好氧堆肥過程中碳素?fù)p失及其控制技術(shù)研究進(jìn)展

曹曉曉，和苗苗

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036)

隨著人們生活水平的提高以及農(nóng)村城市化的迅速發(fā)展，有機(jī)固體廢棄物的產(chǎn)生量逐年增加，對(duì)它們的不適處理與處置將嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境[1-2].由于有機(jī)固體廢棄物中碳素含量高、營(yíng)養(yǎng)成分豐富，對(duì)其進(jìn)行資源化再利用已成為近幾年的研究熱點(diǎn).好氧堆肥是一種成本低、效益高的處理處置技術(shù)[3]，目前被廣泛應(yīng)用于有機(jī)固體廢棄物的資源化再利用.

好氧堆肥過程能夠?qū)⒐腆w廢棄物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、無害的有機(jī)質(zhì)，進(jìn)而用作益于植物生長(zhǎng)、改良土壤質(zhì)量的肥料以及栽培苗木的無土基質(zhì)等[4].堆肥物料中碳素與氮素物質(zhì)是微生物活動(dòng)的物質(zhì)能量基礎(chǔ)，好氧堆肥實(shí)際上是在碳、氮循環(huán)中對(duì)有機(jī)物穩(wěn)定化與腐殖化的過程[5].近年來，國(guó)內(nèi)外在堆肥過程中氮素轉(zhuǎn)化以及保氮措施等方面的研究日趨全面和系統(tǒng)[6-7]，但堆肥發(fā)酵過程中碳素?fù)p失問題卻很少受到學(xué)者們的關(guān)注.一些研究數(shù)據(jù)表明，有機(jī)固體廢棄物含碳量可達(dá)30%～55%[8]，經(jīng)好氧堆肥并充分腐熟后一般有10%～40%的碳被降解，其中以CO2、CH4等溫室氣體形式排放的碳量高達(dá)70%以上[9].隨著固體廢棄物排放量的增加以及堆肥技術(shù)更廣泛的應(yīng)用，勢(shì)必有更多無意識(shí)的溫室氣體釋放到大氣中，這將使好氧堆肥成為溫室氣體的又一排放源.本文綜述了好氧堆肥過程中的碳素?fù)p失途徑、影響因素及其控制措施，并對(duì)今后該領(lǐng)域的研究方向進(jìn)行了展望，以期為低碳型堆肥資源化技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐參考.

1 好氧堆肥過程碳素轉(zhuǎn)化及其損失途徑

1.1 好氧堆肥過程中的碳素轉(zhuǎn)化過程

好氧堆肥是微生物集中降解含碳有機(jī)物的過程.一方面，堆料中的有機(jī)質(zhì)被微生物分解為小分子有機(jī)物、CO2、H2O和能量;另一方面，一部分有機(jī)物在微生物的作用下又重新合成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)[10](圖1).同時(shí)，由于好氧堆肥過程中的環(huán)境因子可能不均勻，因此容易在局部形成厭氧環(huán)境，導(dǎo)致CH4的產(chǎn)生.

在堆肥的升溫期和高溫期，由于微生物數(shù)量和生物活性均較高，一些簡(jiǎn)單、易降解的有機(jī)物(可溶性糖、有機(jī)酸和淀粉等)主要在這一階段被利用.這部分有機(jī)物大多在微生物的礦化作用下轉(zhuǎn)化為CO2，只有小部分聚集成腐殖物質(zhì). 隨著大量易降解有機(jī)物充分被利用，堆體溫度開始下降，微生物種群結(jié)構(gòu)也同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)變，一些中等和難降解的有機(jī)物(纖維素、半纖維素和木質(zhì)素)逐漸成為主要的碳源，它們?cè)谖⑸锏拇x作用下分解成酚類、醌類以及芳香族等化合物. 這些中間產(chǎn)物進(jìn)一步分解生成CO2或者轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì).以CO2排放為主，而腐殖質(zhì)的形成則利于廢棄物的穩(wěn)定與腐熟，對(duì)堆肥的進(jìn)一步利用有益.

