中藥渣堆肥化過(guò)程中溫室氣體排放研究

孫利鑫+常生華+張金林+王引權(quán)+高小迪

摘要[目的]通過(guò)對(duì)黃芪和白芷藥渣好氧堆肥過(guò)程中溫室氣體排放的研究，為中藥渣堆肥化溫室氣體減排提供理論依據(jù)。[方法] 采用發(fā)酵裝置進(jìn)行了為期28 d的模擬堆肥過(guò)程，測(cè)定了不同堆肥時(shí)期的溫室氣體排放量。[結(jié)果] 黃芪和白芷藥渣在高溫好氧發(fā)酵過(guò)程中CH4、CO2和CO溫室氣體排放量均在高溫期（7~14 d）達(dá)到峰值，N2O的排放量主要集中在7 d（高溫期）和21 d（降溫期）。[結(jié)論]通過(guò)對(duì)黃芪和白芷藥渣在高溫好氧發(fā)酵過(guò)程中CH4、CO2、N2O和CO溫室氣體排放特征的研究，明確了2種藥渣溫室氣體排放的規(guī)律，為此2種藥渣溫室氣體減排提供試驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞中藥渣；好氧發(fā)酵；堆肥化；溫室氣體；排放量

中圖分類號(hào)S141.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào) 1007-5739（2014）11-0236-02

伴隨著人類科技文明的飛速前進(jìn)，尤其是發(fā)展中國(guó)家的以環(huán)境交換經(jīng)濟(jì)的發(fā)展策略，致使地球環(huán)境面臨著嚴(yán)重的威脅，導(dǎo)致全球變暖、土地沙漠化、淡水資源緊缺等環(huán)境問(wèn)題已逐步替代饑荒、瘟疫等成為制約人類發(fā)展繁榮的瓶頸。近些年來(lái)，由于溫室氣體的大量排放而得不到有效處理，促使全球變暖的環(huán)境問(wèn)題逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著哥本哈根會(huì)議的召開，全球氣候變暖和溫室氣體的排放等環(huán)境問(wèn)題，被人們推向了一個(gè)新的高度。隨著近100年來(lái)溫室氣體的大量排放，造成全球的年平均氣溫也逐漸上升，冰川消融，導(dǎo)致海水總量增加，進(jìn)一步導(dǎo)致海平面上升，大陸面積減少。據(jù)調(diào)查顯示，從20世紀(jì)初到現(xiàn)在的100年間，全球海平面升高了10~20 cm，而20世紀(jì)之前的每100年海平面平均升高僅1.2~2.3 cm，上升幅度高出近9倍。IPCC（Intergovernmental Panel Oil Climate Change）第三次評(píng)估報(bào)告指出：如果不對(duì)人類排放溫室氣體的行為加以限制，則從1990年后的110年間，全球平均氣溫很有可能上升1.4~5.8 ℃[1]。

全球變暖的主要原因是因?yàn)榈厍虼髿鈱又袦厥覛怏w濃度的大量增加導(dǎo)致的。目前已知的最重要的溫室氣體是二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O），這些溫室氣體在大氣層中的濃度主要受人類活動(dòng)的影響。溫室氣體排放源有很多，農(nóng)業(yè)源是溫室氣體的重要排放源，農(nóng)業(yè)固體廢棄物在處理過(guò)程中易產(chǎn)生大量溫室氣體[2-6]。中藥渣屬于農(nóng)業(yè)固體廢棄物之一，但目前有關(guān)研究中藥渣堆肥過(guò)程中溫室氣體排放的報(bào)道還較少。因此，研究植物類中藥渣在堆肥化處理過(guò)程中溫室氣體的排放特征對(duì)于控制溫室氣體的排放具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試材料為甘肅隴西一方制藥廠提供的黃芪和白芷藥渣，人工調(diào)節(jié)水分至60%左右，且粒徑分別為5 mm和10 mm，堆肥物料的理化性質(zhì)見表1。試驗(yàn)儀器采用美國(guó)LGR公司出品的GGA溫室氣體分析儀（型號(hào)：908-0015）。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在甘肅中醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用不銹鋼垃圾好氧堆肥發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)酵罐由不銹鋼制成（直徑29 cm，高37.7 cm）。由于供試藥渣均為干基，初始含水率極低，需加入適量的水以調(diào)節(jié)物料初始含水率至60%左右；藥渣自然堆放于堆肥發(fā)酵罐中，進(jìn)行發(fā)酵；以7 d為1個(gè)堆肥周期，進(jìn)行翻堆補(bǔ)水處理，并采用鋁箔集氣袋收集一次發(fā)酵罐中所排放出的氣體。測(cè)定氣體樣品中CO2、CH4、N2O和CO的排放量。

2結(jié)果與分析

2.1CH4排放量

由圖1可見，黃芪和白芷藥渣在整個(gè)堆肥化過(guò)程中CH4的排放量趨勢(shì)基本相同，均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，黃芪和白芷藥渣CH4的排放量均在堆肥開始后14 d達(dá)到最大值，分別為2.67 mg/kg和3.18 mg/kg。黃芪和白芷藥渣的CH4排放量在達(dá)到峰值后，逐步下降，最后穩(wěn)定在較低的水平。

2.2CO2排放量

由圖2 可見，黃芪和白芷藥渣在整個(gè)堆肥化過(guò)程中CO2的排放量趨勢(shì)基本相同，均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，黃芪和白芷藥渣CO2的排放量均在堆肥開始后14 d達(dá)到峰值，分別為52 250 mg/kg和96 440 mg/kg。黃芪和白芷藥渣的CO2排放量在達(dá)到峰值以后，均逐步下降，最后穩(wěn)定在較低的水平。

