丽， 张一鸣， 尹哲纲， 倪伟敏,2， 张杭君,2， 丁 颖,2

(1. 杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036； 2. 杭州师范大学生态系统保护与恢复杭州市重点实验室，浙江 杭州 310036)

好氧堆肥过程氨气释放和氮素转化影响因素研究进展

魏姣皎1， 熊骏生1， 袁 丽1， 张一鸣1， 尹哲纲1， 倪伟敏1,2， 张杭君1,2， 丁 颖1,2

(1. 杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036； 2. 杭州师范大学生态系统保护与恢复杭州市重点实验室，浙江 杭州 310036)

好氧堆肥是有机废物资源化处理利用途径之一.然而，好氧堆肥过程中释放的氨气不仅带来严重的恶臭污染，而且还导致堆肥肥效降低，这已成为堆肥产业亟待解决的重要问题.文章概述了好氧堆肥过程氨气释放和氮素转化影响因素的研究进展，并提出好氧堆肥氨气释放控制和保氮技术研究的发展方向.

好氧堆肥;氨气;氮素损失;氮素转化

0 引 言

好氧堆肥是在微生物的参与下，有机废弃物通过各种物理、化学和生物作用逐渐趋于稳定化和腐殖化的生物化学过程[1]，也是减量化、无害化、资源化处理废弃物的有效途径[2-3].然而，好氧堆肥过程释放的挥发性恶臭气体会导致严重空气污染问题.据研究，堆肥过程恶臭气体主要有氨气、胺类、二甲硫醚，短链脂肪酸、乙苯和对伞花烃等6种，其中氨气的挥发浓度最高，如厨余垃圾为主的堆肥释放的氨气量为867 μg·m-3，以鸡粪作为主要原料、厨余垃圾作为第二原料的堆肥释放的氨气量高达17 347 μg·m-3[4].

氨气的释放带来空气污染问题的同时，也对人畜的健康构成巨大的威胁.低浓度的氨对皮肤和粘膜有刺激作用，常易溶解在呼吸道粘膜和眼结膜上，使粘膜充血、水肿，引起结膜炎、支气管炎、肺炎和肺水肿等，长期暴露于氨气环境下的畜禽体重增加缓慢、饲料转化率低[5]；高浓度的氨可使接触的局部发生碱性化学灼伤、组织坏死，也可引起中枢神经麻痹、中毒性肝病和心肌损伤等明显的病理反应和症状.因此，我国劳动卫生要求空气中氨的含量不超过40 mg·m-3[6].

除此之外，堆肥过程中氨气的释放还会使堆肥中氮素流失，从而导致堆肥的肥效降低[7].由于堆肥中的有机氮和无机氮都是农作物最重要的营养来源，因此堆肥中可供农作物吸收利用的氮素含量成为评判堆肥品质优劣的一个重要标准[8].堆肥过程中的氮素损失最主要的形式是通过氨气释放，其导致的氮损失率在19%～77%之间[9-10].此外，有0.2%～9.9%的氮素是以硝化和反硝化作用的中间产物N2O的形式损失[11-12].可见，控制堆肥过程氨气的释放可以减少恶臭污染和氮素损失，氨气释放和氮素转化的研究是好氧堆肥恶臭污染控制技术和保氮技术的关键.

本文概述了好氧堆肥过程氨气释放和氮素转化的影响因素研究进展，为好氧堆肥中氨气恶臭的原位控制以及提高堆肥质量等技术研究提供参考.

1 好氧堆肥过程氨气释放和氮素转化的影响因素研究

影响好氧堆肥过程氨气释放的因素有很多，如曝气量、物料C/N、堆体pH、温度、含水率、堆肥添加剂以及堆体微生物群落等[13-14].将这些影响因素控制在一个理想的范围内，可以有效地减少堆肥过程中的氨气释放.除此之外，很多研究者在这些单因素研究的基础上考察了多个因素对氨气释放的影响，发现这些因素之间有一定的相互促进或者制约关系[15-16].在堆肥过程中对这些影响因素进行合理调控和优化组合，从而可以对好氧堆肥过程中氨气释放进行最优的原位控制，同时达到较理想的保氮效果.

