楊森 佟敏 崔亞茹 王體朋 史昌明

摘要：為實現(xiàn)秸稈沼渣和畜禽糞便的高值化利用，研究牛糞與玉米秸稈沼渣混合堆肥的效果，并利用生命周期法分析混合堆肥的環(huán)境效益。對不同混合比例以及堆肥時間下堆體含水率、pH值、總碳、總氮、揮發(fā)性固體含量和電導率的分析結果發(fā)現(xiàn)，混合比例對堆體特性有顯著影響，隨著牛糞和玉米秸稈沼渣比例由2∶1增加到6∶1，堆體含水率明顯增加，但是當比例超過4∶1時，混合堆肥對堆體含水率的影響逐漸降低。添加秸稈沼渣對堆體初期pH值的變化影響很大，且變化規(guī)律不明顯，但是當發(fā)酵時間超過40天時，堆體的pH呈明顯的降低趨勢；增加牛糞的比例，有助于提高堆體腐熟后的pH值，隨著牛糞添加比例由2∶1增加到6∶1，堆體的pH值由8.2提高到8.4，60天腐熟后堆體的總碳含量由35.34%增加到36.81%，揮發(fā)性固體的含量顯著降低，由46.96%降低到37.66%，電導率由8.3ms/cm增加到9.4ms/cm。同時，牛糞和沼渣混合堆肥相較于直接排放顯著降低堆肥底物中CO2、CH4、N2O、NOX、NH3、SO2、PO43-等污染物的排放，表明混合堆肥對環(huán)境更加友好。

關鍵詞：沼渣；牛糞；玉米秸稈；混合堆肥；生命周期評價

中圖分類號：S-3

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 12016806

Study on mixed compost of cow dung and corn stalk biogas residue and its impact on environment

Yang Sen1， Tong Min1， Cui Yaru1， Wang Tipeng1， Shi Changming1

（1. National Engineering Research Center of New Energy Generation， North China Electric Power University，

Beijing， 102206， China； 2. Electric Power Research Institute of State Grid East Inner Mongolia Electric Power

Co.， Ltd.， Hohhot， 010020， China）

Abstract：

In order to realizethe high-value utilization of straw biogas residue and livestock manure， the effect of co-composting corn straw biogas residue and cow manure was studied， and the environmental benefits of mixed compost were analyzed by life cycle method. And the effects of different mixing ratios and composting time on the water content， pH value， total carbon， total nitrogen， volatile solid content and electrical conductivity of the pile were analyzed， the environmental benefits of co-composting was also calculated. The results showed that the mixing ratio had a significant effect on the characteristics of the heap. With the ratio of cow dung and corn stover biogas residue increased from 2∶1 to 6∶1， the moisture content of the heap increased significantly， but when the ratio exceeded 4∶1， the effect of mixed composting on the moisture content of the pile gradually decreased. The straw biogas residue had a great influence on the pH value of the pile at the initial stage， and the change rule was not obvious， but when the fermentation time exceeded 40 days， the pH of the pile body showed a significant decreasing trend; increasing the proportion of cow dung helped to increase the pH value of the pile after composting. With the addition ratio of cow manure increasing from 2∶1 to 6∶1， the pH value of the reactor increased from 8.2 to 8.4， the total carbon content of the reactor increased from 35.34% to 36.81% after 60 days of decomposition， the volatile solids content decreased significantly from 46.96% to 37.66%， and the electrical conductivity increased from 8.3ms/cm to 9.4ms/cm. At the same time， co-composting of cow manure and biogas residues significantly reduced the emissions of CO2， CH4， N2O， NOX， NH3， SO2， PO43- and other pollutants in the compost substrate compared with direct emissions.

Keywords：

biogas residue; cow dung; corn stover; co-composting; life cycle assessment

0 引言

我國是個傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈資源豐富，如何高效地利用這些農(nóng)作物秸稈事關美麗鄉(xiāng)村建設、鄉(xiāng)村振興、循環(huán)經(jīng)濟和雙碳目標的實現(xiàn)，受到國家的高度重視。在國家和各省市的“十四五”規(guī)劃中均明確提出農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)基質(zhì)化和肥料化利用的方向。利用厭氧發(fā)酵技術可以將有機物轉(zhuǎn)化為潔凈的沼氣，該技術往往被用于秸稈等生物質(zhì)的能源化和資源化利用。近年來，隨著微生物技術、發(fā)酵工藝和裝備、預處理技術等的快速發(fā)展，秸稈發(fā)酵特別是干發(fā)酵技術得到快速發(fā)展，前景良好。然而，發(fā)酵主要副產(chǎn)物之一沼渣的高效利用成為秸稈發(fā)酵制沼氣必須實現(xiàn)的技術［1］。

