不同碳氮比對園林廢棄物堆肥中氨氣和溫室氣體排放的影響

李霞 孔祥奕 張雪茹 王淼淼 張河 石冬冬 曾贊青

摘要［目的］針對園林廢棄物堆肥過程中溫室氣體（CO2、CH4、N2O）及氨氣（NH3）排放量大的問題，研究不同碳氮比對園林廢棄物堆肥過程中溫室氣體和NH3排放的影響，以期為降低堆肥產(chǎn)生的溫室效應(yīng)和NH3污染提供技術(shù)支撐。［方法］在園林廢棄物中添加不同質(zhì)量的雞糞，調(diào)節(jié)堆料碳氮比至 25、30和35，利用傅里葉變換紅外吸收光譜儀對堆肥過程中的NH3和溫室氣體排放進(jìn)行監(jiān)測；采用標(biāo)準(zhǔn)方法對堆料的pH、有機(jī)碳、全氮含量進(jìn)行檢測。［結(jié)果］堆肥后所有處理組堆料均達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)；園林廢棄物堆肥所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)以CO2排放引起的溫室效應(yīng)為主，堆肥過程中 CO2排放量存在明顯差異，碳氮比分別為25、30、35的處理組CO2平均排放量分別為5.47、9.32、19.19 g/（kg·d），可見堆肥的溫室效應(yīng)隨著碳氮比的增加而升高；NH3排放量隨著碳氮比的增加而明顯降低，碳氮比分別為25、30、35的處理組NH3平均排放量分別為680.03、442.69、193.54 mg/（kg·d）。［結(jié)論］在園林廢棄物好氧堆肥時，碳氮比可以明顯影響溫室氣體和NH3的排放，溫室氣體的排放量隨著碳氮比的增加而升高，NH3的排放量隨著碳氮比的增加而明顯降低，所以在堆肥時要根據(jù)需求綜合考慮這2項指標(biāo)來確定碳氮比。

關(guān)鍵詞園林廢棄物；氨氣；溫室氣體；碳氮比

中圖分類號X712? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A? 文章編號05176611（2024）07019604

doi：10.3969/j.issn.05176611.2024.07.046

Effects of Different Carbon-nitrogen Ratio on the Emission of Ammonia and Greenhouse Gases During the Composting of Garden Waste

LI Xia1，2，KONG Xiang-yi1，2，ZHANG Xue-ru2 et al

（1.Beijing Jicheng Shanshui Investment Management Group Co.， Ltd.，Beijing? 100054；2.Beijing Jicheng Intelligence Technology Co.，Ltd.， Beijing 100037）

Abstract［Objective］ During the process of garden waste composting， there was the problem of a lot of greenhouse gas（CO2，CH4，N2O） and ammonia （NH3） emission. In order to provide technical supports for reducing the greenhouse effect and NH3 pollution， an experiment was conducted to study the influences of different C/N ratio on the emission of greenhouse gas and NH3 in the process of garden waste composting. ［Method］ The chicken manure were added to the garden waste to adjust the C/N ratio of 25， 30 and 35. Fourier transform infrared absorption spectrometer was used to monitor the emission of NH3 and greenhouse gas in the composting process. pH， the content of organic carbon and total nitrogen were tested by standard method. ［Result］ After composting， the compost in the all treatments reached the decay standards. CO2 emission in the composting process of garden waste accounted for the largest proportion of greenhouse effect. There were significant differences in CO2 emission during the composting process among the treatments. The average CO2 emission amount in the treatments of C/N ratio=25， 30 and 35 were 5.47， 9.32 and 19.19 g/（kg·d）. It could be concluded that the greenhouse effect of composting was increased with the increase of C/N ratio. The emission amount of NH3 significantly decreased with the increase of C/N ratio， the average emission amount of NH3 in the treatments of C/N ratio=25， 30， and 35 were 680.03， 442.69 and 193.54 mg/（kg·d） ， respectively. ［Conclusion］ During the composting of garden waste， different C/N ratio could significantly affect the emission of greenhouse gas and ammonia， the greenhouse effect increased with the increase of C/N ratio. But the emission of NH3? significantly decreased with the increase of C/N ratio. Therefore， two indicators should be taken into comprehensive consideration according to the demands， to determine the C/N ratio during composting.

