适量通风显著降低鸡粪好氧堆肥过程中氮素损失

聂二旗，郑国砥*，高 定，刘晓燕

（1 中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心，北京 100101；2 中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049；3 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

鸡粪中有机氮含量较高，存储过程中易降解为氨氮，如果不能进行合理的处理处置，将会造成一系列的环境问题[1]，将鸡粪进行无害化处理，则可以实现资源的回收[2]。高温好氧堆肥是目前被广泛应用于畜禽粪便无害化资源化处理的方式之一，鸡粪经过好氧堆肥可以转化为有机肥料，用于提高土壤肥力和改良土壤[3]。

鸡粪在进行好氧堆肥时一个关键的问题就是氨排放造成的氮素损失，氨排放不仅会造成严重的大气污染，还会降低堆肥成品有机肥的品质[4]。多数研究表明，好氧堆肥过程中氮素损失占全氮的16%～74%[5-6]。因此，控制鸡粪好氧堆肥中的氮素损失一直是近几年环境领域研究的重点。

影响堆肥过程中氮素损失的因素有很多，目前的研究包括C/N[7-8]、含水率[7]、添加剂[7,9]、调理剂[10-11]、温度[5]、通风量[4,12]等，而在所有的影响因素中通风是较为关键的影响因素[13]。通风作为好氧堆肥的关键工艺参数在堆肥过程中主要起着供氧、调节温度和脱水的作用[14]。通风不足会导致堆体产生厌氧环境，影响微生物的活性，进而影响堆体的升温。而通风量过大会增加能耗，造成热量逸散和氮素的大量损失，这不但会影响堆体的升温，还会降低堆肥成品的品质[8]。最佳的通风量取决于堆肥过程中物料的组成和微生物对氧气的需求量[15]。

目前关于通风量对好氧堆肥过程中氮素损失影响的相关研究多集中于实验室规模[12]，而对于在工厂化好氧堆肥过程中通风量对氮素损失影响的相关研究较少。由于实际工厂化好氧堆肥过程中发酵槽体积较大，翻抛机、鼓风机和阀门等设备与实验室存在差异，这就造成实验室中得出的有关通风量的工艺参数在实际工厂化应用过程中并不能达到理想效果。研究通风量对工厂化鸡粪好氧堆肥过程和氮素转化的影响有助于优化工厂化好氧堆肥过程中的通风工艺参数，进一步减少鸡粪好氧堆肥过程中的能耗损失和氮素损失，提高鸡粪堆肥成品中的养分含量。

1 材料与方法

1.1 堆肥材料

试验于2018年3月在山东某有机肥厂的好氧堆肥车间进行。供试原料主要是鸡粪和稻壳，均取自山东某养鸡场，供试材料的具体特性见表1。

1.2 堆肥方法

将鸡粪和稻壳以湿基质量比1∶1 经混料机混合均匀后，堆置在发酵槽中进行高温好氧堆肥。好氧堆肥堆体结构如图1，为了保证堆体正常升温，第一阶段 (0～2 d) 设定每1 m3物料的通风量均为0.1 m3/min，第二阶段 (3～28 d) 设定每1 m3物料的通风量分别为 0.1 m3/min、0.2 m3/min、0.3 m3/min(分别记为低、中、高通风量)。三个处理均采用间歇性强制通风好氧发酵技术，设定好氧堆肥周期为28 天。采用PT100探头连续监测记录好氧堆肥过程中的温度变化，堆肥的第14 天进行翻抛，在发酵的第0、2、3、6、9、12、15、19、25、28 天进行多点混合取样，样品经过充分混合后带回实验室，4℃冰箱冷藏保存，用于相关理化指标的测定。

表1 试验材料及其混合物基本性质 (平均值 ± 标准差，以干基计)Table 1 Basic properties of composting raw materials and their mixture (means ± SD, in dry base)

