基于自由空域木醋液對牛糞堆肥過程溫室氣體排放的時空特性的研究

周 嶺 劉 飛 李風娟 李治宇

(塔里木大學機械電氣化工程學院/新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室， 新疆 阿拉爾 843300)

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基于自由空域木醋液對牛糞堆肥過程溫室氣體排放的時空特性的研究

周 嶺 劉 飛 李風娟 李治宇

(塔里木大學機械電氣化工程學院/新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室， 新疆 阿拉爾 843300)

為研究不同濃度棉稈木醋液對牛糞好氧堆肥過程溫室氣體排放的時空特征，以牛糞和鋸末為試驗材料，用生物質熱裂解實驗裝置熱解棉稈得到木醋液作為添加劑，在自制的發(fā)酵倉內(nèi)進行好氧堆肥試驗。結果表明：堆體溫度上中下三層呈同時升高、同時降低的變化趨勢，升溫速率Kup>Kmed>Kdown，與對照組相比，添加3%的棉稈木醋液提高了堆肥反應溫度4～8 ℃，縮短了堆肥周期10天左右；堆體的自由空域呈明顯的層次效應，上層大于中層，中層大于下層；CH4的排放從上到下逐層增加，前期比后期多，CO2中層和下層的排放量大于上層，同時表現(xiàn)為前期排放量大，3#處理組CH4和CO2的層次變化較小，對CH4產(chǎn)生顯著抑制作用，降低了15%左右，對CO2的排放抑制作用3#>2#>1#。通過回歸方程分析，CO2與O2存在一元線性關系，CH4與O2存在二元線性關系。CH4的排放受氧體積分數(shù)影響很大， 3#處理組在前期FAS大于其他處理組，與氧體積分數(shù)相對應，進一步說明3#有利于堆肥順利進行。

好氧堆肥； 溫室氣體； 木醋液； 自由空域； 糞便

全球每年產(chǎn)生大約80億t～100億t固體廢棄物，其中有機固體廢棄物占了很大比例[1]。如果不能及時有效的處理這些有機固體廢棄物，將會對環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危害，制約經(jīng)濟發(fā)展，影響人類生活。肥料化處理是畜禽廢棄物合理利用的有效途徑之一，然而，畜禽糞便堆肥過程隨之會產(chǎn)生大量的溫室氣體不僅污染環(huán)境而且降低堆肥產(chǎn)品質量，成為制約堆肥化的主要因素[2]。在堆肥過程中，有機態(tài)氮的降解及其硝化、反硝化作用會產(chǎn)生一定量的N2O，其產(chǎn)生量約占堆肥總氮質量的0. 2%～6. 0%，CH4的產(chǎn)生量約占堆肥總碳質量的0. 8%～6. 0%[3]，其100年溫室效應分別是CO2的25倍和298倍[4]。NH3是堆肥過程中產(chǎn)生臭氣和降低堆肥產(chǎn)品質量的主要原因[2]。

國內(nèi)外學者對堆肥過程溫室氣體排放已展開廣泛的研究。Chowdhury等[5]報道低通風速率(0. 21～0. 22 L min-1kg-1TS)和添加生物炭能夠顯著降低NH3和CH4的揮發(fā)。趙晨陽等[6]研究發(fā)現(xiàn)翻堆頻率顯著提高了豬糞堆肥過程中溫室氣體和NH3的排放；而江滔等[7]發(fā)現(xiàn)冬季翻堆能夠顯著降低N2O和CH4的排放。目前關于堆肥過程溫室氣體的減排主要集中在堆肥條件的調(diào)節(jié)和控制[5-7,12-14]，也有學者通過混合堆肥[8,9]、添加過磷酸鈣[3]、明礬和沸石[10]、或蚯蚓輔助堆肥[11]達到溫室氣體減排的目的。木醋液(Wood Vinegar & Pyroligneous acid)具有促進生物生長[16-18]、土壤消毒、殺菌[19,20]、防蟲、防腐等作用，在農(nóng)牧業(yè)具有廣泛應用,但是在堆肥過程對溫室氣體排放的影響研究還鮮有報道,日前僅見:浙江大學Chen等[15]在豬糞堆肥中添加竹炭和竹木醋液，結果發(fā)現(xiàn)有效地減少了氮素揮發(fā)并鈍化了銅、鋅重金屬。本文以牛糞為研究對象，通過添加不同濃度梯度的棉稈木醋液，分析堆肥過程堆體自由空域的層次效應與CH4和CO2排放特性的響應關系，從而為木醋液施加對牛糞堆肥過程溫室氣體排放的調(diào)控機制提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

試驗設在塔里木大學動物科技學院試驗站，堆體物料組合為牛糞和鋸末，按質量比17. 8:1混合。牛糞取自本試驗站，試驗站的牛主要以麥秸和干草等粗飼料為主食；鋸末購自阿拉爾市某木材加工廠。物料的初始性質見表1。

