不同水分和物料配比條件下堆肥氨氣排放量研究

田 野，劉善江，陳益山

（北京市農林科學院植物營養與資源研究所，北京 100097）

堆肥是畜禽糞便資源化和無害化處理的有效方法之一，成熟的堆肥可以提高農作物產量，改善土壤的理化性質；不成熟的堆肥由于未發酵完全，本身產生大量的氨氣，對農作物的生長產生不利影響，對空氣環境也造成污染。研究表明，以雞糞作為主要原料的堆肥氨氣的釋放量高達17.3 mg·m-3［1］。低濃度的氨氣對皮膚和呼吸道粘膜有刺激作用，長期暴露于氨氣環境下的畜禽體重增加緩慢、飼料轉化率低［2］。堆肥過程中大量氨氣的釋放是造成堆肥中氮素流失的最主要途徑，其導致的氮損失率在19%～77%之間，從而導致堆肥肥效降低［3-4］。影響好氧堆肥過程氨氣釋放的因素主要有曝氣量、物料C/N、堆體pH值、溫度、含水率、堆肥添加劑以及堆體微生物群落等［5-9］，通過合理調控和優化組合這些因素，可以對好氧堆肥過程中氨氣釋放進行最優的原位控制，達到有效地減少堆肥過程中的氨氣排放和保氮效果［10-13］。

北京市平谷區桃樹種植面積近1.47萬hm2，每年冬、夏產生的果樹枝條廢棄物多達8～10萬t，有效利用率不到10%，大量桃枝的隨意焚燒和堆積對周邊環境造成嚴重污染［14］。桃枝的資源化利用是目前北京市平谷區政府亟待解決的問題。

本文結合北京市平谷區桃樹種植的具體農業生產狀況，選用北京市周邊具有代表性的雞糞、金針菇菇渣和桃樹枝作為堆肥研究對象，使用實驗室堆肥模擬設備進行好氧堆肥，通過改變堆肥水分和物料配比，對堆肥產生的氨氣排放量進行研究，以期得到雞糞和桃枝堆肥的最佳水分和物料配比，從而可以有效降低堆肥產生的氨氣排放量，同時實現桃枝的資源化利用，為實現北京市平谷區大桃產業鏈環境友好型轉變提供技術參考。

1 材料與方法

模擬堆肥氨氣排放試驗于2017年12月開展，試驗地點在北京實驗室。

1.1 試驗原料

采用雞糞、金針菇菇渣和桃樹枝粉渣作為堆肥試驗主要原料。雞糞采自北京市大興區北臧村鎮佳園養殖場，金針菇菇渣采自天津市寶坻區和泰豐種植場，桃樹枝粉渣采自北京市平谷區劉家店鎮生態橋工程。試驗原料采集到實驗室后，均干燥粉碎，過2 mm篩后進行成分檢測，雞糞、金針菇菇渣、桃樹枝粉渣的主要指標見表1。

1.2 模擬堆肥系統

結合實驗室堆肥模擬的實際情況，設計了一種新型模擬堆肥系統，主要包括堆肥罐、輸氣控制系統和監測系統，見圖1。

表1 堆肥原料雞糞、桃枝、金針菇的主要指標

圖1 實驗室堆肥模擬氣體監測系統

本文采用了一種新型堆肥發酵罐，包括外罐體和內罐體。內部罐體可容納體積為60 L的圓柱體，外罐體和內罐體之間填充保溫材料。頂蓋上連接采氣管路，底部放置有送氣裝置。

輸氣控制系統主要包括氣泵和氣流控制系統兩部分。氣泵采用無油空氣壓縮機，轉速1 380 r/min，公稱容積流量240 L/min，額定排氣壓力0.7 MPa。氣流控制系統主要通過氣壓閥和流量計調節每路輸送空氣的氣壓，從而保證每個堆肥罐體的輸氣壓力一致。

