劉龍,盧勝男,周嶺,張紅美
(塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院/新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?,F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 阿拉爾 843300)
由于我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的不斷擴(kuò)大發(fā)展,畜禽糞污排放的污染問題也日益嚴(yán)重。2020年我國畜禽糞污排放量達(dá)到30億噸[1],但畜禽糞污資源綜合利用率僅有60%[2],畜禽糞污已經(jīng)成為我國主要污染排放源[3]。好氧堆肥技術(shù)是在通氧的條件下,由嗜氧微生物固化糞便中有機(jī)物質(zhì)的過程,可實(shí)現(xiàn)畜禽糞污無害化處理,實(shí)現(xiàn)肥料化利用。但在缺氧條件下,易出現(xiàn)局部區(qū)域厭氧發(fā)酵,產(chǎn)生大量NH3、CO2、CH4、H2S等有害氣體,造成大氣污染,加劇溫室效應(yīng)[4]。為了提高好氧堆肥品質(zhì),常通過物理、化學(xué)方法對(duì)堆肥過程進(jìn)行調(diào)控,在堆肥過程中加入添加劑就是其中方法之一。
生物炭是生物質(zhì)原料在厭氧或少氧的環(huán)境中熱裂解得到的富碳固體產(chǎn)物[5],主要是由C、H、O等元素組成,其中C元素最多,約為60%~70%,還含有N、P、K、Ca、Mg、Na等元素[6]。生物炭具有非常發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu),大的比表面積,且表面有大量羧基、醛基、羥基等含氧官能團(tuán)和負(fù)電荷[7-11],使其具有促進(jìn)離子交換、吸附重金屬、固氮[12]、固碳減排、改善土壤和生態(tài)環(huán)境等作用。2010年Dias等[13]首次采用生物炭與畜禽糞污堆肥,證實(shí)了生物炭可減少堆體氮素?fù)p失,縮短堆肥周期,為生物炭應(yīng)用于堆肥領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。
近年來,采用生物炭為添加劑對(duì)畜禽糞污進(jìn)行好氧堆肥成為研究的熱點(diǎn)。本文闡述了生物炭對(duì)畜禽糞污堆肥過程中堆體理化性質(zhì)、養(yǎng)分含量、有害氣體排放、重金屬鈍化等方面的影響,并進(jìn)行了展望。
堆肥溫度是影響堆肥進(jìn)程的一個(gè)重要因素,是用來判斷堆體腐熟度的重要指標(biāo)。李太魁等[14]采用豬糞、秸稈、和添加5%、10%、15%的小麥秸稈生物炭進(jìn)行好氧堆肥,與對(duì)照相比,堆體提前2~3天進(jìn)入高溫期,加快了堆肥進(jìn)程。付祥峰等[15]研究添加量為5%、10%、15%的水稻秸稈生物質(zhì)炭與豬糞+稻草堆肥的影響,結(jié)果表明,添加生物質(zhì)炭能夠提高堆體溫度,縮短堆肥周期,較對(duì)照組提前3天進(jìn)入高溫期。吳曉東等[16]通過研究添加比例為0%、3%、6%、9%、12%、15%的檸條生物炭+雞糞+小麥秸稈堆肥,發(fā)現(xiàn)生物炭可縮短堆肥升溫期1~2天,延長堆肥高溫期2~4天??梢?,添加生物炭進(jìn)行好氧堆肥可提高堆體升溫速率,使堆體提前進(jìn)入高溫期,并延長堆體高溫時(shí)間,加快有機(jī)物的降解,縮短堆肥周期,但生物炭種類、添加量對(duì)不同原料的堆體影響程度不同。