—代表易降解有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化途徑;代表中等和難降解有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化途徑

1.2 好氧堆肥過程中碳素?fù)p失途徑

好氧堆肥過程中碳素的損失途徑主要有兩條：一是以CO2和CH4等氣體形式的損失；二是堆肥淋失液中以可溶性有機(jī)碳形式的淋溶損失[11].以氣體形式損失的碳素主要發(fā)生在堆肥的升溫期與高溫期，該階段微生物的數(shù)量和生物活性比較高且代謝旺盛[5].Hellmann等[9]的研究表明，在堆肥過程中有60%～70%的碳水化合物被微生物分解后以CO2的形式損失，是碳素的主要損失形式，而CH4—C損失僅占0.39%～1.24%.隨著堆肥物料的分解，堆料中的水分一部分蒸發(fā)，一部分被微生物利用，還有一部分則帶著未分解的有機(jī)物進(jìn)入滲濾液中，造成含碳有機(jī)物的淋溶損失，但隨滲濾液淋失的碳素僅占總損失量的0.3%～0.6%，可忽略不計(jì)[11].由圖1可知，在堆肥的進(jìn)程中，堆料中的含碳有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化包括固定和釋放兩個(gè)方面，即通過微生物的作用在被降解的同時(shí)還伴隨著腐殖質(zhì)的合成.大量的碳素形成腐殖質(zhì)，則意味著少量碳素會(huì)以氣體形式釋放或者隨滲濾液損失.由此可見，促進(jìn)腐殖質(zhì)的形成、增加腐殖質(zhì)的絕對(duì)值應(yīng)是好氧堆肥過程碳素減排的關(guān)鍵.

2 影響堆肥過程碳素?fù)p失的主要因素

2.1 堆肥初始物料成分及結(jié)構(gòu)

常用于堆肥的原料包括動(dòng)物糞便、園林垃圾，城市生活垃圾以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物等[4].堆肥物料的組成成分不同，其在堆制過程中的碳素?fù)p失量也不同[12].Komilis等[13]用相同的堆肥工藝對(duì)C/N分別為120，18，8.4的混合廢紙、庭院垃圾和廚余垃圾等三種城市固體廢棄物進(jìn)行堆制，發(fā)現(xiàn)每千克堆肥分別產(chǎn)生了150、220和370 g CO2—C，這可能與物料中含碳有機(jī)物的種類、結(jié)構(gòu)與含量之間的差異有關(guān).Adhikari等[14]就曾表明堆肥的降解過程與初始物料中含碳有機(jī)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)息息相關(guān).Paillat等[15]的研究也發(fā)現(xiàn)堆肥物料的有機(jī)物組成不同會(huì)影響堆肥過程中CO2的累積排放量，進(jìn)而影響堆肥過程的碳素?fù)p失量，其中以豬糞、小麥秸稈和鋸屑混合物為原料的堆肥CO2的累積排放量少，原因是這種堆肥原料中可溶性含碳有機(jī)物的含量低.近年來有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在堆肥過程中添加“惰性有機(jī)碳”(recalcitrant carbon)能夠促進(jìn)堆肥的腐殖化過程[16-17].生物炭是一種高度芳香化的難溶性物質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域[18].Jindo等[19]在畜禽糞便堆肥中加入2%(v/v)的生物炭進(jìn)行堆肥后，發(fā)現(xiàn)碳素形成腐殖質(zhì)的比例增加了10%，而減少了30%的可溶性碳成分，碳素?fù)p失有所降低.添加生物炭會(huì)改變堆料的結(jié)構(gòu)(如芳烴組分增加)，另外堆肥原料的有效表面積增大，吸附作用增強(qiáng)，堆肥內(nèi)部通氣狀況也得到改善.這些條件更利于高溫階段木質(zhì)素降解菌等微生物的生長(zhǎng)，促進(jìn)了腐殖化程度.此外，不同堆肥物料的物理性質(zhì)，如顆粒大小、密度、透氣性和導(dǎo)熱系數(shù)等[20-21]參數(shù)也會(huì)對(duì)堆肥過程中微生物的降解能力以及物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生影響[5, 20]，進(jìn)而影響碳素的損失量與腐殖化程度.

