禽畜糞便堆肥溫室氣體排放及其控制研究進(jìn)展

石建新

(塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

引言

我國(guó)是禽畜養(yǎng)殖大國(guó)，根據(jù)資料顯示，2020年底，我國(guó)豬、牛、羊存欄數(shù)分別為40650.4萬(wàn)頭、9562.1萬(wàn)頭和30654.8萬(wàn)頭[1]，其中豬、牛、羊每日糞便產(chǎn)量達(dá)5.5kg、27.2kg、2.6kg[2]，再加上雞、鴨、鵝等家禽，我國(guó)畜禽糞便年產(chǎn)生量近40億t,資源化利用率達(dá)到75%左右，但是仍有近25%的畜禽糞便尚未得到利用,畜禽糞便污染的壓力長(zhǎng)期存在[3]。如此多的禽畜糞便如果處理不當(dāng)，將會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生巨大的危害。好氧堆肥是禽畜糞便資源化利用的重要技術(shù)手段，好氧堆肥是在有氧參與的條件下，利用微生物把堆肥原料分解、氧化為穩(wěn)定的物質(zhì)，同時(shí)放出熱量的過(guò)程。在實(shí)際應(yīng)用中，好氧堆肥過(guò)程總是伴著厭氧堆肥。堆肥過(guò)程主要經(jīng)歷4個(gè)階段，即升溫期、高溫期、降溫期、腐熟期。堆肥過(guò)程中，在微生物的活動(dòng)下，隨著有機(jī)物的降解，會(huì)有CO2、CH4、N2O氣體逸出，CO2、CH4、N2O是堆肥過(guò)程中產(chǎn)生的主要溫室氣體，不僅破壞環(huán)境，同時(shí)還會(huì)降低堆肥品質(zhì)。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)禽畜糞便好氧堆肥過(guò)程中CO2、CH4、N2O等溫室氣體的排放和控制的研究，已有較多的報(bào)道，并取得了一定進(jìn)展，本文對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在利用禽畜糞便堆肥中對(duì)CO2、CH4、N2O等溫室氣體的排放和減排技術(shù)研究成果進(jìn)行了分析，同時(shí)結(jié)合已有研究成果，提出了禽畜糞便堆肥溫室氣體減排控制路線，以期為我國(guó)禽畜糞便堆肥過(guò)程中溫室氣體減排提供參考。

1 溫室氣體排放特性

堆肥過(guò)程中產(chǎn)生的溫室氣體主要有CO2、CH4、N2O，這些氣體排放量過(guò)高會(huì)損失堆肥中的C元素和N元素，造成堆肥肥效下降。據(jù)資料顯示，N2O溫室效應(yīng)是CO2的265～298倍，CH4溫室效應(yīng)是CO2的25～28倍[4]。近年來(lái)因溫室氣體排放過(guò)多造成的全球變暖問(wèn)題日益凸顯，為應(yīng)對(duì)這一嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，我國(guó)于2020年提出2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。積極穩(wěn)妥推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)是我們的責(zé)任和義務(wù)。

1.1 CO2排放

根據(jù)世界氣象組織(WMO)發(fā)表的《溫室氣體公報(bào)》,大氣中的溫室氣體濃度在2018年再創(chuàng)新高，并指出，2018年全世界CO2排放量平均值為407.8ppm，此數(shù)據(jù)比工業(yè)化前(1850—1900年)水平高出了近50%。通過(guò)歷史數(shù)據(jù)來(lái)看，CO2的釋放速度還在不斷加快。堆肥過(guò)程本身就是復(fù)雜的氧氣消耗過(guò)程，堆肥過(guò)程中CO2的大量排放反映了堆體中有機(jī)物的快速降解以及堆體內(nèi)腐殖質(zhì)的形成。堆肥中CO2的釋放主要來(lái)自于堆體中有機(jī)物礦化過(guò)程和微生物呼吸過(guò)程。堆肥過(guò)程中CO2排放主要集中在升溫期和高溫期。堆肥初期，部分可溶性糖、有機(jī)酸、淀粉等易降解的有機(jī)物先被微生物利用，微生物數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)，生物活性增強(qiáng)，釋放出能量和CO2，促使堆體溫度快速升高，堆肥高溫期。CO2排放升溫期和高溫期，CO2排放量占堆肥全過(guò)程排放量的78.5%～86.2%。堆肥降溫腐熟期，易分解的有機(jī)質(zhì)減少，微生物活動(dòng)減弱，CO2排放量相對(duì)較少且排速率較為穩(wěn)定。堆肥中約有60%～70%的碳轉(zhuǎn)化為CO2[5]。

