生物炭對畜禽糞污好氧堆肥品質影響的研究進展

劉龍，盧勝男，周嶺，張紅美

（塔里木大學機械電氣化工程學院/新疆維吾爾自治區普通高等學?，F代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300）

由于我國畜禽養殖業的不斷擴大發展，畜禽糞污排放的污染問題也日益嚴重。2020年我國畜禽糞污排放量達到30億噸[1]，但畜禽糞污資源綜合利用率僅有60%[2]，畜禽糞污已經成為我國主要污染排放源[3]。好氧堆肥技術是在通氧的條件下，由嗜氧微生物固化糞便中有機物質的過程，可實現畜禽糞污無害化處理，實現肥料化利用。但在缺氧條件下，易出現局部區域厭氧發酵，產生大量NH3、CO2、CH4、H2S等有害氣體，造成大氣污染，加劇溫室效應[4]。為了提高好氧堆肥品質，常通過物理、化學方法對堆肥過程進行調控，在堆肥過程中加入添加劑就是其中方法之一。

生物炭是生物質原料在厭氧或少氧的環境中熱裂解得到的富碳固體產物[5]，主要是由C、H、O等元素組成，其中C元素最多，約為60%～70%，還含有N、P、K、Ca、Mg、Na等元素[6]。生物炭具有非常發達的孔隙結構，大的比表面積，且表面有大量羧基、醛基、羥基等含氧官能團和負電荷[7-11]，使其具有促進離子交換、吸附重金屬、固氮[12]、固碳減排、改善土壤和生態環境等作用。2010年Dias等[13]首次采用生物炭與畜禽糞污堆肥，證實了生物炭可減少堆體氮素損失，縮短堆肥周期，為生物炭應用于堆肥領域奠定了基礎。

近年來，采用生物炭為添加劑對畜禽糞污進行好氧堆肥成為研究的熱點。本文闡述了生物炭對畜禽糞污堆肥過程中堆體理化性質、養分含量、有害氣體排放、重金屬鈍化等方面的影響，并進行了展望。

1 生物炭對堆體理化性質影響

1.1 溫度

堆肥溫度是影響堆肥進程的一個重要因素，是用來判斷堆體腐熟度的重要指標。李太魁等[14]采用豬糞、秸稈、和添加5%、10%、15%的小麥秸稈生物炭進行好氧堆肥，與對照相比，堆體提前2～3天進入高溫期，加快了堆肥進程。付祥峰等[15]研究添加量為5%、10%、15%的水稻秸稈生物質炭與豬糞+稻草堆肥的影響，結果表明，添加生物質炭能夠提高堆體溫度，縮短堆肥周期，較對照組提前3天進入高溫期。吳曉東等[16]通過研究添加比例為0%、3%、6%、9%、12%、15%的檸條生物炭+雞糞+小麥秸稈堆肥，發現生物炭可縮短堆肥升溫期1～2天，延長堆肥高溫期2～4天?？梢?，添加生物炭進行好氧堆肥可提高堆體升溫速率，使堆體提前進入高溫期，并延長堆體高溫時間，加快有機物的降解，縮短堆肥周期，但生物炭種類、添加量對不同原料的堆體影響程度不同。

1.2 pH值

畜禽糞污好氧堆肥過程中，堆體pH值過高或過低均會影響堆體中有機質分解速率，pH值過高會造成堆體氮素以NH3形式流失，使堆體氮素降低，肥效降低；pH值過低會產生大量有機酸，造成酸性環境，影響微生物繁殖活性。Sanchez-Garcia等[17]以畜禽糞便和秸稈為原料，生物炭為添加劑進行堆肥，最終堆體pH值比初始值增加0.6。榮榮等[18]在雞糞-玉米葉堆肥中添加生物炭，堆肥結束時pH值較堆肥初期明顯增加，且高于對照組。李太魁等[14]在豬糞、秸稈中添加生物炭進行堆肥，研究發現隨生物炭添加量增加，堆肥初期的堆體pH值增加量降低。李宇航等[19]發現在雞糞-玉米秸稈和樹葉中添加生物炭堆肥時，生物炭對堆體最終pH值影響不大，研究結果與朱成武[20]相似?？梢?，目前關于添加生物炭對畜禽糞污好氧堆肥pH的影響存在爭議，這可能與堆肥原料、生物炭種類、炭化條件、添加量等因素有關。

