添加菌糠對雞糞-煙末堆肥腐熟度及污染氣體排放的影響

張邦喜 羅文海 楊仁德 柳玲玲 魏全全 李國學(xué),*

(1 貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，貴州 貴陽 550006； 2 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193)

堆肥化是集有機(jī)廢棄物處理和有機(jī)肥生產(chǎn)于一體的生物化學(xué)過程，具有成本低、除臭滅菌效果好、水分含量低、體積小等優(yōu)點，契合可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向[1]。不同地區(qū)在堆肥工藝、堆肥原料類型、水分調(diào)節(jié)材料混合比例選擇等方面差異較大[2]。北方平原地區(qū)由于農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量大、收集方便、成本較低，一般將其作為畜禽糞便堆肥的主要輔料。而南方丘陵山區(qū)由于地塊零碎、作物秸稈收集成本較高，往往以量多且易收集的加工副產(chǎn)物(如煙末、菌渣等)為輔料用于畜禽糞便堆肥[3-4]。據(jù)估算，西南地區(qū)特種經(jīng)濟(jì)作物加工產(chǎn)業(yè)鏈中每年會產(chǎn)生上百萬噸煙末、菌渣等副產(chǎn)物[5]。這些副產(chǎn)物粒徑小且含水率高，會導(dǎo)致堆肥過程中堆體升溫慢、水分去除難、腐熟周期延長等問題。這不僅會造成碳、氮等營養(yǎng)元素的流失，還會產(chǎn)生二次污染[6]，最終影響堆肥技術(shù)的推廣與應(yīng)用。

研究表明，堆肥過程中的營養(yǎng)損失主要通過NH3、N2O和CH43種氣體排放的形式產(chǎn)生，其中約有40%～80%的氮素通過NH3揮發(fā)的形式損失、約0.2%～9.9%的氮素以N2O排放的形式損失、約0.1%～6.0%的氮素通過CH4排放的形式損失[7-9]。因此，這類物料堆肥通常需要添加木屑、秸稈、菌糠、花生殼和谷殼等結(jié)構(gòu)膨松、C/N比適宜的物料來改善堆體孔隙度、調(diào)節(jié)水分，從而改變物料降解動力學(xué)并縮短堆肥周期[10-12]。Iqbal等[11]研究表明，在生活垃圾堆肥過程中添加40%鋸末作為膨松劑能使混合物料含水率降至60%。楊帆[10]在餐廚垃圾堆肥過程中增加15%木屑、秸稈、菌糠作為膨松劑，不僅提高了堆肥效率，降低了氮素?fù)p失，而且縮短了堆肥周期并提升了堆肥產(chǎn)品的腐熟度。但目前有關(guān)菌糠對雞糞-煙末聯(lián)合堆肥腐熟度、氨揮發(fā)以及溫室氣體(N2O、CH4)排放等方面綜合影響的研究報道尚鮮見。因此，本研究以雞糞-煙末聯(lián)合堆肥為研究對象，探究添加不同質(zhì)量比菌糠對堆肥腐熟度及典型污染氣體(NH3、N2O和CH4)排放的影響，以期為實際生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用雞糞和菌糠取自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實驗站，菌糠為片狀，粒徑約2 cm；煙末取自貴州省開陽縣南江現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，呈粉末狀，粒徑約1.5 mm。初始物料基本理化性質(zhì)見表1。

表1 堆肥初始物料基本性狀Table 1 Key physiochemical characteristics of raw composting materials

