添加過磷酸鈣的豬糞堆肥污染氣體減排工藝優(yōu)化

吳 娟 何勝洲 李國學(xué) 李朝暉 包一凡 梁 英

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100193； 2.包頭市環(huán)境監(jiān)測站， 包頭 014060；3.農(nóng)田環(huán)境污染防控與修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100193)

添加過磷酸鈣的豬糞堆肥污染氣體減排工藝優(yōu)化

吳 娟1,2何勝洲1,3李國學(xué)1,3李朝暉2包一凡2梁 英2

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100193； 2.包頭市環(huán)境監(jiān)測站， 包頭 014060；3.農(nóng)田環(huán)境污染防控與修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100193)

過磷酸鈣作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用肥料添加到堆肥中一方面能夠顯著降低堆肥過程中氨揮發(fā)，減少甲烷、氧化亞氮等溫室氣體的排放，另一方面可以提高磷的生物有效性，對于降低堆肥環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)提高堆肥品質(zhì)具有重要意義。為研究不同工藝參數(shù)對堆肥污染氣體排放的影響，研究了添加過磷酸鈣條件下不同通風(fēng)率(0.12、0.24、0.36 L/(kg·min))、含水率(55%、60%、65%)和碳氮比(15、18、21)對堆肥典型污染氣體CO2、CH4、NH3和N2O排放的影響。結(jié)果表明：含水率65%和通風(fēng)率0.36 L/(kg·min)條件下會顯著降低過磷酸鈣的固氮效果，低通風(fēng)率更有利于減少NH3揮發(fā)控制氮素?fù)p失。過磷酸鈣能夠有效控制豬糞堆肥N2O的排放，低通風(fēng)率有利于堆肥高溫期N2O減排。過磷酸鈣對CH4的減排效果顯著，受工藝參數(shù)影響較小。不同工藝參數(shù)均不會影響添加過磷酸鈣堆肥達(dá)到穩(wěn)定和腐熟，從CO2、CH4、NH3和N2O總溫室效應(yīng)減排效果來看，含水率60%、通風(fēng)率0.12 L/(kg·min)、碳氮比18是最優(yōu)堆肥工藝參數(shù)方案。

過磷酸鈣; 堆肥; 工藝參數(shù); 溫室氣體; 減排

引言

畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的廢棄物現(xiàn)已成為我國環(huán)境污染的重要排放源，畜禽糞便中化學(xué)需氧量、氨氮含量高，污染潛力巨大[1]。高溫好氧堆肥是畜禽糞便資源化處理的有效手段，因其技術(shù)要求低、資金投入少，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。堆肥過程中氨(NH3)揮發(fā)不僅造成嚴(yán)重的空氣污染，還會因氮損失使堆肥品質(zhì)下降[2]。另外，堆肥過程中會產(chǎn)生大量二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)以及氧化亞氮(N2O)等溫室氣體，由于CH4和N2O的溫室效應(yīng)顯著高于CO2，近年來在廢棄物資源化處理的研究中受到越來越多的關(guān)注和重視[3]。

過磷酸鈣肥料具有顯著的固氮效果，對于畜禽糞便堆肥氮素固定率最高可達(dá)85%[4]。另有研究表明過磷酸鈣還可以顯著降低CH4[1]和N2O的排放[3]。此外，堆肥因含有大量有機(jī)酸和腐殖酸，能夠顯著提高過磷酸鈣中磷的生物有效性[5]并促進(jìn)磷的活化[6]，因而將過磷酸鈣肥料作為添加劑應(yīng)用于堆肥中不僅能降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)還能顯著提高堆肥品質(zhì)。

堆肥工藝參數(shù)對于堆肥進(jìn)程有著非常重要的影響，過去在堆肥添加過磷酸鈣的研究中，無論是以豬糞秸稈為原料[3]還是廚余垃圾[7]或蔬菜廢棄物堆肥[8]，都沒有考慮堆肥工藝參數(shù)對污染氣體減排的影響，實(shí)際上通風(fēng)率、含水率和碳氮比對堆肥過程中有機(jī)質(zhì)降解和微生物代謝途徑影響顯著[9-10]。同時(shí)，在規(guī)?；a(chǎn)中，為加快堆肥腐熟并減少或防止?jié)B濾液產(chǎn)生必須充分考慮強(qiáng)制通風(fēng)、降低物料含水率并調(diào)節(jié)合適的碳氮比等措施。本文基于羅一鳴等[3]研究結(jié)果，以物料干質(zhì)量10%過磷酸鈣作為豬糞秸稈堆肥固氮和溫室氣體減排添加劑，探討不同工藝參數(shù)對過磷酸鈣堆肥固氮和溫室氣體減排的影響，得到添加過磷酸鈣的豬糞堆肥污染氣體減排最優(yōu)工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

