生物炭对畜禽粪污好氧堆肥品质影响的研究进展

2022-02-15刘龙卢胜男周岭张红美

绿洲农业科学与工程 2022年2期

刘龙，卢胜男，周岭，张红美

（塔里木大学机械电气化工程学院/新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔 843300）

由于我国畜禽养殖业的不断扩大发展，畜禽粪污排放的污染问题也日益严重。2020年我国畜禽粪污排放量达到30亿吨[1]，但畜禽粪污资源综合利用率仅有60%[2]，畜禽粪污已经成为我国主要污染排放源[3]。好氧堆肥技术是在通氧的条件下，由嗜氧微生物固化粪便中有机物质的过程，可实现畜禽粪污无害化处理，实现肥料化利用。但在缺氧条件下，易出现局部区域厌氧发酵，产生大量NH3、CO2、CH4、H2S等有害气体，造成大气污染，加剧温室效应[4]。为了提高好氧堆肥品质，常通过物理、化学方法对堆肥过程进行调控，在堆肥过程中加入添加剂就是其中方法之一。

生物炭是生物质原料在厌氧或少氧的环境中热裂解得到的富碳固体产物[5]，主要是由C、H、O等元素组成，其中C元素最多，约为60%～70%，还含有N、P、K、Ca、Mg、Na等元素[6]。生物炭具有非常发达的孔隙结构，大的比表面积，且表面有大量羧基、醛基、羟基等含氧官能团和负电荷[7-11]，使其具有促进离子交换、吸附重金属、固氮[12]、固碳减排、改善土壤和生态环境等作用。2010年Dias等[13]首次采用生物炭与畜禽粪污堆肥，证实了生物炭可减少堆体氮素损失，缩短堆肥周期，为生物炭应用于堆肥领域奠定了基础。

近年来，采用生物炭为添加剂对畜禽粪污进行好氧堆肥成为研究的热点。本文阐述了生物炭对畜禽粪污堆肥过程中堆体理化性质、养分含量、有害气体排放、重金属钝化等方面的影响，并进行了展望。

1 生物炭对堆体理化性质影响

1.1 温度

堆肥温度是影响堆肥进程的一个重要因素，是用来判断堆体腐熟度的重要指标。李太魁等[14]采用猪粪、秸秆、和添加5%、10%、15%的小麦秸秆生物炭进行好氧堆肥，与对照相比，堆体提前2～3天进入高温期，加快了堆肥进程。付祥峰等[15]研究添加量为5%、10%、15%的水稻秸秆生物质炭与猪粪+稻草堆肥的影响，结果表明，添加生物质炭能够提高堆体温度，缩短堆肥周期，较对照组提前3天进入高温期。吴晓东等[16]通过研究添加比例为0%、3%、6%、9%、12%、15%的柠条生物炭+鸡粪+小麦秸秆堆肥，发现生物炭可缩短堆肥升温期1～2天，延长堆肥高温期2～4天。可见，添加生物炭进行好氧堆肥可提高堆体升温速率，使堆体提前进入高温期，并延长堆体高温时间，加快有机物的降解，缩短堆肥周期，但生物炭种类、添加量对不同原料的堆体影响程度不同。

1.2 pH值

畜禽粪污好氧堆肥过程中，堆体pH值过高或过低均会影响堆体中有机质分解速率，pH值过高会造成堆体氮素以NH3形式流失，使堆体氮素降低，肥效降低；pH值过低会产生大量有机酸，造成酸性环境，影响微生物繁殖活性。Sanchez-Garcia等[17]以畜禽粪便和秸秆为原料，生物炭为添加剂进行堆肥，最终堆体pH值比初始值增加0.6。荣荣等[18]在鸡粪-玉米叶堆肥中添加生物炭，堆肥结束时pH值较堆肥初期明显增加，且高于对照组。李太魁等[14]在猪粪、秸秆中添加生物炭进行堆肥，研究发现随生物炭添加量增加，堆肥初期的堆体pH值增加量降低。李宇航等[19]发现在鸡粪-玉米秸秆和树叶中添加生物炭堆肥时，生物炭对堆体最终pH值影响不大，研究结果与朱成武[20]相似。可见，目前关于添加生物炭对畜禽粪污好氧堆肥pH的影响存在争议，这可能与堆肥原料、生物炭种类、炭化条件、添加量等因素有关。