1. 底座 2. 熱解爐 3. 加熱管 4. 熱解爐蓋 5. 螺栓 6. 熱電偶7. 安全閥 8. 冷凝器 9. 過濾器 10. 煤氣表 11. 排氣閥 12. 電控箱 13. 進水閥 14. 出水閥 15. 排木醋液、木焦油閥

圖1 生物質熱裂解實驗裝置

試驗中的木醋液由生物質熱裂解實驗裝置熱解棉稈得到。熱解裝置見圖1。將風干棉稈直接放入熱解裝置內(nèi)，每次進料1 kg，起始溫度20 ℃，終止溫度500 ℃，熱解2 h。氣體經(jīng)冷凝裝置冷凝為液體，在出口收集到的木醋液為粗木醋液，靜置沉淀后取上清液體，即為試驗所用棉稈木醋液。木醋液的理化性質見表2。

表1 堆肥物料初始性質

表2 棉桿木醋液理化性質

1.2 堆肥裝置設計

堆肥裝置系統(tǒng)結構如圖2所示。反應器內(nèi)部尺寸為0. 6 m×0. 6 m×0. 6 m，外部尺寸為1 m×1 m×1 m，保溫層材料為聚乙烯泡沫板。在堆體中心距離底部15 cm(down)、30 cm(medium)、45 cm(up)處放置溫度傳感器(Pt100電阻)；同樣在每一層中心位置上布置氣體采集點(圖2)，在箱壁一側同等位置打孔，插入PVC管用于導出氣體；反應器底部有通風管道。試驗采用4組規(guī)格相同的反應器。

1.3 試驗設計

堆肥試驗從2014年1月開始，持續(xù)11周。試驗設置4個處理，除對照組外，根據(jù)堆肥物料的起始質量設3個不同棉稈木醋液水平0. 5%，1. 7%和3. 0%(w/w，注：木醋液添加量均為木醋液與堆肥物料鮮重的比值)。具體原料配比如下：

CK: 牛糞66 kg+鋸末3. 69 kg+水23. 8 kg

1#: 牛糞66 kg+鋸末3. 69 kg+水23. 8 kg+0. 5%棉稈木醋液

2#: 牛糞66 kg+鋸末3. 69 kg+水23. 8 kg+1. 7%棉稈木醋液

3#: 牛糞66 kg+鋸末3. 69 kg+水23. 8 kg+3. 0%棉稈木醋液

堆體溫度超過60 ℃時通風30 min，前4周每周翻堆一次，以后每兩周翻堆一次，翻堆前采集堆體不同位置的試樣并保存在4 ℃下。

1.4 測定項目與方法

堆體溫度每天測量三次計算平均溫度。

溫室氣體和O2均采用靜態(tài)箱法采集氣體，前4周每2天采集一次，以后逐漸隔4-7天采集一次。其中翻堆前一天和翻堆后兩天進行氣體采集。采集的氣體樣品用Agilent公司生產(chǎn)的7890B氣相色譜儀分析氣體樣品中CH4、CO2和O2的濃度，其中氫火焰離子化檢測器(flame ionization detector, FID)檢測CH4，熱導檢測器(Thermal Conductivity Detector, TCD)檢測CO2和O2。

1. 流量計 2. 鼓風機 3. 通風管 4. 多孔網(wǎng) 5. 堆肥物料 6. PVC管 7. 保溫材料 8. 溫度傳感器 9. 溫度采集系統(tǒng)

自由空域(free airspace, FAS)的測算：FAS的算法有如下公式[2,23,24]

式中：δm—(濕)堆肥的容重，g/cm3δw—水的密度，g/cm3,一般為1.00g/cm3Sm—堆料固體質量分數(shù)，% Gs—堆肥的相對密度 Gv—揮發(fā)部分的相對密度，一般為1. 0 Gf—灰分的相對密度，一般為2. 5 Vs—揮發(fā)性固體的含量，%

2 結果與討論

2.1 木醋液對堆體溫度的時空變化的影響

溫度是物料內(nèi)微生物新陳代謝的作用，有機物分解產(chǎn)生熱量，堆肥溫度上升，驅動水分隨氣體和基質的升溫而蒸發(fā)。堆肥高溫能夠殺死病原體和雜草種子(無害化標準：50～55 ℃持續(xù)5～7 d)。因此，溫度是堆肥進程的重要指標。