2.2 物料初始C/N

堆肥物料初始C/N的大小會(huì)影響微生物數(shù)量與活性，C/N過高會(huì)導(dǎo)致微生物生長(zhǎng)過程中“氮饑餓”，使微生物不能正常繁殖；C/N過低則會(huì)造成碳素不足，而過量的氮素不利于微生物細(xì)胞的合成，還會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)，進(jìn)而影響堆肥進(jìn)程及碳素的轉(zhuǎn)化.有研究表明在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)降低C/N可以降低堆肥過程碳素的損失[5].秦莉等[22]以豬糞和秸稈為原料，采用密閉堆肥裝置研究了不同初始C/N(分別為15、20、25、30)對(duì)堆肥過程中碳素?fù)p失的影響，發(fā)現(xiàn)高C/N處理中碳素?fù)p失量顯著多于低C/N處理，其中碳素的主要損失形式是CO2—C，CH4—C，損失僅占初始碳的0.39%～1.24%.然而，當(dāng)C/N過低時(shí)有機(jī)物的降解率也低，堆肥無法得到充分腐熟[5].有研究結(jié)果[23]表明，當(dāng)初始C/N值為15時(shí)堆肥不能充分腐熟.堆肥的目的是對(duì)有機(jī)體固廢棄物進(jìn)行資源化處理處置并最終獲得較高品質(zhì)的有機(jī)肥料，因此，當(dāng)探討C/N大小對(duì)堆肥碳素?fù)p失影響的問題時(shí)，需要以堆肥得到充分腐熟為前提.

2.3 物料初始含水率

好氧堆肥過程中水是不可缺少的，合適的含水率一般為60%～80%[5]，過高或過低都會(huì)影響堆體中微生物代謝[24]，進(jìn)而影響好氧堆肥碳素的轉(zhuǎn)化以及有機(jī)物料的腐熟.施林林等[25]對(duì)比研究了含水率分別為65%、70%、75%、80%的堆肥過程中溫室氣體排放情況，結(jié)果表明，75%初始含水率處理的CO2排放通量最高，是其他處理的1.9～2.5倍，不同的初始含水率水平對(duì)堆肥過程中富里酸、胡敏酸等腐殖質(zhì)含量的變化沒有顯著影響.堆肥物料初始含水率的差異也會(huì)影響以CH4形式損失的碳量.Chang等[26]發(fā)現(xiàn)較高的堆肥初始含水率會(huì)促進(jìn)CH4排放.但Jiang等[27]以豬糞和玉米桿作為原料進(jìn)行堆肥，發(fā)現(xiàn)不同初始含水率對(duì)CH4排放量沒有顯著的影響.這可能與堆肥原料的透氣性有關(guān)[20].

2.4 通氣方式與通氣量

通氣方式與通氣量會(huì)影響好氧堆肥過程的堆體溫度、微生物生長(zhǎng)活動(dòng)、病原菌的殺滅以及有機(jī)質(zhì)的分解[28].楊國(guó)義等[29]采用豬糞與稻草作為堆料，分別采用單一機(jī)械翻堆、單一強(qiáng)制通風(fēng)、強(qiáng)制通風(fēng)與機(jī)械翻堆相結(jié)合等3種通風(fēng)方式堆肥，發(fā)現(xiàn)單一強(qiáng)制通風(fēng)條件下碳素?fù)p失最少為12.6%，強(qiáng)制通風(fēng)與機(jī)械翻堆相結(jié)合的通風(fēng)方式使碳素?fù)p失最高，可達(dá)18.4%.

