不同水分和物料配比條件下堆肥氨氣排放量研究

田 野，劉善江，陳益山

（北京市農(nóng)林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所，北京 100097）

堆肥是畜禽糞便資源化和無害化處理的有效方法之一，成熟的堆肥可以提高農(nóng)作物產(chǎn)量，改善土壤的理化性質(zhì)；不成熟的堆肥由于未發(fā)酵完全，本身產(chǎn)生大量的氨氣，對農(nóng)作物的生長產(chǎn)生不利影響，對空氣環(huán)境也造成污染。研究表明，以雞糞作為主要原料的堆肥氨氣的釋放量高達17.3 mg·m-3［1］。低濃度的氨氣對皮膚和呼吸道粘膜有刺激作用，長期暴露于氨氣環(huán)境下的畜禽體重增加緩慢、飼料轉(zhuǎn)化率低［2］。堆肥過程中大量氨氣的釋放是造成堆肥中氮素流失的最主要途徑，其導致的氮損失率在19%～77%之間，從而導致堆肥肥效降低［3-4］。影響好氧堆肥過程氨氣釋放的因素主要有曝氣量、物料C/N、堆體pH值、溫度、含水率、堆肥添加劑以及堆體微生物群落等［5-9］，通過合理調(diào)控和優(yōu)化組合這些因素，可以對好氧堆肥過程中氨氣釋放進行最優(yōu)的原位控制，達到有效地減少堆肥過程中的氨氣排放和保氮效果［10-13］。

北京市平谷區(qū)桃樹種植面積近1.47萬hm2，每年冬、夏產(chǎn)生的果樹枝條廢棄物多達8～10萬t，有效利用率不到10%，大量桃枝的隨意焚燒和堆積對周邊環(huán)境造成嚴重污染［14］。桃枝的資源化利用是目前北京市平谷區(qū)政府亟待解決的問題。

本文結(jié)合北京市平谷區(qū)桃樹種植的具體農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況，選用北京市周邊具有代表性的雞糞、金針菇菇渣和桃樹枝作為堆肥研究對象，使用實驗室堆肥模擬設(shè)備進行好氧堆肥，通過改變堆肥水分和物料配比，對堆肥產(chǎn)生的氨氣排放量進行研究，以期得到雞糞和桃枝堆肥的最佳水分和物料配比，從而可以有效降低堆肥產(chǎn)生的氨氣排放量，同時實現(xiàn)桃枝的資源化利用，為實現(xiàn)北京市平谷區(qū)大桃產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)境友好型轉(zhuǎn)變提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

模擬堆肥氨氣排放試驗于2017年12月開展，試驗地點在北京實驗室。

1.1 試驗原料

采用雞糞、金針菇菇渣和桃樹枝粉渣作為堆肥試驗主要原料。雞糞采自北京市大興區(qū)北臧村鎮(zhèn)佳園養(yǎng)殖場，金針菇菇渣采自天津市寶坻區(qū)和泰豐種植場，桃樹枝粉渣采自北京市平谷區(qū)劉家店鎮(zhèn)生態(tài)橋工程。試驗原料采集到實驗室后，均干燥粉碎，過2 mm篩后進行成分檢測，雞糞、金針菇菇渣、桃樹枝粉渣的主要指標見表1。

1.2 模擬堆肥系統(tǒng)

結(jié)合實驗室堆肥模擬的實際情況，設(shè)計了一種新型模擬堆肥系統(tǒng)，主要包括堆肥罐、輸氣控制系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)，見圖1。

表1 堆肥原料雞糞、桃枝、金針菇的主要指標

圖1 實驗室堆肥模擬氣體監(jiān)測系統(tǒng)

本文采用了一種新型堆肥發(fā)酵罐，包括外罐體和內(nèi)罐體。內(nèi)部罐體可容納體積為60 L的圓柱體，外罐體和內(nèi)罐體之間填充保溫材料。頂蓋上連接采氣管路，底部放置有送氣裝置。

輸氣控制系統(tǒng)主要包括氣泵和氣流控制系統(tǒng)兩部分。氣泵采用無油空氣壓縮機，轉(zhuǎn)速1 380 r/min，公稱容積流量240 L/min，額定排氣壓力0.7 MPa。氣流控制系統(tǒng)主要通過氣壓閥和流量計調(diào)節(jié)每路輸送空氣的氣壓，從而保證每個堆肥罐體的輸氣壓力一致。

