禽畜粪便堆肥温室气体排放及其控制研究进展

石建新

(塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

引言

我国是禽畜养殖大国，根据资料显示，2020年底，我国猪、牛、羊存栏数分别为40650.4万头、9562.1万头和30654.8万头[1]，其中猪、牛、羊每日粪便产量达5.5kg、27.2kg、2.6kg[2]，再加上鸡、鸭、鹅等家禽，我国畜禽粪便年产生量近40亿t,资源化利用率达到75%左右，但是仍有近25%的畜禽粪便尚未得到利用,畜禽粪便污染的压力长期存在[3]。如此多的禽畜粪便如果处理不当，将会对环境产生巨大的危害。好氧堆肥是禽畜粪便资源化利用的重要技术手段，好氧堆肥是在有氧参与的条件下，利用微生物把堆肥原料分解、氧化为稳定的物质，同时放出热量的过程。在实际应用中，好氧堆肥过程总是伴着厌氧堆肥。堆肥过程主要经历4个阶段，即升温期、高温期、降温期、腐熟期。堆肥过程中，在微生物的活动下，随着有机物的降解，会有CO2、CH4、N2O气体逸出，CO2、CH4、N2O是堆肥过程中产生的主要温室气体，不仅破坏环境，同时还会降低堆肥品质。

国内外针对禽畜粪便好氧堆肥过程中CO2、CH4、N2O等温室气体的排放和控制的研究，已有较多的报道，并取得了一定进展，本文对近年来国内外专家学者在利用禽畜粪便堆肥中对CO2、CH4、N2O等温室气体的排放和减排技术研究成果进行了分析，同时结合已有研究成果，提出了禽畜粪便堆肥温室气体减排控制路线，以期为我国禽畜粪便堆肥过程中温室气体减排提供参考。

1 温室气体排放特性

堆肥过程中产生的温室气体主要有CO2、CH4、N2O，这些气体排放量过高会损失堆肥中的C元素和N元素，造成堆肥肥效下降。据资料显示，N2O温室效应是CO2的265～298倍，CH4温室效应是CO2的25～28倍[4]。近年来因温室气体排放过多造成的全球变暖问题日益凸显，为应对这一严峻挑战，我国于2020年提出2030年前实现碳达峰目标、2060年前实现碳中和目标。积极稳妥推进“双碳”目标是我们的责任和义务。

1.1 CO2排放

根据世界气象组织(WMO)发表的《温室气体公报》,大气中的温室气体浓度在2018年再创新高，并指出，2018年全世界CO2排放量平均值为407.8ppm，此数据比工业化前(1850—1900年)水平高出了近50%。通过历史数据来看，CO2的释放速度还在不断加快。堆肥过程本身就是复杂的氧气消耗过程，堆肥过程中CO2的大量排放反映了堆体中有机物的快速降解以及堆体内腐殖质的形成。堆肥中CO2的释放主要来自于堆体中有机物矿化过程和微生物呼吸过程。堆肥过程中CO2排放主要集中在升温期和高温期。堆肥初期，部分可溶性糖、有机酸、淀粉等易降解的有机物先被微生物利用，微生物数量呈指数增长，生物活性增强，释放出能量和CO2，促使堆体温度快速升高，堆肥高温期。CO2排放升温期和高温期，CO2排放量占堆肥全过程排放量的78.5%～86.2%。堆肥降温腐熟期，易分解的有机质减少，微生物活动减弱，CO2排放量相对较少且排速率较为稳定。堆肥中约有60%～70%的碳转化为CO2[5]。

1.2 CH4排放

好氧堆肥过程中，因通风不畅或者过高的含水率等情况,堆体内部空气扩散不均匀，易出现缺氧区域，产甲烷菌主要活动在缺氧区域，产甲烷菌代谢获得能量并释放出CH4。CH4的产生主要分3个阶段：水解过程，堆体内的碳水化合物被厌氧或兼性厌氧微生物分解成有机酸；产氢产乙酸过程，经产氢产乙酸菌群作用，将堆体内的有机酸分解为乙酸、氢和二氧化碳气体；产甲烷过程，堆体内的产甲烷菌通过消耗氢将含碳物质转变为甲烷气体[6]。CH4是严格厌氧发酵过程的产物，堆肥过程中CH4的释放速率直接反映了堆体内部厌氧区域的多少。由CH4排放导致的碳素损失可占初始碳含量的0.08%～10%[7]。

