通风方式对猪粪堆肥主要臭气物质控制的影响研究

沈玉君，张朋月，孟海波※，赵立欣，程红胜，周海宾，张 曦

（1. 农业农村部规划设计研究院 农村能源与环保研究所，北京 100125； 2. 农业农村部规划设计研究院，北京 100125；3. 农业农村部资源循环利用技术与模式重点实验室，北京 100125）

0 引 言

据统计，中国每年产生大量的有机垃圾，其中农作物秸秆10.4亿t、畜禽粪污38亿t、尾菜2.3亿t，生活垃圾2.03亿t[1-3]，常见的废弃物处理方式主要有堆肥、厌氧发酵、填埋和焚烧等，其中堆肥以其快速的处理效率同时兼具废弃物资源化利用等特点成为农业废弃物的主要处理利用方式之一，然而在堆肥过程中会产生严重的恶臭气味，这些恶臭气味主要来自堆肥过程中产生的氨气、硫化氢及少量的挥发性有机物（volatile organic compounds，VOCs）[4-5]，不仅污染环境，还对从事堆肥生产的工人及附近居民的身体健康造成了威胁。

最初，针对堆肥臭气的研究与控制主要集中于氨气和硫化氢2种气体上，直至20世纪末期，以Eitzer等[6-9]为代表的学者提出堆肥过程中也会产生微量的VOCs，且大部分 VOCs具有恶臭气味。张红玉等[10]认为厨余垃圾堆肥中应重点监控硫化氢、甲硫醇、二甲基苯、邻二甲苯、二甲二硫和对二甲苯，Tolvanen等[11]发现生活垃圾堆肥中d-柠檬烯的浓度最高，沈玉君等[4]研究表明猪粪堆肥中排放量最大的臭气组分氨气和硫化氢，二甲二硫、二甲三硫和甲硫醚与堆肥臭气浓度具有极显著相关性。VOCs种类繁多，从物质代表性上看，TVOCs是表征VOCs的重要参数，一定程度上可以反映VOCs的总含量，二甲二硫和二甲三硫为猪粪堆肥中最具代表性的致臭VOCs[4,6-9]。

目前，降低堆肥臭气产生与释放的技术主要可以分为 3个方面[12-13]，一是改善堆肥工艺，主要从调节通风状况、C/N比、含水率、pH值、电导率等因素，达到降低堆肥臭气的目的，Delgado-Rodríguez 等[9,14]通过调控含水率、通风速率和碳氮比获得了降低堆肥中 VOCs的最佳参数；二是原位添加除臭菌剂、表面活性剂以及吸附剂，达到降低堆肥臭气的目的，杜龙龙等[15-16]通过向堆体中添加秸秆、活性炭等外源添加剂降低了堆肥中VOCs的排放；三是异位除臭技术，主要是将堆肥中产生的臭气收集、传送至废气处理装置/设施进行处理，可以有效去除堆肥中产生的臭气，陆日明等[17]通过向生物滤池通入堆肥臭气，明显降低了堆肥中氨和VOCs的排放。在以上 3种方式中，通过改善堆肥工艺，调节工艺参数来控制臭气，具有效果好、成本低、易操作等优点。

研究表明氧气供应与通风量是影响堆肥中臭气排放的重要因素[5,13,18]，改进通风形式能够有效控制堆肥臭气，Shen等[19]研究发现减排臭气最优的通风速率为0.1 m3/(min·m3)，然而通风方式对堆肥臭气的影响却鲜有研究，陈同斌等[20-21]的研究表明通风5 min可以保证堆体中O2的充分供应，通风结束后，前10 min堆体内氧气供应充足，微生物活动旺盛，氧气浓度呈快速下降趋势，10～20 min时由于氧气的降低，微生物活性下降，氧气浓度下降趋势有所减缓，20～40 min时氧气浓度趋于平缓，堆体中各部位氧气浓度不再降低，微生物基本无法再利用堆体中的氧气，呈现缺氧状态。本试验采用猪粪与玉米秸秆进行堆肥，选取氨气、硫化氢、TVOCs以及二甲二硫和二甲三硫作为堆肥中臭气的主要参考指标，设置通风5 min间隔30 min，通风5 min，间隔15 min和持续通风3种通风方式，调节堆体中氧气供应情况，探寻不同通风方式对堆肥臭气产生与释放的影响，为堆肥工程优化鼓风方式及臭气控制提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在北京市大兴区青云店镇农业农村部规划设计研究院试验基地进行。供试猪粪取自大兴区青云店镇某养猪场；玉米秸秆取自大兴区孝义营村周围农田，经过粉碎机切割为1～2 cm左右的小段。供试材料的基本性状见表1。