本研究試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗(yàn)站，于2015年10月11日—11月15日進(jìn)行35 d堆肥，堆肥原料為豬糞和玉米秸稈。豬糞取自北京郊區(qū)中小型規(guī)模養(yǎng)豬場，玉米秸稈取自上莊試驗(yàn)站附近，自然風(fēng)干后粉碎為1～3 cm長的小段使用。堆肥原料中豬糞總碳質(zhì)量比為(349.8±4.98)g/kg，總氮質(zhì)量比為(25.3±0.05)g/kg，碳氮比為13.8，含水率(65.1±2.01)%；秸稈總碳質(zhì)量比為(427.1±4.98)g/kg，總氮質(zhì)量比為(10.0±0.05)g/kg，碳氮比為42.7，含水率(8.9±0.03)%。添加劑為市場購買的普通過磷酸鈣肥料，產(chǎn)地為河北涿鹿，有效成分以P2O5計(jì)并大于等于18%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

試驗(yàn)裝置60 L圓柱型好氧發(fā)酵罐為雙層保溫密封不銹鋼罐體(內(nèi)徑36 cm，高60 cm)，底部設(shè)有強(qiáng)制通風(fēng)管道接口和滲濾液外排口，頂部為廢氣排放和氣體樣品采集通道。發(fā)酵罐通過連接溫度反饋?zhàn)詣涌刂葡到y(tǒng)獲取堆體中心溫度。試驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 堆肥裝置示意圖Fig.1 Setup sketch of composting system 1．空氣泵 2．溫度傳感器 3．溫度反饋?zhàn)詣涌刂葡到y(tǒng) 4．氣相色譜 5．沼氣分析儀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究不同含水率、通風(fēng)率、碳氮比條件下添加過磷酸鈣對堆肥過程中CO2、CH4、NH3、N2O這4種主要污染氣體排放的影響。所有處理均添加初始物料干質(zhì)量10%的過磷酸鈣，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)L9(34)三因素三水平試驗(yàn)，共9個處理(表1)。畜禽糞便堆肥中最適宜含水率為55%～65%[11]，因此本研究通過添加水分設(shè)置堆體含水率為55%、60%、65%；由于過磷酸鈣添加劑具有CH4減排的作用，假設(shè)0.24 L/(kg·min)為最優(yōu)通風(fēng)率[10]，故控制通風(fēng)率為0.12、0.24、0.36 L/(kg·min)，采用連續(xù)通風(fēng)方式；調(diào)節(jié)初始物料豬糞和玉米秸稈的鮮質(zhì)量比例，控制物料初始碳氮比為15、18、21[9]。用正交試驗(yàn)極差分析法，以總溫室效應(yīng)、發(fā)芽率指數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)，得出添加過磷酸鈣堆肥污染氣體減排最優(yōu)工藝控制參數(shù)。本研究中總溫室效應(yīng)按CO2、CH4、NH3與N2O之和計(jì)算，其中CH4、NH3與N2O對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率依次分別為CO2的25、3.86和298倍[3]。

1.3 采樣及測定方法

CO2、CH4、NH3和N2O等氣體樣品的采集和溫度數(shù)據(jù)的讀取都集中在每天09:00—10:00完成。固體樣品分別在堆肥試驗(yàn)進(jìn)行當(dāng)天以及第7、14、21、28和35天，物料經(jīng)翻堆混合均勻后取得。固體樣品分為2份，一份100 g，于采樣當(dāng)天測定含水率，剩余部分保存在冰箱冷藏室(4℃)，堆肥結(jié)束后統(tǒng)一測定發(fā)芽率指數(shù)(Germination index,GI)；另一份150 g，于采樣當(dāng)天放置在試驗(yàn)站倉庫內(nèi)空地，自然風(fēng)干14 d以上，堆肥結(jié)束后統(tǒng)一粉碎、研磨過100目(0.15 mm)篩，測定總碳(Total carbon,TC)和總氮(Total nitrogen，TN)。

表1 添加過磷酸鈣堆肥工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Orthogonal design of experiment optimization with superphosphate addition during composting

堆肥每天的溫度由溫度傳感器連接溫度自動記錄系統(tǒng)每小時(shí)讀取并保存。氣體樣品重復(fù)測定3次，取平均值。CO2采用便攜式沼氣測定儀(BIOGAS-5000型，Geotech)直接測定。CH4和N2O采用帶有三通閥門的玻璃注射器采集，由氣相色譜儀(SP-3420A型，北分瑞利)測定[7]。NH3采用吸收瓶法，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的硼酸吸收后采用標(biāo)定濃度的稀硫酸滴定。