1.1 不同曝气量对氨气释放和氮素转化的影响

好氧堆肥过程中需要的氧气通常是采用向堆体内部曝气的方式通入的.曝气是影响好氧堆肥的关键环节，曝气量过小容易造成堆体厌氧，曝气量过大又会导致堆体热量散失过快，同时也会导致氨气等恶臭的大量排放[17]，适宜的曝气量是堆肥取得成功的重要保障.一些研究者们也对此进行了相关的研究，结果如表1所示.

表1 不同曝气量对氨气释放和氮素转化的影响Tab. 1 Impact on volatilization of NH3 and nitrogen transformation with different aeration

由此可见，曝气量的增大会使得氨气的释放量增大，同时堆体中的氮素损失也增大，高曝气量可以使得90%～99%的氮素以氨气和渗滤液的形式流失，而在低曝气量的条件下，仅有47%～85%的氮素以氨气和渗滤液的形式损失[20].然而在曝气量较小的情况下,氧气供应不足会导致有机物分解成不彻底的氧化产物，比如H2S、SO2、硫醇类等含硫化合物[21].

因此，合理控制曝气量不仅可以减少氨气释放带来的恶臭污染，也可以降低堆体中的氮素损失，从而确保成熟堆肥的肥效.

1.2 堆体C/N对氨气释放和氮素转化的影响

堆肥原料的C/N是堆肥过程的一个重要参数，较适宜的范围是15～35之间，在好氧堆肥过程中C/N的变化取决于堆体中总碳和总氮含量的变化[22].C/N不仅关系到堆肥成功与否，也影响着氨气恶臭的释放.表2为一些研究者们的相应研究成果.

表2 堆体C/N对氨气释放和氮素转化的影响Tab. 2 Impact on volatilization of NH3 and nitrogen transformation with different C/N

由此可见，随着堆体C/N的不断增高，氨气的释放量也在增大，相应地也加剧了氮素的损失.这是由于在较高的C/N条件下产生的氨气很大部分可以被微生物所固定，从而降低了整个堆体中氨气的释放量[22-23].Liang等[24]通过对在秸秆和粪便为原料的堆肥中添加可以调节总碳量的糖浆、办公用纸和两种化学缓冲试剂来探究氨气的释放情况，结果表明，在整个堆肥过程中，氮素损失率占总氮量的12%～25%，而其中60%～99%的氮素损失都是以氨气的形式挥发掉并且添加糖浆可以充分地减少氨气的挥发.这也是由于提高了堆体中的C/N，使氨气更容易被微生物固定.

因此，在低C/N(≈20)条件下，氨气的释放量较高，氮损失较大.而在较高C/N(≈25)条件下，氨气的释放量较低，氮损失也较小.由此可见，在堆肥过程实际操作中，将堆体C/N控制在25左右可以有效减少氨气的产生和氮素的损失，不仅可以减小堆肥过程中的氨气污染，也可以提高成熟后堆肥的品质.

1.3 堆体pH对氨气释放和氮素转化的影响

堆体pH也是好氧堆肥过程中的一个重要参数，微生物的生命活动影响着堆肥过程氨气的释放和氮素的转化，而大部分微生物都需要在一个适宜的pH条件下才能维持活性，因此，堆体pH是影响堆肥过程中氨气释放和氮素转化的一个关键因素.

单爱丽等[25]探究了城市生活垃圾堆肥过程中堆体pH的变化和氮素转化规律，结果表明，堆体pH先下降后升高，最终稳定在中性范围内，全氮和硝氮含量都是先降低后增加，铵氮含量是先快速增加后缓慢减小至稳定，这是由于堆肥开始时微生物利用的有机质比较丰富，微生物繁殖较快，其活动产生的有机酸使堆料pH下降，当达到氨气挥发的最大值时，pH也相应达到最低值(为6.21)，当氨气挥发量减少时，pH也随之增高.随着堆体温度不断升高，有机酸也加快分解转化，从而使pH继续升高，当有机质分解完成后，pH会逐渐下降，从而维持在中性范围内(为6.5～7.0).

