劉飛等

摘要：為研究不同濃度棉稈木醋液對(duì)畜禽糞便高溫堆肥的溫室氣體排放的調(diào)控作用，以牛糞和鋸末為試驗(yàn)材料，用生物質(zhì)熱裂解試驗(yàn)裝置熱解棉稈得到的木醋液作為添加劑，在自制的發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行好氧堆肥試驗(yàn)，檢測(cè)添加不同濃度木醋液對(duì)牛糞堆肥過(guò)程中溫室氣體排放情況和碳損失率。結(jié)果表明：在堆肥物料中添加木醋液對(duì)提高升溫速率、縮短堆肥時(shí)間、降低碳損失率均有明顯效果；與其他處理組相比，添加3%的棉稈木醋液對(duì)堆肥過(guò)程中CH4產(chǎn)生有顯著抑制作用，降低了15%左右，對(duì)CO2的排放抑制作用3#>2#>1#。

關(guān)鍵詞：棉稈；好氧堆肥；溫室氣體；木醋液；糞便

中圖分類(lèi)號(hào)：S141.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）09-0364-06

全球每年產(chǎn)生大約80億～100億t固體廢棄物，其中有機(jī)固體廢棄物占了很大比例[1]。如果不能及時(shí)有效地處理這些有機(jī)固體廢棄物，將會(huì)對(duì)環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危害，制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展，影響人類(lèi)生活。近年來(lái)，隨著堆肥技術(shù)的發(fā)展，一方面有效合理地處理了有機(jī)固體廢棄物，并獲得有機(jī)肥料，減少了化肥的使用量；另一方面卻產(chǎn)生了溫室氣體和臭氣，增加了溫室氣體濃度、污染環(huán)境、降低堆肥產(chǎn)品質(zhì)量，成為制約堆肥化的主要因素[2]。堆肥是實(shí)現(xiàn)廢棄物減量化、資源化、無(wú)害化的主要技術(shù)途徑。在堆肥過(guò)程中，有機(jī)態(tài)氮的降解及其硝化、反硝化作用會(huì)產(chǎn)生一定量的N2O，其產(chǎn)生量約占堆肥總氮質(zhì)量的0.2%～6%，CH4的產(chǎn)生量約占堆肥總碳質(zhì)量的0.8%～6%[3]，其100年溫室效應(yīng)分別是CO2的25倍和298倍[4]。NH3是堆肥過(guò)程中產(chǎn)生臭氣和降低堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的主要原因[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)堆肥過(guò)程中溫室氣體的排放已開(kāi)展了廣泛的研究。Chowdhury等報(bào)道低通風(fēng)速率和添加生物炭能夠顯著降低NH3和CH4的揮發(fā)[5]。趙晨陽(yáng)等研究發(fā)現(xiàn)翻堆頻率顯著提高了豬糞堆肥過(guò)程中溫室氣體和NH3的排放[6]；而江滔等發(fā)現(xiàn)冬季翻堆能夠顯著降低N2O和CH4的排放[7]。目前關(guān)于堆肥過(guò)程溫室氣體的減排主要集中在堆肥條件的調(diào)節(jié)和控制[5-10]，也有學(xué)者通過(guò)混合堆肥[11-12]、添加過(guò)磷酸鈣[3]、明礬和沸石[13]、蚯蚓輔助堆肥[14]達(dá)到溫室氣體減排的目的。木醋液（wood vinegar & pyroligneous acid）具有促進(jìn)生物生長(zhǎng)、土壤消毒、殺菌、防蟲(chóng)、防腐、保鮮等作用，在農(nóng)牧業(yè)應(yīng)用廣泛。Chen等只是在豬糞堆肥中添加竹炭和竹木醋液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有效地減少了氮素?fù)]發(fā)并鈍化了銅、鋅重金屬[15]。目前關(guān)于添加木醋液在調(diào)節(jié)種子發(fā)芽和根的生長(zhǎng)[16-18]、殺菌[19-20]和育肥豬[21-22]方面已有很多研究，但是對(duì)堆肥過(guò)程溫室氣體影響的研究相對(duì)較少。本試驗(yàn)以牛糞為研究對(duì)象，通過(guò)添加不同濃度梯度的棉稈木醋液，對(duì)比研究堆肥過(guò)程CH4和CO2的排放和其他指標(biāo)變化規(guī)律，探討添加不同濃度木醋液對(duì)牛糞堆肥的處理效果并提供實(shí)踐參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)原料

試驗(yàn)設(shè)在塔里木大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院試驗(yàn)站，堆體物料由牛糞和鋸末組合而成，按質(zhì)量比17.8 ∶1混合。牛糞取自該試驗(yàn)站，試驗(yàn)站的牛主要以麥秸和干草等粗飼料為主食；鋸末購(gòu)自阿拉爾市某木材加工廠。物料的初始性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2堆肥裝置設(shè)計(jì)