由于沼渣中含有大量微生物以及氨氮化合物［2］，可以作為良好的肥料。然而，秸稈沼渣中含有的大量難以分解的木質(zhì)纖維素卻嚴重影響了沼渣的利用效率［3］。此外，秸稈沼渣中的可降解有機物的含量不高［4］，導致秸稈沼渣堆肥的肥效不佳。因此需要采用添加調(diào)節(jié)劑的方式來改善其堆肥效果［5］。牛糞作為一種常見的農(nóng)業(yè)廢棄物，含有大量的可降解有機物，可與沼渣優(yōu)勢互補制備優(yōu)良的有機肥。

白玲等［67］研究發(fā)現(xiàn)木屑和玉米秸稈等作為調(diào)理劑均能加速秸稈沼渣堆肥化的進行且添加牛糞可以大幅增加堆體的胡敏酸含量。路明藝等［8］研究發(fā)現(xiàn)添加牡蠣殼粉可以促進沼渣堆肥化，提高產(chǎn)品的品質(zhì)。趙龍彬［9］的研究發(fā)現(xiàn)玉米芯是沼渣堆肥過程較好的調(diào)理劑，沼渣堆肥可以提高土壤的肥力，降低過氧化氫的毒害。關于沼渣堆肥的研究相對較多，但是沼渣大都是基于糞便厭氧發(fā)酵的沼渣，對于秸稈沼渣堆肥的研究較少，且大多是基于實驗室發(fā)酵的沼渣而不是工業(yè)生產(chǎn)中的秸稈沼渣，不利于秸稈沼渣的大規(guī)模堆肥化利用。

為此，本文以實際工業(yè)化生產(chǎn)中的玉米秸稈沼渣為原料，與牛糞混合堆肥，探究混合比例和堆肥時間對堆肥過程中含水率、pH、總碳、總氮、揮發(fā)性固體以及電導率的影響，并運用生命周期評價方法，分析添加牛糞對秸稈沼渣堆肥處理過程的環(huán)境影響，為秸稈沼渣的高效資源化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

堆肥材料包括玉米秸稈沼渣、牛糞和牛糞發(fā)酵劑。牛糞來自密云區(qū)河南寨鎮(zhèn)西田各莊村；玉米秸稈沼渣來自密云區(qū)高嶺鎮(zhèn)石匣村沼氣站；粉狀牛糞發(fā)酵劑為珺興有機肥發(fā)酵菌劑。堆肥原料的基礎理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計和樣品采集

試驗所用好氧發(fā)酵反應器的形狀為圓柱形，半徑為15cm、高60cm。設計了3組牛糞和沼渣的質(zhì)量比例：2∶1、4∶1和6∶1，通風量為0.2L/min，初始含水率55%～60%；堆肥時間60天；發(fā)酵溫度為55～65℃；每10天翻堆一次。

1.2.2 分析方法

堆肥過程中每10天翻堆一次，充分混合均勻后按四分法各取約200g樣品進行理化特性分析，其中烘干樣品用于測定總碳（TC）、總氮（TN），而未烘干樣品則被用于測定堆體的含水率、pH值、揮發(fā)性固體（VS）以及電導率。碳氮比（C/N）則由總碳除以總氮得到。各理化指標分析方法［10］如表2所示。

1.3 生命周期評價

1.3.1 評價范圍與目標

本研究以處理1 t堆肥原料（指秸稈沼渣或牛糞與秸稈沼渣混合物）為評價的功能單位，比較兩種處理工藝——直接對秸稈沼渣進行堆肥及在秸稈沼渣堆肥過程中添加牛糞的環(huán)境影響。系統(tǒng)邊界范圍包括：堆肥過程中的能源投入、產(chǎn)品輸出及污染物排放。兩種工藝模式下系統(tǒng)邊界如圖1所示。

1.3.2 評估方法與標準

環(huán)境影響評價選用CML 2001標準方法，使用政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）2007年氣候變化綜合溫室氣體排放特征系數(shù)計算全球變暖潛勢（Global Warming Potential，GWP）［11］。本研究中評價涉及的主要環(huán)境影響類別包括全球變暖潛勢（GWP）、酸化效應（Acidification Potential，AP）及富營養(yǎng)化效應（Eutrophication Potential，EP），其對應污染物及其當量系數(shù)如表3所示［1213］。

1.3.3 生命周期清單分析

在模式一工藝條件下，污染物排放主要包括牛糞直接排放直接產(chǎn)生的CH4、NOX、NH3的排放和氮磷流失、堆肥過程中的污染物的排放、堆肥原料的收集運輸以及堆肥翻拌等過程中由于能源消化所產(chǎn)生的污染物。在模式二工藝條件下，污染物排放主要包括堆肥過程中的污染物的排放、堆肥翻拌等過程中由于能源消化所產(chǎn)生的污染物。

