雞糞堆肥過程中的氮素轉(zhuǎn)化及損失控制

閆榮榮

（太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，山西太原 030008）

雞糞堆肥過程中的氮素轉(zhuǎn)化及損失控制

閆榮榮

（太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，山西太原 030008）

對雞糞好氧堆肥過程中氮素的各種存在形態(tài)進行研究，發(fā)現(xiàn)在堆肥的不同階段中氮素的主要存在形式，研究氮素?fù)p失的主要途徑。通過實驗，發(fā)現(xiàn)氨氣是氮素?fù)p失的主要形式，占總氮素?fù)p失的50%以上，尋找減少氨氣排放的方案，就可以減少氮素?fù)p失，使更多的氮素固定到堆體中。

雞糞;好氧堆肥;氮素轉(zhuǎn)化;損失控制

隨著我國養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，畜禽糞便的產(chǎn)量越來越多，這些固體廢棄物的處理處置是一個很大的難題[1]。畜禽糞便中存在著大量的有毒有害物質(zhì)，如細(xì)菌、病毒等，還有大量的有機物，如果不進行妥善處理而隨意丟棄的話，會對環(huán)境造成很大的污染[2]。好氧堆肥是畜禽糞便的處理方式之一，具有操作簡單、成本低、管理方便等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用，可以使畜禽糞便達到穩(wěn)定化、無害化[3]。

但是在畜禽糞便的堆肥過程中，氮素?fù)p失較為嚴(yán)重，會以氨氣、氧化亞氮等形式釋放到空氣中，污染環(huán)境，影響周圍居民的正常生活[4]。堆肥結(jié)束后，氮素?fù)p失嚴(yán)重還會使堆肥產(chǎn)品的肥效下降，回用到土壤中還會影響植物的生長。

我們在實驗室里將雞糞進行好氧堆肥，觀察CO2，NH3，NH4+，NO3-等的變化規(guī)律，研究其氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化，尋找氮素?fù)p失控制的途徑和方法，減少堆肥過程中的氮素?fù)p失。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用的雞糞取自山西省某養(yǎng)殖場，木屑取自山西某木材加工廠，雞糞初始的含水率為73.67%，揮發(fā)性有機質(zhì)含量（VS）為65.45%；初始的碳素含量為30.87%，氮素含量為3.12%，碳氮比為9.89；初始的pH值為8.0。

1.2 實驗裝置

堆肥反應(yīng)裝置如圖1所示，1為鼓氣泵，向堆體提供氧氣；2為流量計，控制通風(fēng)速率為0.2 L/min，3為NaOH溶液，濃度為4 mol/L，用來吸收空氣中的CO2，4為反應(yīng)主體，體積大約為20 L，5為NaOH溶液，濃度為4 mol/L，吸收反應(yīng)器出來的CO2；6為緩沖瓶，避免硼酸倒流；7為硼酸溶液，濃度為1 mol/L。

1.3 實驗安排

圖1 堆肥反應(yīng)裝置

堆肥周期為50 d，每天測定堆體的溫度，二氧化碳的產(chǎn)生速率；在高溫期結(jié)束之前，每天測定氨氣的產(chǎn)生速率，高溫期過后，每2 d測定一次氨氣的產(chǎn)生速率。在0～30 d之間，每2 d取1次樣，分3份，1份用來測定雞糞的含水率、揮發(fā)性有機質(zhì)含量，1份用來測定雞糞的pH值，1份用來浸提，測定雞糞中的NH4+，NO3-。

二氧化碳用NaOH溶液吸收，然后用HCL溶液滴定，測定二氧化碳的產(chǎn)生速率。氨氣用硼酸來吸收，之后用硫酸溶液滴定，測定其產(chǎn)生速率。含水率的測定要在烘箱中105℃下持續(xù)烘24 h；VS的測定用馬弗爐在550℃燒2 h。pH值的測定是將新鮮樣品和去離子水以1∶10的比例混合，攪拌30 min后測定。浸提液是將5 g新鮮樣品用50 mL去離子水浸提，之后用來測定其NH4+，NO3-等指標(biāo)。NH4+用分光光度法來測定，NO3-用離子色譜測定，樣品中的氮素含量用元素分析儀測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 雞糞堆肥過程中溫度、含水率的變化

雞糞堆肥過程中溫度、含水率的變化如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)，在0～3 d，堆體中有機物較多，好氧環(huán)境中，微生物生命活動旺盛，迅速增長繁殖，產(chǎn)生了大量的熱量，堆體溫度迅速增加，屬于堆肥的升溫期。在第5 d，堆體溫度升高至59℃，高于55℃，進入了堆肥的高溫期，堆肥高溫期持續(xù)了8 d，高溫期間，大部分微生物的生命活動受到了抑制，可以殺死大部分的病原菌、寄生蟲卵等[5]。從第13 d開始，堆體的溫度開始下降，這是因為容易被微生物利用的有機質(zhì)被消耗殆盡，微生物的生命活動減弱，因此溫度逐漸降低，最終降至室溫。