含水率采用干燥法測定；GI的測定方法為取堆肥水浸提液于墊有濾紙的培養(yǎng)皿中，均勻放置10粒小白菜種子，在20℃培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)48 h后通過種子發(fā)芽率和種子根長計(jì)算GI(%)[12]。

TC、TN的測定方法為將風(fēng)干樣粉碎后置于60℃干燥箱內(nèi)干燥4～6 h，再人工研磨或球磨過100目篩，稱取100 mg研磨過篩后的樣品經(jīng)元素分析儀測定(vario MACRO cube型元素分析儀，德國)。

利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和多重比較檢驗(yàn)，P<0.05為差異顯著，P<0.01為差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度

溫度是衡量堆肥進(jìn)程非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)，堆肥中溫度的升高和降低與微生物降解物料有機(jī)質(zhì)有關(guān)[13]。本研究中所有處理溫度60℃以上持續(xù)天數(shù)均超過5 d，滿足GB 7959—2012《糞便無害化衛(wèi)生要求》中對堆溫的要求。由于易降解有機(jī)質(zhì)的大量降解所有處理都在堆肥第1天迅速進(jìn)入高溫期，因工藝參數(shù)受通風(fēng)率、含水率和碳氮比的影響各處理分別持續(xù)7～14 d高溫后開始降溫，隨著易降解有機(jī)質(zhì)的消耗殆盡28 d后堆體溫度降至室溫進(jìn)入腐熟期。從圖2中可看到，處理4、7、8在堆肥第6天出現(xiàn)明顯的降溫，翻堆后堆溫又重新升至60℃以上，這和堆體含水率低以及通風(fēng)率高有關(guān)，高通風(fēng)率情況下會加快堆體水分和熱量的散失導(dǎo)致溫度下降，微生物受含水率和溫度的限制，群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變進(jìn)而減弱對有機(jī)質(zhì)的分解[9]。相反，低通風(fēng)率會延長堆肥降解時(shí)間，減緩有機(jī)質(zhì)降解速率，處理1、2、3的高溫持續(xù)都相對較長。由極差分析結(jié)果可知，通風(fēng)率對有效積溫的影響最大，其次是含水率。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，不同處理由通風(fēng)率導(dǎo)致的溫度變化影響差異極顯著(P=0.009)，含水率和碳氮比的影響差異不顯著(P=0.855，P=0.974)，該結(jié)果與GUO等[9]研究結(jié)論一致。研究表明高添加量(物料干質(zhì)量10%以上)過磷酸鈣可能會延長堆肥物料降解[3]，但從本研究結(jié)果看不同工藝參數(shù)對于添加過磷酸鈣堆肥的進(jìn)程存在顯著差異，通風(fēng)率起主要調(diào)節(jié)作用。

2.2 二氧化碳

圖2 不同工藝條件下添加過磷酸鈣堆肥溫度和CO2-C排放速率的變化Fig.2 Changes of temperature and CO2-C emission rate under different process parameters with superphosphate addition during composting

2.3 甲烷

2.4 氧化亞氮

不同學(xué)者關(guān)于添加過磷酸鈣對堆肥N2O排放影響的結(jié)論并不一致，在YANG等[7]和LIU等[28]的研究中添加過磷酸鈣促進(jìn)了N2O的排放，但在羅一鳴等[3]的研究中添加不同水平過磷酸鈣對于N2O均起到減排作用。本研究中所有處理N2O的排放峰值在4.0～28.7 mg/(kg·d)，低于LUO等[17]研究中同樣以豬糞秸稈為堆肥原料的N2O排放峰值90.0 mg/(kg·d)，但是比WANG等[29]研究中12 mg/(kg·d)的N2O排放速率高。通常認(rèn)為，過磷酸鈣容易降低物料pH值，酸性環(huán)境會促進(jìn)N2O排放量增多[7-27]，但豬糞呈堿性且過磷酸鈣的添加對其pH值變化影響不大[3]，從本研究結(jié)果看，添加過磷酸鈣并無顯著增加堆肥N2O排放量。

添加過磷酸鈣能夠顯著降低豬糞堆肥CH4的排放，對于N2O的減排效果和影響機(jī)理還需進(jìn)一步深入研究探討。通過優(yōu)化工藝可以加強(qiáng)過磷酸鈣對于CH4和N2O的減排作用，降低含水率有利于減少堆體中厭氧區(qū)域，減少CH4和腐熟期N2O的產(chǎn)生。