1.2 試驗設(shè)計

在不改變雞糞-煙末濕重7∶3配比的前提下，選擇粒徑相對較大的菌糠作為膨松劑來改善雞糞煙末混料容積密度。通過添加蒸餾水將雞糞、煙末和菌糠混合物料的含水率調(diào)至60%，裝入60 L(半徑0.36 m，高0.6 m)密閉式發(fā)酵罐中[13]，壓實。發(fā)酵罐內(nèi)底采用多孔篩板支撐物料，雙層隔熱不銹鋼制成，并連接溫度反饋自動控制系統(tǒng)，底部連接空氣泵，頂部設(shè)置安全瓶，末端采氣口用于采集氣體樣品(圖1)。試驗設(shè)計3個處理：1)不添加菌糠處理(CK)；2)添加5%菌糠處理(5% SMS)；3)添加10%處理菌糠(10% SMS)，具體添加量如表2所示。堆置期間采取強(qiáng)制通風(fēng)+人工翻堆方式進(jìn)行供氧，通風(fēng)方式為間歇通風(fēng)，即通風(fēng)30 min/停止30 min，通風(fēng)速率為0.4 L·kg-1·min-1，堆肥周期為35 d。分別在第0、第3、第7、第14、第21、第28、第35天進(jìn)行翻堆、取樣，每次隨機(jī)選取5個點取樣，取樣量200～300 g，均分為2份，一份于4℃條件下儲存待用；另一份自然風(fēng)干、粉碎后過0.5 mm篩待用。

表2 不同處理堆肥物料添加量Table 2 Adding of different amount of composting materials /kg

1.3 測定項目與方法

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 16.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用Origin 8.5制圖。

圖2 堆肥過程中溫度和氧氣濃度的變化Fig.2 Changes of temperature and oxygen concentration during composting

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中溫度和氧濃度變化特征

由圖2可知，所有堆肥處理第2天堆肥溫度迅速升高，呈先升高后波動變化，最終降低的趨勢。其中CK的堆肥溫度在第5天達(dá)到50℃以上，第9天上升至最高溫度(64.9℃)，整個堆肥周期內(nèi)高溫期(55℃以上)累積達(dá)13 d；添加菌糠處理堆體溫度均在堆肥第1天上升至50℃以上，在第9天上升至最高溫度，分別為65.4℃和66.2℃(5% SMS和10% SMS)，高溫期累積分別達(dá)15和16 d，至35 d堆肥結(jié)束時，堆體溫度趨近于環(huán)境溫度，所有處理的高溫期天數(shù)均超過GB 7959-2012[16]中規(guī)定的8 d以上，處理之間差異不顯著(P>0.05)。添加菌糠能夠提高堆肥溫度、延長堆肥高溫期，這主要是因為添加菌糠改善了雞糞-煙末混合物料的通風(fēng)狀況，從而提高了物料降解速率，加速了微生物代謝水平，導(dǎo)致產(chǎn)熱量更多。結(jié)合整個堆肥周期內(nèi)O2濃度變化情況來看，堆肥前期(0～4 d)，由于有機(jī)物分解消耗大量O2，添加菌糠處理的O2濃度從21%迅速降低至14%，隨著可降解有機(jī)物減少，微生物對O2的需求量逐漸降低，O2濃度又開始回升，至堆肥35 d，O2濃度上升至環(huán)境O2濃度(21%)。

2.2 堆肥腐熟度分析

圖3 堆肥化學(xué)性質(zhì)和腐熟度指標(biāo)變化Fig.3 Change of chemical characteristics and germination index during composting

