生物质炭对城市污泥堆肥温室气体排放的影响

杨雨浛，易建婷，任小玉，蒋 越 ，陈 宏，张 成 *

（1.西南大学资源环境学院，重庆 400715；2.海南省环境科学研究院，海口 570206）

近年来，我国污水处理量急剧增长，从2005年的524.5亿t增加到2014年的716.2亿t[1]，相应的污泥产量已突破3000万t（含水率80%）。国家新环保法的实施以及《水污染防治行动计划》的发布强调了我国污泥处理处置的迫切性，同时污泥处理处置也被列为“十三五”规划的重点方向。在现行的处理处置方式中，高温好氧堆肥是一种常用的污泥稳定化处理技术。堆肥过程中，堆体局部缺氧及厌氧好氧交替条件下会产生大量CH4和N2O，IPCC 2014年第5次会议报告显示[2]，CH4、N2O的100 a温室效应分别是等物质的量CO2的25、298倍，因此堆肥过程中CH4和N2O排放量不容小觑。针对我国污泥处理处置现状及碳减排需求，如何减少堆肥过程中的温室气体排放引起了研究者的广泛关注。Yang等[3]研究发现添加膨松剂可明显减少餐厨垃圾堆肥中CH4、N2O的排放，Luo等[4]研究发现添加10%磷石膏会明显减少猪粪和秸秆混合堆肥过程中的CH4和NH3的排放量；陈是吏等[5]研究发现过磷酸钙和双氰胺这两种添加剂联用能使污泥堆肥过程总温室气体排放量减少65%以上；易建婷等[6]认为污泥与木屑混合堆肥过程的温室气体排放总量高于污泥与秸秆堆肥；Zhong等[7]研究发现机械翻堆条垛式堆肥工艺温室气体排放当量显著高于强制通风+机械翻堆工艺。现阶段有关堆肥处理温室气体排放的研究主要集中在畜禽粪便、餐厨垃圾等堆肥过程中，针对城市污泥堆肥过程温室气体排放研究相对较少。有研究表明生物质炭因其多孔疏松、比表面积巨大、吸附性能强等特性而具有温室气体减排效果[8]，但不同研究间仍存在一些差异。如李丽劼等[9]认为竹炭会促进堆体碳素代谢、促使某些产甲烷菌生长，从而促进猪粪堆肥过程中CH4排放；而陶金沙等[10]却发现小麦秸秆生物质炭能通过抑制易分解有机物的厌氧反应，从而显著降低猪粪堆肥中的CH4排放。因此，本研究以城市污泥为对象，探究添加生物质炭对城市污泥堆肥过程温室气体排放的影响，分析温室气体动态变化特征和排放因子，为进一步研究城市污泥堆肥过程中温室气体排放特征提供基础数据，为控制污泥堆肥过程碳排放提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试污泥取自重庆市北碚区某污水处理厂脱水污泥，其重金属（Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、Ni）含量分别为（96.46±1.81）、（989.76 ±20.08）、（83.60 ±2.09）、（2.16±0.01）、（2.76±0.05）、（36.32±0.22）mg·kg-1。玉米秸秆来自西南大学试验农场，剪碎至3～5 cm，水稻生物质炭购于商丘市三利新能源有限公司，为水稻秸秆在500℃条件下热解炭化3 h，破碎过0.35 mm筛所得，基本性质见表1。

1.2 试验设计

试验于2015年4月16日至6月4日在西南大学试验大棚中进行，设置试验组（污泥∶秸秆∶水稻生物质炭=20∶5∶1，质量比）和对照组（污泥∶秸秆=4∶1，质量比）两种处理，每种处理设置3个重复。污泥和调理剂充分混合后放入课题组自制堆肥箱（图1），其有效尺寸为 0.90 m×0.45 m×0.71 m（长×宽×高），有效体积约为0.288 m3。整个试验过程中采取强制通风+人工翻堆[11]的方式进行好氧堆肥，通风系统采用定时器进行控制，设置通风/关闭时间为20 min/1 h，通风量约为0.1 m3·min-1·m-3[6]，每周翻堆一次，整个堆肥过程持续50 d，期间不额外补充水分。

