不同水分和物料配比条件下堆肥氨气排放量研究

2019-10-25刘善江陈益山

中国土壤与肥料 2019年5期

田野，刘善江，陈益山

（北京市农林科学院植物营养与资源研究所，北京 100097）

堆肥是畜禽粪便资源化和无害化处理的有效方法之一，成熟的堆肥可以提高农作物产量，改善土壤的理化性质；不成熟的堆肥由于未发酵完全，本身产生大量的氨气，对农作物的生长产生不利影响，对空气环境也造成污染。研究表明，以鸡粪作为主要原料的堆肥氨气的释放量高达17.3 mg·m-3［1］。低浓度的氨气对皮肤和呼吸道粘膜有刺激作用，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［2］。堆肥过程中大量氨气的释放是造成堆肥中氮素流失的最主要途径，其导致的氮损失率在19%～77%之间，从而导致堆肥肥效降低［3-4］。影响好氧堆肥过程氨气释放的因素主要有曝气量、物料C/N、堆体pH值、温度、含水率、堆肥添加剂以及堆体微生物群落等［5-9］，通过合理调控和优化组合这些因素，可以对好氧堆肥过程中氨气释放进行最优的原位控制，达到有效地减少堆肥过程中的氨气排放和保氮效果［10-13］。

北京市平谷区桃树种植面积近1.47万hm2，每年冬、夏产生的果树枝条废弃物多达8～10万t，有效利用率不到10%，大量桃枝的随意焚烧和堆积对周边环境造成严重污染［14］。桃枝的资源化利用是目前北京市平谷区政府亟待解决的问题。

本文结合北京市平谷区桃树种植的具体农业生产状况，选用北京市周边具有代表性的鸡粪、金针菇菇渣和桃树枝作为堆肥研究对象，使用实验室堆肥模拟设备进行好氧堆肥，通过改变堆肥水分和物料配比，对堆肥产生的氨气排放量进行研究，以期得到鸡粪和桃枝堆肥的最佳水分和物料配比，从而可以有效降低堆肥产生的氨气排放量，同时实现桃枝的资源化利用，为实现北京市平谷区大桃产业链环境友好型转变提供技术参考。

1 材料与方法

模拟堆肥氨气排放试验于2017年12月开展，试验地点在北京实验室。

1.1 试验原料

采用鸡粪、金针菇菇渣和桃树枝粉渣作为堆肥试验主要原料。鸡粪采自北京市大兴区北臧村镇佳园养殖场，金针菇菇渣采自天津市宝坻区和泰丰种植场，桃树枝粉渣采自北京市平谷区刘家店镇生态桥工程。试验原料采集到实验室后，均干燥粉碎，过2 mm筛后进行成分检测，鸡粪、金针菇菇渣、桃树枝粉渣的主要指标见表1。

1.2 模拟堆肥系统

结合实验室堆肥模拟的实际情况，设计了一种新型模拟堆肥系统，主要包括堆肥罐、输气控制系统和监测系统，见图1。

表1 堆肥原料鸡粪、桃枝、金针菇的主要指标

图1 实验室堆肥模拟气体监测系统

本文采用了一种新型堆肥发酵罐，包括外罐体和内罐体。内部罐体可容纳体积为60 L的圆柱体，外罐体和内罐体之间填充保温材料。顶盖上连接采气管路，底部放置有送气装置。

输气控制系统主要包括气泵和气流控制系统两部分。气泵采用无油空气压缩机，转速1 380 r/min，公称容积流量240 L/min，额定排气压力0.7 MPa。气流控制系统主要通过气压阀和流量计调节每路输送空气的气压，从而保证每个堆肥罐体的输气压力一致。

堆肥监测系统主要包括温度实时监测系统和气体实时监测系统两部分。温度实时监测系统是通过堆肥罐体顶部的温度监测探头，实时将温度显示在主控面板上。温度监测探头为长50 cm的不锈钢管，分别在钢管的顶端和距离顶端25 cm处安装温度探测器。温度监测探头从堆肥罐顶部延伸至罐体的2/3处，温度探测器记录的温度分别为罐体1/3和2/3处的温度，从而保证罐体内堆肥温度的真实性。气体实时监测系统主要包括空气干燥冷凝器和气体缓冲瓶。在线式氨气质量监测仪的氨气监测量程为0～1 000 mg/L，每5 min采集一次氨气浓度，24 h连续监测。空气干燥冷凝器为3 000 mL玻璃三角瓶，瓶口有橡胶塞，橡胶塞上有一长一短两根玻璃管，瓶内装有固体NaOH，用于吸收堆肥产生的气体中的水分。气体缓冲瓶为2 000 mL的抽滤瓶，瓶口有橡胶塞，橡胶塞上有一长一短两根玻璃管，短管靠近抽气口，便于气体采集。在线式氨气质量监测仪、空气干燥冷凝器和气体缓冲瓶通过硅胶管相连。