通風(fēng)量主要影響堆肥過程中以氣態(tài)形式釋放的碳素?fù)p失.當(dāng)堆肥通風(fēng)量大時(shí)，堆肥內(nèi)部氧氣充足，微生物的生長(zhǎng)繁殖旺盛，使含碳有機(jī)物大量分解，特別是以CO2形式損失的碳量顯著增加.但是通風(fēng)量過低會(huì)使堆肥難以達(dá)到高溫階段[30]，導(dǎo)致堆肥不能充分腐熟且植物毒性高，同時(shí)還可能會(huì)促進(jìn)CH4的排放[27]. Jiang等[27]研究了不同通風(fēng)量對(duì)堆肥過程碳素轉(zhuǎn)化的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，23.9%～45.6%的總有機(jī)態(tài)碳以CO2的形式損失，0.8%～7.5%的有機(jī)態(tài)碳以CH4的形式損失；通風(fēng)量是影響CH4(p=0.011 3)排放量的主要影響因子，提高通風(fēng)量能減少CH4的排放.Shen等[31]在間歇通風(fēng)方式下研究不同通風(fēng)量對(duì)于堆肥過程中溫室氣體釋放的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)定的通氣量分別為0.01、0.1、0.2 m2min-1m-3(通氣30 min，停止30 min)，0.01 m2min-1m-3模擬O2含量低的條件，另外兩組模擬O2含量高的條件.文章得出堆肥過程中的好氧環(huán)境會(huì)減少CH4的排放，在通風(fēng)量為0.01 m2min-1m-3時(shí)CH4的濃度比其余兩組高通風(fēng)量條件的高，但是在兩個(gè)高通風(fēng)量條件處理之間沒有顯著地差異.

2.5 微生物

微生物的分解代謝過程是好氧堆肥過程中腐殖質(zhì)形成的關(guān)鍵，特別是與半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的降解有密切聯(lián)系[32-35].微生物在分解中等及較難降解有機(jī)組分過程中會(huì)形成大量酚型化合物、醌型化合物以及脂肪族化合物，這些恰恰是腐殖質(zhì)形成的最主要前體物質(zhì)[36-37].微生物再通過對(duì)上述有機(jī)化合物的合成、與氮化合物的結(jié)合、以及酶作用或自身作用的氧化促進(jìn)腐殖質(zhì)的形成[38].目前，應(yīng)用于加快堆肥過程中廢棄物降解速率的微生物已有大量研究，其大多是對(duì)纖維素、木質(zhì)素具有高效分解能力的好氧微生物，如白腐真菌(Phanerochaetechrysosporium)、鏈霉菌(Streptomyces)等[39-42].然而，要減少堆肥碳素的損失、開發(fā)低碳堆肥技術(shù)、降低堆肥過程中溫室氣體的排放量，需要獲得能夠促進(jìn)腐殖質(zhì)生成的微生物.據(jù)報(bào)道，一些放線菌對(duì)纖維素、木質(zhì)素的降解過程中CO2產(chǎn)生量較少，同時(shí)其初級(jí)代謝生成大量腐殖質(zhì)形成的前體物質(zhì)[34, 36].而一些真菌的降解過程發(fā)生在次級(jí)代謝階段，從而徹底將較難降解有機(jī)物礦化成CO2[39].Ke等[43]研究了高溫放線菌ThermoactinomycesvulgarisA31對(duì)分解食品廢棄物產(chǎn)生腐熟堆肥產(chǎn)品的影響，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照實(shí)驗(yàn)相比接種的堆肥縮短了腐熟的時(shí)間，并且減少了堆肥過程中以CO2形式損失的碳素.