Key wordsGarden waste;Ammonia;Greenhouse gas;C/N ratio

隨著我國對生態(tài)環(huán)境的日益重視，城市園林綠化面積不斷增加。2021年，北京新增造林綠化面積1.07萬hm2、城市綠地面積400 hm2。園林綠化面積的持續(xù)擴(kuò)大使得城市綠地養(yǎng)護(hù)和管理產(chǎn)生的園林綠化廢棄物規(guī)模巨大［1］。園林綠化廢棄物（urban green waste）泛指城鎮(zhèn)綠化景觀管理和養(yǎng)護(hù)過程中產(chǎn)生的植被凋落物、花木和草坪修剪物以及廢棄花草等植物源生物質(zhì)廢棄物［2］ 。當(dāng)前我國園林廢棄物資源化處理與利用的主要途徑是好氧堆肥及熱解炭化制作生物炭［34］，在處理過程中普遍存在資源化利用總體程度偏低［5］，且處理過程中會產(chǎn)生溫室氣體排放的問題。

園林廢棄物堆肥是通過好氧微生物對有機(jī)物降解的固態(tài)發(fā)酵過程。堆肥過程中有氧情況下會產(chǎn)生大量的 CO2，氧氣不足時會產(chǎn)生CO和CH4，同時有機(jī)態(tài)氮的降解及其硝化、反硝化作用會產(chǎn)生N2O和NH3［6］。其中CO2是最重要的溫室氣體，CH4和N2O也都是溫室氣體，溫室效應(yīng)分別為CO2的21～23倍、296～310倍，而NH3是有刺激性惡臭的氣味。這些氣體的大量排放不僅會造成環(huán)境污染，而且會造成堆肥的碳、氮損失，從而降低堆肥的肥力［79］。堆肥過程中氣體的排放受到多種因素的影響，其中碳氮比是影響園林廢棄物堆肥質(zhì)量的一個重要因素。近年來，已有對蔬菜、生活垃圾和園林廢棄物堆肥過程和生物炭制備過程中溫室氣體排放的相關(guān)研究［1，1012］，然而關(guān)于不同碳氮比對園林廢棄物堆肥過程中溫室氣體和NH3排放規(guī)律的研究尚未見報道。

傅里葉變換紅外吸收光譜法具有光通量大、測量組分多等優(yōu)點，利用該方法可同時測量CO2、CH4、N2O和NH3 等氣體［1314］。為了探討園林廢棄物堆肥過程中碳氮比對NH3和溫室氣體排放的影響，該研究設(shè)置不同碳氮比的處理組，使用自制定時強(qiáng)制通風(fēng)反應(yīng)器進(jìn)行堆肥，利用傅里葉變換紅外吸收光譜方法監(jiān)測園林廢棄物堆肥過程中CO2、CH4、N2O和NH3的排放，分析這些氣體的排放規(guī)律，旨在為園林廢棄物堆肥過程中有害氣體的減排提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗材料

園林廢棄物取自北京市西城區(qū)，由枯枝和落葉組成，主要來源樹木為國槐、楊樹和銀杏。該研究中用于調(diào)節(jié)碳氮比的畜禽糞便為雞糞，由大型養(yǎng)殖場提供。堆肥前，園林廢棄物使用篩孔直徑2 cm的粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎處理，并進(jìn)行組分分析。原料基本性質(zhì)見表 1。供試催腐菌劑由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所提供。

1.2試驗設(shè)計

根據(jù)原料組分分析結(jié)果，通過在園林廢棄物中添加不同質(zhì)量的雞糞，調(diào)節(jié)堆料碳氮比至 25、30和35，每個處理組3個重復(fù)。根據(jù)測定出的原料含水率，通過加水來調(diào)節(jié)園林廢棄物發(fā)酵料的含水率至65 %，同時加入催腐菌劑100 g；混合均勻后，放入容量10 L的發(fā)酵桶中進(jìn)行好氧堆肥。堆肥過程中通風(fēng)供氧方式為定期機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)1 h；發(fā)酵24 h后開始采集氣體。每天在強(qiáng)制通風(fēng)之前將桶蓋密閉1 h，開始通風(fēng)時測定發(fā)酵罐中排出氣體的成分和含量，直至桶內(nèi)氣體與環(huán)境氣體一致時停止檢測，3個重復(fù)的平均值作為該處理組的檢測結(jié)果。堆肥樣品每3 d收集1次，每次在發(fā)酵桶上、中、下3個位置取樣，共收集固體混合樣品30 g，測定其pH。堆肥結(jié)束后，將得到的堆肥產(chǎn)品烘干并測定含水率，粉碎后測定pH、有機(jī)碳和全氮含量，3次重復(fù)測定的平均值作為該處理組的檢測結(jié)果。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

開展常規(guī)理化指標(biāo)檢測時主要參照現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)，其中pH、有機(jī)碳含量、全氮含量的測定參照NY/T 525—2021《有機(jī)肥料》；含水率測定參照GB/T 8576—2010。