堆肥裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。反應(yīng)器內(nèi)部尺寸為 0.6 m×0.6 m×0.6 m，外部尺寸為1 m×1 m×1 m，保溫層材料為聚乙烯泡沫板。在堆體中心距離底部15 cm、30 cm、45 cm處放置溫度傳感器（Pt100電阻）；同樣在每一層高度上均勻布置3個(gè)氣體采集點(diǎn)，從中心到邊緣分別為1、2、3號(hào)位置（圖2），在箱壁一側(cè)同等位置打孔，插入PVC管用于導(dǎo)出氣體；反應(yīng)器底部有通風(fēng)管道。試驗(yàn)采用4組規(guī)格相同的反應(yīng)器。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

堆肥試驗(yàn)從2014年1月開(kāi)始，持續(xù)11周。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理組，1個(gè)對(duì)照組，處理組根據(jù)堆肥物料的起始質(zhì)量設(shè)3

個(gè)不同棉稈木醋液水平，分別為0.5%、1.7%和3.0%（木醋液添加量均為木醋液與堆肥物料鮮質(zhì)量的比值）。具體原料配比如下：CK，牛糞66 kg+鋸末3.69 kg+水23.8 kg；1#，牛糞 66 kg+鋸末3.69 kg+水23.8 kg+0.5%棉稈木醋液；2#，牛糞66 kg+鋸末3.69 kg+水23.8 kg+1.7%棉稈木醋液；3#，牛糞66 kg+鋸末3.69 kg+水23.8 kg+3.0%棉稈木醋液。

堆體溫度超過(guò)60 ℃時(shí)通風(fēng)30 min，前4周每周翻堆1次，以后每2周翻堆1次，翻堆前采集堆體不同位置的試樣并保存在4 ℃下。

1.4測(cè)定項(xiàng)目與方法

堆體溫度每天測(cè)量3次計(jì)算平均溫度；總有機(jī)碳用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[23]。

溫室氣體和O2均采用靜態(tài)箱法采集氣體，前4周每2 d采集1次，以后逐漸隔4～7 d采集1次。其中翻堆前1 d和翻堆后2 d采集氣體。采集的氣體樣品用Agilent公司生產(chǎn)的7890B氣相色譜儀分析氣體樣品中CH4、CO2和O2的濃度，其中氫火焰離子化檢測(cè)器（flame ionization detector，F(xiàn)ID）檢測(cè)CH4，熱導(dǎo)檢測(cè)器（thermal conductivity detector，TCD）檢測(cè)CO2和O2。

堆肥有機(jī)質(zhì)的損失量計(jì)算公式[2]：

OMLossj=（OMi-OMj）OMi（1-OMj）×100%。

式中：OMLossj為堆肥j d有機(jī)質(zhì)的損失量，%；OMi為堆肥開(kāi)始時(shí)有機(jī)質(zhì)百分含量；OMj為堆肥第j 天有機(jī)質(zhì)百分含量。

2結(jié)果與討論

2.1棉稈木醋液對(duì)堆肥溫度變化的影響

溫度是表征堆肥進(jìn)程的參數(shù)，溫度的變化情況反映堆肥化程度。圖3至圖5分別為不同濃度水平處理下堆體各層溫度的變化情況。從圖3至圖5中可以看出，不同濃度水平處理堆體溫度變化都經(jīng)歷類(lèi)升溫期、高溫期和降溫期3個(gè)階段。但是不同濃度水平處理和對(duì)照組在不同階段和不同位置存在顯著差異。

在升溫期階段，處理組比對(duì)照組先到達(dá)高溫期，提前進(jìn)入高溫期不僅殺死物料中的病原菌，減少惡臭氣體的產(chǎn)生，而且能夠縮短堆肥周期。本試驗(yàn)中處理組3#提高了堆體的溫度，

并提前進(jìn)入腐熟階段，這表明高濃度木醋液的添加可加速堆肥進(jìn)程，縮短堆肥周期，與陳英旭在用竹炭和竹醋液處理豬糞時(shí)結(jié)論一致[15]。

2.2棉稈木醋液對(duì)堆肥中CH4和CO2排放特征的影響

CH4的產(chǎn)生是在厭氧條件下，由甲烷菌還原CO2或含碳有機(jī)物產(chǎn)生的；CO2是微生物新陳代謝的主要產(chǎn)物，畜禽糞便堆肥損失大約50%的總碳。圖6至圖8分別為堆肥上、中、下層CH4和CO2的排放情況。整體來(lái)看，堆體中CH4和CO2的變化趨勢(shì)基本一致，但各處理組間差異顯著。