圖3分別為堆體上中下三層的溫度變化?？梢钥闯?，不同處理對溫度變化的影響顯著，不同層次溫度變化呈現(xiàn)梯性降低的規(guī)律。堆肥前期溫度迅速上升，達到55 ℃以上，處理組最高溫度比對照組高4～10 ℃，且處理組的溫度一直處于較高水平，35 d以后，溫度逐漸降低，3#提前進入腐熟階段。牛糞顆粒屬于冷性材料，含有大量纖維素，棉桿木醋液呈酸性對纖維素產(chǎn)生不同程度的腐蝕增加了細菌與有機質的接觸面積，提高利用率，增加產(chǎn)熱。比較升溫期升溫速率，kup>kmed>kdown，堆體中的溫度場高溫區(qū)是從上層開始的。腐熟同樣是從上層開始，比較上中下三層腐熟期溫度，上層較集中，下層較分散，說明在堆肥后期，物料的腐熟呈現(xiàn)梯性變化，3#處理堆體提前進入腐熟期。木醋液處理不僅能夠增加堆體溫度，而且還可以縮短堆肥周期，在堆肥實踐中具有指導意義。

2.2 自由空域的層次效應

自由空域是表征堆體內(nèi)部孔隙度的重要物理量[2]，并直接影響堆體氧氣體積分數(shù)和微生物活性[23]。研究[17]表明最佳的FAS范圍為30%～35%，但也有學者[23,24]研究結果表明FAS大于56%。很容易理解這種差別，堆肥的物料各不相同，是否加入調(diào)理劑等。堆肥過程中堆體各層自由空域(FAS)的變化見表3。

圖3 堆體溫度變化

從表3可以發(fā)現(xiàn)堆肥進程中所有處理組有UpFAS>MedFAS>DownFAS，堆體上部的供氧性能比中、下層良好，呈明顯的層次效應。從堆肥開始到第8天，堆體內(nèi)FAS出現(xiàn)不同程度下降，除3#處理組外，其他組FAS均出現(xiàn)小于30%的情況，升溫期或高溫期微生物代謝增強，當FAS降到30%以下，會出現(xiàn)無法滿足微生物發(fā)酵要求，發(fā)生厭氧發(fā)酵情況，這也說明CH4主要在前期產(chǎn)生的原因。3#處理組各層FAS均大于30%，因而升溫、高溫期堆體中空氣含量能充分滿足微生物發(fā)酵的需求，說明3#處理組能夠抑制CH4的排放。堆肥第34天以后FAS變化不是很大，整體上依然是UpFAS>MedFAS>DownFAS，堆肥結束時，3#上中下層的FAS最小，生化反應完成，有機物礦化，顆粒變細。

2.3 木醋液對堆體中CO2、CH4排放的時空特征的影響

CH4的產(chǎn)生是在厭氧條件下，由甲烷菌還原CO2或含碳有機物產(chǎn)生的；CO2是微生物新陳代謝的主要產(chǎn)物，畜禽糞便堆肥損失大約50%的總碳。圖4-圖5分別為堆體中CH4和CO2的排放情況。整體來看，堆體中CH4和CO2的變化趨勢基本一致，但各處理組間差異顯著。

表3 堆肥過程中堆體各層自由空域(FAS)的變化

堆肥進程中，升溫期CH4和CO2的排放量達到峰值，隨后下降，在前7天，底部CH4和CO2排放較多，在這個時間段，說明溫度與CH4和CO2排放成正相關，可能與堆肥初期大量微生物快速繁殖并發(fā)生生化反應有關。在前7天，3個處理相對對照組有促進CH4排放，3#處理組試驗在第7天后就抑制了CH4排放，2周后CH4排放基本為零。與對照組相比，堆肥結束CH4排放降低了15%。3#處理組CO2在前7天釋放量最大，占到16%～24%，隨后迅速下降，2周后緩慢下降，3#處理組在第7周進一步抑制了CO2的排放，維持在2%左右。從整體上看木醋液處理后CH4和CO2的排放基本穩(wěn)定，波動不大，根據(jù)圖形的斜率可知，CH4和CO2的排放隨著木醋液濃度的增大，抑制作用就越強，說明木醋液的添加有利于減少CH4和CO2的排放。

堆體空間上，除3#外，堆體下層排放的CH4比中層多，上層排放最少。2周后出現(xiàn)排放高峰，由堆體上部到底部逐漸增大，很明顯底部出現(xiàn)厭氧發(fā)酵。這是因為2周后調(diào)節(jié)含水率，水分增加，物料內(nèi)空隙降低，氧氣傳輸受阻造成厭氧。3#處理組未出現(xiàn)峰，可能與木醋液的濃度有關，木醋液的酸性物質對物料有不同程度的腐蝕，增加了堆體空隙，保證了好氧堆肥的進行。中層與下層的CO2排放量大于上層，CO2在翻堆后出現(xiàn)不同程度的增加，很可能與翻堆后微生物新陳代謝增強有關。與對照組相比，處理組CO2的排放量有不同程度的抑制，3#在2周后使CO2排放量降低到5%以下。