畜禽糞污好氧堆肥過程中,堆體pH值過高或過低均會(huì)影響堆體中有機(jī)質(zhì)分解速率,pH值過高會(huì)造成堆體氮素以NH3形式流失,使堆體氮素降低,肥效降低;pH值過低會(huì)產(chǎn)生大量有機(jī)酸,造成酸性環(huán)境,影響微生物繁殖活性。Sanchez-Garcia等[17]以畜禽糞便和秸稈為原料,生物炭為添加劑進(jìn)行堆肥,最終堆體pH值比初始值增加0.6。榮榮等[18]在雞糞-玉米葉堆肥中添加生物炭,堆肥結(jié)束時(shí)pH值較堆肥初期明顯增加,且高于對(duì)照組。李太魁等[14]在豬糞、秸稈中添加生物炭進(jìn)行堆肥,研究發(fā)現(xiàn)隨生物炭添加量增加,堆肥初期的堆體pH值增加量降低。李宇航等[19]發(fā)現(xiàn)在雞糞-玉米秸稈和樹葉中添加生物炭堆肥時(shí),生物炭對(duì)堆體最終pH值影響不大,研究結(jié)果與朱成武[20]相似??梢姡壳瓣P(guān)于添加生物炭對(duì)畜禽糞污好氧堆肥pH的影響存在爭議,這可能與堆肥原料、生物炭種類、炭化條件、添加量等因素有關(guān)。
堆肥適宜的含水率通常在50%~60%之間,過高的含水率會(huì)影響堆體的通氣性,抑制氧氣流通,堆體局部形成厭氧環(huán)境,導(dǎo)致有機(jī)物降解不完全[21];過低的含水率會(huì)使微生物活性代謝降低,影響堆肥效率[22]。畜禽糞污不易吸收水分,且水分吸收不均勻、易揮發(fā)。而生物炭具有高度密集的孔隙度,且易吸收水分,不易散失,在畜禽糞污堆肥過程中加入生物炭可提高堆體的保水性[23]。劉寧等[24]用雞糞、秸稈和生物炭堆肥,發(fā)現(xiàn)生物炭含水率從初始的3.4%急速上升到36.8%,降低了堆體水分散失能力。吳曉東等[16]研究在雞糞和小麥秸稈中添加不同比例生物炭進(jìn)行堆肥,結(jié)果表明,隨生物炭添加量增大,堆體含水率上升,且生物炭處理組含水率高于對(duì)照組。可見,生物炭可以減緩堆體含水量的下降速率,減少堆體水分的散失。
生物炭特有的性能使其應(yīng)用于堆肥可提高堆體固氮能力,減少氮素流失,是NH3和水溶性NH4+的吸收劑。高文慧等[25]發(fā)現(xiàn)在豬糞中添加花生殼生物炭堆肥,隨生物炭添加量增加,堆體硝態(tài)氮含量增加,銨態(tài)氮濃度降低;且添加3%和6%的生物炭處理組氨揮發(fā)比對(duì)照組高8.98%和46.30%;9%的生物炭添加處理組氮素?fù)p失率最低,氨揮發(fā)最少。陶金沙[26]發(fā)現(xiàn)小麥秸稈生物質(zhì)炭與豬糞比例為1∶12、1∶5和1∶2.3進(jìn)行堆肥,硝態(tài)氮含量依次增加了53.70%、148.36%和27.61%,全氮損失量分別減少了32.07%、60.78%和50.18%;其中,添加生物質(zhì)炭與豬糞比例為1∶2.3的處理組堆體全氮含量低于對(duì)照組。吳曉東等[16]研究表明添加檸條生物炭與雞糞堆肥可以提高堆體全氮5.59%~27.38%,但對(duì)全磷和全鉀影響不大,且當(dāng)生物炭添加超過9%時(shí),全氮的增加量不顯著。李波等[27]將花生殼生物質(zhì)炭添加到豬糞中堆肥,發(fā)現(xiàn)堆體的總有機(jī)碳含量增加了6.69%~20.60%;但添加3%和6%生物炭處理組的碳素?fù)p失大于未添加生物炭處理組,9%堆肥過程中碳素的損失小于未添加生物炭處理組。因此,生物炭堆肥可以減少氮素的流失,提高堆體硝態(tài)氮含量,增加堆肥有機(jī)碳含量,但添加不同比例的生物炭對(duì)堆體養(yǎng)分固持能力影響還需進(jìn)一步深入研究。
注:+表示氣體排放增多;-表示無研究(在表格內(nèi))。Note:+Indicates an increase in gas emissions;-Indicates no research(Within the table).