在堆體上層，升溫期CH4和CO2的排放量達(dá)到峰值，隨后下降，在前7 d，中心點(diǎn)CH4和CO2排放較多，在這個(gè)時(shí)間段，說(shuō)明溫度與CH4和CO2排放成正相關(guān)，可能與堆肥初期大量微生物快速繁殖并發(fā)生生化反應(yīng)有關(guān)。在前7 d，3個(gè)處理相對(duì)對(duì)照有促進(jìn)CH4排放的作用，3個(gè)處理組試驗(yàn)在2周后CH4排放基本為零，說(shuō)明有抑制CH4排放的作用，3#處理組在7 d后就抑制了CH4排放。CO2在前7 d釋放量最大，占到16%～24%，隨后迅速下降，14周后緩慢下降，3#處理組在第7周后進(jìn)一步抑制CO2的排放，維持在2%左右。從整體上看木醋液處理后CH4和CO2的排放基本穩(wěn)定，波動(dòng)不大，根據(jù)圖形的斜率可知，CH4和CO2的排放隨著木醋液濃度的增大抑制作用就越強(qiáng)，說(shuō)明木醋液的添加有利于減少CH4和CO2的排放。

在堆體中層，3#處理組的CH4和CO2的排放規(guī)律與上層基本一致，其他試驗(yàn)組規(guī)律呈現(xiàn)一致，在3周后都出現(xiàn)CH4第二個(gè)峰值。CH4出現(xiàn)第二個(gè)峰值可能與翻堆調(diào)節(jié)含水率有關(guān)，導(dǎo)致堆體空隙率降低造成厭氧。CO2在翻堆后出現(xiàn)不同程度的增加，很可能與翻堆后微生物新陳代謝增強(qiáng)有關(guān)。與對(duì)照組相比，處理組CO2的排放量有不同程度的抑制，3#在2周后使CO2排放量降低到5%以下。

CH4和CO2在堆體下層的排放規(guī)律與中層相一致，下層中心位置CH4的排放量高于其外側(cè)，而CO2在2號(hào)位置排放量較大。3#處理組與上層、中層CH4排放規(guī)律一致。

值得注意的是3#處理組在7 d后開(kāi)始抑制CH4排放，前7 d CH4的排放量要高于對(duì)照組；CO2排放規(guī)律與之類(lèi)似，并且1#和2#處理組在堆肥的前幾天CH4排放量的峰值比對(duì)照組高，最后又表現(xiàn)出抑制其排放的情況。對(duì)此，可能的解釋是棉稈木醋液成分復(fù)雜，本身的酸性物質(zhì)一方面腐蝕牛糞顆粒表層形成空隙；另一方面殺死某些細(xì)菌，造成某一菌種占優(yōu)勢(shì)；另外木醋液可能起到表面活性劑的作用，改善降解體系的

微環(huán)境，是綜合作用的結(jié)果[17]。

2.3物料平衡及溫室效應(yīng)分析

堆肥過(guò)程中總碳損失率如表3所示。從表3可以看出，在前期碳損失量最大，對(duì)照組比其他處理組損失量高出 14%～26%，與前期CH4、CO2排放量大相吻合。隨著木醋液濃度的增加，碳損失量降低，堆肥結(jié)束碳損失量比對(duì)照組減少34%，提高了堆肥產(chǎn)品中有機(jī)質(zhì)的含量。

堆肥過(guò)程中產(chǎn)生的CH4和CO2均是主要溫室氣體，目前對(duì)有機(jī)廢氣物降解產(chǎn)生CO2的溫室效應(yīng)的計(jì)算方法存在爭(zhēng)議[25]，就CH4排放情況來(lái)說(shuō)，高濃度木醋液使總溫室氣體排放量顯著降低，比對(duì)照組減少15%左右。添加3%棉稈木醋液可以縮短堆肥周期、減少溫室氣體、提高堆肥品質(zhì)。

3結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在好氧堆肥中，添加棉稈木醋液可以提

高堆肥溫度，縮短堆肥周期。

添加棉稈木醋液能夠有效降低牛糞堆肥CH4和CO2的排放。添加3%的棉稈木醋液CH4總排放量比對(duì)照組減少15%左右。

添加3%的棉稈木醋液能夠顯著降低堆肥過(guò)程中碳損失率，提高堆肥品質(zhì)。

綜上所述，畜禽糞便堆肥過(guò)程中添加3%的棉稈木醋液能夠降低溫室氣體排放、提高堆肥品質(zhì)。熱解棉稈制取木醋液為農(nóng)業(yè)廢棄物的合理利用提供了可能，在生物質(zhì)資源利用中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]席北斗，魏自民，劉鴻亮. 有機(jī)固體廢棄物管理與資源化技術(shù)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[2]Haug R T. The practical handbook of compost engineering[M]. Boca Raton：Lewis Publishers，1993.

