奶牛场水冲粪-固液分离系统氨排放的季节变化特征

崔利利，王效琴，段雪琴，程松林，李雪萦，苏丽霞，田扬庆

(西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

氨不仅是恶臭污染物，而且沉降到土壤后会通过硝化和反硝化作用产生氧化亚氮，间接对全球变暖产生影响，同时也是形成PM2.5的前体物质，对人体健康和生态环境都有严重影响[1-4]。畜禽粪污是中国氨排放的主要来源，占全国NH3排放总量的40.79%～69.20%[5-6]。畜禽养殖场的粪污处理模式较多，国内外研究主要集中在干清粪系统的畜禽粪便堆肥过程及水泡粪系统的氨排放方面[7]，对水冲粪-固液分离系统的氨排放却鲜有研究，目前该系统正以其效率高、故障少、有利于舍内卫生等优点而被推广应用于国内的规模化奶牛场[8]。

奶牛场水冲粪-固液分离系统利用奶牛场废水冲洗牛舍的粪尿，这些携带着奶牛粪尿的污水经过固液分离后产生粪渣和废水，其中粪渣一般堆积后用作奶牛的卧床垫料，废水则贮存在厌氧塘中。该系统粪渣和废水的理化性质不同于干清粪系统的粪便和污水，因此氨排放特点及排放量不同于粪便堆肥，也不同于一般的污水贮存过程。废水和粪渣的氨排放受温度、pH及其理化性质的影响，而这些指标均随着季节发生变化[9]。因此，本研究选取一实行水冲粪-固液分离系统的规模化奶牛养殖场，对其固液分离后产生的废水和粪渣进行不同季节(春季、夏季、秋季和冬季)的氨排放研究，并评估粪渣及废水对该系统氨排放的影响，以期掌握废水和粪渣贮存和堆积过程氨的排放特点，为明确该系统的工艺改进方向和定量评估其环境影响奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

从采用水冲粪-固液分离系统的规模化奶牛场采集固液分离后的废水和新鲜粪渣，运回西北农林科技大学试验大棚内进行试验，试验大棚顶部密封、四周不密封，以模拟奶牛场粪渣堆放实况。废水贮存在不锈钢圆柱桶(直径50 cm，高100 cm)内，以静态模拟奶牛场厌氧塘废水贮存过程氨排放的变化情况。每个季节废水试验共设3个重复，试验开始时，每个圆柱桶装180 kg奶牛场废水，水面高度为90 cm。

粪渣春季试验共设3个重复，将采集的奶牛场粪渣放置于直径和高均为50 cm的圆柱体不锈钢堆肥箱内，堆肥箱外层有一层反光铝箔保温膜以减小外界温度的影响，每个堆肥箱内装35 kg新鲜粪渣，高度为45 cm。为了更加真实地模拟奶牛场粪渣堆积情况，从夏季试验开始做了调整，将采集的粪渣直接堆积在试验大棚地面上，堆积成直径170 cm、高60 cm的圆锥体形状，每个堆体有200 kg新鲜粪渣。在整个试验过程中，参照奶牛场不同季节粪渣翻堆经验，随试验过程粪渣堆体内实际温度和含水率的变化进行翻堆，其中春季的翻堆频率为每周翻堆1次，最后一周不翻堆；夏季的翻堆频率为前4周每周翻堆2次，最后3周不翻堆；秋季的翻堆频率为前3周每周翻堆2次，中间3周每周翻堆1次，最后一周不翻堆；冬季的翻堆频率为第1周翻堆2次，第2周翻堆3次，随后每2周翻堆1次。春、夏、秋和冬季的翻堆次数分别为6，8，9和7次。

1.2 样品采集与分析

废水试验开始前，用不锈钢棒搅拌混匀各桶废水，采样测定pH、总有机碳(TOC)和全氮(TN)，测定方法分别为pH计、非色散红外线吸收法和碱性过硫酸钾消解紫外分光光度计法。试验过程中每7 d采样1次，测定废水的pH和TN。为了尽量不影响废水的静态贮存，只在废水的上中下层采集样品，试验过程中各废水的理化性质取上中下层的均值。