由圖3可知，堆肥物料初始pH值在7.1～7.4之間，而后隨著堆肥物料中大部分有機(jī)氮耗盡，NH3持續(xù)揮發(fā)，至堆肥結(jié)束(35 d)時，堆肥產(chǎn)品pH值上升至9.1～9.4。EC則受添加膨松劑比例的影響有所不同，初始物料EC在7.6～8.0 mS·cm-1之間，至堆肥35 d時，EC下降至7.0～7.7 mS·cm-1，添加10%菌糖處理EC接近CK，而添加5%菌糖處理的EC略高于CK，但各處理之間差異均不顯著(P>0.05)，總體變化趨勢基本一致。堆肥過程中NH4+-N含量變化趨勢與pH值和EC不同，堆肥前期，添加菌糠處理的NH4+-N含量迅速升高，在第3天達(dá)到峰值。5% SMS和10% SMS的NH4+-N含量分別達(dá)9.4和8.1 g·kg-1；隨著堆肥時間的延長，各處理的NH4+-N含量均呈下降趨勢，其中至堆肥35 d時5% SMS和10% SMS的NH4+-N含量均降至2.1 g·kg-1， 與初始物料相比，分別降低了69.85%和46.10%?？梢?，在雞糞-煙末細(xì)顆粒物料聯(lián)合堆肥過程中添加菌糠作為膨松劑能夠有效促進(jìn)NH4+-N的轉(zhuǎn)化。GI方面，在堆肥前期(0～7 d)，各處理堆肥產(chǎn)品GI變化較小，均處于較低水平，可能因為堆肥前期有機(jī)酸和銨含量過高，抑制了種子發(fā)芽；至堆肥中期(7～21 d)，隨著物料中有害物質(zhì)逐步降解，所有堆肥處理的GI均呈上升趨勢，添加菌糠處理的GI均明顯高于CK；堆肥后期(21～35 d)，添加菌糠處理的GI均達(dá)到40%以上，滿足堆肥產(chǎn)品對作物生長無毒害作用的要求，且10% SMS所需堆肥處理時間更短，表明添加菌糠可以明顯改善雞糞-煙末堆肥的腐熟度，但所有處理GI值均低于80%，主要是因為煙末粒徑細(xì)小，易包裹雞糞，形成局部厭氧環(huán)境，影響有機(jī)酸和銨的轉(zhuǎn)化。

2.3 堆肥過程中污染氣體排放特征

圖4 添加不同比例菌糠處理堆肥CH4排放規(guī)律Fig.4 Methane emissions during composting with different additions of SMS

2.3.1 CH4整個堆肥周期內(nèi)CH4排放規(guī)律如圖4所示，各處理CH4排放主要集中在堆肥0～3 d和21～26 d，這主要是因為堆肥前期(0～3 d)各處理堆體溫度迅速升高，有機(jī)物降解較快，耗氧量逐漸增大，導(dǎo)致堆體呈現(xiàn)厭氧環(huán)境，CH4排放速率升高。第3天翻堆活動改善了堆體通風(fēng)狀況，O2濃度逐漸回升，堆體CH4排放速率降低。第4～第20天堆體CH4排放速率一直持續(xù)在較低水平，每次翻堆后有所增加。堆肥21～26 d時堆體CH4排放速率迅速升高，表明在好氧堆肥過程中，CH4排放高峰不僅出現(xiàn)在堆肥前期，當(dāng)高溫期較長時，堆肥后期也會出現(xiàn)CH4排放高峰。堆肥27～35 d時，隨著可降解有機(jī)物減少，微生物對O2的需求量逐漸減少，堆體氧含量升高，CH4排放量逐漸降低。堆肥35 d后，CK、5%SMS和10%SMS 3個處理的CH4累積排放量分別為38.19、34.36、43.85 mg·kg-1。與CK相比，5% SMS固碳減排效果最好，CH4累積排放量降低了10.03%，而10% SMS的CH4累積排放量略有升高?？梢姡纷鳛殡u糞-煙末聯(lián)合堆肥的膨松劑，在適宜的添加質(zhì)量比條件下，能夠降低堆肥過程中CH4累積排放量。

2.3.2 N2O 堆肥過程中各處理N2O排放情況如圖5所示。所有堆肥處理N2O排放主要集中在前10 d，CK的N2O排放峰值出現(xiàn)在第1天(119.61 mg·kg-1·d-1)，5% SMS和10% SMS的N2O排放峰值均出現(xiàn)在第4天，峰值分別為86.51和91.09 mg·kg-1·d-1。高溫期后，隨著堆肥物料的降解，N2O又出現(xiàn)1～2次小的排放峰值。整個堆肥過程中添加菌糠處理的N2O排放速率略有不同，但均與CK差異顯著(P<0.05)，而5% SMS與10% SMS差異不顯著(P>0.05)，這可能與添加膨松劑降低了堆肥物料中NH4+-N、硝態(tài)氮(NO3--N)濃度有關(guān)。堆肥35 d后，添加菌糠均能降低雞糞-煙末聯(lián)合堆肥過程中N2O的排放，5% SMS和10% SMS的N2O累積排放量分別為307.22和313.83 mg·kg-1， 較CK分別降低44.20%和43.00%。可見，菌糠作為雞糞-煙末聯(lián)合堆肥的膨松劑，能夠降低堆肥過程中N2O的產(chǎn)生，其中以5% SMS堆肥過程中N2O減排效果最好。