圖3 不同工藝條件對添加過磷酸鈣堆肥CH4-C和N2O-N排放速率的影響Fig.3 Effects of different process parameters on CH4-C and N2O-N emission rates with superphosphate addition during composting

2.5 氨氣

2.6 種子發(fā)芽率指數(shù)

GI可作為評價(jià)堆肥的穩(wěn)定性和腐熟度的重要指標(biāo)，當(dāng)GI大于50%時(shí)可認(rèn)為堆肥產(chǎn)品對作物生長無毒害作用[33]，GI大于80%則認(rèn)為堆肥達(dá)到腐熟[34]。從本研究結(jié)果看，堆肥35 d后，所有處理GI在82.4%～103.8%之間，說明添加過磷酸鈣堆肥在不同工藝條件下都不會對堆肥產(chǎn)品造成不良影響，在羅一鳴等[3]和JIANG等[15]的研究中添加不同量過磷酸鈣均不會影響堆肥最終達(dá)到腐熟。這是因?yàn)檫^磷酸鈣作為無機(jī)磷肥含有大量的鈣、硫、磷等養(yǎng)分元素能夠提高堆肥品質(zhì)，另外盡管有研究指出高添加量過磷酸鈣可能會對有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生不利影響，但從本研究結(jié)果來看添加過磷酸鈣不會影響小分子有機(jī)酸等對植物生長有害物質(zhì)的分解，因而不會對堆肥腐熟造成影響。所以，添加過磷酸鈣堆肥可以通過調(diào)整工藝參數(shù)減少污染氣體的排放，而不會影響堆肥達(dá)到穩(wěn)定和腐熟。

圖4 不同工藝條件對添加過磷酸鈣堆肥NH3-N排放速率和GI的影響Fig.4 Effects of different process parameters on NH3-N emission rate and GI with superphosphate addition during composting

2.7 物料平衡和溫室效應(yīng)分析

本研究中總碳損失為46.2%～65.9%(表2)，以CO2-C損失為主，占到初始總碳的41.9%～63.7%，CH4-C損失所占比例很低，僅為初始總碳的0.01%～0.04%，該結(jié)果和羅一鳴[35]添加過磷酸鈣堆肥的研究結(jié)果近似，說明添加物料干質(zhì)量10%的過磷酸鈣對于豬糞堆肥有機(jī)質(zhì)降解受不同工藝參數(shù)影響較大，對于CH4具有顯著的減排效果[10,17]。其余2.2%～12.2%的總碳損失除受系統(tǒng)誤差影響外還可能包含有部分未檢測到的揮發(fā)性有機(jī)化合物[35]。

從氮素?fù)p失結(jié)果來看(表2)，不同工藝條件下總氮損失差異較大，在24.0%～50.8%之間，其中NH3-N損失占初始總氮的18.7%～44.3%，占總氮損失的76.2%～92.5%，是主要的氮損失形式，與前人的研究結(jié)論較為一致[10,17,35]。N2O-N損失占初始總氮的0.04%～0.65%，低于JIANG等[10]的研究結(jié)果1.5%～7.3%，與羅一鳴等[3]的結(jié)果(0.68%～0.79%)較為一致。從結(jié)果分析看，過磷酸鈣能夠減少豬糞堆肥中N2O的排放，并且在優(yōu)化工藝的情況下還能夠進(jìn)一步促進(jìn)N2O減排。

表2 不同工藝參數(shù)下添加過磷酸鈣堆肥中物料平衡及總溫室效應(yīng)Tab.2 Mass balance and total GHG effect under different process parameters with superphosphate addition during composting

CH4、N2O、CO2都會產(chǎn)生溫室效應(yīng)，而NH3因能在大氣中部分轉(zhuǎn)化為N2O也會造成間接溫室效應(yīng)[3]。從表2結(jié)果看，包含4種污染氣體在內(nèi)的總溫室氣體排放量(以CO2當(dāng)量計(jì))在751～1 148 kg/t之間，不同氣體對于溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)中CO2占69.3～90.3%，CH4占2.1%～12.2%，NH3占5.4%～11.0%，N2O占1.0～12.8%。如僅考慮CH4和N2O的溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)，其總排放量在35.6～287.0 kg/t之間，顯著低于不添加過磷酸鈣的豬糞堆肥的CH4和N2O總排放量(211～720 kg/t)[10]。極差分析結(jié)果顯示，通風(fēng)率和含水率對于總溫室氣體排放影響較大，從前文分析知高通風(fēng)率會顯著增加NH3揮發(fā)和高溫期N2O的排放，而含水率過高容易導(dǎo)致堆體內(nèi)形成更多厭氧區(qū)域，進(jìn)而促進(jìn)CH4和腐熟期N2O的產(chǎn)生，由此提高總溫室氣體排放量。本研究從降低堆肥總溫室效應(yīng)角度考慮，添加物料干質(zhì)量10%過磷酸鈣在工藝參數(shù)為含水率60%、通風(fēng)率0.12 L/(kg·min)、碳氮比18時(shí)總溫室氣體排放量最低。