2.6 堆肥反應(yīng)器(堆垛)大小和堆放方式

堆垛大小的改變會(huì)影響堆肥內(nèi)部的氧氣狀況，進(jìn)而影響CO2和CH4的釋放.在沒有進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)的堆肥過程中，其厭氧位置通常出現(xiàn)在中心部分，該部分與堆體表面相比氣體交換量較少.隨著堆垛的增大，厭氧位置的數(shù)量和大小也隨之變大[44].因此，改變堆垛的大小會(huì)引起CO2和CH4等氣體的釋放速率改變.好氧堆肥的高度會(huì)對(duì)堆體內(nèi)部的通風(fēng)狀況造成影響，這使好氧微生物菌群和厭氧微生物菌群的數(shù)量都發(fā)生改變.陸日東等[45]研究了不同堆肥高度對(duì)牛糞堆肥溫室氣體排放的影響.實(shí)驗(yàn)設(shè)置了25 cm和50 cm兩個(gè)堆放高度進(jìn)行比較，結(jié)果表明，堆放高度50 cm處理的相對(duì)表面積較小，CO2的排放速率也最?。欢逊鸥叨?0 cm處理與25 cm處理間CH4的排放速率差異不顯著.改變堆肥的規(guī)模會(huì)改變CH4的排放速率，這是由于大部分CH4都在糞堆的中間部位產(chǎn)生，隨著堆肥規(guī)模的增大，其厭氧發(fā)酵的范圍也不斷擴(kuò)大，因此CH4的產(chǎn)生和排放量上升[44-45].

3 好氧堆肥碳素?fù)p失的控制技術(shù)

基于對(duì)好氧堆肥過程中堆肥碳素的損失途徑與影響因子的分析，調(diào)節(jié)好氧堆肥參數(shù)，如調(diào)理劑、接種微生物菌劑、初始堆體的C/N比、初始含水率等，都有可能降低堆肥過程的碳素?fù)p失、促進(jìn)腐殖質(zhì)的形成.

3.1 調(diào)節(jié)堆肥參數(shù)

秦莉等[22]用尿素調(diào)節(jié)豬糞玉米秸稈C/N分別為15、20、25、30進(jìn)行高溫堆肥，碳素?fù)p失率分別為46.9%、53.9%、67.7%、73.3%，堆肥結(jié)束時(shí)，各處理的發(fā)芽指數(shù)(GI)分別為75%、88.5%、116.05%、146.91%.低C/N處理雖然碳素?fù)p失率小，但是存在對(duì)植物的毒害作用.綜合考慮GI和碳素?fù)p失，C/N為20比較合適.Chang等[26]發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)初始堆肥物料的C/N和含水率會(huì)縮短堆肥腐熟的時(shí)間并且減少CO2和CH4的釋放.在堆肥過程中選擇合適的通風(fēng)方式和通風(fēng)量同樣也能減少氣態(tài)形式損失的碳素[23, 27].沈玉君等[30]研究表明，通風(fēng)速率為0.2 m2min-1m-3時(shí)，堆肥既能達(dá)到腐熟又能減少碳素?fù)p失.

3.2 添加調(diào)理劑

不同調(diào)理劑的添加會(huì)影響堆料的初始物料成分及性質(zhì).Manios等[46]在污泥中加入不同比例的碎橄欖樹枝作為膨脹劑進(jìn)行堆肥，結(jié)果表明，加入的碎橄欖樹枝量越大，堆肥過程中CO2和CH4的釋放量就越少.Smidt等[37]初步證明，在實(shí)驗(yàn)室條件下添加2%～5%的木質(zhì)素能促進(jìn)堆肥過程中腐殖質(zhì)的生成，紅外光譜分析結(jié)果顯示，添加的木質(zhì)素已整合到了生成的腐植酸分子中.陳廣銀等[47]研究菇渣添加對(duì)落葉與雞糞堆肥過程中有機(jī)物轉(zhuǎn)化的影響，發(fā)現(xiàn)蘑菇渣中含有大量能降解木質(zhì)纖維的微生物和酶，可以有效地提高堆肥終產(chǎn)品中腐殖質(zhì)的含量.一些學(xué)者的研究還發(fā)現(xiàn)，添加具有多孔結(jié)構(gòu)、吸附能力強(qiáng)的生物炭可顯著降低堆料中可溶性有機(jī)質(zhì)與易氧化有機(jī)質(zhì)含量，且隨著堆肥的進(jìn)行這些有機(jī)質(zhì)的降低量也比常規(guī)堆肥小、并促進(jìn)腐殖化程度[17, 19].