傳統(tǒng)堆肥方式會(huì)產(chǎn)生大量NH3、CO2、N2O、CH4等有害氣體,加劇溫室效應(yīng),污染環(huán)境,增加養(yǎng)分流失,降低肥效。生物炭具有良好的化學(xué)吸附能力和孔隙結(jié)構(gòu),可有效降低堆肥過程中溫室氣體排放。由表1可見,堆肥過程中添加生物炭可減少CH4、CO2、N2O、NH3氣體的排放量,這是因?yàn)樯锾康奶砑咏档土丝扇苄杂袡C(jī)碳含量,進(jìn)而減少了CH4排放。但也有研究發(fā)現(xiàn),生物炭的添加導(dǎo)致CO2排量上升,因?yàn)樯锾康母呖紫堵剩档土硕洋w密度,增強(qiáng)了堆體供氧能力,有利于好氧微生物降解,從而產(chǎn)生CO2[28]。生物炭減少了厭氧環(huán)境,降低了反硝化作用生成N2O;同時(shí)生物炭對(duì)環(huán)境的改善加快了好氧微生物對(duì)NH4+的代謝作用,并促使NH4+向NO2-、NO3-或其他有機(jī)氮素轉(zhuǎn)變,從而降低NH3排放[29,30]??梢?,生物炭改善了堆體通風(fēng)供氧條件,降低了有害氣體排放,同時(shí)還加快了堆肥進(jìn)程。
由于飼料中含有較多的礦物質(zhì)添加劑,因而畜禽糞污中含有大量的Zn、Cu、Cd等重金屬,這些重金屬如不經(jīng)過處理直接施入農(nóng)田,會(huì)增加土壤重金屬含量,污染土壤環(huán)境。劉小嶼[35]在豬糞好氧堆肥中添加不同的鈍化劑來研究對(duì)堆體重金屬Cu、Zn鈍化影響,從鈍化效果對(duì)比來看,生物炭為最優(yōu)鈍化劑。張廣杰[36]將橡木炭添加到豬糞與稻殼的混合物料中,發(fā)現(xiàn)Cu和Zn總含量在堆肥時(shí)有所增加,但有效態(tài)Cu和Zn的比例在堆肥過程中逐步減少。沈杭[37]在用豬糞堆肥和污泥堆肥中添加生物炭,發(fā)現(xiàn)生物炭的添加對(duì)堆體的Zn、Cu、Cd沒有明顯的鈍化效果,但對(duì)堆體的Pb有著活化作用。侯月卿等[38]在豬糞、秸稈加入不同的生物炭研究對(duì)堆體重金屬鈍化效果時(shí)發(fā)現(xiàn),木屑生物炭處理組對(duì)Cd鈍化94.67%,花生殼生物炭處理組對(duì)Cu鈍化65.94%,玉米秸稈生物炭處理組對(duì)Pb鈍化57.2%。因此,有關(guān)添加生物炭對(duì)堆肥部分重金屬鈍化的有效性還不一致,還需更加深入的研究。
盡管目前生物炭作為添加劑廣泛應(yīng)用于好氧堆肥,但現(xiàn)有的研究還存在略微不足,以下幾個(gè)方面還需要進(jìn)一步深入系統(tǒng)性研究:(1)生物炭的種類和熱解溫度對(duì)堆體pH的影響變化規(guī)律及機(jī)理;(2)生物炭的添加比例對(duì)堆體養(yǎng)分含量及養(yǎng)分演化影響機(jī)理;(3)生物炭對(duì)堆體重金屬的鈍化種類和鈍化效率等。