堆肥化是水葫芦与猪粪处理处置与综合利用的重要途径之一[1-2].水葫芦与猪粪堆肥农用能充分利用猪粪中的有机物质和营养元素,最终实现水葫芦与猪粪无害化、减量化与资源化.但是堆肥过程中往往会产生废水、废气等二次污染物质,其中 CO2和 NH3是堆肥有机废弃物生物氧化的重要产物,也是评价有机质降解快慢及程度的重要参数.NH3的释放易造成堆肥场区及周边空气污染,同时引起堆肥氮素损失,降低堆肥农用价值.堆肥过程 NH3产量约占堆肥原料总氮质量的 20%~60%[3].因此近年来国内外学者对堆肥过程碳氮形态转化规律及保氮技术的开发进行了大量研究.Jiang Tao 等[4]探讨了我国生猪养殖场干清粪系统猪粪堆肥过程中废气(CH4, N2O 及 NH3)的排放规律.M.A. Sanchez-Monedero 等[5]研究了城市污泥、城市垃圾、酿酒污泥等有机废物堆肥过程氮素形态转化的规律并分析了其对堆料 pH、电导率及腐熟度的影响,得出堆料中硝态氮的浓度与 pH 和电导率具有高度的相关性.Li Yunbei 等[6]比较了不同类型外加碳源对脱水污泥堆肥过程中氨挥发损失的影响及堆肥过程中 CO2与 NH3浓度与数量的相互关系,发现堆料中碳的总量与氨减排没有直接联系而与原料可利用C/N 比密切相关.但是堆肥过程中 CO2和 NH3的产生与挥发特征与堆肥过程温度、堆料含水率、pH、C/N、通风方式及堆肥原料的性质(如颗粒大小等)有密切联系,不同堆肥原料组成与堆肥工艺过程,均会造成CO2和 NH3产生和释放规律略有不同甚至相反[7-10].鉴于水葫芦与猪粪混合堆肥化资源利用的可行性及堆肥过程 CO2和 NH3产生和释放规律的特殊性与重要性(减少温室气体排放、提高堆肥农用价值),笔者认为考察交替好氧厌氧条件下水葫芦与猪粪混合堆肥过程 CO2与 NH3产生与释放特征,在发挥交替式好氧厌氧堆肥快速降解水葫芦与猪粪的同时,降低堆肥场区 NH3污染,提高堆肥氮素含量与减少温室气体的排放,对实现水葫芦与猪粪低碳资源化利用具有重要的理论意义和实践价值.
1 试验材料和方法
1.1 试验材料
供试水葫芦采自校内青年湖,打捞上岸晾晒 2 d后使用;新鲜猪粪取自学校附近农村某土猪养殖场;木屑购自韶关市东郊某木材加工厂.堆肥原料的主要特征参数如表 1 所示.
1.2 试验方法采用自制交替好氧厌氧堆肥反应器系统[11]进行交替好氧厌氧堆肥化试验.堆肥时间 2013 年 7 月 23日至 2013 年 9 月 17 日,共 56 d.将凤眼莲、新鲜猪粪与木屑以(湿重比)混合均匀装入堆肥化反应器,并安装好堆肥化自动测控系统和通风系统.以 120~160 L/h 的通风量进行交替式好氧厌氧堆肥化.每天上午 9:00 记录堆体温度并采集气样(共采集 14 d),用于分析尾气中 CO2及 NH3的释放浓度,同时测定其释放总量.在堆肥的第 0、3、7、14、21、42 及 56 天分别采集固体样用于分析堆料中TOC、TN、水溶性铵态氮含量及 pH.
1.3 采样及分析方法CO2及 NH3浓度测定:用大气采样器,分别以标准浓度 NaOH 和 H2SO4为吸收液,按 1.0 L/min 的流量采样 5 min,使堆肥尾气先经过冷凝器,吸收液中的CO2和 NH3用滴定法测定[12].CO2及 NH3释放总量测定:用橡胶导管将堆肥反应器尾气先经过冷凝器,然后依次引入标准浓度 NaOH 和 H2SO4溶液,采集尾气24 h,吸收液中的 CO2和 NH3用滴定法测定[6].温度采用热电偶及温度控制器测定.pH 采用酸度计测定.
TOC 采用重铬酸钾外加热法测定.TN 采用硫酸-过氧化氢消煮、碱化后蒸馏滴定.水溶性铵态氮含量采用 2 mol/L KCl 溶液按 1:10 的比例浸提堆料,用 0.45μm 微孔滤膜真空抽滤浸提液,然后采用蒸馏法测定滤液中水溶性铵态氮含量[13].
2 结果与讨论
2.1 堆肥过程温度变化
凤眼莲与猪粪混合物交替式好氧厌氧堆肥化过程堆体温度变化如图 1 所示,由于有机质分解产生热量大于堆体散热,堆体温度快速升高,不到 24 h 堆体温度即达 50 ℃,进入高温阶段.但此阶段仅维持了30 h 左右,可能原因为堆肥反应器的体积偏小(20L),发热量不足,堆体未做保温措施导致散热严重以及堆料含水率偏高和堆料降解引起堆料自由空穴减少不利于通风[14]等.第 7 天采样后对堆体进行了翻堆,堆体孔隙率增加,一些易分解有机物降解产物和较难分解的大分子有机物质进一步被微生物分解产生热量,堆体温度有所上升.经过 300 h 左右的堆制,堆体的温度与环境温度基本相当.