图1 好氧发酵堆体结构图Fig. 1 Schematic diagram of aerobic fermentation structure

1.3 测定项目与方法

1.3.1 测定指标 堆肥物料含水率采用烘干法测定， (105℃、24 h) 烘至恒重，灰分的测定采用马弗炉灼烧 (550℃、6 h)。pH值 (固液比为1∶10)，浸提过滤后，用S-3C型pH计测定；总碳 (TC) 和总氮(TN) 采用Flash2000元素分析仪测定[16]。采用2 mol/L KCl 溶液 (m∶V=1∶10) 浸提，振荡30 min后过滤，滤液采用连续流动分析仪 (Auto Analyzer-III, 德国 BranLuebbe 公司) 测定[17]。种子发芽指数 (GI) 的测定方法为，首先用去离子水浸提液5 mL于垫有滤纸的培养皿中，并以添加等量去离子水的培养皿作对照，然后各加入10粒小油菜种子，每个处理重复3次，放置在 (20 ± 1)℃的培养箱中培养48 h 后测定发芽率和根长，并根据以下公式计算GI值[18]。

1.3.2 氮素损失的计算方法 氮素损失计算方法参照Paredes 等[19]的方法，根据好氧堆肥过程中物质守恒和氮素平衡原理，假定在堆肥全过程中灰分总量无损失，因此可得出堆肥过程中氮素损失率的计算公式：

式中，Nloss表示氮损失率 (%)；A0表示初始的灰分含量 (%)；Ai表示第i天的灰分含量 (%)；N0表示初始的全氮含量 (%)；Ni表示第i天的全氮含量 (%)。

1.4 数据分析方法

数据采用Excel 2010进行整理，采用SPSS 19.0进行单因素方差分析 (One-Way ANOVA)，并对各指标进行显著性检验，显著性水平P ＜ 0.05，Sigma Plot 10.0制图。

2 结果与分析

2.1 通风对堆肥过程的影响

2.1.1 温度的变化 从图2可以看出低通风量、中通风量和高通风量的最高温度分别达到68.3℃、71.8℃和68.6℃，且各处理的堆肥高温期 (≥ 50℃)持续时间均超过12 天，达到粪便无害化卫生要求(GB 7959-2012) 的人工堆肥温度大于50℃至少持续10 天的标准。其中在第14 天三个处理的温度均明显下降，这是由于第14 天进行翻抛所致。翻抛在好氧堆肥过程中有利于打破堆体的层次效应，增加堆体物料的均一性，同时翻抛过程中也会带走大量的热量，降低堆体的温度。14 天之后的温度又逐渐上升然后逐渐下降，至堆肥结束，堆体的温度逐渐接近环境温度。

图2 不同通风量条件下堆体温度变化Fig. 2 Temperature during chicken manure composting process under different ventilation intensities

2.1.2 pH值和含水率的变化 各处理的初始pH均为8.3左右，且各处理的pH变化趋势基本保持一致，均呈现出先下降后上升再下降的趋势，三个处理的pH在3 天之内均降到了7.2～8.1，而后低通风量和中通风量的pH都呈现出上升趋势，高通风量的pH较低通风量和中通风量的pH呈现出较长时间的降低趋势 (图3)。统计分析结果表明，至堆肥结束三种处理堆肥成品的pH无显著差异 (P = 0.432)，在7.8～8.0之间，符合《有机肥料》(NY525-2012) 中要求的堆肥成品pH为5.5～8.5的要求。

三个处理初始混合后的物料含水量在63%～65%之间，好氧堆肥过程中整体都呈现出降低的趋势。其中，前3 天各处理的含水率呈现少量增加的趋势。各处理的堆体含水率至堆肥结束分别降到32.3%、30.6%、29.3% (图 4)。

图3 不同通风量条件下堆体pH变化Fig. 3 The pH of the chicken manure during composting process under different ventilation intensities

图4 不同通风量条件下堆料含水率的变化Fig. 4 Moisture content during chicken manure composting process under different ventilation intensities

2.1.3 种子发芽指数 (GI) 的变化 各堆肥处理初始物料的GI为30%左右。在堆肥初期各处理的GI稍微降低，随着好氧堆肥过程的进行，各处理的GI逐渐增加，到发酵第24 天各处理的GI均达到了80%以上，堆肥结束后三个处理的GI分别达到了83.1%、96.7%和85.8% (图5)。

图5 不同通风量下的鸡粪堆肥产品对种子发芽指数的影响Fig. 5 Germination index of rape seeds affected by produced chicken manure under different ventilation intensities

