通风方式对牛粪堆肥氨气排放与氮素转化的影响

2020-11-24王友玲邱慧珍PHILIPGhanney李孟婵张春红

农业机械学报 2020年11期

王友玲邱慧珍 PHILIP Ghanney 李孟婵张春红

(1.甘肃农业大学资源与环境学院，兰州 730070;2.甘肃省畜禽废物资源化利用工程研究中心，兰州 730070)

0 引言

好氧堆肥因其处理效率高、成本低、可资源化利用等特点而广泛应用于有机废弃物的处理[1]。然而，堆肥过程中氨气(NH3)和氧化亚氮(N2O)的产生会导致大量氮素损失。据资料统计，堆肥过程中，以NH3形式损失的氮占 TN的9.6%～46%[2]，占氮素总损失量的79%～94%；以N2O形式损失的氮占氮素总损失量的0.1%～5%[3]。不仅造成了环境二次污染，而且降低了堆肥成品有机肥的品质[4-5]。因此，探明堆肥过程中影响氮素转化和氨挥发的因素和机理、减少堆肥过程中含氮气体的排放、控制氮素损失是当前亟待解决的问题。

1 材料与方法

1.1 试验材料

堆肥试验在反应器中进行。供试牛粪由甘肃省白银鑫昊奶牛场提供，玉米秸秆取自甘肃省榆中县农田，并粉碎成1～2 cm的小段。供试材料的基本理化特性见表1。

表1 堆肥物料的理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of composting materials

1.2 堆肥试验

试验在图1所示的密闭式强制通风反应器系统中进行。反应器有效容积约60 L，采用温度传感器记录温度数据。试验以牛粪和玉米秸秆为原料，调节物料碳氮比为29，含水率为60%进行好氧发酵试验。

试验设置连续通风和间歇通风2个处理，记为T1、T2处理。通风速率采用小型反应器堆肥中的推荐值0.2 L/(min·kg)[15]。已有研究[16-17]表明，在连续通风10 min的时间内，通风后期的O2浓度变化很小，说明通风10 min堆体内的O2供应充分。通风结束后，10 min内堆体O2消耗速度最快，之后O2消耗速度较慢，故设置间歇通风处理通风10 min，停止10 min。每个处理设置3个重复。

图1 堆肥反应器示意图Fig.1 Sketch of composting vessel

1.3 试验样品采集

1.3.1固体样品采集

1.3.2气体样品采集

气体样品(N2O)用注射器收集到0.2 L的采气袋里备用。前10 d每天收集，后10 d隔天收集，每天08:00采样，没有测定日期的数据通过对最近前后测量日进行平均计算得出，累积排放量则是通过日通量计算得出。

1.4 测定指标与分析方法

1.5 氮素损失计算方法

TN损失率计算公式为

式中X——TN损失率，%

C0——初始TN质量比,g/kg

C1——结束时TN质量比,g/kg

M0——初始物料干质量,kg

M1——结束时物料干质量,kg

1.6 数据分析

2 结果分析

2.1 堆肥过程中温度和pH值的变化

2.1.1温度

如图2所示，在堆肥初期，T1、T2处理的温度迅速升高并在第2天达到峰值70.77、69.15℃。这是由于强制曝气促进了有机物质的降解，导致温度迅速升高[14]。T2处理温度低于T1处理，是因为在升温阶段O2消耗速度很快[16]，T2处理可能因为缺氧而影响微生物的活性，进而影响堆体的升温。随后堆体温度逐渐下降，到堆肥结束时，易分解有机物质基本完全降解，微生物代谢活动减弱，2个处理的温度接近环境温度，均低于30℃。可能因为T2处理较高的瞬时曝气速率造成更多的热量和水分损失，使得T2处理温度低于T1处理。2个处理高温期(温度大于50℃)持续时间均为9 d，达到《畜禽粪便无害化处理技术规范》[20]规定的密闭仓式堆肥保持发酵温度50℃以上不少于7 d的要求。

图2 堆肥过程中温度的变化曲线Fig.2 Change curves of temperature during composting

2.1.2pH值

图3 堆肥过程中pH值的变化曲线Fig.3 Change curves of pH value during composting

2.2 堆肥过程中 TN含量的变化

由图4可见，T1和T2处理TN含量呈先下降后上升的趋势。T2处理TN含量高于T1处理。2个处理TN含量均随温度升高而下降，主要是由于高温和高pH值条件下有机氮的分解和NH3的挥发[22]。到堆肥结束时，2个处理TN质量比均高于初始值并达到峰值，分别为15.91、16.35 g/kg。已有研究[23-24]表明，TN含量增加的主要原因是浓缩效应，因为堆肥质量减少的速度比氮素减少的速度更快，导致堆肥过程中氮相对富集。在本研究中，T1处理TN显著增加，说明有机碳化合物的强烈降解可能也是TN含量增加的原因[25]。试验结束后，T2处理TN含量高于T1处理，说明通风方式可能也是造成这一差异的原因。