1.3 气体样品采集与分析

温室气体采集采用组合静态箱（图2），由箱体和底座两部分构成，箱体由不透明PVC圆柱管制成，内径为39 cm，高30 cm。箱面上分别开有小孔连接气压缓冲袋与三通阀，以便维持气压平衡与气体采集。采样时将采样箱扣在底座凹槽部位，液封以隔绝箱体内外气体交换。气体样品分别在第 1、2、3、4、5、6、8、10、12、16、23、30、37、50 d 采集，采样时间为上午 8：00 至9：00。气样由60 mL连有三通阀的注射器进行采集，每间隔3 min采集1次，共采集4次，密封进气口后于20 h内完成测定。采用日本岛津GC-2014气相色谱仪进行测定，分别采用FID（Flame Ionization Detector）和 ECD（Electron Capture Detector）检测器检测CH4、CO2和N2O浓度，结合检测气峰面积与标气峰面积比值换算出样品中各气体浓度。检测系统参数设置如下：FID检测器温度250℃，色谱柱内径2 mm，柱箱温度55℃，载气为高纯N2（＞99.999%），流量15 mL·min-1；ECD检测器温度300℃，色谱柱内径 2 mm，柱箱温度55℃，载气为高纯N2（＞99.999%），流量25 mL·min-1。样品分析进气15 mL，定量阀控制10 mL气样进入检测器分析。使用下列公式计算气体排放通量（f）和累积排放量（Q）[12]，将采样时间内的浓度平均值作为当日单位时间排放通量。

表1 堆体的基本性质Table 1 Basic characteristics of the mixing pile

图1 堆肥装置示意图Figure 1 The sketch map of composting process

图2 气体采集装置示意图Figure 2 Schematic diagram of sampling gas

式中：f为气体排放通量，mg·m-·2h-1；Q为气体累积排放量，mg；h 为静态箱的高度，m；Δc/Δt为单位时间内气体样的浓度变化率；M为1 mol CH4、CO2或N2O对应的C或者N的摩尔质量，g·mol-1；273（/273+）为绝对温度的校正系数；T1、T2分别为采集第一个、最后一个样品时采样箱内的气体温度，℃；i为取样次数；t为相邻两次测定的时间间隔，h；A为表面积，m2。

1.4 固体样品采集与分析

固体样品分别在试验第 1、4、8、12、16、23、30、37、50 d进行采集，采用剖面采样法采集不同深度的固体样品，将表层、中层、下层样品500 g混合均匀，以四分法获取样品，存放于自封袋带回实验室分析，测定堆体基本性质、铵态氮（NH+4-N）、硝态氮（NO-3-N）、总碳（TC）、总氮（TN）和总有机碳（TOC）等理化指标。堆体基本性质及相关指标测定方法参见文献[13]，其中，TC用元素分析仪测定，TN用硫酸-高氯酸联合红外消煮后通过凯氏定氮法测定，TOC用重铬酸钾容量法-磷酸浴外加热法测定。堆体温度采用MCTNSD温度仪测定，分别在堆体四周4个点、中心部位选择3个固定点，深入堆料30 cm内测定，取平均值。采用Origin 8.5和SPSS 23.0进行作图和统计分析。

2 结果与讨论

2.1 温度变化特征

图3 堆体温度及环境温度变化Figure 3 Temperature changes of pile and circumstances during sludge composting

试验组和对照组在堆肥初期迅速进入高温期（＞50℃），其最高堆温分别为70.5、67.7℃（图 3）。堆肥试验于4月中旬开始，重庆气温较高，人工混合堆料较机械混合疏松，部分物料在内部孔隙处被氧化分解并产热，堆体温度升高较快，升温期较短，堆肥1 d即进入高温期。沈玉君等[13]研究鸡粪堆肥时也发现通气量为0.1 m3·min-1·m-3的堆体在堆肥1 d后就能迅速进入高温期。高温持续时间分别为11、7 d，两试验组平均堆温比对照组高2℃，且高温期延长了4 d。表明生物质炭的添加能够提高堆体温度、延长堆体高温期，从而有利于堆体有机质的降解，加快堆体腐熟，这与Sonoki等[14]的研究结果相似。生物质炭较大的比表面积和强大的孔隙结构有利于改善堆体通风性能，为微生物分解有机物提供充足的氧气，通过增强微生物活性、代谢能力与产热能力而促进堆体温度上升，延长高温持续时间。