堆肥生產(chǎn)過程處理1t堆肥原料（沼渣或牛糞沼渣比為2∶1的混合物）耗電0.85kW·h，耗柴油 0.20kg。牛糞直接排放以及堆肥過程中產(chǎn)生的CH4、NOX、NH3、CO2、N2O的排放和氮磷流失的研究數(shù)據(jù)如表4所示［12， 1417］。

2 結果與分析

2.1 堆體含水率的變化

如圖2所示，牛糞和沼渣比例為4∶1和6∶1的堆體含水率均隨發(fā)酵時間的延長而先增加后降低，且在30天時達到最大值，分別為63.2%和62.9%。而牛糞和沼渣比例為2∶1時，堆肥初期的含水率隨時間的延長而先增加后降低，在10天時達到最大值，為60.9%；而后在40天時有短暫回升，隨后堆體含水率快速下降。

造成這一情況的主要原因可能是：在發(fā)酵初期，微生物降解有機物產(chǎn)生了一定量的水，導致反應器內(nèi)水分含量增加；同時發(fā)酵過程還會產(chǎn)生CO2、CH4等氣體，導致物料質(zhì)量減小，含水率相對增加。堆肥后期采用間歇式通風和自然通風相結合的方式，隨著熱量損失和排放氣體，堆肥物料的水分含量不斷降低。

2.2 堆體pH值的變化

如圖3所示，牛糞的添加量對堆體的初始pH值影響不大，且均隨時間的延長而先增加后減少。其中，牛糞和沼渣的比例為4∶1和6∶1的堆體pH值均在10天時達到最大，分別為9.2和9.0。而比例為2∶1的堆體pH最大值為9.1，在20天時達到。在堆肥的初期階段，牛糞和沼渣比例為4∶1時，pH值最高。而當60天的堆肥結束后，堆體的pH值隨牛糞添加量的增加而上升。所有比例的堆體的最終pH均在8.0～8.5，滿足成熟堆肥產(chǎn)品要求［18］。

Zhang等［19］研究發(fā)現(xiàn)了pH值可以間接反映菌類的活性并最終影響堆肥的品質(zhì)。由圖3可知，堆體的酸堿性在堆肥過程中變化明顯，前期堿性逐漸增強而后期酸性逐漸增強。這是因為微生物在生長繁殖的過程中，消耗氮產(chǎn)生氨氣，消耗有機物則會生成有機酸。其中，氨氣易溶于水，且溶液呈堿性，這是pH值升高的主要原因，而有機酸與氨發(fā)生酸堿中和反應導致pH值降低。由圖3可知，在堆肥的起始階段，原料的總氮快速下降，生成大量氨氣，直接導致前期堆肥堆體pH值的增加。然而，隨著發(fā)酵時間的增加，有機質(zhì)分解加速，產(chǎn)生了一定量的有機酸，降低堆體的pH值。

2.3 堆體總碳、總氮和C/N比的變化

圖4～圖6分別展示了不同比例的牛糞和沼渣添加量對有機肥總碳、總氮變化情況，并通過數(shù)值計算分析了碳氮比的變化規(guī)律。

由圖4可知，牛糞的添加顯著提高了堆肥全階段堆體的總碳含量，且都隨堆肥時間的延長而下降。堆肥完成后，牛糞和沼渣比例為2∶1、4∶1和6∶1的堆體的總碳含量分別為36.8%、35.7%和35.3%。其中，比例為4∶1的堆體總碳消耗量最小，分別是6∶1和2∶1堆體的54.17%和61.9%。由圖5和圖6可知，牛糞的添加顯著地提高了堆肥全階段堆體的總氮含量和C/N，但時間對總氮和C/N的影響幾乎不受牛糞的添加而改變。

隨著堆肥的進行，物料中的有機質(zhì)被消耗，而氮、碳作為有機質(zhì)的主要元素，其含量也均有所降低，而C/N則逐漸升高。碳和氮元素均是微生物的必需元素，在堆肥過程中逐漸被消耗。然而，由于物料中總氮含量的基數(shù)較小，相比起總碳，總氮含量的減量較大，直接導致C/N的升高。

另外可以看出，牛糞與沼渣的比例對堆體中總碳、氮的影響很大，增加牛糞的比例有助于提高產(chǎn)物中的碳元素含量，但會降低氮元素的含量。主要是由于牛糞中的碳元素含量較高，另一方面，增加牛糞的比例會使堆體中微生物繁殖更多，從而加劇了氮元素的消耗，導致其含量降低。