表1 试验材料基本性质Table 1 Basic properties of experimental materials%

1.2 试验方法

本试验采用密闭式强制通风好氧发酵工艺进行研究。试验中猪粪和秸秆以质量比 5:2进行好氧发酵试验，其物料C/N质量比为29，调节含水率为63%，混合均匀，启动好氧发酵，发酵过程在60 L发酵装置中进行（见图 1），发酵罐内径 46 cm，可填充试验物料50 L左右，发酵周期为30 d左右，在堆肥第15天进行翻垛1次。在好氧发酵第0天、第3天、第7天、第12天、第18天和第25天采集，分析常规理化性质样品及二甲二硫和二甲三硫气体样品，采用静态箱法每天测定堆体氧气浓度、氨气、硫化氢、TVOCs的浓度变化，分析不同通风方式下致臭物质的产生与释放状况。

试验设置 3个处理，采用强制通风方式进行通风，选取最优通风速率0.1 m3/(min·m3)[19]，依据堆体中氧气在通风后10 min氧气供应充足，10～20 min氧气消耗有所减缓，20～40 min氧气消耗基本不变[20-21]，设置通风频次分别为间隔30 min鼓风曝气5 min，间隔15 min鼓风曝气5 min以及持续通风3种通风频次，试验方案详见表2。

图1 好氧发酵装置图Fig.1 Schematic diagram of aerobic fermentation device

表2 试验方案Table 2 Experimental scheme

1.3 分析方法

含水率、VS采用质量法测定；pH值和EC值分别采用上海雷磁pH计PHS-3C和DDS-307型电导率仪，固液比1:10；C、N含量采用元素分析仪进行测定，元素分析仪型号：PerkinElmer Series Ⅱ CHNS/O Analyser；采用PT100探头连续监测记录好氧发酵中堆体上中下 3部分温度变化；TVOCs、氨气、硫化氢、O2浓度利用复合气体测试仪采用泵吸式测量方式监测发酵罐气体采样口内部气体浓度，该仪器可实现实时监测堆肥罐内部气体组分浓度，其中，TVOCs测定采用美国PID-TECH检测器，量程0～2 000 ×10-6（以异丁烯计）；O2浓度采用电化学传感器，氧气检测器量程 0～30%；氨气和硫化氢采用电化学传感器，量程分别为150和300 mg/m3。采用静态箱法采集堆肥罐内堆体上部的气体，受“箱式效应”的影响，抑制了堆体上部暂存的气体与外部环境空气进行气体交换，可将整个堆肥罐中的气体浓度视为均匀分布[22-23]，由于通风会引起堆肥罐中短期内气体浓度分布的不均，因此T1和T2处理采气时间安排在鼓风前采集数据，即T1在通风25 min后开始数据采集，T2在通风10 min后开始数据采集，在5 min内完成；二甲二硫和二甲三硫参照GBZ.T 160.38-2007 （工作场所空气有毒物质测定 烷烃类化合物）和GBZ/T 160.39-2007（工作场所空气有毒物质测定 烯烃类化合物）进行采样，使用生物炭对二甲二硫和二甲三硫进行吸附，委托中日友好环境保护中心参考 HJ584-2010（环境空气苯系物的测定 活性炭吸附/二硫化碳解析—气相色谱法），经二硫化碳解析后通过GC-MS进行测定。

2 结果与分析

2.1 基础理化性质变化

图2为堆肥过程中不同通风方式下温度的变化情况，从图 2可以看出堆体温度在堆肥第 1～4天全部上升至60 ℃左右，但T3处理由于持续通风的影响，使得堆体温度快速降低，高温期（＞50 ℃）仅维持了4 d，未达到《粪便无害化卫生要求》（GB 7959-2012）规定的堆肥中堆体要保持50 ℃持续10 d的要求，T1和T2处理高温期均维持了10 d以上，在堆肥第15天时进行翻垛，堆体温度均明显上升，T1和T2处理在翻垛后温度上升到了50 ℃以上，持续了1 d，T3处理翻垛后没有进入高温期，据此，堆肥过程中通入过量的空气会导致堆体难以维持高温，使堆体温度经短暂高温期后快速下降，不利于堆体腐熟及消灭粪便中的有害微生物。