粪渣试验开始前先充分混合粪渣，采集粪渣样品测定pH、含水率(MC)、TN和TOC，测定方法分别为蒸馏水浸提-pH计、105 ℃干燥24 h、H2SO4-H2O2消煮-凯氏定氮法和高温外热重铬酸钾氧化-容量法。试验过程中粪渣采样方式、频率、时间和测定指标均与废水一致。

各季节废水和粪渣初始理化性质如表1所示。

表1 奶牛场水冲粪-固液分离系统不同季节废水及粪渣的理化特性

1.3 氨气采集以及废水和粪渣堆体温度及气温的测定

废水和粪渣氨气的采集采用通气法，试验方法与王朝辉等[10]和崔利利等[11]的方法相似：分别取2块厚度2 cm、直径16 cm的海绵，均匀浸以15 mL的磷酸甘油溶液(将50 mL磷酸和40 mL甘油用蒸馏水定容到1 000 mL容量瓶中)后，置于直径和高均为15 cm的PVC管中，上层海绵与管顶部相平以隔绝空气，下层海绵距管底6 cm，用于吸收废水或粪渣排出的氨气。采集废水排出的氨气时，在距PVC管底部4 cm处外套一厚4 cm、长宽均为20 cm的泡沫板，以提供浮力使PVC管能平稳地悬浮在水面，且一部分PVC管浸泡在水中，起到天然水封的作用。采样时，将采气装置静置于贮存桶废水表面中央1 h，随后将吸收氨气的下层海绵取下，完全浸泡在 1 mol/L(300 mL)的KCl 溶液中，振荡1 h，浸出液用流动分析仪测定氨态氮和硝态氮含量，以计算氨气的排放速率。采样时间为早上09:00-10:00。采样频率如下：前1周(0～7 d)每天采样，第2周(8～14 d)采样3次，随后每周采样2次。

路越来越平坦宽阔。农人的灯亮起来，遥遥在望的城市灯火让一杭有种重新回家的亲切感。这时，迎面走过来三个青年男子。戴蛤蟆镜，穿牛仔裤。一个红头发，一个光头，另一个特征不明显。一杭本能地放慢脚步，与雪萤低着头并排前行，却能感觉到这一伙人正在观察他们。

采集粪渣排放的氨气时，将PVC管管体插入粪渣表面以下3 cm，以保证采气时PVC管处于密封状态。春季试验采气时，将PVC管置于每个堆肥箱粪渣上表层的中部，其他季节采气时，将3个PVC管均匀扣在粪渣圆锥体侧面中部。采气时间、频率及测定方法与废水试验相同。

在采集氨气的同时，测定废水和粪渣堆体的温度及气温，测定频率和时间与气体采样一致。废水温度采用溶氧仪测定废水上中下层温度后取平均值，废水上层是指距废水上表面10 cm处，中层是指废水的中间位置，而下层指的是距废水底面10 cm处。粪渣堆体温度采用温度计测定，春季试验的测定位置为粪渣堆体中部；其他季节为粪渣圆锥体的上中下层，其中粪渣上层是指距粪渣顶部10 cm处，中层是指粪渣的中间位置，而下层指的是距粪渣底面10 cm处，粪渣堆体温度取堆体上中下层温度的平均值。气温采用温湿度仪测定。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2013和SPSS 19.0进行统计与分析。

氨气排放速率的计算公式为[10]：

式中：F为氨气的排放速率，mg/(kg·h)；c1和c2分别为废水和粪渣中铵态氮和硝态氮的质量浓度，mg/L；A为废水上表层面积或粪渣堆体侧面积，m2；V为浸提液的体积，mL；a为吸收氨气的海绵的有效面积，m2；m为初始废水或粪渣的质量，kg；t为采样时间，h。