堆肥監測系統主要包括溫度實時監測系統和氣體實時監測系統兩部分。溫度實時監測系統是通過堆肥罐體頂部的溫度監測探頭，實時將溫度顯示在主控面板上。溫度監測探頭為長50 cm的不銹鋼管，分別在鋼管的頂端和距離頂端25 cm處安裝溫度探測器。溫度監測探頭從堆肥罐頂部延伸至罐體的2/3處，溫度探測器記錄的溫度分別為罐體1/3和2/3處的溫度，從而保證罐體內堆肥溫度的真實性。氣體實時監測系統主要包括空氣干燥冷凝器和氣體緩沖瓶。在線式氨氣質量監測儀的氨氣監測量程為0～1 000 mg/L，每5 min采集一次氨氣濃度，24 h連續監測?？諝飧稍锢淠鳛? 000 mL玻璃三角瓶，瓶口有橡膠塞，橡膠塞上有一長一短兩根玻璃管，瓶內裝有固體NaOH，用于吸收堆肥產生的氣體中的水分。氣體緩沖瓶為2 000 mL的抽濾瓶，瓶口有橡膠塞，橡膠塞上有一長一短兩根玻璃管，短管靠近抽氣口，便于氣體采集。在線式氨氣質量監測儀、空氣干燥冷凝器和氣體緩沖瓶通過硅膠管相連。

1.3 運行參數及數據計算

1.3.1 堆肥設備運行參數

試驗采用新型堆肥發酵罐，罐體內部有效容納體積為60 L，尺寸為φ6 cm×30 cm的圓柱體。罐體通風為每通風30 min停止30 min，罐體底部氣體壓力為0.4 Mpa。堆肥主發酵周期為18 d，在堆肥第10 d進行翻堆操作。氣體檢測器的抽氣泵流速為0.4 L/min。

1.3.2 氨氣數據結果計算

在線式氨氣質量監測儀測定NH3濃度單位c mg/（L·5 min），取6 h內氨氣的平均濃度為c6img/（L·6 h），i表示從監測開始的第i個6 h數，i=1，2，3，……。氣體檢測器的抽氣泵流速為0.4 L/min，則360 min堆肥罐體中單位質量堆肥產生的NH3質量為：

m為罐體堆肥質量，單位kg；

Ci為單位質量堆肥6 h氨氣排放量，單位mg/（kg·6 h）；

單位質量堆肥主發酵期氨氣排放總量為：

M為單位質量堆肥主發酵期氨氣排放總量，單位mg/kg；

單位質量堆肥主發酵期N排放總量為：

MN單位質量堆肥主發酵期N排放總量，單位mg/kg；

N損失率計算：

TN為堆肥總氮含量，單位%。

2 評價方案

目前北京周邊企業習慣堆肥采用雞糞與菇渣為1∶1的添加比例，含水率在50%～60%之間。北京市周邊果樹種植面積較多，尤其平谷地區的桃樹種植面積較大。根據對北京市周邊堆肥企業實際堆肥配比調研結果，結合北京市果樹種植較多的現狀，設計評價方案一和方案二，對含水率分別為50%和60%的習慣堆肥、雞糞與桃枝不同配比的堆肥效果進行評價，每個處理設3個平行。