图2 堆肥过程中温度变化Fig.2 Temperature change during composting process

图3 为堆肥过程中氧气浓度变化情况，从图3可以看出在堆肥过程中堆体中氧气浓度呈先下降后上升的趋势。T1和T2处理在堆肥的第2至13天保持较低浓度，T1氧气体积分数保持在3.96%～4.85%区间，T2保持在5.47%～6.14%区间，T3在堆肥第1～5天氧气浓度最低，其保持在11.27%～11.68%区间。结合图2可以看出，T1、T2和T3氧气浓度较低时对应好氧发酵的高温期，且这3个处理堆肥温度和氧气浓度均存在极显著负相关关系（PT1=-0.939**，PT2=-0.863**，PT3=-0.735**），这主要是由于堆肥过程中微生物快速繁殖，消耗大量的氧气同时释放出大量热从而使堆体温度升高，含氧量下降。

图3 堆肥过程中氧气浓度变化Fig.3 Change of oxygen content during composting process

从图 4可以看出堆肥过程中在不同通风方式下各处理可挥发性固体（VS）的含量整体逐步降低，从堆肥初期的71%左右逐步降低至62%左右，堆肥过程中T3 VS稍高于T1和T2处理，这主要是由于在过量通风下，堆体难以维持高温，T3可挥发性固体分解率低于T1和T2处理；堆体含水率自堆肥初期至堆肥结束，T1和 T2处理的含水率整体保持在61%～65%的区间内，而T3处理由于过量的通风带走了堆体中的水分，其含水率由堆肥初期的64%逐步降至57%。

图4 堆肥过程中含水率及可挥发性固体含量变化Fig.4 Changes of moisture content (MC) and volatile solids (VS)content in composting process

图5 为堆肥过程中pH值和EC值变化情况，从图5可以看出堆肥过程中所有处理的pH值和EC值均呈现先升高后降低的趋势，pH值在堆肥结束时维持在8.0左右，EC值均小于3 mS/cm。随着通风频次的增加，pH值呈逐渐降低的趋势，这可能是由于过多的通风使堆体中的氨气散逸出去，降低了堆体pH值；T1和T2处理下EC值的变化差异较小，但T3处理EC值在堆肥后期快速降低，在堆肥结束时其EC值明显小于其他2个处理，产生这一现象的原因可能是由于T1和T2经历了充分的好氧分解，其无机盐组分较T3明显增加，从而使得堆肥后期T1和T2的EC值明显高于T3。

图5 堆肥过程中pH值和EC值变化Fig.5 Changes of pH value and EC value during composting process

2.2 氨气的排放分析

图 6为堆肥过程中氨气浓度变化情况，由于便携式气体检测仪氨气的量程仅为150 mg/m3，无法评价氨气最大排放浓度。从图6看出，T1、T2和T3分别有22、20和9 d，没有获得氨气的排放浓度值。T3处理氨气的排放质量浓度最先降至150 mg/m3以下，T1处理氨气排放在150 mg/m3以上的持续时间最长，至堆肥结束氨气的排放浓度随通风频次的增加依次降低，分别为 88.1、47.6和29.9 mg/m3。虽然本研究未分析出高温期氨气的排放浓度，但从堆肥中后期氨气浓度排放的趋势上可以看出随通风频次的增加，缩短了氨气高浓度（＞150 mg/m3）排放的持续时间。

氨气的产生主要源自含氮有机物的分解，增加通风可以促进微生物的呼吸作用，但过量的通风也会对氨气起到一定的稀释作用，虽然没有文献表明通风对氨气浓度的稀释作用和产生速率的影响规律，但过量的通风对氨气的稀释作用要大于产生速率，可以认为T3的最大排放浓度要小于T1和T2。

图6 堆肥过程中氨气浓度变化Fig.6 Changes of ammonia content in process of composting

2.3 硫化氢的排放分析

堆肥中硫化氢的排放浓度呈先升高后降低的趋势（图 7），最高排放浓度随通风频次的增加依次降低，分别为29.4、18.9和10.3 mg/m3，T2和T3处理较T1处理硫化氢的最大排放浓度分别降低了35.8%和64.8%，在堆肥中后期各处理硫化氢的排放质量浓度均降至0.2 mg/m3左右。可见增大堆肥过程中的通风频次可以缩短堆肥过程中产生的氨气高浓度排放时间，降低硫化氢的最大排放浓度。

