王友玲 邱慧珍 PHILIP Ghanney 李孟嬋 張春紅

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 蘭州 730070;2.甘肅省畜禽廢物資源化利用工程研究中心， 蘭州 730070)

0 引言

好氧堆肥因其處理效率高、成本低、可資源化利用等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于有機(jī)廢棄物的處理[1]。然而，堆肥過(guò)程中氨氣(NH3)和氧化亞氮(N2O)的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致大量氮素?fù)p失。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，堆肥過(guò)程中，以NH3形式損失的氮占 TN的9.6%～46%[2]，占氮素總損失量的79%～94%；以N2O形式損失的氮占氮素總損失量的0.1%～5%[3]。不僅造成了環(huán)境二次污染，而且降低了堆肥成品有機(jī)肥的品質(zhì)[4-5]。因此，探明堆肥過(guò)程中影響氮素轉(zhuǎn)化和氨揮發(fā)的因素和機(jī)理、減少堆肥過(guò)程中含氮?dú)怏w的排放、控制氮素?fù)p失是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

堆肥試驗(yàn)在反應(yīng)器中進(jìn)行。供試牛糞由甘肅省白銀鑫昊奶牛場(chǎng)提供，玉米秸稈取自甘肅省榆中縣農(nóng)田，并粉碎成1～2 cm的小段。供試材料的基本理化特性見表1。

表1 堆肥物料的理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of composting materials

1.2 堆肥試驗(yàn)

試驗(yàn)在圖1所示的密閉式強(qiáng)制通風(fēng)反應(yīng)器系統(tǒng)中進(jìn)行。反應(yīng)器有效容積約60 L，采用溫度傳感器記錄溫度數(shù)據(jù)。試驗(yàn)以牛糞和玉米秸稈為原料，調(diào)節(jié)物料碳氮比為29，含水率為60%進(jìn)行好氧發(fā)酵試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)置連續(xù)通風(fēng)和間歇通風(fēng)2個(gè)處理，記為T1、T2處理。通風(fēng)速率采用小型反應(yīng)器堆肥中的推薦值0.2 L/(min·kg)[15]。已有研究[16-17]表明，在連續(xù)通風(fēng)10 min的時(shí)間內(nèi)，通風(fēng)后期的O2濃度變化很小，說(shuō)明通風(fēng)10 min堆體內(nèi)的O2供應(yīng)充分。通風(fēng)結(jié)束后，10 min內(nèi)堆體O2消耗速度最快，之后O2消耗速度較慢，故設(shè)置間歇通風(fēng)處理通風(fēng)10 min，停止10 min。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

圖1 堆肥反應(yīng)器示意圖Fig.1 Sketch of composting vessel

1.3 試驗(yàn)樣品采集

1.3.1固體樣品采集

1.3.2氣體樣品采集

氣體樣品(N2O)用注射器收集到0.2 L的采氣袋里備用。前10 d每天收集，后10 d隔天收集，每天08:00采樣，沒有測(cè)定日期的數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)最近前后測(cè)量日進(jìn)行平均計(jì)算得出，累積排放量則是通過(guò)日通量計(jì)算得出。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與分析方法