水冲粪-固液分离系统中粪污NH3累积排放量的计算公式为：

式中：AEi为水冲粪-固液分离系统不同季节排出的氨气累积排放量，g/t；MWi和MRi分别为该分离系统不同季节的废水和粪渣日均产量，t；AWi和ARi分别为不同季节废水和粪渣的氨气累积排放量，mg/kg。奶牛场春季、夏季、秋季和冬季废水和废渣的日均产量分别为173,316,167，153 t和27,27,26，24 t。

2 结果与分析

2.1 不同季节废水及粪渣堆体温度与气温的变化

温度是影响废水贮存及粪渣堆积过程氨排放的一个重要指标。从图1可以看出，不同季节中,废水温度与气温差异不明显，而粪渣堆体温度与气温有明显差异。废水温度主要受气温影响，不同季节的废水温度表现出明显的季节差异，春季、夏季、秋季和冬季废水温度分别为16.4～29.2，18.1～35.0，4.0～18.9和-4.1～9.2 ℃。粪渣堆体温度受有机物降解产热和气温的共同影响，除春季因粪渣堆体体积较小，堆体内所含有机物总量较低，有机物分解产生的热量较少且很快散发到空气中而导致堆体温度和气温相差不大外，夏季、秋季和冬季粪渣堆体温度均有明显的升温期、高温期和降温期，分别在第1, 4和6 天达到最高温度。春季、夏季、秋季和冬季的粪渣堆体温度分别为18.8～38.6，22.1～63.0，7.0～46.2和5.0～55.8 ℃，即使在降温期也略高于气温。

图1 奶牛场水冲粪-固液分离系统不同季节气温、废水及粪渣堆体温度的变化

2.2 不同季节废水及粪渣堆体pH的变化

pH是废水和粪渣的一个重要理化指标，其主要通过影响微生物活性，从而影响氨的排放。由图2可知，春季、夏季、秋季和冬季废水pH分别为7.53～8.33，8.18～8.68，7.55～8.39和7.52～8.15，在整个试验过程中废水pH长期处于8.0左右，有利于NH3的产生和排放[9]。各季节pH变化趋势各有不同，春季废水pH在贮存前14 d呈现下降趋势，14 d后总体呈上升趋势，并在贮存42 d后高于秋季和冬季；夏季废水pH总体高于8.2，且基本在整个试验中都高于其他季节；而秋季和冬季废水pH变化趋势相似，总体上呈先上升后下降趋势。

由图2还可知，春季、夏季、秋季和冬季粪渣堆体pH分别为7.65～8.13，7.26～8.01，7.07～8.01和7.27～8.26。试验开始时，各季节pH均在8.0左右，有利于NH3的产生和排放。整个试验期间，春季粪渣pH呈波动性变化，其他3个季节粪渣的pH均呈明显下降趋势。试验结束时(49 d)，春、夏、秋、冬季pH分别降到7.92，7.42，7.07和7.49。

图2 奶牛场水冲粪-固液分离系统不同季节废水(A)和粪渣(B)pH的变化

2.3 不同季节废水及粪渣堆体TN的变化

图3显示，在整个试验过程中，4个季节废水的TN质量浓度总体呈下降趋势，其中在试验第1～7天，春季、夏季和秋季废水TN质量浓度明显下降，之后变化幅度较小；在整个试验过程中，冬季废水TN质量浓度均无明显变化。

4个季节粪渣堆体的TN含量在整个试验过程中总体呈上升趋势，其中夏季粪渣的TN含量变化幅度较大，其他3个季节的变化幅度均较小。

图3 奶牛场水冲粪-固液分离系统不同季节废水(A)和粪渣(B)TN含量的变化

2.4 不同季节废水及粪渣堆体的NH3排放特点

2.4.1 废水NH3排放速率及累积排放量 由图4可知，在0～49 d，各季节废水均有NH3排放，但NH3排放速率的变化趋势略有不同。春季废水NH3排放高峰主要集中于贮存中期和后期，夏季主要集中于贮存前期和中期，秋季主要集中于贮存前期，而冬季无明显的NH3排放高峰期。