堆肥監(jiān)測系統(tǒng)主要包括溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)和氣體實時監(jiān)測系統(tǒng)兩部分。溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)是通過堆肥罐體頂部的溫度監(jiān)測探頭，實時將溫度顯示在主控面板上。溫度監(jiān)測探頭為長50 cm的不銹鋼管，分別在鋼管的頂端和距離頂端25 cm處安裝溫度探測器。溫度監(jiān)測探頭從堆肥罐頂部延伸至罐體的2/3處，溫度探測器記錄的溫度分別為罐體1/3和2/3處的溫度，從而保證罐體內(nèi)堆肥溫度的真實性。氣體實時監(jiān)測系統(tǒng)主要包括空氣干燥冷凝器和氣體緩沖瓶。在線式氨氣質(zhì)量監(jiān)測儀的氨氣監(jiān)測量程為0～1 000 mg/L，每5 min采集一次氨氣濃度，24 h連續(xù)監(jiān)測。空氣干燥冷凝器為3 000 mL玻璃三角瓶，瓶口有橡膠塞，橡膠塞上有一長一短兩根玻璃管，瓶內(nèi)裝有固體NaOH，用于吸收堆肥產(chǎn)生的氣體中的水分。氣體緩沖瓶為2 000 mL的抽濾瓶，瓶口有橡膠塞，橡膠塞上有一長一短兩根玻璃管，短管靠近抽氣口，便于氣體采集。在線式氨氣質(zhì)量監(jiān)測儀、空氣干燥冷凝器和氣體緩沖瓶通過硅膠管相連。

1.3 運行參數(shù)及數(shù)據(jù)計算

1.3.1 堆肥設(shè)備運行參數(shù)

試驗采用新型堆肥發(fā)酵罐，罐體內(nèi)部有效容納體積為60 L，尺寸為φ6 cm×30 cm的圓柱體。罐體通風為每通風30 min停止30 min，罐體底部氣體壓力為0.4 Mpa。堆肥主發(fā)酵周期為18 d，在堆肥第10 d進行翻堆操作。氣體檢測器的抽氣泵流速為0.4 L/min。

1.3.2 氨氣數(shù)據(jù)結(jié)果計算

在線式氨氣質(zhì)量監(jiān)測儀測定NH3濃度單位c mg/（L·5 min），取6 h內(nèi)氨氣的平均濃度為c6img/（L·6 h），i表示從監(jiān)測開始的第i個6 h數(shù)，i=1，2，3，……。氣體檢測器的抽氣泵流速為0.4 L/min，則360 min堆肥罐體中單位質(zhì)量堆肥產(chǎn)生的NH3質(zhì)量為：

m為罐體堆肥質(zhì)量，單位kg；

Ci為單位質(zhì)量堆肥6 h氨氣排放量，單位mg/（kg·6 h）；

單位質(zhì)量堆肥主發(fā)酵期氨氣排放總量為：

M為單位質(zhì)量堆肥主發(fā)酵期氨氣排放總量，單位mg/kg；

單位質(zhì)量堆肥主發(fā)酵期N排放總量為：

MN單位質(zhì)量堆肥主發(fā)酵期N排放總量，單位mg/kg；

N損失率計算：

TN為堆肥總氮含量，單位%。

2 評價方案

目前北京周邊企業(yè)習慣堆肥采用雞糞與菇渣為1∶1的添加比例，含水率在50%～60%之間。北京市周邊果樹種植面積較多，尤其平谷地區(qū)的桃樹種植面積較大。根據(jù)對北京市周邊堆肥企業(yè)實際堆肥配比調(diào)研結(jié)果，結(jié)合北京市果樹種植較多的現(xiàn)狀，設(shè)計評價方案一和方案二，對含水率分別為50%和60%的習慣堆肥、雞糞與桃枝不同配比的堆肥效果進行評價，每個處理設(shè)3個平行。

2.1 方案一 50%含水率不同處理試驗

試驗設(shè)計4個雞糞堆肥工藝處理，每個處理設(shè)3個平行試驗，工藝處理見表2。

表2 雞糞堆肥工藝處理

試驗方案一中4個處理的各物料的添加比例和實際添加量（以24 kg總量計）見表3。

試驗過程中，在堆肥第10 d對罐體中堆肥進行翻堆操作，翻堆完畢繼續(xù)進行試驗。

表3 不同處理的添加比例

2.2 方案二 60%含水率不同處理試驗

試驗設(shè)計4個雞糞堆肥工藝處理，每個處理設(shè)3個平行試驗，工藝處理見表4。

表4 雞糞堆肥工藝處理

試驗方案二中4個處理的各物料的添加比例和實際添加量（以24 kg總量計）見表5。

表5 不同處理的添加比例

試驗過程中，在堆肥10 d對罐體中堆肥進行翻堆操作，翻堆完畢繼續(xù)進行試驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 氨氣排放監(jiān)測結(jié)果分析