2.2 温室气体排放特征

2.2.1 CH4变化特征

试验组与对照组两种处理CH4排放通量总体呈下降趋势（图4）。CH4排放均在堆肥初期较高，分别为598.02、575.91 mg·m-2·h-1，这与陶金沙等[10]、Fukumoto等[15]的研究结果相似。堆肥第1 d曝气量不足，局部厌氧而产生大量CH4，同时由于堆体迅速进入高温期，有机物大量分解，堆体供氧不足，产生大量CH4。随着大部分有机物被微生物利用，可降解碳源减少，堆体温度下降，CH4排放速率降低并趋于稳定。江滔等[16]研究发现在堆肥前5 d，CH4排放速率极低，但CH4排放速率随堆体温度升高而迅速增加。两种处理CH4排放主要集中高温期和降温期，占排放总量的76.40%～82.40%，其累积排放量分别为 23.49、22.46 g·m-2。试验组CH4排放量略高于对照组，但两种处理CH4排放通量变化差异性不显著（P＞0.05）。堆肥过程中CH4主要由易分解有机物在缺氧或厌氧条件下产生，而生物质炭对堆体溶解性有机碳[17]、微生物量碳[18]等活性有机碳含量[19]有明显影响，导致堆体中活性有机质易被产甲烷菌利用，从而增加CH4排放。李丽劼等[9]认为添加生物质炭会促进猪粪堆肥过程中CH4排放，可能是由于生物质炭促进了堆体某些碳素代谢，也有可能是生物质炭中某种微量元素改变了堆体微生物群落，促使部分产甲烷菌生长，有利于CH4排放。但陶金沙等[10]却发现生物质炭能显著降低猪粪堆肥的CH4排放，且CH4排放量随生物质炭添加量的增加而降低，其认为生物质炭能通过疏松堆体结构、改善通风供氧能力而减少CH4产生。堆肥基质、调理剂均有可能影响堆体CH4排放，且不同堆体其有机碳稳定性存在差异，因此，生物质炭对CH4排放的影响机制仍需进一步研究。

2.2.2 CO2变化特征

图4 CH4排放通量及累积排放量Figure 4 Flux and accumulative emissions of CH4

图5 CO2排放通量及累积排放量Figure 5 Flux and accumulative emissions of CO2

两种处理CO2排放趋势大致相同，在前10 d波动较为明显，随后逐渐下降并趋于稳定（图5），排放通量在 3.36～49.31 g·m-2·h-1之间。堆肥前期，大部分易降解有机物被微生物氧化分解，转化为CO2、H2O等小分子物质，随着堆体可降解碳源的减少，CO2排放速率逐渐下降并趋于稳定，腐熟期CO2排放通量低于 4.44 g·m-2·h-1。两种处理 CO2排放主要集中在高温期和降温期，占排放总量的78.77%～78.83%。试验组与对照组CO2累积排放量分别为13.18、14.15 kg·m-2，试验组较对照组CO2低6.85%，与陶金沙等[10]的研究结果类似。本研究中，堆肥前8 d试验组CO2排放量高于对照组（分别为 5.10、4.45 kg·m-2），至堆肥结束，试验组CO2排放量低于对照组，说明CO2减排主要集中在堆肥中后期。生物质炭虽为外加碳源，但含较多稳定态有机化合物，难以被微生物分解利用，同时其具有较大的比表面积与强吸附性，能吸附某些微生物或酶，使其失活或钝化[20]，或使部分有机物包被于生物质炭的孔隙内，从而抑制其分解[21]，减少堆体CO2排放。

2.2.3 N2O变化特征

两种处理N2O排放趋势大致相同（图6），排放通量在 0.07～72.22 mg·m-2·h-1之间。试验组与对照组N2O 平均排放通量分别为 10.51、11.71 mg·m-2·h-1，累积排放量分别为2.77、3.41 g·m-2，分别占初始TN的0.78%、0.56%。堆肥第1 d和腐熟期排放速率较大，且超过84%的N2O排放集中在腐熟期。有研究[22-23]表明，过高的温度会抑制硝化细菌的活性，N2O排放主要集中在温度较低且堆料中有明显NO-2积累的后腐熟阶段。而江滔等[16]则认为N2O排放集中在堆肥初期，主要是由于表层堆体温度较低且供氧充足，适合硝化细菌生长。试验组N2O累积排放量比对照组低18.94%，表明添加生物质炭能减少堆肥过程中N2O排放，这与Jia等[24]的研究结果一致。生物质炭自身多孔性能可吸附持留水分，改变堆体氧化还原条件以及微生物菌群（特别是反硝化菌群），其高pH值改变反硝化菌群丰富度，减少产N2O细菌群落，并通过孔隙结构物理吸附NH3[25]、化学吸附NH+4[26]，达到保氮减排N2O的效果。

2.3 TC和TOC变化特征

图6 N2O排放通量及累积排放量Figure 6 Flux and accumulative emissions of N2O

图7 堆体TC和TOC变化Figure 7 Change of total carbon and total organic carbon during composting