圖2 堆肥過程中溫度、含水率的變化

堆肥過程中的含水率會對堆肥的效果產(chǎn)生很大的影響：含水率過高，會阻礙氧氣的傳遞，不利于堆肥過程的進行；含水率過低時，會使堆體中溶于水的氨氮較少，在高溫情況下，容易以氨氣的形式排放到空氣中，使氮素?fù)p失增加[6]。觀察雞糞堆肥過程中物料，含水率逐漸降低，從初始的73.67%降低到57.17%，最終的含水率降低到60%以下。

2.2 雞糞堆肥過程中VS，pH值的變化

雞糞堆肥過程中的VS，pH值的變化如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)，堆肥過程中物料的揮發(fā)性有機質(zhì)含量是逐漸降低的，堆肥結(jié)束時，物料的VS值從65.42%，降低到44.71%，降低了31.66%，有機質(zhì)含量被微生物利用，使VS含量降低。而pH值的變化趨勢則是先升高，再降低，0～4 d，堆體中的有機氮被微生物分解，通過氨化作用產(chǎn)生氨氮，使pH值從8.0升到8.9。之后進入高溫期，5～12 d是屬于高溫期。高溫期中，有機氮繼續(xù)被分解，氨氮濃度升高，pH值增加，高溫下，氨氮會以氨氣的形式釋放到空氣中，使體系中的pH值降低，最終降至8.6左右。

圖3 堆肥過程中VS、pH值的變化

2.3 雞糞堆肥過程中CO2，NH3產(chǎn)生速率的變化

堆肥過程中CO2的產(chǎn)生速率如圖4所示，在堆肥的升溫期，CO2的產(chǎn)生速率迅速增加，在0～4 d，產(chǎn)生速率從4.88 g/kg·d增加到16.16 g/kg·d，是0 d的3.3倍，CO2的累積量增加速率也達到最大，曲線出現(xiàn)斜率最大值，這期間微生物迅速生長繁殖，消耗大量有機物，CO2的累積量達到總累積量的26.83%。升溫期之后，第5 d進入高溫期，CO2的產(chǎn)生速率開始降低，可能是高溫期微生物的生命活動受到抑制；同時，CO2的累積量的變化曲線增加速度也減慢，但高溫期是CO2積累最多的階段，占總累積量的42.06%。第13 d進入降溫期之后，易降解的有機物被微生物利用，開始利用難降解的有機物，因此，CO2的產(chǎn)生速率到達最低值0.59 g/kg·d，CO2累積量的曲線開始變得平緩，這一階段CO2的累積量占整個堆肥周期的31.11%。

圖4 堆肥過程中CO2產(chǎn)生速率及累積量的變化

NH3是雞糞堆肥過程中氮素的損失形式之一，研究NH3的產(chǎn)生速率可以為氮素?fù)p失控制提供方法。NH3產(chǎn)生速率及累積量的變化如圖5所示，可以看出，在升溫期的1～2 d，堆體中不產(chǎn)生NH3，從第3 d開始，才產(chǎn)生NH3，且產(chǎn)生速率較慢。升溫期是堆體產(chǎn)生速率最快的階段，因為在這個階段，氨氮濃度較高，溫度較高，容易揮發(fā)，產(chǎn)生氨氣，所以從第5 d開始，氨氣的產(chǎn)生速率迅速增加，從27.41 g/kg·d開始，到第9 d增加至最大值，105.27 g/kg·d，之后開始降低，這個階段的氨氣累積量也迅速增加，斜率達到最大，累積量占整個堆肥周期的50%。在第13 d開始，堆體進入降溫期，隨著有機物被消耗，氨氣的產(chǎn)生速率開始降低[7]，累積量的變化曲線也慢慢變緩，這個階段積累量占整個堆肥過程的48.51%。

圖5 堆肥過程中NH3產(chǎn)生速率及累積量的變化

2.4 雞糞堆肥過程中NH4+，NO3-含量的變化

在雞糞堆肥過程中，NH4+，NO3-是堆肥過程中氮素存在的2種形態(tài)，通過觀察其含量的變化可以提出減少堆肥過程中氮素?fù)p失的方法。其含量變化如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，硝酸鹽含量遠低于氨氮的含量，氨氮是主要的氮素存在形式。在升溫期，0～4 d內(nèi)，有機物被微生物利用，發(fā)生氨化作用，使堆體中的氨氮含量迅速增加，從初始的5.91g/kg升高至9.39 g/kg，增加了58.88%。從第5 d，堆體進入了高溫期，氨氮含量增加，pH值升高，堆體中的氨氮以氨氣的形式從堆體中釋放出來，使堆體中的氨氮含量降低，降低了30.67%。降溫期后，堆體中的氨氮含量繼續(xù)減少，但是氨氣釋放量很低，減少的氨氮發(fā)生了硝化作用，將NH4+轉(zhuǎn)化為NO3-，因此在堆肥后期NO3-濃度升高，但含量還是相對較低。