然而，Liang等对秸秆和粪便进行实验室模拟堆肥却获得了不同的结果[24].尽管堆体中的全氮、硝氮和铵氮的含量变化趋势与前者研究结果一致，但是pH却是先升高后降低.这一现象被解释为是由于在堆肥初期，在微生物分解有机质过程中，有机氮快速分解，产生大量铵氮，而此时硝化细菌活性受温度和pH的影响偏低，无法及时将铵氮转化为硝氮，从而使堆体中pH不断升高，进而加速了氨气的挥发速率，在堆肥中后期，随着硝化细菌的活性升高，使铵氮不断转化成硝氮，从而pH略有降低.

虽然两位研究者的研究结果有所不同，但是可以看出在堆肥过程中堆体的pH和微生物活性是一个相互影响的过程，最终影响着氮素的转化和氨气的释放.因此，适当控制堆肥初始pH(为6.5～7.0)不仅可以保证堆肥的顺利进行，还确保了一个适宜的微生物生存环境，使得硝化细菌参与的硝化过程顺利进行，从而降低氨气的挥发，较少氮素的损失.

1.4 温度对氨气释放和氮素转化的影响

好氧堆肥过程中，温度是重要的监测指标，不同的堆体温度、环境温度都会直接影响到堆肥过程中微生物活性以及有机物的降解.随着温度的变化，堆体中的微生物群落结构随之改变，相应地，也会影响堆肥过程中氨气的释放与氮素的转化.表3是环境温度对氨气释放和氮素转化影响的一些研究结果.

表3 环境温度对氨气释放和氮素转化的影响Tab. 3 Impact on volatilization of NH3 and nitrogen transformation with different environment temperatures

从表3可以看出，一般情况下，堆肥过程中环境温度越高，氨气释放量越大.并且在堆肥第0天，温度对氨气的释放量十分关键，当环境温度从15 ℃上升到22 ℃时，氨气的释放量也在不断增加.

另外，一些研究者也对堆体温度与氨气释放的关系进行了实验研究.黄兆林[27]对秸秆和牛粪进行堆肥，在通气条件较好的情况下，堆体温度可以上升到78 ℃，而堆体温度一般应控制在45～65 ℃之间.这是因为温度过高会过度消耗有机质，增大氨气挥发从而导致氮素的损失，从而降低堆肥品质.

因此，适当控制环境(20～35 ℃之间)和堆体温度(45～65 ℃之间)，不仅可以调控氨气恶臭的产生，也可以减少有机质的过度降解，提高堆肥产品的品质.

1.5 堆体初始含水率对氨气释放和氮素转化的影响

好氧堆肥堆体的含水率主要影响生物酶的活性和微生物的生物降解活性，进而影响微生物的生命活动，并最终影响氨气等恶臭的释放.

Liang等[24]在堆体初始含水率分别为60%和70%的条件下，对整个堆肥过程中氨气释放情况进行了研究，结果表明，含水率为60%的堆肥过程中氨气的释放量比含水率为70%条件下的要高，这是由于较高的含水率更有利于溶解堆肥过程中释放的氨气，从而减少氨气的释放.然而，较高的含水率也会阻碍氧气在堆体中的扩散，可能形成局部厌氧环境，从而加剧恶臭气体的产生.

因此，应将堆体初始含水率控制在一个适当的范围内，保证堆体中氧气正常扩散的同时，尽可能减少氨气释放.堆体的初始含水率一般在50%～80%之间，其中较为理想的含水率为50%～60%[28].

1.6 堆肥添加剂对氨气释放和氮素转化的影响

堆肥添加剂是指为了加快堆肥进程和提高堆肥产品质量，在堆肥物料中加入的有机、无机物质或微生物等[29].