由于生物质炭的添加，试验组堆体初始TC、TOC值高于对照组（图7）。两种处理TC、TOC总体呈降低趋势，且在堆肥前期（前2周）降速较大。其中，试验组TC、TOC减少量分别占堆肥过程中总减少量的95.90%、81.07%；对照组TC、TOC减少量则占总减少量的71.80%、67.34%，这与堆体中不稳定物质在高温期快速分解转化为H2O、CO2等小分子物质有关[27]。整个堆肥过程中，试验组TC和TOC分别减少31.57、34.18 g·kg-1，对照组则分别减少 43.50、62.74 g·kg-1。试验组TC、TOC降幅均小于对照组，两种处理TC、TOC均呈极显著差异（P＜0.01），这可能与生物质炭带入部分有机碳源以及其自身固碳作用有关[28]，外源生物质炭能够提高堆体中溶解性有机质的芳香性、腐殖化程度[29]，从而有利于腐殖质进一步稳定，加快堆体腐熟。

2.4 氮素变化特征

试验组与对照组NH+4-N呈现先增加后减小的变化趋势（图8），至堆肥结束，两种处理NH+4-N总量分别减少了12.08%、70.26%，试验组减少量明显低于对照组。生物质炭能吸附堆肥过程中的NH+4-N，从而减少NH+4-N的损失，同时加快好氧微生物对含氮有机物的代谢效率[7]，通过生物氧化作用提高表面酸性基团（特别是羧基团）[30]与NH+4-N结合，降低氮素损失。两种堆体在堆肥前期（前12 d）NO-3-N含量较低（约为 0.021～0.120 g·kg-1），高温期堆体温度较高，微生物主要进行氨化作用，随着堆体温度的降低，硝化作用增强[31]，NH+4-N转化为NO-3-N，NO-3-N含量迅速增加，至堆肥结束，试验组NO-3-N含量为对照组的1.5倍。添加生物质炭可显著提高堆体NO-3-N含量，具有一定的保氮作用，这与生物质炭表面基础官能团的强吸附力有关[15]。

试验组和对照组TN均呈现先下降后上升的变化趋势，2周后逐渐降低并保持平稳（图6），整个堆肥过程表现为氮素损失，两种处理TN含量分别减少了11.15%、12.89%。堆肥前期有机物被分解产生大量NH3，在高温、高pH值等条件下难以转化为其他稳定形态，通风作用下以气体形式散失，导致氮素损失。试验组TN高于对照组，呈显著差异（P＜0.05），这可能与生物质炭表面官能团吸附气态氮素、降低氨挥发有关，也可能是外源生物质炭通过调节堆体养分比例，从而促进了固氮菌固定氮素。两种处理C/N比呈先升高后降低的变化趋势，且试验组堆体C/N比始终高于对照组。秦莉等[32]研究发现，高C/N比堆体CH4累积排放量高于低C/N比，且高温期越长CH4排放量越大，这与本研究结果相符。

2.5 温室气体排放因子及排放量

图8 堆体氮素变化Figure 8 Change of nitrogen during composting

表2 温室气体排放因子和排放量Table 2 Emission factor and accumulative emissions of greenhouse gas

根据IPCC 2014年第5次会议报告温室气体增温潜势表示方式[2]，对污泥堆肥过程温室气体排放因子进行估算（表2）。试验组CH4排放因子（1.002 kg·t-1干污泥）略高于对照组（0.959 kg·t-1干污泥），但N2O排放因子（0.118 kg·t-1干污泥）低于对照组（0.145 kg·t-1干污泥），试验组与对照组总CO2排放当量分别为60.21 kg·t-1和67.19 kg·t-1（以干污泥计）。本研究表明，添加生物质炭虽然会增加堆体CH4排放，但能减少堆体N2O排放；污泥堆肥CO2排放当量估算结果表明，生物质炭有利于污泥堆肥过程中温室气体总量的减排，试验组CO2排放当量比对照组减少10.39%，在污泥堆肥处置过程中添加生物质炭具有一定的碳减排作用。

3 结论

（1）生物质炭能延长堆体高温期，加快堆体腐熟。同时，生物质炭不仅能够吸附堆肥过程中的NH+4-N，还能显著提高腐熟结束后堆体NO-3-N含量，具有较强的保氮作用。

（2）CH4和CO2排放主要集中在高温期和降温期，N2O排放则集中在腐熟期，添加生物质炭一方面促进CH4排放，但同时能减少CO2和N2O排放。生物质炭有利于污泥堆肥过程中温室气体总量的减排，添加生物质炭能减排温室气体10.39%。

（3）生物质炭一定程度上可以减少污泥堆肥过程产生的温室气体，这对于我国污泥处理处置及资源化利用具有重要的意义。但生物质炭对于污泥堆肥过程不同温室气体排放的影响机理尚不清楚，仍需要进一步研究。

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