1.5 氮素?fù)p失計(jì)算方法

TN損失率計(jì)算公式為

式中X——TN損失率，%

C0——初始TN質(zhì)量比,g/kg

C1——結(jié)束時(shí)TN質(zhì)量比,g/kg

M0——初始物料干質(zhì)量,kg

M1——結(jié)束時(shí)物料干質(zhì)量,kg

1.6 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果分析

2.1 堆肥過(guò)程中溫度和pH值的變化

2.1.1溫度

如圖2所示，在堆肥初期，T1、T2處理的溫度迅速升高并在第2天達(dá)到峰值70.77、69.15℃。這是由于強(qiáng)制曝氣促進(jìn)了有機(jī)物質(zhì)的降解，導(dǎo)致溫度迅速升高[14]。T2處理溫度低于T1處理，是因?yàn)樵谏郎仉A段O2消耗速度很快[16]，T2處理可能因?yàn)槿毖醵绊懳⑸锏幕钚?，進(jìn)而影響堆體的升溫。隨后堆體溫度逐漸下降，到堆肥結(jié)束時(shí)，易分解有機(jī)物質(zhì)基本完全降解，微生物代謝活動(dòng)減弱，2個(gè)處理的溫度接近環(huán)境溫度，均低于30℃。可能因?yàn)門2處理較高的瞬時(shí)曝氣速率造成更多的熱量和水分損失，使得T2處理溫度低于T1處理。2個(gè)處理高溫期(溫度大于50℃)持續(xù)時(shí)間均為9 d，達(dá)到《畜禽糞便無(wú)害化處理技術(shù)規(guī)范》[20]規(guī)定的密閉倉(cāng)式堆肥保持發(fā)酵溫度50℃以上不少于7 d的要求。

圖2 堆肥過(guò)程中溫度的變化曲線Fig.2 Change curves of temperature during composting

2.1.2pH值

圖3 堆肥過(guò)程中pH值的變化曲線Fig.3 Change curves of pH value during composting

2.2 堆肥過(guò)程中 TN含量的變化

由圖4可見，T1和T2處理TN含量呈先下降后上升的趨勢(shì)。T2處理TN含量高于T1處理。2個(gè)處理TN含量均隨溫度升高而下降，主要是由于高溫和高pH值條件下有機(jī)氮的分解和NH3的揮發(fā)[22]。到堆肥結(jié)束時(shí)，2個(gè)處理TN質(zhì)量比均高于初始值并達(dá)到峰值，分別為15.91、16.35 g/kg。已有研究[23-24]表明，TN含量增加的主要原因是濃縮效應(yīng)，因?yàn)槎逊寿|(zhì)量減少的速度比氮素減少的速度更快，導(dǎo)致堆肥過(guò)程中氮相對(duì)富集。在本研究中，T1處理TN顯著增加，說(shuō)明有機(jī)碳化合物的強(qiáng)烈降解可能也是TN含量增加的原因[25]。試驗(yàn)結(jié)束后，T2處理TN含量高于T1處理，說(shuō)明通風(fēng)方式可能也是造成這一差異的原因。

圖4 堆肥過(guò)程中TN含量的變化曲線Fig.4 Change curves of TN during composting

2.3 堆肥過(guò)程中無(wú)機(jī)態(tài)氮的變化

圖5 堆肥過(guò)程中含量的變化曲線Fig.5 Change curves of during composting

圖6 堆肥過(guò)程中含量的變化曲線Fig.6 Change curves of during composting

2.3.3氨氣的排放

2.4 堆肥過(guò)程中有機(jī)態(tài)氮的轉(zhuǎn)化

2.4.1酸解總有機(jī)氮

堆肥材料中的氮素多以有機(jī)氮形態(tài)存在。根據(jù) Bremner酸解法將有機(jī)氮?jiǎng)澐譃榉撬峤獾?UTHN)和酸解總有機(jī)氮(THN)。酸解總有機(jī)氮主要包括氨基酸態(tài)氮(AAN)、氨基糖態(tài)氮(ASN)、酸解氨氮(AN)和酸解未知態(tài)氮(HUN)，本研究中酸解總有機(jī)氮約占 TN 45%，各種酸解有機(jī)氮含量的變化情況見圖8。2個(gè)處理的酸解總有機(jī)氮在堆肥初期下降，之后逐漸上升。堆肥結(jié)束時(shí)T1、T2處理的酸解總有機(jī)氮含量分別為8.22、9.24 g/kg，說(shuō)明T2處理具有更強(qiáng)的連續(xù)供氮能力。

圖7 堆肥過(guò)程中NH3排放量的變化曲線Fig.7 Change curves of NH3 during composting

圖8 堆肥過(guò)程中AAN、ASN、AN、HUN和THN含量的變化Fig.8 Changes of AAN, ASN, AN, HUN and THN during composting

2.4.2氨基酸態(tài)氮

圖9 堆肥過(guò)程中氮素組分的轉(zhuǎn)化相關(guān)性Fig.9 Transformation correlation of nitrogen component during composting