開展溫室氣體（CO2、CH4、N2O）和NH3的含量檢測時，利用傅里葉變換紅外吸收光譜儀進(jìn)行實時檢測，每秒鐘檢測1次。具體操作方法如下：進(jìn)行氣體測量前，先進(jìn)行環(huán)境空氣檢測，然后進(jìn)行發(fā)酵排放氣體檢測，檢測時將發(fā)酵桶的下通風(fēng)口打開作為進(jìn)風(fēng)口，桶蓋蓋緊后將與傅里葉變換紅外吸收光譜儀氣體檢測池相連的進(jìn)氣管接到桶蓋上的上通風(fēng)口處，氣體經(jīng)過濾后被檢測池后端連接的蠕動泵泵入檢測池進(jìn)行檢測，當(dāng)氣體檢測結(jié)果相對偏差小于5%時停止檢測。

2結(jié)果與分析

2.1堆肥過程中堆料理化性質(zhì)的變化

2.1.1堆肥過程中堆料碳氮比的變化。

碳氮比是堆肥腐熟度評價指標(biāo)中較為直觀的一個指標(biāo)。隨著堆肥的進(jìn)行，有機(jī)物在微生物作用下被分解，堆料中有機(jī)碳和全氮的含量均因部分轉(zhuǎn)化成氣體揮發(fā)出去而降低，但全氮含量相對于有機(jī)碳含量降低得較少［15］，因而在整個堆肥過程中碳氮比不斷下降直至接近微生物菌體的碳氮比，即16左右［16］。該研究堆肥發(fā)酵前后全氮、有機(jī)碳含量以及碳氮比的變化如表2所示。

堆肥過程中揮發(fā)性氣體和水分的揮發(fā)導(dǎo)致堆料總干重持續(xù)降低，特別是CO2和水分的大量揮發(fā)使堆料中有機(jī)碳含量明顯下降，碳氮比分別為25、30、35的處理組有機(jī)碳含量分別較發(fā)酵前降低了20.77%、22.88%、24.09%；含氮氣體揮發(fā)性較低，發(fā)酵后全氮含量較發(fā)酵前有所增加，分別較發(fā)酵前增加了36.60%、54.07%、58.59%。堆肥結(jié)束時，3個處理組堆料的碳氮比都在16左右，都達(dá)到了腐熟的標(biāo)準(zhǔn)。牛俊玲等［17］提出用T=終點碳氮比/初始碳氮比的公式來評價腐熟度，認(rèn)為當(dāng)T值<0.6時堆肥達(dá)到腐熟。該研究中C/N=25、30、35的處理組T值分別為0.58、0.50和0.48，均小于0.6，符合腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2堆肥過程中堆料pH的變化。

pH不僅是影響堆肥過程中微生物繁殖的主要因素，而且是反映堆肥進(jìn)程的重要參數(shù)。pH的變化主要是由于堆料中有機(jī)酸的生成和含氮化合物的釋放而引起的。不同堆肥處理中堆料的pH變化見圖1。

從圖1可以看出，3個處理組pH的變化規(guī)律基本一致，pH在堆肥初期逐步上升，在堆肥中期（第13天）達(dá)到峰值，堆肥中后期呈下降趨勢，在堆肥末期趨于平穩(wěn)。碳氮比分別為25、30、35的處理組pH最高值分別為8.24、8.61、8.39。堆肥結(jié)束時3個處理組堆料的pH與發(fā)酵初期pH基本一致，且第19天和第22天測定的pH無明顯差異，均為7.4～8.0，說明堆肥已經(jīng)基本達(dá)到腐熟。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2024年

2.2堆肥過程中溫室氣體的排放規(guī)律

2.2.1堆肥過程中CO2的排放規(guī)律。

CO2是大氣中最重要的溫室氣體，在有氧條件下有機(jī)物降解后，碳元素主要以CO2的形式排放到大氣中。堆肥過程中各處理組CO2排放量呈現(xiàn)波動的變化趨勢，具體如圖2所示。

CO2在堆肥過程中的排放量遠(yuǎn)高于其他氣體，它能夠反映堆肥過程中的微生物代謝活性和有機(jī)物降解速率［18］。從圖2可以看出，堆肥初期各處理組CO2 的排放量先快速下降又迅速升高，表明此階段微生物代謝活動較為劇烈，分別在堆肥第1、4、7天出現(xiàn)排放高峰，堆肥中期（第7～15天）各處理組CO2排放量都出現(xiàn)明顯降低，且CO2排放量存在明顯差異，碳氮比越大，CO2排放量越大。在整個堆肥過程中，碳氮比分別為25、30、35的處理組CO2平均排放量分別為5.47、932和19.19 g/（kg·d）。

2.2.2堆肥過程中CH4的排放規(guī)律。

CH4 是有機(jī)質(zhì)厭氧降解的產(chǎn)物，雖然該研究在整個堆肥過程中每天強(qiáng)制通風(fēng)1 h，但堆料局部出現(xiàn)厭氧環(huán)境是不可避免的。在堆肥過程中，3個處理組CH4的排放量總體均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，具體如圖3所示。