1.2 CH4排放

好氧堆肥過(guò)程中，因通風(fēng)不暢或者過(guò)高的含水率等情況,堆體內(nèi)部空氣擴(kuò)散不均勻，易出現(xiàn)缺氧區(qū)域，產(chǎn)甲烷菌主要活動(dòng)在缺氧區(qū)域，產(chǎn)甲烷菌代謝獲得能量并釋放出CH4。CH4的產(chǎn)生主要分3個(gè)階段：水解過(guò)程，堆體內(nèi)的碳水化合物被厭氧或兼性厭氧微生物分解成有機(jī)酸；產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過(guò)程，經(jīng)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群作用，將堆體內(nèi)的有機(jī)酸分解為乙酸、氫和二氧化碳?xì)怏w；產(chǎn)甲烷過(guò)程，堆體內(nèi)的產(chǎn)甲烷菌通過(guò)消耗氫將含碳物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄闅怏w[6]。CH4是嚴(yán)格厭氧發(fā)酵過(guò)程的產(chǎn)物，堆肥過(guò)程中CH4的釋放速率直接反映了堆體內(nèi)部厭氧區(qū)域的多少。由CH4排放導(dǎo)致的碳素?fù)p失可占初始碳含量的0.08%～10%[7]。

1.3 N2O排放

N2O也是堆肥過(guò)程中釋放的主要溫室氣體。與CO2和CH4造成的溫室效應(yīng)相比，N2O造成的溫室效應(yīng)更加嚴(yán)重，同時(shí)，N2O也是導(dǎo)致臭氧層損耗的物質(zhì)之一。

堆肥中N2O產(chǎn)生主要來(lái)自堆體表層硝化細(xì)菌硝化過(guò)程和堆體內(nèi)部缺氧區(qū)域反硝化細(xì)菌反硝化過(guò)程，硝化過(guò)程中氨態(tài)氮被氨氧化細(xì)菌氧化為亞硝酸鹽，產(chǎn)生少量N2O，反硝化過(guò)程微生物將NO3-N和NO2-N轉(zhuǎn)化為N2，過(guò)程中產(chǎn)生大量N2O[8]。堆肥過(guò)程中，升溫期和降溫期氧氣濃度分布不均，氧氣充足的堆體表面硝化反應(yīng)和堆體內(nèi)部缺氧區(qū)域反硝化反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，是N2O的主要排放階段[9]。硝化菌和反硝化菌不耐熱，堆肥高溫期大量菌體死亡或者休眠，N2O排放速率減少約77%[10]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由N2O逸散損失的氮素比例為0.2%～9.9%[11]。

2 溫室氣體減排研究

針對(duì)好氧堆肥中溫室氣體減排，國(guó)內(nèi)外已有很多研究，主要措施：優(yōu)化堆肥工藝，增加堆體供氧量；堆肥中添加外源性物質(zhì)；堆肥中添加菌劑；生物協(xié)同堆肥等。

2.1 優(yōu)化堆肥工藝

優(yōu)化堆肥工藝主要目的是增加堆體供氧量，減少厭氧發(fā)酵區(qū)域。主要措施有減小堆肥體積、加強(qiáng)翻堆或通風(fēng)、控制堆體含水率等。

堆體大小對(duì)溫室氣體排放影響較大，當(dāng)堆體體積較大時(shí)，內(nèi)部氧氣不易流動(dòng)導(dǎo)致了厭氧區(qū)域的形成，堆肥時(shí)間延長(zhǎng)，溫室氣體排放持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)，增加了累積溫室氣體排放總量。