3 討論

從本研究結(jié)果看，不同工藝對過磷酸鈣堆肥污染氣體排放和溫室氣體減排存在顯著的影響，表現(xiàn)為對NH3和CH4的進(jìn)一步減排。在羅一鳴等[3]研究不同添加比例過磷酸鈣對于溫室氣體減排效果的研究中，以自然通風(fēng)作為供氧方式且含水率較高(67.6%)造成堆體中存在大量厭氧區(qū)域，CH4-C最高排放速率為38 mg/kg，而本研究在強(qiáng)制通風(fēng)條件下排放速率峰值最低可控制在1.4～3.5 mg/kg(含水率55%時(shí))。規(guī)?；a(chǎn)中為加快堆肥腐熟并減少或防止?jié)B濾液的產(chǎn)生必須考慮強(qiáng)制通風(fēng)(強(qiáng)制通風(fēng)可帶走多余的熱量和水分)，尤其是針對含水率較高的有機(jī)物料如廚余垃圾等，但通風(fēng)量過高即便是在添加過磷酸鈣的堆肥中也會導(dǎo)致NH3大量排放[36]。本研究中通過控制通風(fēng)率總氮損失可以控制在24%～36%，高于羅一鳴等[3]添加10%過磷酸鈣堆肥中總氮損失22%，其原因和自然通風(fēng)供氧方式有關(guān)[37]，也可能是因?yàn)楸狙芯繛樾≡囋囼?yàn)，所采用發(fā)酵裝置相比中試試驗(yàn)的發(fā)酵倉而言密閉性強(qiáng)，堆肥過程中系統(tǒng)誤差相對較小，進(jìn)而在氣體檢測和排放量計(jì)算上更嚴(yán)格于中試或生產(chǎn)性試驗(yàn)。

堆肥中有機(jī)碳損失通常能達(dá)到50%～70%[2-3,37]，其中86%都以CO2-C形式損失[18]，從本研究結(jié)果看CO2對堆肥總溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)占到69%以上，與JIANG等[37]以豬糞秸稈為原料的堆肥研究中結(jié)論較為一致(CO2對總溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)率為68%～79%)，ZHONG等[39]的研究中CO2貢獻(xiàn)率較高，占到94%。另外，在廚余垃圾堆肥研究中CO2貢獻(xiàn)略低，但也占到總貢獻(xiàn)率的60%[7]。以上結(jié)果說明堆肥化中碳素?fù)p失較為嚴(yán)重，不僅顯著增加溫室效應(yīng)，同時(shí)降低堆肥物料的有機(jī)能量和生物學(xué)活性。添加過磷酸鈣可以降低堆肥有機(jī)碳損失[3]，通過本研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化工藝參數(shù)可以進(jìn)一步促進(jìn)堆肥過程中CO2-C減排，作者認(rèn)為堆肥作為土壤有機(jī)碳的補(bǔ)給源應(yīng)考慮碳素?fù)p失控制，在保證易分解有機(jī)質(zhì)充分降解，堆肥能夠達(dá)到穩(wěn)定和無害化，施用后不會給農(nóng)田生態(tài)環(huán)境造成不利影響即可。

本研究通過實(shí)驗(yàn)室小試試驗(yàn)并結(jié)合過去研究結(jié)果的理論分析，得到含水率為60%、通風(fēng)率為0.12 L/(kg·min)、碳氮比18的條件下添加過磷酸鈣堆肥能夠達(dá)到穩(wěn)定和腐熟并且總溫室氣體排放量最低，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中因物料初始性狀和堆體大小的不同可能會存在差別。

4 結(jié)論

(1)不同工藝條件對添加過磷酸鈣的堆肥中NH3揮發(fā)影響較大，含水率為65%和通風(fēng)率為0.36 L/(kg·min)條件下會減弱過磷酸鈣對堆肥的固氮作用。在含水率為55%、通風(fēng)率為0.12 L/(kg·min)、碳氮比15條件下過磷酸鈣的固氮效果最佳。

