功能膜覆盖好氧堆肥过程氨气减排性能研究

马双双 孙晓曦 韩鲁佳 李仁权 UWE Schlick 黄光群

(1.中国农业大学工学院， 北京 100083； 2.青海藏地堂生物科技开发有限公司， 西宁 810000 3.UTV AG公司， 巴登巴登 76534)

功能膜覆盖好氧堆肥过程氨气减排性能研究

马双双1孙晓曦1韩鲁佳1李仁权2UWE Schlick3黄光群1

(1.中国农业大学工学院， 北京 100083； 2.青海藏地堂生物科技开发有限公司， 西宁 810000 3.UTV AG公司， 巴登巴登 76534)

畜禽粪便高温好氧堆肥过程中氨气的排放不仅污染环境，而且会降低有机肥氮素含量。因此，控制好氧堆肥过程中氨挥发是降低氮损失及减少堆肥周边环境恶臭的关键。为研究膜覆盖对畜禽粪便好氧堆肥过程氨气挥发的影响，以猪粪和小麦秸秆为试验原料，采用具有选择渗透性的Gore膜作为覆盖材料，在实验室好氧堆肥反应器系统中进行了为期27 d的好氧堆肥试验。试验设置覆膜组和对照组，采用开启1 h、关闭1 h间歇通风方式，通风速率为3 L/min，重点监测堆肥过程堆体温度、氧浓度和NH3排放速率等。研究表明：覆膜组比对照组高温期持续时间略长，更有利于杀死堆体有害病原菌；相比于对照组，覆膜组NH3排放量减少18.87%；相比于温度峰值出现的时间，两组试验NH3峰值出现时间均延后，且覆膜组延后时间更长。

氨气； 减排； 膜覆盖； 好氧堆肥

引言

好氧堆肥是解决畜禽粪便污染问题、实现其资源化利用的重要有效途径之一。但在好氧堆肥过程中，常伴随恶臭的产生，对周围的环境和人畜健康造成威胁[1]。臭气主要成分为氨气和硫化氢等，大量的臭气排放不仅污染环境，而且会减低有机肥氮素含量[2]。因此，控制堆肥过程中氨气的挥发是降低氮损失及减少堆肥周边环境恶臭的关键。

国内外控制堆肥过程氨气挥发研究主要措施有添加添加剂和覆盖处理。如添加过磷酸钙，其主要原理是其酸性对堆肥过程pH值的升高具有调节作用，并且游离酸可以与氨气发生反应，生成磷酸铵和硫酸铵等[3]。但只能少量使用，否则其较高的酸性会影响堆肥的过程和品质[4]。目前，覆盖处理多见于覆盖腐熟堆肥和无纺土工布的应用，但多由于覆盖处理导致堆体厌氧，从而使温室气体排放量增加[5]。

近年来，功能膜覆盖好氧堆肥技术以其对气候、气溶胶和臭气的综合防治功能[6]，已被广泛应用到废弃物好氧堆肥。其核心覆盖材料Gore膜，中间层采用膨体聚四氟乙烯膜(e-PTFE)，膜上均布0.2 μm孔径的微孔，内外层则采用具有防紫外和耐腐蚀特点的聚酯膜。但关于膜覆盖畜禽粪便好氧堆肥及与不覆膜好氧堆肥系统的对比研究鲜见报道。

本文采用Gore膜作为覆盖材料，试验设置覆盖和不覆盖的对比处理，以研究膜覆盖对好氧堆肥过程氨气减排的影响及其作用机制。

1 材料与方法

1.1 试验方法

新鲜猪粪采自中国农业科学院昌平试验场，小麦秸秆采自中国农业大学上庄实验站，切短至3～5 cm备用。按碳氮比15、含水率60%对上述物料进行均匀混合调配。

好氧堆肥试验设置对照组和覆膜组两个处理，两组试验分别采用好氧堆肥反应器系统[7]和膜覆盖好氧堆肥反应器系统[8]，其主体结构如图1、2所示。两组反应器系统主体相同且有效容积均为90 L(内径为450 mm，高度为600 mm)。因实验室规模好氧堆肥过程连续通风易加剧堆体热量损失，不利于升温和杀灭病原菌[9]，结合已有相关研究[8]，本研究采用开启1 h、关闭1 h间歇通风方式，根据前期预试验，通风速率采用3 L/min。

堆肥过程每隔12 h记录堆体上、中、下层温度及氧浓度数值；使用500 mL铝箔采气袋采集反应器出口气体；分别在初始和第3、6、9、12、15、18、21、27天取堆体固体样品，-20℃保存备用。

图1 好氧堆肥反应器系统主罐体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of intelligent aerobic composting reactor system1.物料舱 2.搅拌系统 3.入料口 4.取样口 5.布气筛网 6.出料口 7.进气口 8.补水口 9.出气口 10.温度传感器通道 11.氧浓度传感器通道 12.沥出液收集口 13.可移动式支撑底座