提高翻堆頻率，增強(qiáng)堆體通氣供氧，減少堆體內(nèi)部厭氧區(qū)域，使CH4形成受到抑制，是CH4減排的有效方法。易建婷[12]研究比較畜禽糞便條垛式、強(qiáng)制通風(fēng)式及靜態(tài)堆置堆肥工藝的溫室氣體排放，發(fā)現(xiàn)不通風(fēng)條件的靜態(tài)堆置CH4濃度顯著高于通風(fēng)條件良好的機(jī)械翻堆條垛式和強(qiáng)制通風(fēng)工藝。劉明輝[13]研究表明，在堆肥過(guò)程中間歇供氧可以降低CH4和N2O等溫室氣體的排放，排放量分別減少22.26%～61.36%和8.24%～49.80%。謝軍飛等[14]通過(guò)控制通風(fēng)量研究通風(fēng)對(duì)豬糞堆肥溫室氣體排放的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通風(fēng)量越大，CO2排放量越大。較高的濕度與缺氧會(huì)使CH4的排放量增大，干濕交替的環(huán)境會(huì)促進(jìn)N2O大量排放。表明增強(qiáng)堆肥堆體通風(fēng)可有效降低溫室氣體排放。

Sommer[15]將奶牛糞便堆肥堆體含水率由76%調(diào)整至35%，堆體自由空域增加，CH4、N2O排放量顯著減少。調(diào)整堆體含水率是CH4和N2O減排的關(guān)鍵工藝參數(shù)，含水率過(guò)高時(shí)(65%～52%)堆體內(nèi)易出現(xiàn)缺氧區(qū)域，硝化和反硝化作用共同促進(jìn)N2O大量排放。

2.2 添加外源性物質(zhì)

在堆肥中添加外源性物質(zhì)，可改變堆體孔隙結(jié)構(gòu)，改善通氣條件，調(diào)整含水率，改變微生物種類，通過(guò)查閱文獻(xiàn)，常用的外源物質(zhì)添加劑有生物炭、菌渣、木屑、木片、污泥、秸稈、過(guò)磷酸鈣、沸石、鳥糞石、木醋液等。

王以祥等[5]研究的生物炭對(duì)堆肥溫室氣體和氨氣的減排效果中發(fā)現(xiàn)，9%生物炭添加比例能夠減少12.5%的氧化亞氮和29.9%和CH4排放量，隨著生物炭用量的增加，溫室氣體減排效果越好。張向前等[16]在稻稈生物炭對(duì)土壤中CH4和氧化亞氮的研究中證明了在土壤中加入生物炭可以顯著減少CH4和N2O的排放?？赡苁怯捎谏锾康母呖紫抖葍?yōu)化了氧氣的供應(yīng)和分配，從而限制了產(chǎn)甲烷菌活性，能夠?qū)H4起到減少排放量的作用，生物炭的多孔結(jié)構(gòu)也為微生物的生存和繁殖提供了場(chǎng)所，同時(shí)多孔結(jié)構(gòu)有吸附堆肥中的N2O和NH3的功能，減少N2O和NH3的揮發(fā)[6]。

Sun Xiangping等[17]用蘑菇渣和木屑作添加劑加入豬糞堆肥中，發(fā)現(xiàn)添加蘑菇渣和木屑的處理組堆肥N2O氣體排放量均有所降低，添加木屑處理組CH4排放較其他組更低。張邦喜[18]用雞糞-煙末通過(guò)反應(yīng)器堆肥，發(fā)現(xiàn)添加5%菌糠使CH4累積排放量降低了10.03%，添加5%和10%菌糠N2O排放分別降低44.20%和43.00%。將菌糠作為膨松劑加入堆肥，增加了堆體內(nèi)部氧氣流通，降低了堆體銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度。