李吉进等[30]在分别添加膨润土、普钙和玉米秸秆等3种不同添加剂与不添加添加剂的条件下，对整个好氧堆肥过程中的氨气累积释放量进行了分析对比，结果表明，添加膨润土、普钙、玉米秸秆比未加添加剂条件下的堆肥中的氨气累积释放量分别减少36%、74%和50%.由此可见，堆肥过程加入添加剂可以有效地减少氨气的释放.

Jeong等[31]将鸟粪石结晶反应应用于好氧堆肥过程，通过添加镁盐和磷盐使氨气在堆肥中以磷酸铵镁结晶的形式沉淀下来，结果表明，此方法可以有效地减少堆肥氨气的挥发.但是，此法会增加堆肥的总盐度，从而影响堆肥的循环利用，在好氧堆肥中加入添加剂保氮的同时也要考虑到后续资源化利用的相关问题.

Xie等[32]以氨氧化古菌(AOA)作为微生物添加剂来探究堆肥中氮素的转化以及氨气的释放情况，并通过PCR-DGGE技术探究了堆体的微生物群落结构，结果表明，添加了氨氧化古菌(AOA)之后，不仅缩短了堆肥升温的时间，加速了堆肥化进程，而且也丰富了堆体中的微生物种类，使堆体维持在一个较低的pH水平，减少了氨气的释放，提高了堆肥的保氮效果.

由此可见，虽然不同添加剂都可以有效地减少堆肥中氨气的释放，但是相比于无机添加剂来说，添加有机和微生物添加剂不但可以有效地减少二次污染，而且可以提高堆肥的循环利用效率.

1.7 堆体微生物群落对氨气释放和氮素转化的影响

在好氧堆肥过程中，不同阶段的微生物群落结构会随着堆肥化进程的不断推进而发生变化，同时，不停变化的微生物群落组成也直接关系到堆肥过程中恶臭气体的释放和堆体理化性质的变化，其中也影响着堆体中氨气的释放与氮素的一系列转化.

图1 堆肥过程中的氮素转化过程[36-42]Fig. 1 The process of nitrogen transformationduring composting

微生物参与下堆肥过程中氮素转化过程如图1所示，其中实线与虚线分别表示好氧与厌氧过程.在整个好氧堆肥的氮素循环过程中，过程(1)为氨氧化过程，是堆肥过程中在某些细菌与古生菌作用下使铵氮累积量减少的主要过程，也是硝化作用的限速过程，通常出现在堆肥成熟期.Souza等[33]通过对蘑菇堆肥高温期中微生物生态学的研究，发现铵氮的消失主要是由于双胞蘑菇菌丝的出现将铵氮氧化，而这一过程是因为在堆肥成熟期嗜热菌S.thermophilum的出现.过程(2)为亚硝氮的氧化过程，亚硝氮作为氮素转化循环过程中的中间物质，一般不会大量积累在堆体中，而是被氧化成硝氮.因此，亚硝酸盐氧化菌具有较高的活性.目前为止，只有4个属的好氧化能自养微生物能进行亚硝酸盐氧化，分别是：硝化杆菌属(Nitrobacter)、硝化螺菌属(Nitrospira)、硝化球菌属(Notrococcus)和硝化刺菌属(Notrospina).过程(3)和(4)为反硝化和固氮过程，一般在反硝化细菌和固氮菌的作用下进行.