1.3 N2O排放

N2O也是堆肥过程中释放的主要温室气体。与CO2和CH4造成的温室效应相比，N2O造成的温室效应更加严重，同时，N2O也是导致臭氧层损耗的物质之一。

堆肥中N2O产生主要来自堆体表层硝化细菌硝化过程和堆体内部缺氧区域反硝化细菌反硝化过程，硝化过程中氨态氮被氨氧化细菌氧化为亚硝酸盐，产生少量N2O，反硝化过程微生物将NO3-N和NO2-N转化为N2，过程中产生大量N2O[8]。堆肥过程中，升温期和降温期氧气浓度分布不均，氧气充足的堆体表面硝化反应和堆体内部缺氧区域反硝化反应同时发生，是N2O的主要排放阶段[9]。硝化菌和反硝化菌不耐热，堆肥高温期大量菌体死亡或者休眠，N2O排放速率减少约77%[10]。据统计，由N2O逸散损失的氮素比例为0.2%～9.9%[11]。

2 温室气体减排研究

针对好氧堆肥中温室气体减排，国内外已有很多研究，主要措施：优化堆肥工艺，增加堆体供氧量；堆肥中添加外源性物质；堆肥中添加菌剂；生物协同堆肥等。

2.1 优化堆肥工艺

优化堆肥工艺主要目的是增加堆体供氧量，减少厌氧发酵区域。主要措施有减小堆肥体积、加强翻堆或通风、控制堆体含水率等。

堆体大小对温室气体排放影响较大，当堆体体积较大时，内部氧气不易流动导致了厌氧区域的形成，堆肥时间延长，温室气体排放持续时间也较长，增加了累积温室气体排放总量。

提高翻堆频率，增强堆体通气供氧，减少堆体内部厌氧区域，使CH4形成受到抑制，是CH4减排的有效方法。易建婷[12]研究比较畜禽粪便条垛式、强制通风式及静态堆置堆肥工艺的温室气体排放，发现不通风条件的静态堆置CH4浓度显著高于通风条件良好的机械翻堆条垛式和强制通风工艺。刘明辉[13]研究表明，在堆肥过程中间歇供氧可以降低CH4和N2O等温室气体的排放，排放量分别减少22.26%～61.36%和8.24%～49.80%。谢军飞等[14]通过控制通风量研究通风对猪粪堆肥温室气体排放的影响，结果发现通风量越大，CO2排放量越大。较高的湿度与缺氧会使CH4的排放量增大，干湿交替的环境会促进N2O大量排放。表明增强堆肥堆体通风可有效降低温室气体排放。

Sommer[15]将奶牛粪便堆肥堆体含水率由76%调整至35%，堆体自由空域增加，CH4、N2O排放量显著减少。调整堆体含水率是CH4和N2O减排的关键工艺参数，含水率过高时(65%～52%)堆体内易出现缺氧区域，硝化和反硝化作用共同促进N2O大量排放。

2.2 添加外源性物质

在堆肥中添加外源性物质，可改变堆体孔隙结构，改善通气条件，调整含水率，改变微生物种类，通过查阅文献，常用的外源物质添加剂有生物炭、菌渣、木屑、木片、污泥、秸秆、过磷酸钙、沸石、鸟粪石、木醋液等。

王以祥等[5]研究的生物炭对堆肥温室气体和氨气的减排效果中发现，9%生物炭添加比例能够减少12.5%的氧化亚氮和29.9%和CH4排放量，随着生物炭用量的增加，温室气体减排效果越好。张向前等[16]在稻秆生物炭对土壤中CH4和氧化亚氮的研究中证明了在土壤中加入生物炭可以显著减少CH4和N2O的排放。可能是由于生物炭的高孔隙度优化了氧气的供应和分配，从而限制了产甲烷菌活性，能够对CH4起到减少排放量的作用，生物炭的多孔结构也为微生物的生存和繁殖提供了场所，同时多孔结构有吸附堆肥中的N2O和NH3的功能，减少N2O和NH3的挥发[6]。