2.1 方案一 50%含水率不同處理試驗

試驗設計4個雞糞堆肥工藝處理，每個處理設3個平行試驗，工藝處理見表2。

表2 雞糞堆肥工藝處理

試驗方案一中4個處理的各物料的添加比例和實際添加量（以24 kg總量計）見表3。

試驗過程中，在堆肥第10 d對罐體中堆肥進行翻堆操作，翻堆完畢繼續進行試驗。

表3 不同處理的添加比例

2.2 方案二 60%含水率不同處理試驗

試驗設計4個雞糞堆肥工藝處理，每個處理設3個平行試驗，工藝處理見表4。

表4 雞糞堆肥工藝處理

試驗方案二中4個處理的各物料的添加比例和實際添加量（以24 kg總量計）見表5。

表5 不同處理的添加比例

試驗過程中，在堆肥10 d對罐體中堆肥進行翻堆操作，翻堆完畢繼續進行試驗。

3 結果與分析

3.1 氨氣排放監測結果分析

方案一和方案二中50%、60%含水率下不同處理堆肥主發酵期單位質量堆肥氨氣排放量見圖2、圖3。

從圖2、圖3可以得出如下結論：

（1）所有處理堆肥主發酵過程中均有兩次氨氣大量產生的時間，第一次是堆肥初期的第3～4 d，第二次是翻堆（堆肥第10 d翻堆）過后的第2～ 3 d。

（2）不同含水率處理下雞糞與金針菇菇渣堆肥主發酵過程中氨氣的最大排放量較雞糞與桃枝堆肥發酵的處理均明顯偏高，且雞糞與金針菇菇渣堆肥處理的氨氣主發酵時間較雞糞與桃枝處理提前1 d。

根據圖2、圖3，依據1.3.2計算得出方案一和方案二中不同處理堆肥主發酵期單位質量堆肥氨氣排放總量，見表6。

圖2 方案一堆肥主發酵期單位質量氨氣排放量

圖3 方案二堆肥主發酵期單位質量氨氣排放量

表6 不同處理堆肥主發酵期單位質量堆肥氨氣排放總量 （%）

結合表6可以得出如下結論：

（1）所有處理堆肥主發酵過程中雞糞與桃枝堆肥產生的氨氣排放總量較雞糞與金針菇菇渣（習慣堆肥）產生的氨氣均有減少。在50%水分和60%水分的不同處理中，雞糞與桃枝按照1∶2.5和1∶5的質量添加比例的處理較習慣處理產生的氨氣排放總量減少，且均差異顯著，雞糞與桃枝按照1∶1的質量添加比例的處理較習慣處理產生的氨氣排放總量減少，且均無顯著差異，說明雞糞與桃枝添加比例達到1∶2.5～1∶5，堆肥產生的氨氣排放總量較雞糞與金針菇菇渣（習慣堆肥）產生的氨氣顯著減少。

（2）堆肥習慣處理50%水分和60%水分的氮損失率分別為14.3%和23.5%，說明堆肥水分從50%增加為60%，水分增加10%，氮損失率增加約10%，水分是堆肥氮損失多少的重要因素之一。造成這一現象的原因可能有兩個方面：一方面可能是由于隨著含水量的增加，堆肥中水溶性銨根離子更多的溶解于水中，隨著水蒸氣的揮發更容易以氨氣的形式排出；另一方面可能是由于隨著含水量的增加，堆體中的空隙被水占據的比例會增大，導致堆體中樣品的比例會減少，形成局部的厭氧狀況，導致氨氣的排放增加。建議雞糞與桃枝堆肥中含水率控制在50%～60%為宜，以減少氮損失。

（3）除處理1-3與處理1-4的N排放損失率無顯著差異外，其余處理的N排放損失率均有顯著差異，說明隨著桃枝添加比例的增加，N排放損失率顯著減少，減少比例與桃枝添加比例成正相關。處理1-1與處理1-3，N損失率由14.32%減少6.83%；處理2-1與處理2-3比較，N損失率由23.54%減少為10.27%，不同含水率條件下雞糞與桃枝添加比例達到1∶2.5時的N損失率較習慣處理分別減少7.40%和13.27%且差異顯著，說明調節C/N是有效控制堆肥氨氣排放的重要手段之一［15-18］。

（4）雞糞與桃枝添加比例為1∶2.5和1∶5時，不同水分處理的氨氣排放總量差異均不顯著，50%水分處理的N損失率差異也不顯著，只有60%水分處理的N損失率差異顯著，這可能是由于當雞糞與桃枝添加比例達到并超過1∶2.5時，N元素在堆肥中的比例大幅減少，因此產生的氨氣總量變化不明顯造成的。