2.2 通风对堆肥过程中氮素变化的影响

2.2.1 堆肥过程中NH4+-N含量的变化 各处理的初始NH4+-N含量均为14 g/kg以下，在升温期 (前3 d) 各处理的NH4+-N含量均呈现增长的趋势，中通风量处理和高通风量处理的NH4+-N含量在3 天之后开始出现明显下降的趋势，而低通风量处理的NH4+-N含量则呈现出缓慢递增甚至保持平稳的趋势；此外，低通风量处理的pH在第3 天也呈现出明显降低的趋势 (图3)，说明有机质分解过程中产生的有机酸释放出的H+和堆体内部的部分NH3结合，以此维持NH4+含量的稳定。到高温后期和腐熟期 (15 天之后)(图2)，各处理的NH4+-N含量均呈现出下降的趋势，至堆肥结束低通风量、中通风量和高通风量处理的NH4+-N 含量分别为 (6.63 ± 0.03)、(8.23 ± 0.15)和 (7.33 ± 0.64) g/kg (图 6)。

图6 不同通风量条件下鸡粪堆肥过程中铵态氮的变化Fig. 6 NH4+-N content during chicken manure composting process under different ventilation intensities

2.2.2 堆肥过程中NO3--N含量的变化 各处理的初始NO3--N含量均在0.26 g/kg以下，且NO3--N含量在整个堆肥周期内呈现出逐渐增加的趋势。在堆肥的前10天NO3--N含量增长趋势不明显，而10 天之后NO3--N含量呈现明显的增加趋势 (图7)，至堆肥结束三个处理的NO3--N含量分别为 (0.42 ±0.08)、(0.36 ± 0.01) 和 (0.32 ± 0.02) g/kg，表明较低的通风量更有助于NH4+-N的转化和NO3--N的积累。

2.2.3 堆肥过程中总氮含量的变化 如图8所示，三个处理的初始全氮 (TN) 含量均为34 g/kg，在整个堆肥周期内呈现先降低后增加的趋势。3 天之后低通风量处理的TN含量则开始出现缓慢增加趋势，而中通风量处理和高通风量处理的TN含量仍然呈现出降低的趋势，至堆肥28 天结束时各处理的TN含量分别为 (38.33 ± 0.54)、(37.82 ± 0.50) 和 (36.41 ± 0.09)g/kg。统计分析结果表明，低通风量与中通风量处理间的TN含量无显著差异 (P = 0.074)，而低通风量、中通风量与高通风量处理间的TN含量有明显差异 (P =0.024，P = 0.038)，说明在鸡粪好氧堆肥过程中，在一定范围内较高的通风量伴随着较高的氮素损失。

图7 不同通风量条件下鸡粪堆肥过程中硝态氮的变化Fig. 7 NO3--N content during chicken manure composting process under different ventilation intensities

图8 不同通风量条件下鸡粪堆肥过程中全氮的变化Fig. 8 Total nitrogen content during chicken manure composting process under different ventilation intensities

2.3 不同通风量条件下氮素损失率

由好氧堆肥处理的起始和结束 (28 d) 时的全氮和灰分数据 (表2) 计算可知，不同处理在好氧堆肥结束时，氮素损失率分别为19.8%、20.2%和29.6%，说明随着通风量的增加氮素损失率增加，这与其他研究结果[4]基本一致。因为在堆肥升温期高通风量伴随着NH3的大量释放。至堆肥结束，低通风量处理与中通风量处理之间氮损失的差异不显著 (P =0.476)，而低通风量处理、中通风量处理与高通风量处理之间的氮损失差异均较为显著 (P = 0.018，P =0.024) ，说明在好氧堆肥过程中选择合适的通风量能够有效减小氮素的损失。

3 讨论

3.1 通风量对堆肥过程中温度、pH、含水率和发芽指数的影响

在好氧堆肥过程中温度是反映堆体中有机物降解状况和微生物活性变化的重要指标[20]，它起着决定堆肥过程能否顺利进行、堆肥物料是否完全腐熟的重要作用[21]。通风是影响堆肥过程中温度变化的主要因素[22]。低通风量在14 天之前的温度均低于中通风量和高通风量 (图2)，这可能是因为较低的通风量不能满足微生物代谢活动所需要的氧气，导致微生物的代谢活性较弱。而在堆肥的第14 天各处理的温度均明显降低，原因是翻抛导致堆体热量散失。翻抛有助于低通风量处理中处于厌氧状态的物料充分接触氧气，进而能够增加微生物的代谢活动，使得14天之后堆体的温度升高。到了堆肥后期由于堆体中易降解有机物质基本已降解完全，微生物代谢活动减弱，所以各处理堆体温度持续降低，直至堆肥结束堆体温度接近环境温度 (图2)。