方案一和方案二中50%、60%含水率下不同處理堆肥主發(fā)酵期單位質(zhì)量堆肥氨氣排放量見圖2、圖3。

從圖2、圖3可以得出如下結(jié)論：

（1）所有處理堆肥主發(fā)酵過程中均有兩次氨氣大量產(chǎn)生的時間，第一次是堆肥初期的第3～4 d，第二次是翻堆（堆肥第10 d翻堆）過后的第2～ 3 d。

（2）不同含水率處理下雞糞與金針菇菇渣堆肥主發(fā)酵過程中氨氣的最大排放量較雞糞與桃枝堆肥發(fā)酵的處理均明顯偏高，且雞糞與金針菇菇渣堆肥處理的氨氣主發(fā)酵時間較雞糞與桃枝處理提前1 d。

根據(jù)圖2、圖3，依據(jù)1.3.2計算得出方案一和方案二中不同處理堆肥主發(fā)酵期單位質(zhì)量堆肥氨氣排放總量，見表6。

圖2 方案一堆肥主發(fā)酵期單位質(zhì)量氨氣排放量

圖3 方案二堆肥主發(fā)酵期單位質(zhì)量氨氣排放量

表6 不同處理堆肥主發(fā)酵期單位質(zhì)量堆肥氨氣排放總量 （%）

結(jié)合表6可以得出如下結(jié)論：

（1）所有處理堆肥主發(fā)酵過程中雞糞與桃枝堆肥產(chǎn)生的氨氣排放總量較雞糞與金針菇菇渣（習慣堆肥）產(chǎn)生的氨氣均有減少。在50%水分和60%水分的不同處理中，雞糞與桃枝按照1∶2.5和1∶5的質(zhì)量添加比例的處理較習慣處理產(chǎn)生的氨氣排放總量減少，且均差異顯著，雞糞與桃枝按照1∶1的質(zhì)量添加比例的處理較習慣處理產(chǎn)生的氨氣排放總量減少，且均無顯著差異，說明雞糞與桃枝添加比例達到1∶2.5～1∶5，堆肥產(chǎn)生的氨氣排放總量較雞糞與金針菇菇渣（習慣堆肥）產(chǎn)生的氨氣顯著減少。

（2）堆肥習慣處理50%水分和60%水分的氮損失率分別為14.3%和23.5%，說明堆肥水分從50%增加為60%，水分增加10%，氮損失率增加約10%，水分是堆肥氮損失多少的重要因素之一。造成這一現(xiàn)象的原因可能有兩個方面：一方面可能是由于隨著含水量的增加，堆肥中水溶性銨根離子更多的溶解于水中，隨著水蒸氣的揮發(fā)更容易以氨氣的形式排出；另一方面可能是由于隨著含水量的增加，堆體中的空隙被水占據(jù)的比例會增大，導致堆體中樣品的比例會減少，形成局部的厭氧狀況，導致氨氣的排放增加。建議雞糞與桃枝堆肥中含水率控制在50%～60%為宜，以減少氮損失。

（3）除處理1-3與處理1-4的N排放損失率無顯著差異外，其余處理的N排放損失率均有顯著差異，說明隨著桃枝添加比例的增加，N排放損失率顯著減少，減少比例與桃枝添加比例成正相關(guān)。處理1-1與處理1-3，N損失率由14.32%減少6.83%；處理2-1與處理2-3比較，N損失率由23.54%減少為10.27%，不同含水率條件下雞糞與桃枝添加比例達到1∶2.5時的N損失率較習慣處理分別減少7.40%和13.27%且差異顯著，說明調(diào)節(jié)C/N是有效控制堆肥氨氣排放的重要手段之一［15-18］。

（4）雞糞與桃枝添加比例為1∶2.5和1∶5時，不同水分處理的氨氣排放總量差異均不顯著，50%水分處理的N損失率差異也不顯著，只有60%水分處理的N損失率差異顯著，這可能是由于當雞糞與桃枝添加比例達到并超過1∶2.5時，N元素在堆肥中的比例大幅減少，因此產(chǎn)生的氨氣總量變化不明顯造成的。