在0～17 d，春季废水NH3排放速率总体呈上升趋势,于贮存17 d达到峰值(209.40 μg/(kg·h)，随后总体呈下降趋势。试验前6 d，夏季废水NH3排放速率总体呈下降趋势，并在贮存第6 天降至127.98 μg/(kg·h)，之后NH3排放速率快速上升，并在贮存第14 天达到最大值(278.72 μg/(kg·h))，之后总体呈下降趋势。秋季废水NH3排放速率在贮存前9 d较高，之后快速下降并在较低的范围内波动。而冬季废水NH3排放速率在试验期间变化规律不明显。

试验结束时，各季节废水NH3累积排放量由高到低依次表现为夏季>春季>秋季>冬季，相应的NH3累积排放量分别为177.24，168.13，162.00，144.93 mg/kg。

图4 奶牛场水冲粪-固液分离系统不同季节废水NH3排放速率和累积排放量的变化

2.4.2 粪渣NH3排放速率及累积排放量 由图5可知，粪渣堆积过程中，除了春季NH3排放速率在试验中期出现明显排放峰值及在试验末期又出现明显上升趋势外，其他3个季节的NH3排放速率变化趋势基本相同，总体呈降低趋势且波动范围较小。

由图5还可知，随着时间推移，不同季节粪渣的NH3累积排放量均呈增加趋势。至试验结束时，不同季节NH3累积排放量由高到低依次表现为冬季>秋季>夏季>春季，相应的NH3累积排放量分别为0.67，0.54，0.42，0.36 g/kg。冬季粪渣的NH3累积排放量高于夏季和秋季，其主要原因是冬季堆体pH在整个试验过程中基本上均显著高于夏季和秋季，且经历了较长的高温期。而春季堆体虽然pH总体较高，但由于堆体较小而无高温期，其堆体温度远低于其他季节高温期的温度，且试验初期粪渣堆体温度持续下降，加之粪渣翻堆频率也低于其他季节，导致试验期内春季的NH3累积排放量持续低于其他季节。

图5 奶牛场水冲粪-固液分离系统不同季节粪渣堆体NH3排放速率和累积排放量的变化

2.5 水冲粪-固液分离系统不同季节NH3累积排放量

由图6可见，试验结束时，春季、夏季、秋季和冬季废水的NH3累积排放量占整个系统的比例分别为75%，83%，67%和58%，其原因主要是废水中TN总量较粪渣多，即废水有充足的底物。很多研究者对水泡粪-固液分离系统的分析也表明，废水NH3累积排放量占系统的比例高于粪渣[7,12-13]。

图6 不同季节奶牛场水冲粪-固液分离系统的NH3累积排放量

3 讨 论

3.1 废水贮存过程的NH3排放

研究表明，在废水贮存过程中NH3排放的主要影响因素有废水温度和pH等[9,14-17]。在本研究中，春季废水NH3的较高排放速率出现在14 d之后，这与春季废水pH在14 d之前呈下降趋势且总体上低于8.0，而14 d之后整体呈上升趋势有关；夏季和秋季试验中，NH3的较高排放速率出现在14 d之前，与夏季和秋季废水试验在前14 d pH呈上升趋势且总体上高于8.0，而14 d之后秋季废水呈下降趋势，夏季废水则有一个短暂的大幅下降有关。夏季废水在整个试验过程pH均高于8.0，其试验前7 d NH3排放速率的下降趋势与同期温度的下降趋势一致。由此可见，在本研究的废水温度和pH范围内，NH3排放速率受水温和pH的叠加影响，且NH3在-4.1～35.0 ℃的温度范围内均可排放。