图4 堆肥过程中TN含量的变化曲线Fig.4 Change curves of TN during composting

2.3 堆肥过程中无机态氮的变化

图5 堆肥过程中含量的变化曲线Fig.5 Change curves of during composting

图6 堆肥过程中含量的变化曲线Fig.6 Change curves of during composting

2.3.3氨气的排放

2.4 堆肥过程中有机态氮的转化

2.4.1酸解总有机氮

堆肥材料中的氮素多以有机氮形态存在。根据 Bremner酸解法将有机氮划分为非酸解氮(UTHN)和酸解总有机氮(THN)。酸解总有机氮主要包括氨基酸态氮(AAN)、氨基糖态氮(ASN)、酸解氨氮(AN)和酸解未知态氮(HUN)，本研究中酸解总有机氮约占 TN 45%，各种酸解有机氮含量的变化情况见图8。2个处理的酸解总有机氮在堆肥初期下降，之后逐渐上升。堆肥结束时T1、T2处理的酸解总有机氮含量分别为8.22、9.24 g/kg，说明T2处理具有更强的连续供氮能力。

图7 堆肥过程中NH3排放量的变化曲线Fig.7 Change curves of NH3 during composting

图8 堆肥过程中AAN、ASN、AN、HUN和THN含量的变化Fig.8 Changes of AAN, ASN, AN, HUN and THN during composting

2.4.2氨基酸态氮

图9 堆肥过程中氮素组分的转化相关性Fig.9 Transformation correlation of nitrogen component during composting

图10 堆肥过程中氮素损失Fig.10 Losses of nitrogen during composting

2.4.3氨基糖态氮

氨基糖态氮是微生物的重要组成部分，其含量与微生物的生物量有关[26]。如图8所示，T1和T2处理氨基糖态氮占酸解有机氮的比例约为3%，氨基糖态氮含量呈先上升后下降的趋势，最后达到一个相对稳定的水平，这和堆肥过程的温度变化(图2)是一致的。T1和T2处理的氨基糖态氮质量比在第2天达到最大值0.31 g/kg和0.34 g/kg，这是由于充足的氮、碳和营养物质，增加了微生物的生物量，从而增加了氨基糖态氮含量[11]。T2处理的氨基糖态氮含量高于T1处理，说明间歇曝气能促进微生物的生长和活性，有利于氨基糖态氮的积累。随着可利用有机物质的消耗，导致微生物的死亡和分解，氨基糖态氮含量降低[29]。

2.4.4酰胺态氮

如图8所示，T1和T2处理的酰胺态氮质量比在堆肥初期呈上升趋势，并在第2天达到最高值1.18、1.01 g/kg。这可能是由于物料中由脱氨基或水解产生的氨基糖和氨基酸合成了酰胺态氮[30]。随着堆肥的进行，酰胺态氮含量逐渐下降，这主要是由于微生物代谢导致酰胺态氮降解[11]。酰胺态氮是堆肥过程中氨挥发的主要来源之一[29]，酰胺态氮可以向铵态氮转化，并以氨气形式挥发[30]，这和图9的分析结果一致。到堆肥结束时，T2处理的酰胺态氮含量低于T1处理。说明间歇曝气可以抑制氨挥发。酰胺态氮约占酸解有机氮15%。

2.4.5酸解未知态氮

2.5 堆肥过程中氮素转化机理

结构方程模型(Structure equation modeling，SEM)是一种将数据拟合到表达因果假设的模型中，探索变量之间因果关系的方法，这种关系用因果模型、路径图等形式加以表述[32]。由于有机氮转化过程的复杂性，不同的生化反应可能产生协同或抑制作用。因此，采用SEM可以使不同有机氮组分之间的转化关系更加直观。SEM分析结果表明，该模型的拟合指标已达到估计指标理想拟合的标准(χ2/df<2，P>0.05，GFI(拟合优度指数)大于0.950，CFI(比较拟合指数)大于0.900和RMSEA(渐进残差均方和平方根)小于0.05)。因此，本试验中SEM可以有效地研究有机氮组分的转化。

表2 堆肥过程中有机氮组分转化对的直接、间接和总影响结果Tab.2 Direct, indirect and total effects of organic nitrogen fractions transformation on during composting

2.6 氮素损失

由图10可知，T1和T2处理TN损失分别占初始TN的23.25%和21.12%。TN损失的主要原因是NH3挥发。T1和T2处理中通过NH3挥发损失的氮占TN的损失率分别为74.76%和61.84%。而N2O排放损失的氮分别仅占TN损失的1.12%和1.37%。这一结果与文献[33]研究结果类似。说明减少NH3排放是保氮的关键。