從圖3可以看出，不同處理組CH4排放規(guī)律基本一致，在堆肥初期（第1～5天）只產(chǎn)生微量的CH4，這與其他學(xué)者對堆肥碳氮比對溫室氣體排放的影響研究結(jié)果［1819］相一致。整個堆肥過程中，不同處理組的CH4排放量都較低且差異不明顯，最高日排放量為2.88 mg/（kg·d），碳氮比分別為25、30、35的處理組CH4平均排放量分別為1.05、0.71和0.98 mg/（kg·d）。

2.2.3堆肥過程中N2O的排放規(guī)律。

N2O消耗臭氧，從而會破壞臭氧層，是一種強(qiáng)溫室氣體。堆肥中N2O的形成機(jī)制比較復(fù)雜，硝化反應(yīng)與硝態(tài)氮的反硝化反應(yīng)均會產(chǎn)生N2O，因此各處理組N2O排放量呈現(xiàn)明顯的波動變化，具體如圖4所示。

從圖4可以看出，不同處理組N2O的排放規(guī)律基本一致，在堆肥前期呈現(xiàn)反復(fù)波動的趨勢，堆肥中后期呈明顯先上升后下降的趨勢，排放高峰分別出現(xiàn)在第20、16、16天。整個堆肥過程中，不同處理組的N2O排放量都較低且沒有明顯差異，碳氮比分別為25、30、35的處理組N2O的平均排放量分別為3.52、3.41和3.39 mg/（kg·d）。

2.2.4堆肥過程中NH3的排放規(guī)律。

NH3是一種無色且具有強(qiáng)烈刺激性臭味的氣體。堆肥期間物料中的有機(jī)氮迅速降解，使得堆料中的 NH4+容易以NH3的形式逸出，從而產(chǎn)生惡臭、污染環(huán)境，并導(dǎo)致堆肥中氮素?fù)p失、肥力下降。各處理組NH3排放量呈現(xiàn)先上升后下降再上升的變化趨勢，具體如圖5所示。

從圖5可以看出，在堆肥初期NH3的排放量迅速升高，3個處理組均在堆肥第4天出現(xiàn)排放高峰，然后又迅速下降，在堆肥中期保持較低的排放量，堆肥末期略有回升。在整個堆肥過程中，碳氮比分別為25、30、35的處理組NH3平均排放量分別為680.03、442.69和193.54 mg/（kg·d）。

3結(jié)論與討論

園林廢棄物堆肥的碳氮比為25～35時，堆肥過程中CO2的排放量較大，CH4和N2O的排放量較小，所以雖然CH4和N2O溫室效應(yīng)分別是CO2的21～23倍、296～310倍，但是園林廢棄物堆肥所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)還是以CO2排放引起的溫室效應(yīng)為主，堆肥的溫室效應(yīng)隨著碳氮比的增加而升高。由于該研究堆肥過程中沒有滲濾液產(chǎn)生，有機(jī)碳主要以氣體形式損失，該研究中碳氮比分別為25、30、35的處理組有機(jī)碳損失率分別為20.77%、22.88%和2409%，堆肥前后有機(jī)碳含量下降的趨勢與CO2的排放規(guī)律相同，可為溫室效應(yīng)的變化規(guī)律研究提供佐證。因此，在園林廢棄物好氧堆肥時，較低的碳氮比有利于減少溫室氣體的排放。

在園林廢棄物堆肥過程中，NH3的排放量隨著碳氮比的增加而明顯降低，碳氮比分別為25、30、35的處理組NH3平均排放量分別為680.03、442.69和193.54 mg/（kg·d）。研究表明，氨揮發(fā)是堆肥過程氮損失的主要途徑［2021］。該研究中碳氮比分別為25、30、35的處理組發(fā)酵后全氮含量分別較發(fā)酵前增加了36.60%、54.07%和58.59%，堆肥前后全氮含量增加的趨勢與NH3排放規(guī)律相同，為NH3排放規(guī)律的研究提供了佐證。因此，在園林廢棄物好氧堆肥時，較高的碳氮比有利于減少NH3的排放。但是，由于NH3的排放規(guī)律與溫室氣體的排放規(guī)律相反，而碳氮比對溫室氣體的影響較大，因此在園林廢棄物好氧發(fā)酵中應(yīng)控制好碳氮比，從而降低其對環(huán)境的影響。

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基金項目西城區(qū)財政科技專項（可持續(xù)發(fā)展類）；環(huán)境昆蟲和微生物聯(lián)合高效處理園林廢棄物及餐余垃圾技術(shù)示范項目（XCSTSSD202108）。

作者簡介李霞（1978—），女，北京人，工程師，從事園林廢棄物、園林花卉及肥料研究。

通信作者，工程師，從事園林市政、園林廢棄物及肥料方面的研究。