2.3CO排放量

由圖3可見，黃芪和白芷藥渣在整個(gè)堆肥化過(guò)程中CO的排放量趨勢(shì)基本相同，均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，黃芪和白芷藥渣CO的排放量均在堆肥開始后的7 d達(dá)到峰值，分別為47.3 mg/kg和55.9 mg/kg。黃芪和白芷藥渣的CO排放量在達(dá)到峰值后，呈波動(dòng)狀下降，最后穩(wěn)定在較低的水平。

2.4N2O排放量

由圖4可見，黃芪和白芷藥渣在整個(gè)堆肥化過(guò)程中N2O的排放量趨勢(shì)均呈波動(dòng)狀下降，黃芪和白芷藥渣N2O的排放量均在堆肥開始后的7 d達(dá)到峰值，分別為0.33 mg/kg和0.31 mg/kg，隨后下降，在堆肥開始后的21 d迎來(lái)了第2次峰值，分別為0.33 mg/kg和0.31 mg/kg。黃芪和白芷藥渣的N2O排放量在達(dá)到第2次峰值后，迅速下降，最后堆肥結(jié)束時(shí)穩(wěn)定在較低的水平。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)本次試驗(yàn)明確了黃芪和白芷藥渣堆體溫室氣體排放的特征。本試驗(yàn)各處理CH4、CO2和CO排放主要集中在堆肥的高溫期，N2O的排放曲線則在整個(gè)堆肥過(guò)程中呈“M”形。物料初始理化性質(zhì)的不同，導(dǎo)致溫室氣體排放的峰值有差異，其中白芷藥渣CH4、CO2和CO的排放要明顯高于黃芪藥渣，N2O的排放則相反。有研究表明，CH4在堆肥過(guò)程中的排放量與通風(fēng)量和通風(fēng)方式有關(guān)。De Guardia[7]通風(fēng)量越高，CH4累積排放量呈線性增加。Hao等[8]到機(jī)械翻堆的條垛豬糞堆肥的CH4排放量高于被動(dòng)通風(fēng)堆肥系統(tǒng)。因此，本試驗(yàn)采用曝氣裝置和機(jī)械翻堆相結(jié)合的方式為堆體進(jìn)行通風(fēng)，且2種藥渣的翻堆頻率與曝氣量相一致。研究數(shù)據(jù)表明，黃芪和白芷藥渣在整個(gè)堆肥化過(guò)程中CH4的排放量與堆肥化溫度的變化息息相關(guān)，各處理CH4的排放主要集中在堆肥化過(guò)程中的升溫期和高溫期（圖2）。在降溫期和腐熟期，各處理CH4的排放逐步降低，最后趨于平緩。堆肥開始階段，各處理CH4排放量較低，是因?yàn)槎洋w中含氧量充足，且溫度較低，微生物不活躍[9]高溫期CH4排放量較大，主要是因?yàn)樵诖穗A段微生物活性較強(qiáng)，在快速分解有機(jī)物的同時(shí)，消耗掉了大量的氧氣，致使堆體局部有厭氧情況發(fā)生，CH4菌新陳代謝活躍從而產(chǎn)生了大量的CH4，伴隨著易分解有機(jī)物含量的下降，堆肥溫度也逐漸下降，CH4的排放量也隨之呈下降趨勢(shì)[10]。

黃芪和白芷藥渣在整個(gè)堆肥化過(guò)程中CO2和CO的排放量與CH4的排放量相類似。在各處理的升溫期和高溫期，堆肥微生物的活性較強(qiáng)，分解含碳有機(jī)質(zhì)的速率較快，從而在此階段釋放出大量的CO2和CO，而隨著易分解有機(jī)物的減少，各處理的堆體溫度也逐漸下降，微生物活性減弱，CO2和CO的釋放量也隨之減少，最后趨于穩(wěn)定，維持在較低的水平。

黃芪和白芷藥渣在整個(gè)堆肥化過(guò)程中N2O的排放量較為一致，均在第1次翻堆前，達(dá)到排放高峰（圖 4）。圖4 顯示的各處理N2O排放規(guī)律與El Kader 等的研究相類似[11-12]。Sommer等[13]認(rèn)為，在堆肥的升溫階段，N2O來(lái)源于堆肥物料的表層。因?yàn)槎逊饰锪系谋韺佑谘鯕獾慕佑|面積大，溫度較底層低，硝化細(xì)菌較為活躍，從而釋放出大量的N2O。第1次翻堆結(jié)束后，黃芪和白芷藥渣的N2O排放量均迅速下降，也有學(xué)者認(rèn)為，導(dǎo)致這一結(jié)果的原因是由于微生物分解有機(jī)物產(chǎn)生的大量的熱量和氨氮抑制了硝化細(xì)菌的活動(dòng)[14-15]。堆肥高溫期結(jié)束之后，在溫度降低的同時(shí)，伴隨著翻堆活動(dòng)，黃芪和白芷藥渣的N2O排放量又出現(xiàn)了1 次高峰[16]。這是因?yàn)檠鯕獬渥銋^(qū)域產(chǎn)生的NO2-/NO3-經(jīng)過(guò)翻堆活動(dòng)，轉(zhuǎn)移到了氧氣相對(duì)缺乏的區(qū)域，再通過(guò)不完全的反硝化反應(yīng)產(chǎn)生大量的N2O。

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