3.3 接種微生物菌劑

接種一些有特殊代謝方式的微生物能減少碳素的礦化、增加腐殖質(zhì)的生成量，例如鏈霉菌[46]等微生物(鏈霉菌是放線菌屬的一科)能有效促進(jìn)堆肥的腐殖化進(jìn)程減少碳素?fù)p失；而高溫放線菌ThermoactinomycesvulgarisA31的加入能減少堆肥過程中礦化損失的碳素[43].

總體來說，堆肥包含各種復(fù)雜的物理、化學(xué)以及生物變化過程[1]，控制碳素排放需要綜合考慮各種因素，并通過各因子之間的相互作用來達(dá)到碳素減排的目的.

4 展 望

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于好氧堆肥過程中碳素?fù)p失的影響因素和控制措施已經(jīng)開展了不少研究，但總體來說尚處于起步階段，多數(shù)研究結(jié)果是基于實(shí)驗(yàn)室條件下得到的，很多深層次的機(jī)制問題和實(shí)際工程的研究尚有待進(jìn)一步的研究：

1)好氧堆肥過程中含碳有機(jī)物主要包含礦化和腐殖化兩個(gè)過程，提高堆肥過程中的腐殖化程度有利于碳素的固定，從而降低以溫室氣體排放為主的碳素?fù)p失.另一方面，如果堆肥過程碳素礦化程度過低，則有機(jī)物的降解不徹底，最終會(huì)影響堆體的腐熟度.未腐熟的堆肥施入土壤，由于不穩(wěn)定的有機(jī)物會(huì)強(qiáng)烈分解，會(huì)消耗土壤中的氧氣并產(chǎn)生有毒物質(zhì)，反而抑制作物生長(zhǎng).因此，在增加腐殖質(zhì)絕對(duì)值、減小堆肥植物毒性的同時(shí),又能降低碳素?fù)p失至關(guān)重要.如何平衡碳素?fù)p失與腐殖化之間關(guān)系，需要對(duì)堆肥物料組成、工藝條件以及微生物等因子進(jìn)行更深入的研究.

2)目前多數(shù)研究是通過改變堆肥技術(shù)參數(shù)來降低碳素?fù)p失，而對(duì)于其中深層次機(jī)理的探討較少.例如，堆肥的降解過程與含碳有機(jī)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)息息相關(guān)[14-15]，但目前有關(guān)堆肥過程中有機(jī)物結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化與碳素?fù)p失之間關(guān)系的研究還鮮有報(bào)導(dǎo).另外，微生物對(duì)堆肥過程有機(jī)物的降解與轉(zhuǎn)化起到重要作用，但各類降解微生物對(duì)CO2排放以及腐殖質(zhì)形成的影響研究幾乎是空白.所以，揭示堆肥過程中碳素減排機(jī)理對(duì)低碳型堆肥資源化技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)作用.

3)已有的一些結(jié)果表明輸入合適的堆肥調(diào)理劑可以降低堆肥過程中的氮素?fù)p失[3]，這些調(diào)理劑是否也能夠降低碳素?fù)p失、促進(jìn)堆肥的腐殖化過程并沒有相關(guān)的研究.因此，尋找合適的堆肥調(diào)理劑對(duì)于減少堆肥碳素?fù)p失和提高腐殖化進(jìn)程也具有重要意義.

4)對(duì)于控制好氧堆肥過程中碳素排放的研究大多集中在實(shí)驗(yàn)室條件下，而對(duì)于實(shí)際堆肥場(chǎng)的減排控制較少.將實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中是否真正達(dá)到減排效果有待進(jìn)一步考察.

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