2.4 堆體揮發(fā)性固體含量的變化

由圖7可知，牛糞添加量的增加有效地降低了堆體揮發(fā)性固體的含量。在堆肥的前20天，揮發(fā)性固體含量隨著時間的延長而快速下降，牛糞和沼渣的比例為2∶1和4∶1堆體的揮發(fā)性固體在20～60天幾乎不變，而比例為6：1的堆體揮發(fā)性固體的快速消耗階段則延長至30天。堆肥完成后，牛糞和沼渣的比例為2∶1、4∶1和6∶1堆體揮發(fā)性固體的消耗量為8%、8%和14%。表明添加少量牛糞不會影響揮發(fā)性固體的消耗量，但是添加大量的牛糞則會提高揮發(fā)性固體的消耗量。

微生物生長繁殖所需要的營養(yǎng)物質(zhì)主要來源于堆體中的揮發(fā)性固體，因此揮發(fā)性固體含量往往被用于表征有機質(zhì)的降解情況，是用于判斷堆肥腐殖化程度的重要指標［20］。發(fā)酵時間的增加導致了有機肥中揮發(fā)性固體的含量逐漸降低，說明可被微生物降解的有機質(zhì)逐漸降低。另外，由圖6可以看出，牛糞的添加量對揮發(fā)性固體含量的影響非常大，隨著牛糞含量的增加，揮發(fā)性固體含量顯著降低，說明增加牛糞的比例能夠更好地促進堆體內(nèi)微生物的生長，進而消耗了更多的可揮發(fā)性固體。

2.5 堆體電導率的變化

由圖8可知，不同牛糞添加量堆體堆肥過程的電導率隨時間的變化趨勢一致，均隨時間的延長而先降低后增加，并在20天時達到最低。此外，除卻第20天，隨著牛糞添加量的增加，堆體的電導率逐漸提高。而牛糞和沼渣的比例為4∶1和6∶1堆體的電導率較為接近。這表明，少量的牛糞添加可以有效地提高堆體電導率，而當牛糞添加量較高時，添加牛糞對堆體的電導率影響不大。

在堆肥初始階段，堆體中的含水率快速上升（圖1），使得離子濃度降低，物料導電率降低。而在堆肥中后期階段，堆體中的含水率隨著堆肥時間的增加而逐漸降低，且有機質(zhì)被分解為有機酸等，同時釋放出堿金屬和堿土金屬離子，進而增加物料中金屬陽離子和有機酸根陰離子，提升了導電率。

2.6 生命周期評價清單分析及環(huán)境影響評價

表4為兩種堆肥系統(tǒng)總的環(huán)境排放清單，由分析結果可知，將牛糞與玉米秸稈沼渣混合后進行堆肥能夠減少CO2、CH4、N2O、NOX等溫室氣體及NH3、SO2、TP等污染物的排放，表明將牛糞與玉米秸稈沼渣混合堆肥對環(huán)境更加友好。本研究中，兩種堆肥系統(tǒng)對環(huán)境的主要影響包括溫室氣體效應、環(huán)境酸化以及水體富營養(yǎng)化等，根據(jù)各污染物排放量及污染當量系數(shù)可計算出兩種堆肥系統(tǒng)生命周期過程中環(huán)境影響潛力（表5）。由分析結果可知，模式一的全球變暖潛值、環(huán)境酸化潛值及富營養(yǎng)化潛值均大于模式二，尤其是在全球變暖潛勢及富營養(yǎng)化潛勢方面，說明牛糞經(jīng)與秸稈沼渣混合堆肥后對環(huán)境的不利影響小于將其直接還田。

4 結論

1） 分析與歸納了玉米秸稈沼渣和牛糞的混合比對共堆肥特性的影響。發(fā)現(xiàn)適當?shù)靥砑优＜S可以調(diào)節(jié)堆體的pH值、降低可揮發(fā)性固體含量、促進堆體內(nèi)微生物的生長，并最終影響堆肥的品質(zhì)。 隨著牛糞和玉米秸稈沼渣比例由2∶1增加到6∶1，堆體含水率明顯增加，但是當比例超過4∶1時，影響逐漸降低。隨著牛糞的比例的增加，60天腐熟后堆體的總碳含量由35.34%增加到36.81%，揮發(fā)性固體的含量顯著降低，由46.96%降低到37.66%，電導率增加，由8.3ms/cm增加到9.4ms/cm。

2） 牛糞和沼渣共堆肥顯著降低了堆肥底物中CO2、CH4、N2O、NOX、NH3、SO2、PO43-等污染物的排放，這表明二者堆肥的全球變暖潛值、環(huán)境酸化潛值及富營養(yǎng)化潛值均小于直接排放。這也意味著將牛糞和沼渣進行混合堆肥處理對環(huán)境更加友好。

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