結(jié)合以上4點結(jié)論，考慮到對雞糞的實際利用率和氨氣對空氣的污染，建議雞糞與桃枝的比例控制在1∶2.5左右為宜。

3.2 堆肥溫度監(jiān)測結(jié)果分析

堆肥過程溫度需要經(jīng)過3個階段，即升溫階段、高溫階段和降溫階段，其中高溫階段是最為重要的環(huán)節(jié)［19-21］。本文設(shè)計的溫度監(jiān)測系統(tǒng)中溫度監(jiān)測探頭分別放置在罐體1/3和2/3處，隨著堆肥發(fā)酵時間的增加，兩處溫度分別代表堆體臨近表面和堆體內(nèi)部的溫度，本文取每天9∶00和15∶00堆肥罐中兩溫度探頭測量的平均值代表堆肥當天整體溫度，研究堆肥主發(fā)酵過程中堆體溫度的變化。本文方案一和方案二堆肥溫度變化趨勢見圖4、圖5。

圖4 方案一堆肥主發(fā)酵期堆肥溫度變化趨勢

圖5 方案二堆肥主發(fā)酵期堆肥溫度變化趨勢

由圖4、圖5可以看出，所有堆肥處理均表現(xiàn)出相似的溫度變化趨勢，即堆肥前4 d升溫速度很快，堆肥第4～5 d溫度達到最高，最高值在65～70℃之間，隨后溫度逐漸下降，堆肥第11 d溫度達到堆肥過程中的最低點，在20～35℃之間，隨后溫度迅速升高，在第13 d達到另一個高峰，之后逐漸降低。從所有處理的溫度趨勢圖來看，堆肥主發(fā)酵期堆肥溫度變化與堆肥過程中氨氣的排放量變化趨勢一致。氨氣的兩次最大排放量分別出現(xiàn)在第4和第13 d左右，與溫度的最高值基本在同一時間段。第10 d溫度較附近溫度明顯偏低的原因是由于堆肥第10 d的翻堆造成堆體溫度趨于外界環(huán)境溫度（20℃）。方案一較方案二，在第10 d的溫度相差近10℃，可能是由于方案二中水分含量較方案一偏高，導致在翻堆過程中水蒸氣帶走的熱量較方案一要多。

3.3 堆肥產(chǎn)品質(zhì)量評價

對堆肥主發(fā)酵期18 d的堆肥產(chǎn)品進行質(zhì)量評價，按照NY 525-2012《有機肥料》標準規(guī)定的方法進行檢測，本文以推薦的處理2-3（60%含水率，雞糞與桃枝按照1∶2.5的質(zhì)量添加）的檢測結(jié)果為例，檢測結(jié)果見表7。

由表7可以看出，處理2-3（60%含水率，雞糞與桃枝按照1∶2.5的質(zhì)量添加）的堆肥質(zhì)量符合有機肥料標準，達到肥料腐熟要求，可以用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。表7中pH和水分結(jié)果在標準規(guī)定的上限，因此，隨著堆肥時間的增加，堆肥質(zhì)量會進一步提高。其他處理在堆肥18 d的檢測結(jié)果基本達到或接近NY 525-2012《有機肥料》規(guī)定的有機肥料相關(guān)指標，隨著堆肥時間的增加，所有處理也全部符合有機肥料標準。

表7 處理2-3堆肥18 d堆肥產(chǎn)品質(zhì)量評價

4 結(jié)論

通過對上述兩個實驗方案的結(jié)果進行分析，得出如下結(jié)論：

（1）雞糞與金針菇菇渣堆肥處理的氨氣主發(fā)酵時間較雞糞與桃枝處理提前1 d。雞糞與桃枝添加比例達到1∶2.5～1∶5，堆肥產(chǎn)生的氨氣排放總量較雞糞與金針菇菇渣（習慣堆肥）產(chǎn)生的氨氣顯著減少。

（2）堆肥習慣處理50%水分和60%水分的氮損失率分別為14.3%和23.5%，說明堆肥水分從50%增加為60%，水分增加10%，氮損失率增加約10%，水分是堆肥氮損失多少的重要因素之一。建議雞糞與桃枝堆肥中含水率控制在50%～60%為宜，以減少氮損失。

（3）隨著桃枝添加比例的增加，N排放損失率顯著減少，減少比例與桃枝添加比例成正相關(guān)。不同含水率條件下雞糞與桃枝添加比例達到1∶2.5時的N損失總量較習慣處理分別減少7.5%和13.2%且差異顯著，說明調(diào)節(jié)C/N是有效控制堆肥氨氣排放的重要手段之一。

（4）考慮到對雞糞的實際利用率和氨氣對空氣的污染，建議雞糞與桃枝的比例控制在1∶2.5左右為宜。（5）堆肥主發(fā)酵期堆肥溫度變化與堆肥過程中氨氣的排放量變化趨勢一致。