Sun Xiangping等[17]用蘑菇渣和木屑作添加剂加入猪粪堆肥中，发现添加蘑菇渣和木屑的处理组堆肥N2O气体排放量均有所降低，添加木屑处理组CH4排放较其他组更低。张邦喜[18]用鸡粪-烟末通过反应器堆肥，发现添加5%菌糠使CH4累积排放量降低了10.03%，添加5%和10%菌糠N2O排放分别降低44.20%和43.00%。将菌糠作为膨松剂加入堆肥，增加了堆体内部氧气流通，降低了堆体铵态氮和硝态氮浓度。

杨岩等[19]向堆肥中添加过磷酸钙减少了堆肥15%CO2排放量。刘飞等[20]在堆肥物料中添加3%的棉秆木醋液,不仅降低碳损失率,而且对堆肥过程中CH4的产生有显著抑制作用。赵明德等[21]在牛粪堆肥中添加氯化钙、硫酸锌、氢氧化镁加磷酸、沸石等物质，发现均能减少温室气体排放，减排最优方案为添加氯化钙组，CO2减排83.1%，CH4减排90.4%。添加合适的外源物质，通过物理和化学的作用，改善了堆体内微生物生存环境，有助于减少温室气体排放。

2.3 添加生物协同堆肥

近年来，在堆肥中添加特定微生物菌剂或者添加蚯蚓协同堆肥，逐渐成为研究热点。

李舒清等[22]通过对条垛式牛粪堆肥接种质量分数5%的解淀粉芽孢杆菌SQR9和灰绿曲霉Z5的混合菌剂，显著减少了温室气体的排放,延长了堆肥高温期时长，加快了堆肥腐熟及无害化处理。顾沈怡等[23]在鸡粪堆肥中用选具有固氨产酸特性的芽孢杆菌和沸石、过磷酸钙和硫酸亚组成的化学添加剂联用，N2O减排达25%～26%。卢彬等[24]以牛粪与稻壳为原料，接种3‰自制的复合微生物菌剂，CH4排放减少33%，N2O排放减少45%。接种特定功能外源微生物，可改变堆体内菌群种类和丰度，通过菌群活动影响温室气体排放，达到减排效果。

张智等[25]用牛粪与其他废弃物堆肥5d后加入蚯蚓混合堆肥40d，蚯蚓处理阶段，CH4、N2O和NH3均表现出逐渐降低的趋势，CO2则表现出先增加后降低的趋势。师恩慧[26]以牛粪堆肥，添加了蚯蚓的9组堆肥实验，N2O的排放通量和N2O的累积排放量均小于未接种蚯蚓组，表明接种蚯蚓有利于减少堆肥过程中的N2O排放。接种蚯蚓辅助堆肥过程中，蚯蚓肠道可分泌多种酶，和堆体中微生物产生的酶一起协同作用于有机质，能加速有机质分解。蚯蚓蠕动使底物变得均匀从而增大了底物孔隙度，促进氧气的流通，减少堆体厌氧区域，达到减排效果。

3 结论与展望

综上，畜禽粪便好氧堆肥过程温室气体排放造成约48%碳素、27%的碳素损失，甚至更高。从提升堆肥品质和解决日益突出的全球变暖问题，堆肥温室气体减排已成为重要的研究课题。CO2排放与微生物活性有直接关系，微生物活动约活跃，CO2释放量越多；CH4在厌氧环境下释放量增多；N2O在升温期和降温期硝化菌和反硝化同时作用大量排放。控制堆肥温室气体排放，主要从优化堆肥工艺，增加堆体内氧气供应量，添加膨松剂、吸附剂、调理剂，添加生物协同的方法，减少温室气体排放。堆肥是一个复杂的过程，温室气体的排放，也是复杂的化学变化的过程，不能只关注其中一个变量来研究堆肥过程产生的影响，当前对堆肥温室气体排放机理研究、堆肥工艺优化和加入添加物、生物等对堆肥的协同减排机理研究尚浅，有待进一步深入研究。