1.2 测试方法

参照TMECC标准方法(03.09-A和05.07-A)分别测定猪粪、麦秸和初始混合物料的含水率和挥发性固体含量；利用Vario ELIII型元素分析仪测定总碳、总氮质量分数并计算碳氮比。每个样品做3个平行试样，取平均值作为最终结果。

温度的测定采用PT100型传感器；氨气含量采用比色管测量(日本GASTEC公司)，用气泵每次抽取50 mL或100 mL气袋中的气体，待比色管颜色不再变化，读数并记录对应数值。

将鲜样按液料比10 mL/g浸提过滤取上清液，利用酸碱度计和电导率仪测定样品pH值和电导率。

1.3 数据分析

分别利用Excel 2013和OriginPro 2015进行数据处理及图形绘制。

2 结果与讨论

2.1 堆肥物料基础特性

表1所列为堆肥原料及初始混合物料基本理化特性。由表1可知，猪粪碳氮比较低，秸秆碳氮比较高，二者相结合可以很好地调节初始物料的碳氮比；且添加秸秆可以增加堆体孔隙率，以满足好氧堆肥过程微生物对氧气的需求。

2.2 堆肥过程主要理化指标动态变化

2.2.1温度

图3所示分别是对照组和覆膜组堆体温度动态变化曲线，两组试验上、中、下层温度变化趋势相同，升温期、高温期和降温期整体保持一致，符合堆肥温度变化趋势；且均在堆肥第3天达到高温期，是微生物快速降解有机物所致[10]。覆膜组高温期时间比对照组略长，更有利于杀死堆体有害病原菌。在堆肥第12天，覆膜组温度开始回升，并直至堆肥结束，堆体中心温度维持在31℃左右，更有利于堆体后腐熟，与已有文献研究一致[8]。

表1 堆肥原料及初始混合物料基本理化特性Tab.1 Basic physicochemical properties of rawmaterials and mixture

注：表中数值为3次重复测量结果的平均值±标准差。

图3 堆肥过程温度变化曲线Fig.3 Changes of temperature during composting

2.2.2氧气

微生物在氧气的作用下降解有机质，生成水和二氧化碳，故堆体中氧气含量可以反映微生物的活动情况。图4所示为两堆体中层氧气体积分数动态变化曲线。在堆肥开始3 d内，覆膜组和对照组氧气体积分数分别下降到2.2%和13.9%，这由微生物大量分解有机质所致。在整个堆肥过程，对照组氧气体积分数均高于覆膜组，可能是由于覆膜后堆体产生微正压环境，微生物对氧气利用率提高[8]。

图4 堆肥过程氧气体积分数变化曲线Fig.4 Changes of oxygen content during composting

2.2.3挥发性固体质量分数

图5是两堆体挥发性固体质量分数随时间的变化曲线。初始物料挥发性固体质量分数为79.51%，堆肥结束时，对照组和覆膜组挥发性固体质量分数分别为77.27%和74.79%。覆膜后，曝气时堆体内氧气分布更均匀，致使覆膜组挥发性固体降解率较高。因两组试验均为实验室规模，体积偏小，挥发性固体降解有限，但符合中小型反应器好氧堆肥挥发性固体降解规律[7]。

图5 堆肥过程挥发性固体质量分数变化曲线Fig.5 Dynamics of volatile solid during composting

2.2.4pH值和电导率

已有研究表明[11-12]，堆肥过程氨气挥发与堆体pH值呈现高度相关。这主要是因为堆体中铵态氮的累积，氨浓度上升，导致pH值上升，同时也加剧了氨以气体的形式挥发到环境中。图6所示两组试验的pH值变化均呈现先升后降的趋势。其中对照组上升较快，第3天达到8.82，而覆膜组在第9天达到8.87，pH值增大是由有机物质的剧烈分解引起的[13]；最后均稳定在8.75左右。

图6 堆肥过程pH值和电导率变化曲线Fig.6 Dynamics of pH value and EC during composting

堆肥浸提液电导率数值能反映堆肥含盐量的高低。在两组试验中，堆肥前9 d，随着温度的升高，大量的有机养分被微生物消耗，导致电导率有明显的下降。随着堆肥的进行，电导率开始缓慢上升，这可能与有机质降解过程中释放可溶性盐有关[14]。