2.5 雞糞堆肥過程中氮素含量的變化

雞糞堆肥過程中氮素含量的變化如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)，氮素含量是逐漸降低的，從初始的3.12%，堆肥結(jié)束時降低到2.08%，氮素?fù)p失為58%。而氨氣是氮素?fù)p失的主要形式，占總的氮素?fù)p失的50%以上，因此，控制氨氣的揮發(fā)，可以有效的控制氮素?fù)p失。

圖6 堆肥過程中NH4+含量的變化

圖7 堆肥過程中N素含量的變化

3 結(jié)語

通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，氨氣是氮素?fù)p失的主要途徑，因此，減少氨氣的揮發(fā)，就可以有效控制堆體中的氮素?fù)p失。

首先，氨氣的揮發(fā)主要是在高溫期的高氨氮、高溫條件下產(chǎn)生的，因此可以適當(dāng)?shù)慕档透邷仄诘臏囟?，只要高?5℃即可；其次，也可以提高初始物料的含水率，或者在高溫期向堆體表面噴灑適當(dāng)?shù)乃?，使得產(chǎn)生的氨氣再次溶于水中，不再揮發(fā)到空氣中。第三，也可以在堆體中添加一些吸附劑[8]，可以吸附堆體中的氨氣，減少氨氣的釋放。第四，可以在堆體中加入一些微生物菌劑[9]，起到固氮作用，將氨氮轉(zhuǎn)化成有機氮，不再產(chǎn)生氨氣。也可以從堆肥工藝條件優(yōu)化方面考慮，比如改變物料的C/N比，堆肥過程中的通風(fēng)速率等，減少氮素的損失[10]。

[1]李冰，王昌全，江連強，等.有機輔料對豬糞堆肥中氨氣揮發(fā)的抑制效應(yīng)及其影響因素分析[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2008(5)：185-191.

[2]Ko H J，Kim K Y，Kim H T，et al.Evaluation of maturity parameters and heavy metal contents in composts made from animal manure[J].Waste Management，2008，28：813-820.

[3]王曉娟，劉博文，劉微，等.不同微生物促腐劑在雞糞好氧堆肥中的應(yīng)用研究[J].水土保持學(xué)報，2011，25(1)：238-241.

[4]Huang G F，Wong J W C，Wu Q T，et al.Effect of C/N on composting of pig manure with sawdust[J].Waste Manage，2004，24(8)：05-13.

[5]Chen Y X，Huang X D，Han Z Y，et al.Effects of bamboo charcoal and bamboo vinegar on nitrogen conservation and heavy metals immobility during pig manure composting[J].ChemospHere，2010，78(9)：1177-1181.

[6]林小鳳，李國學(xué)，賀琪，等.堆肥化過程中氮素?fù)p失控制材料的添加試驗研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2005，24(5)：975-978.

[7]熊建軍，劉淑英，鄒國元，等.高溫堆肥過程中除臭保氮技術(shù)研究進展[J].農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境科學(xué)，2008，24(1)：444-448.

[8]Torkashvand A M.Influence of the molasses and office paper as carbonic amendments in municipal compost production[J].Biotechnology，2009，8(1)：114-119.

[9]黃向東，韓志英，石德智，等.畜禽糞便堆肥過程中氮素的損失與控制[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2010，21(1)：247-254.

[10]Doublet J，F(xiàn)rancou C，Petraud J P，et al.Distribution of C and N mineralization of a sludge compost within particle-size fractions[J].Bioresource Technol，2010，101(4)：1254-1262.

〔責(zé)任編輯 楊德兵〕

Nitrogen Transformation and Loss Control in Composting of Chicken Manure

YAN Rong-rong
(Department of Environmental and Safety Engineering，Taiyuan Institute of Technology，Taiyuan Shanxi,030008)

This paper studies the form of nitrogen in compost of chicken manure，found the form of nitrogen in different stages and researched the main way to reduce the nitrogen loss.Through the experiment，we found that the ammonia is the main form of nitrogen loss，the total loss of nitrogen is more than 50%.The nitrogen loss can be reduced if the way can be found.In the end，more nitrogen will be fixed in the chicken manure.

chicken manure;aerobic composting;nitrogen transformation;nitrogen loss control

X131

A

1674-0874(2016)03-0044-04

2016-03-21

山西省衛(wèi)生計生委中醫(yī)科研課題項目[2014ZY14]

閆榮榮（1981－），女，山西霍州人，碩士，助教，研究方向：水體污染處理。