(2)N2O的產(chǎn)生主要集中在堆肥高溫期，受工藝參數(shù)影響腐熟期也會有大量N2O的排放。本研究中在不同工藝條件下添加過磷酸鈣堆肥均不會顯著增加N2O的產(chǎn)生，且高溫期通過降低通風(fēng)率可促進(jìn)N2O減排。

(3)添加過磷酸鈣能夠顯著降低CH4的排放且不受堆肥工藝參數(shù)的影響，含水率為55%有利于CH4進(jìn)一步減排。

(4)不同工藝條件均不會對添加過磷酸鈣堆肥達(dá)到穩(wěn)定和腐熟造成不利影響，從CO2、CH4、NH3和N2O總溫室效應(yīng)減排效果看，含水率60%、通風(fēng)率0.12 L/(kg·min)、碳氮比18是最優(yōu)堆肥工藝參數(shù)方案。

1 江滔．堆肥化過程中溫室氣體產(chǎn)生機(jī)理及減排技術(shù)研究[D]．北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011． JIANG Tao．The greenhouse gas formation mechanism during composting and mitigation technologies research [D]．Beijing：China Agricultural University，2011．(in Chinese)

2 REN L，SCHUCHARDT F，SHEN Y，et al．Impact of struvite crystallization on nitrogen losses during composting of pig manure and cornstalk [J]．Waste Management，2010，30(5)：885-892．

3 羅一鳴，李國學(xué)，F(xiàn)RANK Schuchardt，等．過磷酸鈣添加劑對豬糞堆肥溫室氣體和氨氣減排的作用[J/OL]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(22)：235-242．http:∥www.tcsae.org/nygcxb/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20122233&journal_id=nygcxb.DOI: 10.3969/j.issn.1002-6819.2012.22.033. LUO Yiming，LI Guoxue，F(xiàn)RANK Schuchardt，et al．Effects of additive superphosphate on NH3, N2O and CH4emissions during pig manure composting [J/OL]．Transactions of the CSAE，2012，28(22)：235-242．(in Chinese)

4 林小鳳，李國學(xué)，任麗梅，等．氯化鐵和過磷酸鈣控制堆肥氮素?fù)p失的效果研究[J]．農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2008，27(4)：1662-1666． LIN Xiaofeng，LI Guoxue，REN Limei，et al．Effect of FeCl3and Ca(H2PO4)2as amendments on reducing nitrogen loss during composting [J]．Journal of Agro-Environment Science，2008，27(4)：1662-1666．(in Chinese)

5 CH’NG H Y，AHMED O H，NIK M A M．Improving phosphorus availability in an acid soil using organic amendments produced from agroindustrial wastes [J]．Scientific World Journal，2014，2014：1-6．

6 KHAN K S，JOERGENSEN R G．Compost and phosphorus amendments for stimulating microorganisms and growth of ryegrass in a Ferralsol and a Luvisol [J]．Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2012，175(1)：108-114．

7 YANG F，LI G，SHI H，et al．Effects of phosphogypsum and superphosphate on compost maturity and gaseous emissions during kitchen waste composting [J]．Waste Management，2015，36：70-76．

8 楊巖，孫欽平，李妮，等．不同過磷酸鈣添加量對蔬菜廢棄物堆肥的影響[J]．農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2017，34(1)：66-72． YANG Yan，SUN Qinping，LI Ni，et al．Effects of different addition amounts of superphosphate on vegetable waste compost [J]．Journal of Agricultural Resources and Environment，2017，34(1)：66-72．(in Chinese)

9 GUO R，LI G，JIANG T，et al．Effect of aeration rate, C/N ratio and moisture content on the stability and maturity of compost [J]．Bioresource Technology，2012，112：171-178．

10 JIANG T，SCHUCHARDT F，LI G，et al．Effect of C/N ratio, aeration rate and moisture content on ammonia and greenhouse gas emission during the composting [J]．Journal of Environmental Sciences，2011，23(10)：1754-1760．

11 李國學(xué)，張福鎖．固體廢物堆肥化與有機(jī)復(fù)混肥生產(chǎn)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000．

12 劉寧，周嘉良，馬雙雙，等．生物炭對雞糞好氧堆肥主要氮素形態(tài)含量影響與保氮機(jī)制[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(12)：233-239．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20161228&journal_id=jcsam. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.12.028. LIU Ning，ZHOU Jialiang，MA Shuangshuang，et al．Impacts of biochar on major forms contents and conservation mechanism of nitrogen during aerobic composting of chicken manure [J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47(12)：233-239．(in Chinese)