[3]羅一鳴，李國(guó)學(xué)，Schuchardt F，等. 過(guò)磷酸鈣添加劑對(duì)豬糞堆肥溫室氣體和氨氣減排的作用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（22）：235-242.

[4]Parry M L，Canziani O F，Paluti J P，et al. IPCC fourth assessment report：climate change 2007：contribution of working group Ⅱ to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[R]. Cambridg：Cambridge University Press，2007：212-213.

[5]Chowdhury M A，de Neergaard A，Jensen L S. Potential of aeration flow rate and bio-char addition to reduce greenhouse gas and ammonia emissions during manure composting[J]. Chemosphere，2014，97：16-25.

[6]趙晨陽(yáng)，李洪枚，魏源送，等. 翻堆頻率對(duì)豬糞條垛堆肥過(guò)程溫室氣體和氨氣排放的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)，2014，35（2）：533-540.

[7]江滔，Schuchardt F，李國(guó)學(xué). 冬季堆肥中翻堆和覆蓋對(duì)溫室氣體和氨氣排放的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（10）：212-217.

[8]Zhang H Y，Li C P，Li G X，et al. Effect of spent air reusing （SAR） on maturity and greenhouse gas emissions during municipal solid waste （MSW） composting-with different pile height[J]. Procedia Environmental Sciences，2012，16 （16）：59-69.

[9]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.

[10]Shen Y，Ren L，Li G，et al. Influence of aeration on CH4，N2O and NH3 emissions during aerobic composting of a chicken manure and high C/N waste mixture[J]. Waste Management，2011，31（1）：33-38.

[11]沈洪艷，張相鋒，董世魁，等. 餐廚垃圾和綠化廢棄物好氧堆肥過(guò)程中溫室氣體排放研究[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，47（2）：202-205.

[12]Cayuela M L，Sánchez-Monedero M A，Roig A，et al. Biochemical changes and GHG emissions during composting of lignocellulosic residues with different N-rich by-products[J]. Chemosphere，2012，88（2）：196-203.

[13]Bautista J M，Kim H，Ahn D H，et al. Changes in physicochemical properties and gaseous emissions of composting swine manure amended with alum and zeolite[J]. Korean Journal of Chemical Engineering，2011，28（1）：189-194.

[14]楊帆，李國(guó)學(xué)，江滔，等. 蚯蚓輔助堆肥處理蔬菜廢棄物及其溫室氣體減排效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（16）：190-196.

[15]Chen Y X，Huang X D，Han Z Y，et al. Effects of bamboo charcoal and bamboo vinegar on nitrogen conservation and heavy metals immobility during pig manure composting[J]. Chemosphere，2010，78（9）：1177-1181.

[16]Mu J，Uehara T，F(xiàn)uruno T. Effect of bamboo vinegar on regulation of germination and radicle growth of seed plants[J]. Journal of Wood Science，2003，49（3）：262-270.

[17]Zhou L，Jiang E C，Li B S. Effect of wood vinegar on seed germination and water implantation of corn[J]. Journal of Northeast Agricultural University，2009，16（2）：6-11.

[18]Kadota M，Niimi Y. Effects of charcoal with pyroligneous acid and barnyard manure on bedding plants[J]. Scientia Horticulturae，2004，101（3）：327-332.

[19]Saberi M，Hassan A，Sarpeleh A，et al. Wood vinegar as a biological product for managing Fusarium oxysporum f.sp. radicis-cucumerinum[J]. Canadian Journal of Plant Protection，2013，1（4）：129-133.

[20]Wititsiri S. Production of wood vinegars from coconut shells and additional materials for control of termite workers，Odontotermes sp.and striped mealy bugs，F(xiàn)errisia virgata[J]. Songklanakarin J Sci Technol，2011，33（3）：349-354.

[21]Wang H F，Wang J L，Wang C，et al. Effect of bamboo vinegar as an antibiotic alternative on growth performance and fecal bacterial communities of weaned piglets[J]. Livestock Science，2012，144（1/2）：173-180.

[22]Yan L，Kim I H，Huh K. Influence of bamboo vinegar supplementation on growth performance，apparent total tract digestibility，blood characteristics，meat quality，fecal noxious gas content，and fecal microbial concentration in finishing pigs[J]. Livestock Science，2012，144（3）：240-246.

[23]鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1981：438-441.

[24]Rabl A，Benoist A，Dron D，et al. How to account for CO2 emissions from biomass in an LCA[J]. The International Journal of Life Cycle Assessment，2007，12（5）：281.