表2 堆肥初始和结束时全氮及灰分含量 (%, 以干基计)Table 2 Total N and ash contents in the compost at the beginning and end of composting (%, dry matter)

pH 值在堆肥过程中不仅会影响微生物的活性，而且与NH3的释放量也存在显著的正相关。NH3在碱性条件下释放量较大，所以pH 值过高会造成氮素损失[23]。本研究中各处理的初始pH均为8.3左右，且各处理的pH变化趋势基本一致，都呈现出先下降后上升再下降的趋势 (图3)，三个处理的pH值在3天之内均降至7.2～8.1，这是因为堆肥初期微生物利用糖类、淀粉等物质分解生成了小分子的挥发性有机酸如丁酸、乙酸等，致使各堆体在堆肥早期均有明显的酸化过程等[24]。3 天之后低通风量和中通风量的pH均呈现出上升趋势，这主要是因为微生物的活性增强，导致堆体内温度升高，而堆体中的氨化作用又随着温度的升高而增强，氨化作用增强使有机氮向NH4+-N的转化量增加，进而导致堆体的pH值上升[4]。高通风量导致堆体内矿化作用产生的NH4+-N多以NH3的形式挥发，使得堆体内由矿化作用产生积累的NH4+-N含量低于微生物分解过程中产生的有机酸量，所以pH值呈现出较长时间的降低趋势。高通风量的pH较低通风量、中通风量呈现出较长时间的降低趋势。到了发酵的第18 天之后堆体内有机物料降解已基本完成，微生物代谢活性逐渐减弱，堆体的温度也逐渐接近环境温度 (图2)，此时NH4+-N逐渐快速向NOx--N转化，导致堆体的pH进一步降低[25]。

好氧堆肥过程中水分脱除的主要机理是通过鼓风曝气增加对流蒸发和利用微生物分解有机物产生的热量带走水分[26]。好氧堆肥过程中堆体的含水率与通风量和翻抛频率呈显著的相关性 (P ＜ 0.00001)[27]，含水率是好氧堆肥过程中的关键参数，它影响着与有机物生物降解相关的复杂生化反应[28]。堆肥过程中初始物料含水率应保持在60%～70%之间，以此满足微生物代谢过程对水分的需求，保证堆肥过程中微生物较高的代谢活性[29]。当含水率过高时，导致堆体内的孔隙结构不良，影响堆体内部氧气的传导扩散，微生物因缺氧活性降低，不能完成正常的升温过程[30]。本研究中三个处理的初始物料含水量均在63%～65%之间，在堆肥过程中整体均呈现出降低的趋势。其中，前3 天各处理的含水率均稍微增加，这主要因为在堆肥初期微生物的代谢产水速率大于堆体的蒸腾作用[31]，3 天之后各处理含水率呈现降低趋势，中通风量和高通风量的降低趋势要明显高于低通风量，这主要是因为在3 天之后，各处理的鼓风策略进入第二阶段，此时中通风量和高通风量两处理较第一阶段的风量均增加，而低通风量仍维持第一阶段每立方米0.1 m3/min的风量所致。

种子发芽指数是评价堆肥成品腐熟度的有效指标，它可以反映堆肥成品的植物毒性[32]。研究中初始堆肥物料的种子发芽指数为30%左右，在堆肥初期各处理的GI稍微降低，这主要与堆肥初期低分子短链挥发性脂肪酸和毒性物质的释放有关[33]。第10 天以后各处理的GI呈现明显增加，但统计结果显示差异不显著 (P = 0.328)。这和Guo等[32]以猪粪和玉米秸秆为原料堆肥的研究结果一致，该结果也表明通风对堆肥过程中的GI影响不显著。一般认为如果GI ＞80%，堆肥成品对植物基本无毒性[34]。本研究中三个处理的GI均大于80%，这说明至堆肥结束各处理的成品均满足腐熟度要求。