圖10 堆肥過(guò)程中氮素?fù)p失Fig.10 Losses of nitrogen during composting

2.4.3氨基糖態(tài)氮

氨基糖態(tài)氮是微生物的重要組成部分，其含量與微生物的生物量有關(guān)[26]。如圖8所示，T1和T2處理氨基糖態(tài)氮占酸解有機(jī)氮的比例約為3%，氨基糖態(tài)氮含量呈先上升后下降的趨勢(shì)，最后達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平，這和堆肥過(guò)程的溫度變化(圖2)是一致的。T1和T2處理的氨基糖態(tài)氮質(zhì)量比在第2天達(dá)到最大值0.31 g/kg和0.34 g/kg，這是由于充足的氮、碳和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，增加了微生物的生物量，從而增加了氨基糖態(tài)氮含量[11]。T2處理的氨基糖態(tài)氮含量高于T1處理，說(shuō)明間歇曝氣能促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)和活性，有利于氨基糖態(tài)氮的積累。隨著可利用有機(jī)物質(zhì)的消耗，導(dǎo)致微生物的死亡和分解，氨基糖態(tài)氮含量降低[29]。

2.4.4酰胺態(tài)氮

如圖8所示，T1和T2處理的酰胺態(tài)氮質(zhì)量比在堆肥初期呈上升趨勢(shì)，并在第2天達(dá)到最高值1.18、1.01 g/kg。這可能是由于物料中由脫氨基或水解產(chǎn)生的氨基糖和氨基酸合成了酰胺態(tài)氮[30]。隨著堆肥的進(jìn)行，酰胺態(tài)氮含量逐漸下降，這主要是由于微生物代謝導(dǎo)致酰胺態(tài)氮降解[11]。酰胺態(tài)氮是堆肥過(guò)程中氨揮發(fā)的主要來(lái)源之一[29]，酰胺態(tài)氮可以向銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化，并以氨氣形式揮發(fā)[30]，這和圖9的分析結(jié)果一致。到堆肥結(jié)束時(shí)，T2處理的酰胺態(tài)氮含量低于T1處理。說(shuō)明間歇曝氣可以抑制氨揮發(fā)。酰胺態(tài)氮約占酸解有機(jī)氮15%。

2.4.5酸解未知態(tài)氮

2.5 堆肥過(guò)程中氮素轉(zhuǎn)化機(jī)理

結(jié)構(gòu)方程模型(Structure equation modeling，SEM)是一種將數(shù)據(jù)擬合到表達(dá)因果假設(shè)的模型中，探索變量之間因果關(guān)系的方法，這種關(guān)系用因果模型、路徑圖等形式加以表述[32]。由于有機(jī)氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的復(fù)雜性，不同的生化反應(yīng)可能產(chǎn)生協(xié)同或抑制作用。因此，采用SEM可以使不同有機(jī)氮組分之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系更加直觀。SEM分析結(jié)果表明，該模型的擬合指標(biāo)已達(dá)到估計(jì)指標(biāo)理想擬合的標(biāo)準(zhǔn)(χ2/df<2，P>0.05，GFI(擬合優(yōu)度指數(shù))大于0.950，CFI(比較擬合指數(shù))大于0.900和RMSEA(漸進(jìn)殘差均方和平方根)小于0.05)。因此，本試驗(yàn)中SEM可以有效地研究有機(jī)氮組分的轉(zhuǎn)化。

表2 堆肥過(guò)程中有機(jī)氮組分轉(zhuǎn)化對(duì)的直接、間接和總影響結(jié)果Tab.2 Direct, indirect and total effects of organic nitrogen fractions transformation on during composting

2.6 氮素?fù)p失

由圖10可知，T1和T2處理TN損失分別占初始TN的23.25%和21.12%。TN損失的主要原因是NH3揮發(fā)。T1和T2處理中通過(guò)NH3揮發(fā)損失的氮占TN的損失率分別為74.76%和61.84%。而N2O排放損失的氮分別僅占TN損失的1.12%和1.37%。這一結(jié)果與文獻(xiàn)[33]研究結(jié)果類似。說(shuō)明減少NH3排放是保氮的關(guān)鍵。

3 結(jié)論

(1)堆肥結(jié)束后，T1和T2處理的TN損失率較高，主要以NH3揮發(fā)為主。NH3揮發(fā)主要集中在堆肥初期。T2處理的NH3累積排放量比T1處理少24.37%，間歇通風(fēng)方式有利于減少NH3揮發(fā)。