此外，从图7还可以看出，在堆肥前7天硫化氢的总排放量可以占整个堆肥过程排放总量的 90%以上，堆肥结束时T1、T2、T3硫化氢的累积排放量分别为14.3、13.5、31.5 mg/kg，其中T1和T2处理累积硫化氢的排放量仅为T3处理的45.3%和43.0%，可能是由于通风频次的增加增大了堆体的通风量，通风量的增加将堆体中存留的硫化氢吹脱到堆体外部，导致了硫化氢累积排放量的增加，这与张玉冬等[24]的研究结果基本一致。

图7 堆肥过程中硫化氢排放浓度及累积排放量Fig.7 Hydrogen sulfide emission concentration and cumulative emissions during composting process

2.4 TVOCs的变化

从图8可以看出堆肥过程中不同通风方式下TVOCs的浓度呈先升高后降低的趋势，且随着通风频次的增加，TVOCs的最大排放浓度依次降低，T1、T2和T3处理排放的TVOCs最大体积分数分别为420.3×10-6、382.7×10-6和326.5×10-6，T2和T3处理较T1处理TVOCs的最大排放浓度分别降低了 8.9%和 22.3%，在堆肥初始阶段TVOCs的排放浓度随通风频次的增加而增加，堆肥中后期TVOCs的排放浓度随通风频次的增加而不断减小，这主要是由于初始阶段高频次的通风使得微生物快速繁殖，虽然好氧条件下单位量的微生物产生的TVOCs会降低，但在大量微生物的作用下TVOCs排放总量会有所升高，堆肥中后期随着堆体易分解有机物的快速消耗，堆体微生物的活性逐渐降低，TVOCs的产生量下降，同时过量的通风稀释了堆体中的TVOCs，也使得高频次通风排放的TVOCs浓度低于低通风频次的处理。

图8 堆肥过程中TVOCs排放浓度及累积排放量Fig.8 TVOCs emission content and cumulative emissions during composting process

虽然增加通风频次降低了TVOCs的排放，但从图8还可以看出TVOCs的累积排放量随通风频次的增加而增加，堆肥结束时T1、T2和T3处理TVOCs的累积排放量分别为1.26、2.00和6.08 L/kg，其中T1和T2处理TVOCs的累积排放量仅为T3处理的20.7%和32.9%。

2.5 二甲二硫和二甲三硫的变化

图9为堆肥过程中二甲二硫浓度变化和累积排放量，从图 9可以看出堆肥过程中二甲二硫的排放主要集中在堆肥前期，T1、T2和 T3的最大排放质量浓度分别为1 730.1、3 646.2和3 971.8 ng/L，堆肥结束时T1、T2和T3的累积排放量分别为1.5、4.3和10.6 mg/kg，堆肥前3天二甲二硫的排放量占堆肥过程总排放量的 95%以上，在堆肥过程中T1二甲二硫的排放呈现先升高后降低的趋势，T2和 T3的二甲二硫的排放浓度自堆肥开始便快速下降，T3较T1和T2处理二甲二硫的排放浓度更早的趋于稳定。

图10为堆肥过程中二甲三硫的浓度变化和累积排放量，从图10可以看出堆肥过程中二甲三硫的排放主要集中在堆肥前期，T1、T2和T3的最大排放质量浓度分别为991.4、6 678.8和1 883.4 ng/L，以T2排放二甲三硫浓度最高，堆肥结束时T1、T2和T3的累积排放量分别为0.37、4.37和4.94 mg/kg，堆肥前3天二甲三硫的排放量占堆肥过程总排放量的 99%以上。在堆肥过程中各处理二甲三硫的排放均呈现快速降低的趋势。

图9 堆肥过程中二甲二硫浓度变化及累积排放量Fig.9 Dimethyl disulfide emission concentration and cumulative emissions during composting process