为了进一步探讨上述过程中的微生物种群功能对氮素转化的影响，一些研究者也做了相应的研究分析.Li等[34]研究了不同温度(35±2 ℃和55±2 ℃)下好氧堆肥的氮素转化与微生物群落结构特征，结果发现，在微生物与化学作用下，氮素损失的主要途径是氨气的释放，其进一步采用PCR-DGGE技术和RDA分析发现，在两种温度下微生物群落演替有很大的不同，可以看出不同的微生物种类对促进或者抑制氨化作用和氨气的产生起着至关重要的作用，而在(55±2)℃的时候氨气释放量减少是因为在此温度下发现了可以维持较低pH环境的片球菌属(Pediococcussp.)和可以进行固氮作用的根瘤菌(Rhizobiumsp.)，这两种微生物可以减少氨气的释放.由此可见，氨气的释放不仅被一些环境因素影响着，还被自身堆体内的微生物种群结构所影响，而不同堆肥时期的微生物群落结构也是有变化的，因此也会导致不同堆肥时期氨气释放量的变化.Zeng等[35]对家庭垃圾好氧堆肥过程微生物群落与种群动力学的特征进行研究，结果表明，在堆肥升温期，Nitrosomonasoligotropha-like氨氧化菌数量下降，使得氨气的释放量明显增加，随着堆肥成熟期氨氧化的主要参与者亚硝化毛杆菌(Nitrosomonaseuropaea/eutropha) 和Nitrosomonasnitrosa-like氨氧化菌的出现，加快了氨气氧化的速度，促使氨气向硝氮转化.由此可以推断氨气的氧化很有可能被强大的异养微生物活动所限制.

尽管很多学者已对好氧堆肥堆体微生物群落对氨气释放和氮素转化的影响进行了一些研究，但是不同种群微生物的活性和功能仍需进一步的深入研究，从而可以更深入准确地解释好氧堆肥过程中氨气释放和氮素转化与微生物的功能关系，进而可以通过调控堆体中相关功能微生物的活性来对好氧堆肥过程中氨气的释放进行原位控制.

2 研究展望

近年来，国内外均开展了大量废弃物好氧堆肥过程氨气释放和氮素转化影响因素的研究，主要包括曝气量、C/N、pH、温度、含水率、添加剂和微生物群落等因素，并取得了一些成果.然而，很多研究都只是停留在对堆体中一个整体微生物群落的鉴别，一些分离的与氨气释放有关的除臭菌剂没有鉴定其种类，并且对其生物活性也有待研究.氨气释放和保氮相关微生物种类的鉴定以及对堆肥不同阶段微生物生物活性的研究，无疑可以更加精确地控制堆肥过程中每一个阶段的氨气释放和氮素损失.综上所述，今后好氧堆肥中氨气恶臭的控制及保氮研究应着力解决以下两点：1)掌握堆肥过程中不同阶段的氨气释放规律，以及堆肥工艺参数对氨气释放和氮素损失的影响；2)通过研究不同微生物的种类对氨气释放与氮素转化的影响，进一步将这些微生物的生物活性与氨气释放及氮素损失联系起来，为好氧堆肥氨气释放控制和保氮技术研究提供理论基础.

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Influencing Factors of Ammonia Emission and Nitrogen Transformation in Aerobic Composting: A Review

WEI Jiaojiao1， XIONG Junsheng1， YUAN Li1， ZHANG Yiming1， YIN Zhegang1， NI Weimin1,2,ZHANG Hangjun1,2， DING Ying1,2

(1. College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China; 2. Key Laboratory of Hangzhou City for Ecosystem Protection and Restoration, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

Aerobic composting is one way for the utilization of organic waste as resource. However, the ammonia emission from composting not only have caused serious odor pollution, but also leads to fertilizer efficiency reduction. It becomes an urgent problem to be solved. In this paper, research advances in the influencing factors of ammonia emission and nitrogen transformation are reviewed. The research and development direction of the technology of ammonia emission control and nitrogen preservation during aerobic composting are proposed.

aerobic composting; ammonia; nitrogen loss; nitrogen transformation

2015-11-26

浙江省自然科学基金一般项目(LY14E080020)；杭州市社会发展自主申报项目(20160533B78)；国家自然科学基金青年基金项目(41001147)；杭州师范大学优秀中青年教师支持计划(JTAS2011-01-012)；杭州市“131”人才计划支持项目.

丁 颖(1980—),女，副研究员，博士，主要从事废物资源化处理利用及污染控制研究.E-mail：dingying@hznu.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-232X.2017.01.019

X512

A

1674-232X(2017)01-0080-06