3.2 通风量对堆肥过程中氮素转化的影响

在升温期 (前3 天) 各处理的NH4+-N含量均呈现少量增长趋势，这与微生物进行氨化作用将有机氮转化为NH4+-N有关[4]。中通风量处理和高通风量处理的NH4+-N含量在3 天之后开始出现明显下降趋势，这是由于3 天之后中通风量和高通风量处理的通风策略开始进入第二阶段，通风量由初始的0.1 m3/(m3·min) 分别增加至 0.2 和 0.3 m3/(m3·min)，导致NH4+-N以NH3的形式释放。而低通风量处理的NH4+-N含量则呈现出缓慢递增趋势，这是因为3 天之后低通风量处理的风量保持不变，而此时微生物的活动明显增加，使有机氮的分解速率增加所致 (硝化速率比有机氮的分解速率慢)[12]。到高温后期和腐熟期 (15 天之后)(图2)，各处理的NH4+-N含量均呈现下降趋势，这主要因为在该阶段堆体内的有机质分解已基本完全，氨化作用逐渐减弱，而此时硝化速率增加，致使NH4+-N向NO3--N和NO2--N的转化增强 (图7)。至堆肥结束低通风量处理的NH4+-N含量较中通风量和高通风量处理低的原因可能是低通风量处理的NH4+-N含量在堆肥后期硝化作用增强，导致NH4+-N向NO3--N的转化量增加 (图7)。

各处理的NO3--N含量在整个堆肥周期内呈现逐渐增加的趋势，且前10 天增长趋势不明显，而10天之后NO3--N的含量呈现明显增加趋势 (图7)，这是因为在堆肥的初期由于NH3的积累和温度的升高抑制了硝化细菌和亚硝酸盐细菌的活性[32]。至堆肥结束三个处理NO3--N的含量呈现出低通风量 ＞ 中通风量 ＞ 高通风量，表明较低的通风量更有助于NH4+-N的转化和NO3--N的积累。NH4+-N/NOx--N值小于0.16被认为是堆肥腐熟度的判断指标[35]，而研究中至堆肥结束，三个处理的NH4+-N/NO3--N值分别为15.7、22.8和22.9，均远大于0.16，这可能是因为堆肥所选用的物料和堆肥周期的长短不同所致。也有研究表明NH4+-N/NOx--N值可能的变化范围为5.47～48.33[36]，考虑到堆肥结束时的NH4+-N/NO3--N值和堆肥未结束的NH4+-N/NO3--N值均在5.47～48.33范围内 (例如在堆肥第9 天 三个处理的NH4+-N/NO3--N比值分别为47.8、42.8和48.2)，而在该时间点的GI却低于50%(图5)，未满足腐熟度要求，说明NH4+-N/NOx--N值并不能作为堆肥腐熟度的判断指标，或者其应用范围有待进一步探究。

在整个堆肥周期内全氮含量在升温期 (前3 天)均明显降低，而后逐渐增加，这与升温期NH3的大量释放有关[32]。3 天之后低通风量处理的全氮含量则开始出现缓慢增加趋势，这是因为在3 天之后堆体的温度均达到50℃以上 (图2)，此时微生物代谢较为活跃，大量易降解的有机物质开始矿化分解为CO2和水，堆肥物料质量下降迅速，导致全氮含量增加。而中通风量处理和高通风量处理的全氮含量仍然呈现降低趋势，这是因为在3 天之后鼓风策略开始进入第二阶段，此时中通风量和高通风量处理的风量均由初始的0.1 m3/(m3·min) 分别增加到0.2和0.3 m3/(m3·min)，加剧了堆体内 NH3的释放。

4 结论

1) 鸡粪工厂化好氧堆肥过程中，分别设置通风量1 m3物料为0.1、0.2和0.3 m3/min时，三个处理的堆体高温 (＞ 50℃) 持续时间均超过12 天、好氧堆肥结束pH为7.8～8.0、含水率29%～32%、种子发芽指数 (GI) 均大于80 %，至堆肥结束时所有处理均已腐熟并且达到无害化要求。

2) 不同通风量条件下NH4+-N含量均呈现先缓慢增长后逐渐降低的趋势；NO3--N含量前期增加平缓，后期明显增加；全氮含量先降低后增加；堆肥结束三个处理的氮素损失率分别为19.8%、20.2%和29.6%，低通风量与中通风量处理之间差异不显著 (P ≥0.05)，低通风量、中通风量较高通风量处理均有明显差异 (P ≤ 0.05)。在一定的通风量范围内，鸡粪堆肥过程中较高的通风量伴随着较高的氮素损失，采用中通风量即0.2 m3/(m3·min) 时保氮效果较好。