1.3 运行参数及数据计算

1.3.1 堆肥设备运行参数

试验采用新型堆肥发酵罐，罐体内部有效容纳体积为60 L，尺寸为φ6 cm×30 cm的圆柱体。罐体通风为每通风30 min停止30 min，罐体底部气体压力为0.4 Mpa。堆肥主发酵周期为18 d，在堆肥第10 d进行翻堆操作。气体检测器的抽气泵流速为0.4 L/min。

1.3.2 氨气数据结果计算

在线式氨气质量监测仪测定NH3浓度单位c mg/（L·5 min），取6 h内氨气的平均浓度为c6img/（L·6 h），i表示从监测开始的第i个6 h数，i=1，2，3，……。气体检测器的抽气泵流速为0.4 L/min，则360 min堆肥罐体中单位质量堆肥产生的NH3质量为：

m为罐体堆肥质量，单位kg；

Ci为单位质量堆肥6 h氨气排放量，单位mg/（kg·6 h）；

单位质量堆肥主发酵期氨气排放总量为：

M为单位质量堆肥主发酵期氨气排放总量，单位mg/kg；

单位质量堆肥主发酵期N排放总量为：

MN单位质量堆肥主发酵期N排放总量，单位mg/kg；

N损失率计算：

TN为堆肥总氮含量，单位%。

2 评价方案

目前北京周边企业习惯堆肥采用鸡粪与菇渣为1∶1的添加比例，含水率在50%～60%之间。北京市周边果树种植面积较多，尤其平谷地区的桃树种植面积较大。根据对北京市周边堆肥企业实际堆肥配比调研结果，结合北京市果树种植较多的现状，设计评价方案一和方案二，对含水率分别为50%和60%的习惯堆肥、鸡粪与桃枝不同配比的堆肥效果进行评价，每个处理设3个平行。

2.1 方案一 50%含水率不同处理试验

试验设计4个鸡粪堆肥工艺处理，每个处理设3个平行试验，工艺处理见表2。

表2 鸡粪堆肥工艺处理

试验方案一中4个处理的各物料的添加比例和实际添加量（以24 kg总量计）见表3。

试验过程中，在堆肥第10 d对罐体中堆肥进行翻堆操作，翻堆完毕继续进行试验。

表3 不同处理的添加比例

2.2 方案二 60%含水率不同处理试验

试验设计4个鸡粪堆肥工艺处理，每个处理设3个平行试验，工艺处理见表4。

表4 鸡粪堆肥工艺处理

试验方案二中4个处理的各物料的添加比例和实际添加量（以24 kg总量计）见表5。

表5 不同处理的添加比例

试验过程中，在堆肥10 d对罐体中堆肥进行翻堆操作，翻堆完毕继续进行试验。

3 结果与分析

3.1 氨气排放监测结果分析

方案一和方案二中50%、60%含水率下不同处理堆肥主发酵期单位质量堆肥氨气排放量见图2、图3。

从图2、图3可以得出如下结论：

（1）所有处理堆肥主发酵过程中均有两次氨气大量产生的时间，第一次是堆肥初期的第3～4 d，第二次是翻堆（堆肥第10 d翻堆）过后的第2～ 3 d。

（2）不同含水率处理下鸡粪与金针菇菇渣堆肥主发酵过程中氨气的最大排放量较鸡粪与桃枝堆肥发酵的处理均明显偏高，且鸡粪与金针菇菇渣堆肥处理的氨气主发酵时间较鸡粪与桃枝处理提前1 d。

根据图2、图3，依据1.3.2计算得出方案一和方案二中不同处理堆肥主发酵期单位质量堆肥氨气排放总量，见表6。

图2 方案一堆肥主发酵期单位质量氨气排放量

图3 方案二堆肥主发酵期单位质量氨气排放量

表6 不同处理堆肥主发酵期单位质量堆肥氨气排放总量（%）

结合表6可以得出如下结论：

（1）所有处理堆肥主发酵过程中鸡粪与桃枝堆肥产生的氨气排放总量较鸡粪与金针菇菇渣（习惯堆肥）产生的氨气均有减少。在50%水分和60%水分的不同处理中，鸡粪与桃枝按照1∶2.5和1∶5的质量添加比例的处理较习惯处理产生的氨气排放总量减少，且均差异显著，鸡粪与桃枝按照1∶1的质量添加比例的处理较习惯处理产生的氨气排放总量减少，且均无显著差异，说明鸡粪与桃枝添加比例达到1∶2.5～1∶5，堆肥产生的氨气排放总量较鸡粪与金针菇菇渣（习惯堆肥）产生的氨气显著减少。