13 黃光群，黃晶，張陽，等．雞糞沼渣聯(lián)合好氧堆肥基質(zhì)降解與氣體排放研究[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(9)：220-226．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160931&journal_id=jcsam. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.031. HUANG Guangqun，HUANG Jing，ZHANG Yang，et al．Substrate degradation and gases emission during co-composting of chicken manure digestion [J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47(9)：220-226．(in Chinese)

14 BERNAL M P，ALBURQUERQUE J A，MORAL R．Composting of animal manures and chemical criteria for compost maturity assessment. A review [J]．Bioresource Technology，2009，100(22)：5444-5453．

15 JIANG J，HUANG Y，LIU X，et al．The effects of apple pomace, bentonite and calcium superphosphate on swine manure aerobic composting [J]．Waste Management，2014，34(9)：1595-1602．

16 WANG P，CHANGA C M，WATSON M E，et al．Maturity indices for composted dairy and pig manures [J]．Soil Biology & Biochemistry，2004，36(5)：767-776．

17 LUO W H，YUAN J，LUO Y M，et al．Effects of mixing and covering with mature compost on gaseous emissions during composting [J]．Chemosphere，2014，117：14-19．

18 HAO X，LAMEY F J，CHANG C，et al. The effect of phosphogypsum on greenhouse gas emissions during cattle manure composting [J]．Journal of Environment Quality，2005，34(3)：774-782．

19 LUO Y，LI G X，LUO W H，et al．Effect of phosphogypsum and dicyandiamide as additives on NH3, N2O and CH4emissions during composting [J]．Journal of Environmental Sciences，2013，25(7)：1338-1345．

20 SOSSA K，ALARCON M，ASPE E，et al．Effect of ammonia on the methanogenic activity of methylaminotrophic methane producing Archaea enriched biofilm [J]．Anaerobe，2004，10(1)：13-18．

21 TAMURA T，OSADA T．Effect of moisture control in pile-type composting of dairy manure by adding wheat straw on greenhouse gas emission [J]．International Congress，2006，1293：311-314．

22 SUN Z，ZHANG J，ZHONG X，et al．Production of nitrate-rich compost from the solid fraction of dairy manure by a lab-scale composting system [J]．Waste Management，2016，51(5)：55-64．

23 ZENG Y，DE GUARDIA A，ZIEBAL C，et al．Nitrification and microbiological evolution during aerobic treatment of municipal solid wastes [J]．Bioresource Technology，2012，110(4)：144-152．

24 MYUNG J，WANG Z，YUAN T，et al．Production of nitrous oxide from nitrite in stable type Ⅱ methanotrophic enrichments [J]．Environmental Science & Technology，2015，49(18)：10969-10975．

25 JIANG T，MA X，TANG Q，et al．Combined use of nitrification inhibitor and struvite crystallization to reduce the NH3and N2O emissions during composting [J]. Bioresource Technology，2016，217(10)：210-218．

26 SZANTO G，HAMELERS H，RULKENS W，et al．NH3, N2O and CH4emissions during passively aerated composting of straw-rich pig manure [J]．Bioresource Technology，2007，98(14)：2659-2670．

27 HAO X，CHANG C，LAMEY F J．Carbon, nitrogen balances and greenhouse gas emission during cattle feedlot manure composting [J]．Journal of Environmental Quality，2004，33(1)：37-44．

28 LIU Jinshan，XIE Zubin，LIU Gang，et al．A holistic evaluation of CO2equivalent greenhouse gas emission from compost reactors with aeration and calcium superphosphate addition [J]．Journal of Resources and Ecology，2010，1(2)：177-185．

29 WANG Q，WANG Z，AWASTHI M K，et al．Evaluation of medical stone amendment for the reduction of nitrogen loss and bioavailability of heavy metals during pig manure composting [J]．Bioresource Technology，2016，220(11)：297-304．

30 劉志云．氨氮降解菌的分離鑒定及其抑制雞糞氨氣揮發(fā)效果的研究[D]．北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2015． LIU Zhiyun．Isolation and identification of ammonia nitrogen-degrading microbe and their inhibition effect on ammonia volatilization from chicken manure [D]．Beijing：Chinese Academy of Agricultural Sciences，2015．(in Chinese)

31 呂丹丹，種云霄，吳啟堂，等．過磷酸鈣對氨氣的吸附解吸特性研究[J]．環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(11)：2506-2510． Lü Dandan，ZHONG Yunxiao，WU Qitang，et al．Adsorption and desorption of calcium superphosphate to ammonia gas [J]．Acta Scientiae Circumstantiae，2011，31(11)：2506-2510．(in Chinese)