3個處理組在實驗過程中表現(xiàn)出：約前7天CH4的排放量要高于對照組，但在7天后開始抑制CH4排放，三個處理組排放的CO2也呈現(xiàn)出發(fā)酵初期促進隨之轉入抑制期的類似規(guī)律。對此，可能的解釋是棉桿木醋液成分復雜，本身的酸性物質一方面腐蝕牛糞顆粒表層形成空隙；另一方面殺死某些細菌，造成某一菌種占優(yōu)勢，另外木醋液可能起到表面活性劑的作用，改善降解體系的微環(huán)境，綜合作用的結果[17]。

圖4 堆肥過程中CH4的排放情況

圖5 堆肥過程中CO2的排放情況

2.4 自由空域與CH4和CO2的響應關系

自由空域直接影響堆體氧氣體積分數(shù)，影響因素與含水率有很大關系[24]。結合表3與圖4可知，第8 d和第20 d堆體的FAS對應圖4中的峰值。處理組的中層和下層的FAS均小于30%，CH4排放量大于上層，3#處理組的FAS大于30%，保證了堆體內(nèi)部氧氣含量，CH4排放低。處理組在20 d以后中、下層的FAS均小于30%，一方面翻堆顆粒變細，另一方面，在第2周，調(diào)節(jié)含水率，微生物新陳代謝造成空隙變小。CO2是微生物好氧堆肥試驗的主要產(chǎn)物，受氧體積分數(shù)變化影響很大(表4)，堆體在2周前的FAS基本在30%左右，新陳代謝旺盛，CO2排放量大。好氧堆肥試驗有O2的參與，自由空域對氧體積分數(shù)影響很大，對CO2、CH4與O2的回歸擬合(表4)更加說明堆體中溫室氣體與氧體積分數(shù)的回歸關系。從表中可以看出CO2與O2的回歸方程在0. 001水平處高度顯著，呈一元線性關系，相關系數(shù)都大于0. 9，CH4與O2的相關關系呈二元關系。比較分析各回歸方程及相關系數(shù)可知，處理組的O2最佳范圍為16%～20%，與陳同斌[24]的結論一致。

表4 堆體中CO2、CH4與O2的相關關系

注：-- 不存在線性關系；t<0. 001，p<0. 001；OptO2為在CO2與CH4排放最低時的最佳氧體積分數(shù)。

3 結論

3.1 添加棉稈熱解產(chǎn)物木醋液進行牛糞好氧堆肥試驗?？臻g上溫度場由上層逐漸下移，且處理組升溫速率比對照組大，處理組提高堆肥溫度4～10 ℃，3#更有利于牛糞堆肥的順利進行。

3.2 堆體的自由空域層次效應明顯，處理組有抑制CH4排放的作用，3#處理組在第7天后就抑制了CH4排放，到堆肥結束CH4排放量降低15%左右；通過回歸方程分析，CO2與O2存在一元線性關系，CH4與O2存在二元線性關系。CH4的排放受氧體積分數(shù)影響很大。自由空域直接影響堆體內(nèi)部氧體積分數(shù)，處理組的FAS大于對照組，3#處理組在前期FAS大于其他處理組。

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Studies on Characteristics of Spatial Variation of Greenhouse Gases Emissions During the Cow Composting Added Cotton Wood Vinegar Based on FAS

Zhou Ling Liu Fei Li Fengjuan Li Zhiyu

(School of Mechanical and Electrical Engineering/The Key Laboratory of Colleges & Universities under the Department of Education of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

To study the effects of cotton wood vinegar (CWV) on CH4and CO2emissions, a pilot scale was carried out for 11 weeks. There were control and three mixtures (0. 6 m×0. 6 m×0. 6 m each) treated with different density CWV of 0. 5%，1. 7%，3. 0%(w/w) in the experiment. The results indicated that, the CWV added in cow manure composting increased the temperature rate and decreased the composting period (10 days) significantly. Compared to other study groups, adding 3. 0% of CWV produced more effects on the inhibition of CH4by 15%. The inhibition effects of CO2by CWV were 3#>2#>1#. The hierarchical effect in compost drove the composting process, with 18% oxygen concentration. And through the analysis of regression equation, showed that good linear relationship between CO2and O2a binary linear regression for CH4and O2It concluded that CWV as pyrolysis products from cotton can be used as an additive in composting engineering to reduce the emissions and improve the value of compost as fertilizer.

composting; greenhouse gas; wood vinegar; free airspace; manures

2015-12-17

國家自然科學基金項目(51266014)；新疆生產(chǎn)建設兵團博士基金項目(2011BB0123)。

周嶺(1972-)，女，博士，教授，碩士生導師，主要從事生物質資源化利用的研究。 E-mail：zhoul-007@163.com

1009-0568(2016)04-0060-10

X705

A

10.3969/j.issn.1009-0568.2016.04.010