結合以上4點結論，考慮到對雞糞的實際利用率和氨氣對空氣的污染，建議雞糞與桃枝的比例控制在1∶2.5左右為宜。

3.2 堆肥溫度監測結果分析

堆肥過程溫度需要經過3個階段，即升溫階段、高溫階段和降溫階段，其中高溫階段是最為重要的環節［19-21］。本文設計的溫度監測系統中溫度監測探頭分別放置在罐體1/3和2/3處，隨著堆肥發酵時間的增加，兩處溫度分別代表堆體臨近表面和堆體內部的溫度，本文取每天9∶00和15∶00堆肥罐中兩溫度探頭測量的平均值代表堆肥當天整體溫度，研究堆肥主發酵過程中堆體溫度的變化。本文方案一和方案二堆肥溫度變化趨勢見圖4、圖5。

圖4 方案一堆肥主發酵期堆肥溫度變化趨勢

圖5 方案二堆肥主發酵期堆肥溫度變化趨勢

由圖4、圖5可以看出，所有堆肥處理均表現出相似的溫度變化趨勢，即堆肥前4 d升溫速度很快，堆肥第4～5 d溫度達到最高，最高值在65～70℃之間，隨后溫度逐漸下降，堆肥第11 d溫度達到堆肥過程中的最低點，在20～35℃之間，隨后溫度迅速升高，在第13 d達到另一個高峰，之后逐漸降低。從所有處理的溫度趨勢圖來看，堆肥主發酵期堆肥溫度變化與堆肥過程中氨氣的排放量變化趨勢一致。氨氣的兩次最大排放量分別出現在第4和第13 d左右，與溫度的最高值基本在同一時間段。第10 d溫度較附近溫度明顯偏低的原因是由于堆肥第10 d的翻堆造成堆體溫度趨于外界環境溫度（20℃）。方案一較方案二，在第10 d的溫度相差近10℃，可能是由于方案二中水分含量較方案一偏高，導致在翻堆過程中水蒸氣帶走的熱量較方案一要多。

3.3 堆肥產品質量評價

對堆肥主發酵期18 d的堆肥產品進行質量評價，按照NY 525-2012《有機肥料》標準規定的方法進行檢測，本文以推薦的處理2-3（60%含水率，雞糞與桃枝按照1∶2.5的質量添加）的檢測結果為例，檢測結果見表7。

由表7可以看出，處理2-3（60%含水率，雞糞與桃枝按照1∶2.5的質量添加）的堆肥質量符合有機肥料標準，達到肥料腐熟要求，可以用于農業生產。表7中pH和水分結果在標準規定的上限，因此，隨著堆肥時間的增加，堆肥質量會進一步提高。其他處理在堆肥18 d的檢測結果基本達到或接近NY 525-2012《有機肥料》規定的有機肥料相關指標，隨著堆肥時間的增加，所有處理也全部符合有機肥料標準。

表7 處理2-3堆肥18 d堆肥產品質量評價

4 結論

通過對上述兩個實驗方案的結果進行分析，得出如下結論：

（1）雞糞與金針菇菇渣堆肥處理的氨氣主發酵時間較雞糞與桃枝處理提前1 d。雞糞與桃枝添加比例達到1∶2.5～1∶5，堆肥產生的氨氣排放總量較雞糞與金針菇菇渣（習慣堆肥）產生的氨氣顯著減少。

（2）堆肥習慣處理50%水分和60%水分的氮損失率分別為14.3%和23.5%，說明堆肥水分從50%增加為60%，水分增加10%，氮損失率增加約10%，水分是堆肥氮損失多少的重要因素之一。建議雞糞與桃枝堆肥中含水率控制在50%～60%為宜，以減少氮損失。

（3）隨著桃枝添加比例的增加，N排放損失率顯著減少，減少比例與桃枝添加比例成正相關。不同含水率條件下雞糞與桃枝添加比例達到1∶2.5時的N損失總量較習慣處理分別減少7.5%和13.2%且差異顯著，說明調節C/N是有效控制堆肥氨氣排放的重要手段之一。

（4）考慮到對雞糞的實際利用率和氨氣對空氣的污染，建議雞糞與桃枝的比例控制在1∶2.5左右為宜。（5）堆肥主發酵期堆肥溫度變化與堆肥過程中氨氣的排放量變化趨勢一致。