从图9和图10还可以看出，通风频次对二甲二硫和二甲三硫的排放影响与TVOCs相一致，虽然增加通风频次降低了二甲二硫和二甲三硫的排放浓度，但却增加了其累积排放量。

3 讨 论

本试验分析了不同通风方式下堆肥臭气的浓度变化及其累积排放量（见表3），从表3可以看出通风频次越高硫化氢的日均排放浓度和 TVOCs的日均排放浓度越低，但臭气的累积排放量却与臭气浓度呈现相反的趋势，通风频次越高，硫化氢和TVOCs的累积排放量越高。堆肥中硫化氢和 VOCs是堆体局部厌氧生成的产物[18]，通过增加通风频次的方式增加堆体供氧量可以降低硫化氢和TVOCs的生成，本试验中随通风频次的增加，在硫化氢和TVOCs产生量减少和通风量增加对气体稀释的双重作用下，堆体释放的硫化氢的日均浓度和TVOCs的日均浓度逐渐下降。这主要是由于臭气累积排放量受臭气浓度和通风风量2个因素的影响（见公式（1）），从表3可以产出，T2和T3的通风量分别比T1增加了74%和599%，但T2和T3的硫化氢日均浓度分别比T1降低了48%和68%，T2和T3的TVOCs的日均浓度分别比T1降低了9.5%和31.3%，通风量增加的百分比远大于臭气浓度下降的百分比，导致堆肥臭气累积排放量升高，因此可以认为通风量的升高是增加堆肥中臭气累积排放量的主要因素。

表3 总通风量与臭气浓度和累积排放量情况Table 3 Total ventilation volume and odor concentration and cumulative emissions

本试验中通风5 min间隔30 min和通风5 min间隔15 min比连续通风处理下，硫化氢和TVOCs的累积排放量分别降低了45.3%和43.0%以及20.7%和32.9%；二甲二硫和二甲三硫的累积排放量分别降低了85.8%和59.4%以及92.5%和11.5%，结合通风对臭气累积排放影响的规律来看，本试验中最佳降低臭气浓度得处理为通风5 min间隔30 min。

环境承载力是指在某一时期，某种环境状态下，某一区域环境对人类社会、经济活动的支持能力的限度，因此污染物的累积排放量比排放浓度更能够表征污染物对环境的危害程度，本研究中低通风频次是降低堆肥臭气的最佳处理，为鼓风5 min间隔30 min。虽然在本试验中并未得出氨气的最大排放浓度及其累积排放量，但根据堆肥中NH3高浓度（＞150 mg/m3）排放的持续时间，结合通风对H2S和TVOCs累积排放量的影响规律，可以在一定程度上认为通风频次越大，氨气的累积排放量也越大。

本研究与张玉冬等[24]和 Turan等[25]的研究相比，不仅分析了通风对堆肥臭气浓度的影响，同时分析了通风对臭气累积排放量的影响，研究结果表明增加通风频次，虽然降低了臭气浓度，但会增加臭气的累积排放量。目前中国《恶臭污染物排放标准》（GB14554-1993）中规定了企业臭气的有组织排放和无组织排放限值，一般来说堆肥场产生的臭气属于无组织排放，仅限制了厂界臭气的排放浓度，对环境风速及工况并未提出限制或要求。对于部分无法控制臭气排放量的企业（如堆肥厂），建议从单位质量干物料产生的臭气累积排放量限制其臭气浓度，更优于监测厂界臭气浓度。虽然目前尚未对企业堆肥中无组织臭气的排放总量做具体限制，通过本试验可以看出过量增加堆肥通风频次会提升臭气的累积排放量，应避免采用增加通风量的方式控制堆肥臭气排放浓度，另外对于现有企业的臭气无组织排放而言建议考虑结合环境风速及工况对企业边界臭气的排放浓度进行计算，以更好地控制臭气的排放。

4 结 论

1）增加堆肥过程中的通风频次可以有效降低臭气的排放浓度，但会增加臭气的累积排放量，臭气累积排放量比臭气浓度更能表征臭气对环境危害程度，臭气累积排放量越大，对环境造成的危害越大。本试验中通风5 min间隔30 min和通风5 min间隔15 min比连续通风处理下，硫化氢和总挥发性有机物的累积排放量分别降低了45.3%和 43.0%以及 20.7%和 32.9%；二甲二硫和二甲三硫的累计排放量分别下降了85.8%和59.4%以及92.5%和11.5%，综合考虑，以通风5 min间隔30 min整体控制臭气累计排放的效果最佳。

2）行业应用以及试验研究中仅监测臭气的排放浓度不能科学反应臭气危害的实际情况，建议重点监测臭气的累积排放量，对于无组织排放源建议结合工况及风速对企业臭气的排放进行监测。