圖5 添加不同比例菌糠處理堆肥N2O排放規(guī)律Fig.5 Nitrous oxide emission during composting with different additions of SMS

2.3.3 NH3結(jié)合圖2、圖6可知，堆肥前2 d堆體溫度較低，NH3產(chǎn)生量小，隨著堆體溫度升高，NH3排放速率也隨之增加，在整個堆肥過程中各處理NH3排放速率與堆體溫度呈顯著正相關(guān)(P<0.05，R2=0.93)。在整個堆肥過程中，CK的NH3排放速率最大峰值出現(xiàn)在第30天(0.67 g·kg-1·d-1)；5% SMS和10% SMS的NH3排放速率最大峰值分別前移至第9和第6天，分別為0.85和0.48 g·kg-1·d-1?？梢姡砑泳诽幚淼腘H3揮發(fā)主要集中在堆肥高溫期，CK的NH3排放高峰期明顯滯后于添加菌糠處理。堆肥35 d后，CK、5% SMS和10% SMS的NH3累積排放量分別為8.86、10.05和6.43 g·kg-1，CK與5% SMS差異不顯著(P>0.05)，但均顯著高于10%SMS(P<0.05)。與CK相比，5% SMS在堆肥過程中的NH3累積排放量增加了13.48%，而10% SMS的NH3累積排量降低了27.41%?？梢?，菌糠作為雞糞-煙末聯(lián)合堆肥的膨松劑，適宜的添加量可有利于NH3的減排。

圖6 添加不同比例菌糠處理堆肥NH3排放規(guī)律Fig.6 Ammonia emissions during composting with different additions of SMS

2.4 堆肥過程中物料碳、氮損失分析

由表3可知，雞糞-煙末聯(lián)合堆肥過程中碳素?fù)p失主要以CO2-C的形式釋放，占堆肥混料總有機(jī)碳的18.63%～32.26%，僅有0.01%碳素以CH4-C形式損失。氮素?fù)p失水平為32.62%～44.51%，其中以NH3-N形式損失占18.61%～26.37%，以N2O-N形式損失占0.66%～1.09%。另外，添加菌糠的處理可有效減少N2O-N損失，10% SMS處理還可有效減少NH3-N損失，整體而言，添加菌糠處理的TN損失量相較CK減少了8.92～11.89個百分點，這可能是因為添加菌糠改善了堆體透氣性，有利于提升微生物活性，發(fā)生氨化、硝化/反硝化反應(yīng)?？梢娞砑泳纷鳛榕蛩蓜┠軌蚓徑舛逊实亓魇栴}，且5% SMS的綜合效果優(yōu)于10% SMS。

表3 堆肥溫室氣體排放效應(yīng)分析Table 3 Analysis of total greenhouse gas emissions during composting /%

3 討論

本試驗以粒徑細(xì)小的雞糞和煙末為發(fā)酵原料，添加粒徑較大的菌糠作為膨松劑，經(jīng)過35 d好氧堆肥，所有處理堆體高溫期(55℃以上)均持續(xù)10 d以上，且堆肥產(chǎn)品滿足無害化標(biāo)準(zhǔn)要求。反應(yīng)結(jié)束時，所有處理堆肥體系內(nèi)O2濃度也趨近環(huán)境氧濃度(21%)，這與Guo等[17]研究結(jié)果一致。在堆肥初始階段(0～4 d)，堆體O2濃度為21%～12%，表明堆體迅速進(jìn)入反應(yīng)劇烈期，微生物好氧代謝活性較高。這與Magalhaes等[18]關(guān)于堆體逸出O2濃度為10%～18%時，物料中微生物活性最佳，有機(jī)物迅速降解，耗氧量逐漸增大的研究結(jié)論一致。Guo等[17]和Jiang等[14]也得到了相同的研究結(jié)果。