（2）堆肥习惯处理50%水分和60%水分的氮损失率分别为14.3%和23.5%，说明堆肥水分从50%增加为60%，水分增加10%，氮损失率增加约10%，水分是堆肥氮损失多少的重要因素之一。造成这一现象的原因可能有两个方面：一方面可能是由于随着含水量的增加，堆肥中水溶性铵根离子更多的溶解于水中，随着水蒸气的挥发更容易以氨气的形式排出；另一方面可能是由于随着含水量的增加，堆体中的空隙被水占据的比例会增大，导致堆体中样品的比例会减少，形成局部的厌氧状况，导致氨气的排放增加。建议鸡粪与桃枝堆肥中含水率控制在50%～60%为宜，以减少氮损失。

（3）除处理1-3与处理1-4的N排放损失率无显著差异外，其余处理的N排放损失率均有显著差异，说明随着桃枝添加比例的增加，N排放损失率显著减少，减少比例与桃枝添加比例成正相关。处理1-1与处理1-3，N损失率由14.32%减少6.83%；处理2-1与处理2-3比较，N损失率由23.54%减少为10.27%，不同含水率条件下鸡粪与桃枝添加比例达到1∶2.5时的N损失率较习惯处理分别减少7.40%和13.27%且差异显著，说明调节C/N是有效控制堆肥氨气排放的重要手段之一［15-18］。

（4）鸡粪与桃枝添加比例为1∶2.5和1∶5时，不同水分处理的氨气排放总量差异均不显著，50%水分处理的N损失率差异也不显著，只有60%水分处理的N损失率差异显著，这可能是由于当鸡粪与桃枝添加比例达到并超过1∶2.5时，N元素在堆肥中的比例大幅减少，因此产生的氨气总量变化不明显造成的。

结合以上4点结论，考虑到对鸡粪的实际利用率和氨气对空气的污染，建议鸡粪与桃枝的比例控制在1∶2.5左右为宜。

3.2 堆肥温度监测结果分析

堆肥过程温度需要经过3个阶段，即升温阶段、高温阶段和降温阶段，其中高温阶段是最为重要的环节［19-21］。本文设计的温度监测系统中温度监测探头分别放置在罐体1/3和2/3处，随着堆肥发酵时间的增加，两处温度分别代表堆体临近表面和堆体内部的温度，本文取每天9∶00和15∶00堆肥罐中两温度探头测量的平均值代表堆肥当天整体温度，研究堆肥主发酵过程中堆体温度的变化。本文方案一和方案二堆肥温度变化趋势见图4、图5。

图4 方案一堆肥主发酵期堆肥温度变化趋势

图5 方案二堆肥主发酵期堆肥温度变化趋势

由图4、图5可以看出，所有堆肥处理均表现出相似的温度变化趋势，即堆肥前4 d升温速度很快，堆肥第4～5 d温度达到最高，最高值在65～70℃之间，随后温度逐渐下降，堆肥第11 d温度达到堆肥过程中的最低点，在20～35℃之间，随后温度迅速升高，在第13 d达到另一个高峰，之后逐渐降低。从所有处理的温度趋势图来看，堆肥主发酵期堆肥温度变化与堆肥过程中氨气的排放量变化趋势一致。氨气的两次最大排放量分别出现在第4和第13 d左右，与温度的最高值基本在同一时间段。第10 d温度较附近温度明显偏低的原因是由于堆肥第10 d的翻堆造成堆体温度趋于外界环境温度（20℃）。方案一较方案二，在第10 d的温度相差近10℃，可能是由于方案二中水分含量较方案一偏高，导致在翻堆过程中水蒸气带走的热量较方案一要多。

3.3 堆肥产品质量评价

对堆肥主发酵期18 d的堆肥产品进行质量评价，按照NY 525-2012《有机肥料》标准规定的方法进行检测，本文以推荐的处理2-3（60%含水率，鸡粪与桃枝按照1∶2.5的质量添加）的检测结果为例，检测结果见表7。

由表7可以看出，处理2-3（60%含水率，鸡粪与桃枝按照1∶2.5的质量添加）的堆肥质量符合有机肥料标准，达到肥料腐熟要求，可以用于农业生产。表7中pH和水分结果在标准规定的上限，因此，随着堆肥时间的增加，堆肥质量会进一步提高。其他处理在堆肥18 d的检测结果基本达到或接近NY 525-2012《有机肥料》规定的有机肥料相关指标，随着堆肥时间的增加，所有处理也全部符合有机肥料标准。