楊巖等[19]向堆肥中添加過(guò)磷酸鈣減少了堆肥15%CO2排放量。劉飛等[20]在堆肥物料中添加3%的棉稈木醋液,不僅降低碳損失率,而且對(duì)堆肥過(guò)程中CH4的產(chǎn)生有顯著抑制作用。趙明德等[21]在牛糞堆肥中添加氯化鈣、硫酸鋅、氫氧化鎂加磷酸、沸石等物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)均能減少溫室氣體排放，減排最優(yōu)方案為添加氯化鈣組，CO2減排83.1%，CH4減排90.4%。添加合適的外源物質(zhì)，通過(guò)物理和化學(xué)的作用，改善了堆體內(nèi)微生物生存環(huán)境，有助于減少溫室氣體排放。

2.3 添加生物協(xié)同堆肥

近年來(lái)，在堆肥中添加特定微生物菌劑或者添加蚯蚓協(xié)同堆肥，逐漸成為研究熱點(diǎn)。

李舒清等[22]通過(guò)對(duì)條垛式牛糞堆肥接種質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的解淀粉芽孢桿菌SQR9和灰綠曲霉Z5的混合菌劑，顯著減少了溫室氣體的排放,延長(zhǎng)了堆肥高溫期時(shí)長(zhǎng)，加快了堆肥腐熟及無(wú)害化處理。顧沈怡等[23]在雞糞堆肥中用選具有固氨產(chǎn)酸特性的芽孢桿菌和沸石、過(guò)磷酸鈣和硫酸亞組成的化學(xué)添加劑聯(lián)用，N2O減排達(dá)25%～26%。盧彬等[24]以牛糞與稻殼為原料，接種3‰自制的復(fù)合微生物菌劑，CH4排放減少33%，N2O排放減少45%。接種特定功能外源微生物，可改變堆體內(nèi)菌群種類和豐度，通過(guò)菌群活動(dòng)影響溫室氣體排放，達(dá)到減排效果。

張智等[25]用牛糞與其他廢棄物堆肥5d后加入蚯蚓混合堆肥40d，蚯蚓處理階段，CH4、N2O和NH3均表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，CO2則表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。師恩慧[26]以牛糞堆肥，添加了蚯蚓的9組堆肥實(shí)驗(yàn)，N2O的排放通量和N2O的累積排放量均小于未接種蚯蚓組，表明接種蚯蚓有利于減少堆肥過(guò)程中的N2O排放。接種蚯蚓輔助堆肥過(guò)程中，蚯蚓腸道可分泌多種酶，和堆體中微生物產(chǎn)生的酶一起協(xié)同作用于有機(jī)質(zhì)，能加速有機(jī)質(zhì)分解。蚯蚓蠕動(dòng)使底物變得均勻從而增大了底物孔隙度，促進(jìn)氧氣的流通，減少堆體厭氧區(qū)域，達(dá)到減排效果。

3 結(jié)論與展望

綜上，畜禽糞便好氧堆肥過(guò)程溫室氣體排放造成約48%碳素、27%的碳素?fù)p失，甚至更高。從提升堆肥品質(zhì)和解決日益突出的全球變暖問(wèn)題，堆肥溫室氣體減排已成為重要的研究課題。CO2排放與微生物活性有直接關(guān)系，微生物活動(dòng)約活躍，CO2釋放量越多；CH4在厭氧環(huán)境下釋放量增多；N2O在升溫期和降溫期硝化菌和反硝化同時(shí)作用大量排放。控制堆肥溫室氣體排放，主要從優(yōu)化堆肥工藝，增加堆體內(nèi)氧氣供應(yīng)量，添加膨松劑、吸附劑、調(diào)理劑，添加生物協(xié)同的方法，減少溫室氣體排放。堆肥是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，溫室氣體的排放，也是復(fù)雜的化學(xué)變化的過(guò)程，不能只關(guān)注其中一個(gè)變量來(lái)研究堆肥過(guò)程產(chǎn)生的影響，當(dāng)前對(duì)堆肥溫室氣體排放機(jī)理研究、堆肥工藝優(yōu)化和加入添加物、生物等對(duì)堆肥的協(xié)同減排機(jī)理研究尚淺，有待進(jìn)一步深入研究。