堆肥產(chǎn)品的pH值、EC、NH4+-N含量和GI是評價堆肥進(jìn)程和堆肥腐熟度的重要指標(biāo)[19]。堆肥物料初始pH值在7.1～7.4之間，至堆肥35 d結(jié)束時，堆肥產(chǎn)品pH值上升至9.1～9.4，高于NY 525-2012[20]標(biāo)準(zhǔn)對堆肥產(chǎn)品酸堿度的規(guī)定(pH值5.5～8.5)，也高于Masó等[21]研究中提出的堆肥產(chǎn)品pH值的理想范圍(pH值7.0～8.5)，其原因可能是堆肥過程中碳源不足，且物料空隙較小，從而使產(chǎn)生的NH3大量吸附在堆體內(nèi)部，導(dǎo)致堆肥產(chǎn)品pH值升高。EC是評價堆肥產(chǎn)品對植物生長產(chǎn)生抑制作用或生物毒性的重要指標(biāo)之一[19]。研究表明，當(dāng)堆肥產(chǎn)品EC高于4 mS·cm-1時會對植物生長產(chǎn)生抑制作用[22]。本研究中，各處理在堆肥結(jié)束時EC均高于4 mS·cm-1，其原因主要是堆肥原料雞糞(7.0 mS·cm-1)和煙末(9.0 mS·cm-1)的EC均較高，且粒徑細(xì)小，造成堆體結(jié)構(gòu)比較致密，導(dǎo)致堆肥產(chǎn)品EC偏高。添加菌糠有利于緩解雞糞、煙末等堆肥原料EC較高的問題。此外，堆肥前期，添加菌糠處理的NH4+-N含量迅速升高至第3天達(dá)到峰值，這可能是堆體內(nèi)高溫或高濃度NH4+-N抑制硝化微生物活性造成的，因而硝化作用減弱而反硝化作用增強(qiáng)會造成NOx--N消耗[23-24]。堆肥35 d后，各處理NH4+-N含量均呈下降趨勢，與初始物料相比，添加菌糠的堆肥產(chǎn)品，NH4+-N含量分別降低了69.9%和46.1%(5% SMS和10% SMS)，這與Sánchez-Monedero等[25]的研究結(jié)果一致。在整個堆肥過程中，各處理的GI均呈上升趨勢，添加菌糠處理的GI均明顯高于CK，說明添加菌糠可以明顯改善雞糞-煙末堆肥的腐熟度，但均未到達(dá)GI>80%的腐熟要求。已有研究結(jié)果表明，低C/N堆肥產(chǎn)品浸提液中高濃度的NH4+、有機(jī)酸和鹽基離子等抑制了種子發(fā)芽[26-27]。綜上，添加菌糠能夠改善堆體孔隙度，給微生物提供適宜的環(huán)境，從而提高堆肥腐熟度，緩解雞糞-煙末等原料NH4+、EC含量高對種子發(fā)芽的抑制作用[28]，但受堆肥原料雞糞、煙末高NH4+、高EC的影響，堆肥產(chǎn)品均未達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，故采用雞糞-煙末聯(lián)合堆肥時，需要進(jìn)一步調(diào)節(jié)雞糞、煙末的用量，從而提高堆肥腐熟度。