在本研究的温度和pH范围内，整个试验过程中废水都在排放NH3，这与很多学者的研究结果[18-19]一致。本研究表明，除冬季外，春季、夏季和秋季废水NH3排放速率均具有明显高峰期。这与Dinuccio 等[18]的研究结果一致。而Moset等[19]研究发现，夏季废水NH3在贮存中期和后期集中排放。这与本试验夏季NH3排放高峰期出现在前中期的结果略有不同，其原因在于Moset等[19]的废水试验初期pH为7.1，且随着时间的变化缓慢上升，直至试验结束时pH才上升为7.9，因此其试验中NH3在前期排放较少；而在本研究的整个夏季试验过程中，废水pH均在8.18以上，更有利于NH3的产生，因此本试验初期即有较高的NH3排放速率。由于温度的影响，各季节NH3累积排放量由高到低表现为夏季>春季>秋季>冬季，这与陈园[20]对猪场废水贮存时的研究结果相一致，也与Petersen等[14]关于夏季废水NH3累积排放量远大于冬季的结论相一致。

3.2 粪渣堆积过程的NH3排放

研究表明，在粪便堆积过程中影响NH3排放的主要因素有堆体温度、pH和翻堆频率等[21-23]。本研究中，在粪渣堆积试验初期，春季试验的NH3排放速率显著低于其他季节，与春季堆体温度和翻堆频率低于其他季节的现象一致；试验中后期，春季粪渣堆体温度回升，加上pH显著高于其他季节，NH3排放速率逐渐上升，并在堆积42 d后高于其他季节。在整个试验过程中，冬季NH3排放速率显著高于夏季和秋季，与冬季试验粪渣pH基本上高于夏季和秋季的现象一致。因此，本研究也证实，粪渣堆积过程的NH3排放主要受粪渣堆体温度、pH和翻堆频率的叠加影响。

在本研究中，整个堆积过程中粪渣均在排放NH3，这与崔利利等[11]和周谈龙等[21]的研究结果类似。但也有一些研究表明，NH3排放主要集中于堆肥前期[24-25]，主要是由于这些研究的堆体是动物新鲜粪便，堆肥前期堆体pH较高(长期处于8.5左右)，且堆体温度的高温期较长(40 ℃以上可达15 d左右)，有利于堆积前期NH3的大量排放。而本研究的堆体是粪渣，堆体高温期短(夏、秋与冬季只有5 d左右，而春季无高温期)，且pH相对较低(在8.1以下)，使得有机物的分解表现为相对缓慢的长期过程，相应的NH3排放也贯穿于整个试验过程，而非集中在堆积前期。

废水与粪渣的初始TN含量为NH3排放提供了基质条件，但需要在适宜的温度和pH下才能实现。在本试验中，不同季节的废水与废渣初始TN含量排序与NH3的累积排放量顺序并不一致，说明在初始TN含量差异不大的情况下，温度和pH是影响NH3累积排放量的主要因素。试验过程中废水与粪渣的TN含量变化受水分蒸发和有机物降解的双向影响，废水TN质量浓度总体呈降低趋势，而粪渣TN含量表现为增加趋势，该趋势与NH3排放速率波动幅度较大的变化趋势并不完全一致，说明在本试验中NH3的排放速率主要受温度和pH的影响。

由于厌氧塘原位试验的困难性，本研究废水贮存过程的NH3排放是静态模拟厌氧塘的试验，与奶牛场厌氧塘的动态水力条件存在一定差异，因此在以后研究后，应进一步设计原位试验的采样工具以展开厌氧塘原位监测试验。

4 结 论

在奶牛场水冲粪-固液分离系统中，废水贮存过程的NH3排放速率主要受气温和pH的影响，NH3累积排放量有明显的季节变化特点。试验结束时，春季、夏季、秋季和冬季试验相应的NH3累积排放量分别为168.13，177.24，162.00和144.93 mg/kg。粪渣堆积过程中，NH3排放受粪渣堆体温度、pH和翻堆频率的叠加影响，与气温并无直接关系，春、夏、秋、冬季粪渣NH3累积排放量分别为0.36，0.42，0.54和0.67 g/kg。废水是水冲粪-固液分离系统NH3排放的主要来源，其NH3累积排放量占整个系统的58%～83%，因此控制好各季节废水贮存过程的NH3排放是减少奶牛场粪污氨排放的关键，养殖场可以通过降低废水的pH 而降低水冲粪-固液分离系统的NH3排放。