32 MCCRORY D F，HOBBS P J．Additives to reduce ammonia and odor emissions from livestock wastes: a review [J]．Journal of Environmental Quality，2001，30(2)：345-355．

33 ZUCCONI F，PERA A，F(xiàn)ORTE M，et al．Evaluating toxicity of immature compost [J]．Biocycle，1981，22(2)：54-57．

34 SAIDI N，KOUKI S，MHIRI F，et al．Microbiological parameters and maturity degree during composting ofPosidoniaoceanicaresidues mixed with vegetable wastes in semi-arid pedo-climatic condition [J]. Journal of Environmental Sciences，2009，21(10)：1452-1458．

35 羅一鳴．基于農(nóng)場尺度的高溫堆肥典型污染氣體減排及生命周期評價(jià)研究[D]．北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013． LUO Yiming．Gaseous emissions reduction during composting and life cycle assessment on a farm-scale basis [D]．Beijing：China Agricultural University，2013．(in Chinese)

36 楊巖，孫欽平，李妮，等．添加過磷酸鈣對蔬菜廢棄物堆肥中氨氣及溫室氣體排放的影響[J]．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，26(1)：161-167． YANG Yan，SUN Qinping，LI Ni，et al．Effects of superphosphate addition on NH3and greenhouse gas emissions during vegetable waste composting [J]．Chinese Journal of Applied Ecology，2015，26(1)：161-167．(in Chinese)

37 JIANG T，LI G，TANG Q，et al．Effects of aeration method and aeration rate on greenhouse gas emissions during composting of pig feces in pilot scale [J]．Journal of Environmental Sciences，2015，31(5)：124-132．

38 JIANG T，MA X，YANG J，et al．Effect of different struvite crystallization methods on gaseous emission and the comprehensive comparison during the composting [J]．Bioresource Technology，2016，217(10)：219-226．

39 ZHONG J，WEI Y，WAN H，et al．Greenhouse gas emission from the total process of swine manure composting and land application of compost [J]．Atmospheric Environment，2013，81(12)：348-355．

Process Optimization of Pollutant Gases Emission Reduction with Superphosphate Addition during Pig Manure Composting

WU Juan1,2HE Shengzhou1,3LI Guoxue1,3LI Zhaohui2BAO Yifan2LIANG Ying2
(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China2.EnvironmentalMonitoringStationofBaotou,Baotou014060,China3.BeijingKeyLaboratoryofFarmlandSoilPollutionPreventionandRemediation,Beijing100193,China)

Superphosphate is used as additive to reduce ammonia (NH3), methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) emissions during composting, while the availability of phosphorus can be increased. It is an effective way for environmental risk reduction and compost quality improvement. Based on different process parameters significantly influenced pollutant gases production, effects of different aeration rates (AR: 0.12 L/(kg·min)，0.24 L/(kg·min)，0.36 L/(kg·min)), moisture contents (MC: 55%, 60%, 65%) and C/N ratios (15, 18, 21) on CO2, CH4, NH3and N2O emissions during pig manure composting were studied with superphosphate addition (10% dry matter of initial raw material). The results showed that the nitrogen fixation capability of superphosphate was obviously reduced by AR of 0.36 L/(kg·min), and AR of 0.12 L/(kg·min) was the best for NH3emission reduction. With superphosphate addition, it showed an effective control on N2O emission and significant reduction on CH4production in all treatments. N2O production could be further decreased with AR of 0.12 L/(kg·min) during thermophilic phase of pig manure composting. However, CH4and N2O generations could be promoted with MC of 65%. All process parameters showed no negative effect on compost stability and maturity in 35 d composting. During pig manure composting with superphosphate addition, the recommended parameters with the lowest greenhouse effect of CO2, CH4, NH3and N2O were MC of 60%, AR of 0.12 L/(kg·min) and C/N ratio of 18.

superphosphate; compost; process parameters; greenhouse gas; emission reduction

2017-02-28

2017-03-22

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0800600-01)和農(nóng)業(yè)部絨毛用羊產(chǎn)業(yè)體系生產(chǎn)與環(huán)境控制研究室糞污處理與利用項(xiàng)目

吳娟(1981—)，女，博士生，包頭市環(huán)境監(jiān)測站工程師，主要從事固體廢棄物資源化利用研究，E-mail: wujuan_1981@126.com

李國學(xué)(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事固體廢棄物資源化利用研究，E-mail: ligx@cau.edu.cn

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.038

X705; S141.4

A

1000-1298(2017)05-0304-09