2.3 堆肥过程总氮质量分数变化

畜禽粪便中的氮素主要以有机氮的形式存在，堆肥过程中在微生物作用下，不断矿化转变为铵态氮。铵态氮在高温和高pH值的作用下，以氨气的形式挥发到环境中，造成氮素含量下降。图7所示为两组试验的总氮含量变化趋势图，整体呈现先下降后上升的趋势。在堆肥高温期，氮素主要通过氨气挥发损失。覆膜组总氮质量分数从初始的3.20%下降到堆肥结束的2.58%，总氮损失19.38%；对照组总氮质量分数从初始的3.17%下降到2.40%，总氮损失24.29%。相比于对照组，覆膜可以减少堆肥过程氮素损失。

图7 堆肥过程总氮质量分数变化曲线Fig.7 Dynamics of total nitrogen during composting

2.4 堆肥过程氨气动态变化

两组堆肥过程氨气质量浓度变化如图8所示。堆肥初期，由于含氮有机物的降解及温度和pH值升高，氨气排放量增加[15]。对照组和覆膜组氨气排放质量浓度峰值分别出现在第4天和第7天，基本上与总氮含量急剧下降时间相吻合。覆膜可延缓氨气的排放，与已有研究报道一致[16]。

图8 堆肥过程氨气质量浓度变化曲线Fig.8 Dynamics of ammonia emissions during composting

膜内与对照组对比，氨气产生量减少9.22%；膜内与膜外相比，堆肥过程中覆膜导致氨气总排放量减少10.64%。膜外与对照组相比，氨气累积排放量减少18.87%。减排主要原因是水蒸气遇冷在膜的内表面凝结成一层水膜，当挥发的氨气向外逸散遇到膜时会溶解在水膜中，并以铵态氮的形式存在，随着水膜的不断积累，在重力作用下氨态氮随着水的下落再次回到堆体中，继续被微生物分解，从而阻拦了部分氨气的逸散[6,17]。

2.5 氨气减排效果比较分析

图9 不同覆盖材料氨气减排效果对比Fig.9 Comparison of reducing ammonia emission with different covered materials

现有相关研究多集中于覆盖和翻堆相结合对氨气减排的影响，氨气减少量在30%以下，与本研究结果相近。图9为本研究与其他非生物覆盖材料氨气减排效果对比图，Gore膜与无纺土织布减排效果差异不明显，但二者都优于塑料覆盖。

3 结论

(1)覆膜处理比无覆盖处理好氧堆肥高温期持续时间长，更有利于杀死堆体有害病原菌；覆膜后堆体氧气分布更均匀，且利用率提高，有机质降解更完全。

(2)覆膜可以减少氨气排放。相比于对照组，膜内氨气产生量减少9.22%，膜外氨气排放量减少18.87%；由于膜的阻碍和膜内表面水膜吸收作用，膜外比膜内氨气减少10.64%。

(3)相比于温度峰值出现的时间，氨气出现峰值的时间均延后，且覆膜组延后时间更长。

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ReductionofAmmoniaEmissionduringMembrane-coveredAerobicComposting

MA Shuangshuang1SUN Xiaoxi1HAN Lujia1LI Renquan2UWE Schlick3HUANG Guangqun1

(1.CollegeofEngineering，ChinaAgriculturalUniversity，Beijing100083，China2.QinghaiZangditangBiologicalTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Xining810000,China3.UTVAG,Baden-Baden76534,Germany)

The emission of ammonia in manure high temperature aerobic composting not only polluted the air but also reduced the nitrogen content of organic fertilizer. Therefore, the control of composting process of ammonia volatilization is the key of reducing nitrogen loss and environment ordor emission. In order to study the effect of membrane covered on reducing the emission of ammonia in manure aerobic composting, pig manure and wheat straw were used as experimental materials, and Gore film with selective permeability was used as covering material, the aerobic composting trial was carried out in a lab-scale intelligent membrane-covered aerobic composting reactor system for 27 d. There were membrane-covered treatment and control treatment in this trial. Air blown at an hourly interval (flow velocity of 3 L/min through the pipe at the bottom of the reactor diffused through the composting material to maintain aerobic conditions. The composting temperature, oxygen content and ammonia concentration were measured during the composting. The results showed that the high temperature duration of the membrane-covered group was longer than that of the control group, and it was more beneficial to kill the harmful pathogens. Compared with the control group, the NH3emission in the membrane-covered group was decreased by 18.87%. Compared with the peak time of the temperature, the peak time of NH3peak in both groups was delayed, and the delay time of the membrane-covered group was longer, and the phenomenon that peak value of NH3lagged temperature was further revealed.

ammonia; emission reduction; membrane-covered; aerobic composting

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.042

S216

A

1000-1298(2017)11-0344-06

2017-07-21

2017-08-30

国家国际科技合作专项(2015DFA90370)和欧盟框架计划项目(690142)

马双双(1992—)，女，博士生，主要从事生物质资源利用研究，E-mail： shuangshuangma@cau.edu.cn

黄光群(1979—)，男，副教授，博士生导师，主要从事生物质资源利用研究，E-mail： huangguangqun@126.com