2.2 堆肥过程 TOC 及 CO2
释放浓度及释放量变化堆肥过程有机碳化合物在微生物作用下矿化为CO2,因此堆肥反应器排气中 CO2浓度和排放量变化间接反映了堆肥反应器中微生物的活性和有机质矿化速度快慢.如图 2 所示,随着堆肥进行 CO2排放浓度迅速增加,第 3 天时 CO2的排放浓度达到最大值53.56 mg/L.此后由于有机质含量减少(有机质变化结果未列出),堆肥微生物分解有机质活性降低,CO2排放浓度逐渐降低,第 14 天时 CO2浓度降至 26.77mg/L.CO2累积排放量及日排放量在 14 d 累积排放量中的占比与其排放浓度具有相似的变化趋势,其中第 3、4 和 5 日 CO2的日排放总量在 14 d 累积排放量中的占比接近 50%.表明水葫芦与猪粪交替式好氧厌氧堆肥过程中有机质矿化主要在此期间完成.由图 2可知,堆肥过程 14 d CO2累积排放量为 47.61 g,占14 d TOC 减少量(51.33 g,如图 2 中 TOC 数值变化所示)的 92.75%.因此绝大多数碳均通过 CO2排放的形式发生损失,另一部分可能以 CH4形式释放[3-4],剩余部分由采样导致原料损失而致.
2.3 堆肥过程中水溶性铵态氮含量与 pH 变化图 3 所示,在堆肥化初期(前 3 d),由于猪粪中易分解有机氮化合物(如尿素)快速矿化,堆料中水溶性铵态氮的含量快速上升.到第 3 天时堆料中水溶性铵态氮含量升高至 262.40 mg/kg.随后由于 NH3挥发、微生物对铵态氮的同化及硝化作用等[15],水溶性铵态氮含量逐渐降低.堆肥化前 3 d(高温阶段)堆料 pH 从6.96 上升到 8.42,主要原因为有机氮矿化产生大量的氨态氮[16].此后 pH 逐渐降低,可能原因是堆体空隙减小,局部堆体供氧不足产生有机酸及铵态氮在硝化细菌的作用下产生 H+ [17].至堆肥结束时堆料 pH 保持在中性偏碱性. 此结果与 Shane M Troy 等[18]研究猪粪堆肥过程 pH 变化趋势相类似.
2.4 堆肥过程 TN 及 NH3释放浓度及释放量变化NH3是堆料中有机氮化合物在微生物氨化作用下产生的.如图 4,堆肥第 1 天堆肥反应器出口气体中NH3浓度达到最大值 55.56 mg/L,与 Jiang Tao 等[19]用进行的猪粪与秸秆堆肥 NH3的释放特性相似.主要原因是第 1 天时堆肥处于高温阶段[20](如图 1 所示),同时堆料中水溶性铵态氮含量和 pH 值均处于高位(如图 3 所示).随后易降解含氮有机质减少,堆体温度下降,NH3挥发浓度逐渐降低.到堆肥 14 d 时 NH3挥发浓度降至 26.77 mg/L.表明 NH3释放浓度与堆体温度具有明显相关性.在堆肥的第 4、5 天 NH3释放浓度有所上升,其可能原因是堆料中难降解的蛋白质类物质在厌氧环境下水解为氨基酸等能被微生物分解为NH3的物质[21].NH3日挥发损失量在堆肥第 5 天达到最大值 0.53 g.14 d 堆肥 NH3累积释放量为 5.04 g,占 14 d TN 损失(6.83 g,如图 4 所示)的 73.79%,表明水葫芦与猪粪在交替式好氧厌氧下进行堆肥的氮损失主要途径为 NH3挥发,此结果与 Kirchmann H 等[22]研究鸡粪堆肥氮损失具有相似特征.其余氮损失的可能途径包括采用交替式好氧厌氧的通风方式,在厌氧条件下硝化反应受抑制,反硝化反应增强,堆料中的部分铵态氮转化为 N2O 和 N2而加大氮损失[9,23-24].另外堆肥样品采集也会导致少量 TN 损失.
3 结论
(1)交替好氧厌氧条件下水葫芦与猪粪混合堆肥过程 CO2在第 3、4 和 5 日 CO2的日释放总量占 14 d堆肥累积 CO2排放量的 50%左右.表明交替式好氧厌氧堆肥微生物分解有机质主要在这个阶段完成,CO2释放是堆肥原料碳损失的主要途径,占该阶段碳损失的 92.75%.
(2)堆肥过程中 NH3的释放浓度随堆肥进行而逐渐降低.NH3挥发是堆肥氮损失的主要根源,占 14 d堆肥 TN 损失的 73.79%.
(3)结合交替式好氧厌氧堆肥工艺 CO2与 NH3产生与释放特征,后续研究重点应在充分利用交替式好氧厌氧堆肥快速降解有机质的同时,通过化学或生物工程的手段降低堆肥过程 NH3产生或减少 NH3挥发导致氮素损失,减少环境污染,提高堆肥农用价值.
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