1.3 含水率

堆肥适宜的含水率通常在50%～60%之间，过高的含水率会影响堆体的通气性，抑制氧气流通，堆体局部形成厌氧环境，导致有机物降解不完全[21]；过低的含水率会使微生物活性代谢降低，影响堆肥效率[22]。畜禽粪污不易吸收水分，且水分吸收不均匀、易挥发。而生物炭具有高度密集的孔隙度，且易吸收水分，不易散失，在畜禽粪污堆肥过程中加入生物炭可提高堆体的保水性[23]。刘宁等[24]用鸡粪、秸秆和生物炭堆肥，发现生物炭含水率从初始的3.4%急速上升到36.8%，降低了堆体水分散失能力。吴晓东等[16]研究在鸡粪和小麦秸秆中添加不同比例生物炭进行堆肥，结果表明，随生物炭添加量增大，堆体含水率上升，且生物炭处理组含水率高于对照组。可见，生物炭可以减缓堆体含水量的下降速率，减少堆体水分的散失。

2 生物炭对养分的影响

生物炭特有的性能使其应用于堆肥可提高堆体固氮能力，减少氮素流失，是NH3和水溶性NH4+的吸收剂。高文慧等[25]发现在猪粪中添加花生壳生物炭堆肥，随生物炭添加量增加，堆体硝态氮含量增加，铵态氮浓度降低；且添加3%和6%的生物炭处理组氨挥发比对照组高8.98%和46.30%；9%的生物炭添加处理组氮素损失率最低，氨挥发最少。陶金沙[26]发现小麦秸秆生物质炭与猪粪比例为1∶12、1∶5和1∶2.3进行堆肥，硝态氮含量依次增加了53.70%、148.36%和27.61%，全氮损失量分别减少了32.07%、60.78%和50.18%；其中，添加生物质炭与猪粪比例为1∶2.3的处理组堆体全氮含量低于对照组。吴晓东等[16]研究表明添加柠条生物炭与鸡粪堆肥可以提高堆体全氮5.59%～27.38%，但对全磷和全钾影响不大，且当生物炭添加超过9%时，全氮的增加量不显著。李波等[27]将花生壳生物质炭添加到猪粪中堆肥，发现堆体的总有机碳含量增加了6.69%～20.60%；但添加3%和6%生物炭处理组的碳素损失大于未添加生物炭处理组，9%堆肥过程中碳素的损失小于未添加生物炭处理组。因此，生物炭堆肥可以减少氮素的流失，提高堆体硝态氮含量，增加堆肥有机碳含量，但添加不同比例的生物炭对堆体养分固持能力影响还需进一步深入研究。

注：+表示气体排放增多；-表示无研究(在表格内）。Note:+Indicates an increase in gas emissions;-Indicates no research(Within the table).

3 生物炭对堆体有害气体排放影响

传统堆肥方式会产生大量NH3、CO2、N2O、CH4等有害气体，加剧温室效应，污染环境，增加养分流失，降低肥效。生物炭具有良好的化学吸附能力和孔隙结构，可有效降低堆肥过程中温室气体排放。由表1可见，堆肥过程中添加生物炭可减少CH4、CO2、N2O、NH3气体的排放量，这是因为生物炭的添加降低了可溶性有机碳含量，进而减少了CH4排放。但也有研究发现，生物炭的添加导致CO2排量上升，因为生物炭的高孔隙率，降低了堆体密度，增强了堆体供氧能力，有利于好氧微生物降解，从而产生CO2[28]。生物炭减少了厌氧环境，降低了反硝化作用生成N2O；同时生物炭对环境的改善加快了好氧微生物对NH4+的代谢作用，并促使NH4+向NO2-、NO3-或其他有机氮素转变，从而降低NH3排放[29，30]。可见，生物炭改善了堆体通风供氧条件，降低了有害气体排放，同时还加快了堆肥进程。

4 生物炭对堆体重金属钝化的影响

由于饲料中含有较多的矿物质添加剂，因而畜禽粪污中含有大量的Zn、Cu、Cd等重金属，这些重金属如不经过处理直接施入农田，会增加土壤重金属含量，污染土壤环境。刘小屿[35]在猪粪好氧堆肥中添加不同的钝化剂来研究对堆体重金属Cu、Zn钝化影响，从钝化效果对比来看，生物炭为最优钝化剂。张广杰[36]将橡木炭添加到猪粪与稻壳的混合物料中，发现Cu和Zn总含量在堆肥时有所增加，但有效态Cu和Zn的比例在堆肥过程中逐步减少。沈杭[37]在用猪粪堆肥和污泥堆肥中添加生物炭，发现生物炭的添加对堆体的Zn、Cu、Cd没有明显的钝化效果，但对堆体的Pb有着活化作用。侯月卿等[38]在猪粪、秸秆加入不同的生物炭研究对堆体重金属钝化效果时发现，木屑生物炭处理组对Cd钝化94.67%，花生壳生物炭处理组对Cu钝化65.94%，玉米秸秆生物炭处理组对Pb钝化57.2%。因此，有关添加生物炭对堆肥部分重金属钝化的有效性还不一致，还需更加深入的研究。