整個堆肥周期內(nèi)，CH4排放主要集中在堆肥前期和后期，這與Jiang等[29]研究結(jié)果一致。但在堆肥中期(4～20 d)，堆體CH4排放速率一直維持在較低水平，每次翻堆后有所增加，這主要是因為低C/N物料堆肥過程中會產(chǎn)生大量銨態(tài)氮(NH4+-N)，但溫度過高抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性[14]，翻堆可降低堆體溫度，產(chǎn)甲烷菌活性增強(qiáng)而造成一定量CH4排放；當(dāng)堆肥進(jìn)行到第21～第26天時，堆體CH4排放速率迅速升高。江滔[30]的研究進(jìn)一步表明，通風(fēng)間歇期，堆體內(nèi)產(chǎn)CH4過程被堆體表層甲烷氧化菌發(fā)生氧化作用而阻斷，導(dǎo)致CH4排放量逐漸降低直至為零，而當(dāng)翻堆等通風(fēng)充足時，可恢復(fù)CH4排放量。堆肥過程中N2O主要通過硝化和反硝化兩種途徑產(chǎn)生[31]。本研究中，所有堆肥處理的N2O排放主要集中在前10 d，這種排放模式同前人研究結(jié)果相似[32-33]。高溫期后，隨著堆肥物料的降解，N2O又出現(xiàn)1～2次小的排放峰值，這種現(xiàn)象與El Kader等[33]的研究結(jié)果相似，主要是因為翻堆活動改善了堆體局部氧氣含量，堆體內(nèi)NO2-/NO3-可通過不完全的反硝化反應(yīng)生產(chǎn)N2O。NH3的排放規(guī)律與CH4、N2O有所不同，在整個堆肥過程中各處理的NH3排放速率與堆體溫度呈顯著正相關(guān)(P<0.05，R2=0.092)，這與Pagans等[34]的研究結(jié)果一致。添加菌糠處理的NH3揮發(fā)主要集中在堆肥高溫期，CK的NH3排放高峰期明顯滯后于添加菌糠處理，這與楊帆[10]的研究結(jié)果相似。El Kader等[33]和Pagans等[34]研究也證實，添加劑會對堆肥物料NH4+的吸收率產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響堆肥過程中NH3的排放量。因此，添加菌糠作為雞糞-煙末聯(lián)合堆肥的膨松劑，能夠改善混料pH值及吸附氮的能力，從而降低堆肥過程中NH3的排放。

Zhou等[35]研究表明，整個堆肥過程中，大部分碳素以CO2、CH4等氣體形式釋放，有機(jī)碳損失率達(dá)31%～68%。本研究中，經(jīng)過35 d的好氧堆肥，雞糞-煙末聯(lián)合堆肥過程中以CO2-C形式損失占堆肥混料總有機(jī)碳的18.63%～32.26%，這一損失水平遠(yuǎn)低于Wolter等[36]和Jiang等[14]的研究結(jié)果，可能是受堆肥物料影響，雞糞、煙末本身C/N較低所致。堆肥過程中氮素主要以NH3、N2O、N2等形式損失[37]。前人研究表明，堆肥物料中氮素主要通過有機(jī)氮礦化、硝化/反硝化作用，以NH3揮發(fā)的形式排放到大氣中，損失率達(dá)13%～78%[7,38]。本研究中，氮素?fù)p失水平為32.62%～44.51%，低于Nakhshiniev等[7]和黃向東等[38]的研究結(jié)果，可能是因為添加菌糠改善了堆體透氣性，有利于提升微生物活性，發(fā)生氨化、硝化/反硝化反應(yīng)。此外，整個堆肥過程以N2O-N形式損失的氮素占堆肥總氮損失的0.66%～1.09%，這與Wolter等[36]的研究結(jié)果相似(0.1%～1.9%)。因此，添加菌糠的堆肥過程，可有效減少碳、氮素?fù)p失，提升堆肥產(chǎn)品質(zhì)量，同時對降低農(nóng)業(yè)源污染氣體排放有具有要的意義。

4 結(jié)論

經(jīng)過35 d的好氧堆肥，相比于CK，添加5%菌糠處理固碳(TOC)、保氮(TN)效果明顯，而添加10%菌糠處理雖然TOC損失微弱增加，但TN損失量降幅大大提高，因而可以確定在5%～10%之間，存在最大程度保留TOC和TN的菌糠添加比例。除CK堆肥產(chǎn)品GI<50%外，其余處理堆肥產(chǎn)品GI達(dá)50%～70%，滿足堆肥產(chǎn)品對作物生長無毒害的要求。綜合堆肥腐熟度、碳氮損失及污染氣體減控效果來看，添加適宜的菌糠有利于改善雞糞-煙末聯(lián)合堆肥腐熟度并減少碳氮流失。