1.3 含水率

堆肥適宜的含水率通常在50%～60%之間，過高的含水率會影響堆體的通氣性，抑制氧氣流通，堆體局部形成厭氧環境，導致有機物降解不完全[21]；過低的含水率會使微生物活性代謝降低，影響堆肥效率[22]。畜禽糞污不易吸收水分，且水分吸收不均勻、易揮發。而生物炭具有高度密集的孔隙度，且易吸收水分，不易散失，在畜禽糞污堆肥過程中加入生物炭可提高堆體的保水性[23]。劉寧等[24]用雞糞、秸稈和生物炭堆肥，發現生物炭含水率從初始的3.4%急速上升到36.8%，降低了堆體水分散失能力。吳曉東等[16]研究在雞糞和小麥秸稈中添加不同比例生物炭進行堆肥，結果表明，隨生物炭添加量增大，堆體含水率上升，且生物炭處理組含水率高于對照組?？梢?，生物炭可以減緩堆體含水量的下降速率，減少堆體水分的散失。

2 生物炭對養分的影響

生物炭特有的性能使其應用于堆肥可提高堆體固氮能力，減少氮素流失，是NH3和水溶性NH4+的吸收劑。高文慧等[25]發現在豬糞中添加花生殼生物炭堆肥，隨生物炭添加量增加，堆體硝態氮含量增加，銨態氮濃度降低；且添加3%和6%的生物炭處理組氨揮發比對照組高8.98%和46.30%；9%的生物炭添加處理組氮素損失率最低，氨揮發最少。陶金沙[26]發現小麥秸稈生物質炭與豬糞比例為1∶12、1∶5和1∶2.3進行堆肥，硝態氮含量依次增加了53.70%、148.36%和27.61%，全氮損失量分別減少了32.07%、60.78%和50.18%；其中，添加生物質炭與豬糞比例為1∶2.3的處理組堆體全氮含量低于對照組。吳曉東等[16]研究表明添加檸條生物炭與雞糞堆肥可以提高堆體全氮5.59%～27.38%，但對全磷和全鉀影響不大，且當生物炭添加超過9%時，全氮的增加量不顯著。李波等[27]將花生殼生物質炭添加到豬糞中堆肥，發現堆體的總有機碳含量增加了6.69%～20.60%；但添加3%和6%生物炭處理組的碳素損失大于未添加生物炭處理組，9%堆肥過程中碳素的損失小于未添加生物炭處理組。因此，生物炭堆肥可以減少氮素的流失，提高堆體硝態氮含量，增加堆肥有機碳含量，但添加不同比例的生物炭對堆體養分固持能力影響還需進一步深入研究。

注：+表示氣體排放增多；-表示無研究(在表格內）。Note:+Indicates an increase in gas emissions;-Indicates no research(Within the table).

3 生物炭對堆體有害氣體排放影響

傳統堆肥方式會產生大量NH3、CO2、N2O、CH4等有害氣體，加劇溫室效應，污染環境，增加養分流失，降低肥效。生物炭具有良好的化學吸附能力和孔隙結構，可有效降低堆肥過程中溫室氣體排放。由表1可見，堆肥過程中添加生物炭可減少CH4、CO2、N2O、NH3氣體的排放量，這是因為生物炭的添加降低了可溶性有機碳含量，進而減少了CH4排放。但也有研究發現，生物炭的添加導致CO2排量上升，因為生物炭的高孔隙率，降低了堆體密度，增強了堆體供氧能力，有利于好氧微生物降解，從而產生CO2[28]。生物炭減少了厭氧環境，降低了反硝化作用生成N2O；同時生物炭對環境的改善加快了好氧微生物對NH4+的代謝作用，并促使NH4+向NO2-、NO3-或其他有機氮素轉變，從而降低NH3排放[29，30]?？梢?，生物炭改善了堆體通風供氧條件，降低了有害氣體排放，同時還加快了堆肥進程。

4 生物炭對堆體重金屬鈍化的影響

由于飼料中含有較多的礦物質添加劑，因而畜禽糞污中含有大量的Zn、Cu、Cd等重金屬，這些重金屬如不經過處理直接施入農田，會增加土壤重金屬含量，污染土壤環境。劉小嶼[35]在豬糞好氧堆肥中添加不同的鈍化劑來研究對堆體重金屬Cu、Zn鈍化影響，從鈍化效果對比來看，生物炭為最優鈍化劑。張廣杰[36]將橡木炭添加到豬糞與稻殼的混合物料中，發現Cu和Zn總含量在堆肥時有所增加，但有效態Cu和Zn的比例在堆肥過程中逐步減少。沈杭[37]在用豬糞堆肥和污泥堆肥中添加生物炭，發現生物炭的添加對堆體的Zn、Cu、Cd沒有明顯的鈍化效果，但對堆體的Pb有著活化作用。侯月卿等[38]在豬糞、秸稈加入不同的生物炭研究對堆體重金屬鈍化效果時發現，木屑生物炭處理組對Cd鈍化94.67%，花生殼生物炭處理組對Cu鈍化65.94%，玉米秸稈生物炭處理組對Pb鈍化57.2%。因此，有關添加生物炭對堆肥部分重金屬鈍化的有效性還不一致，還需更加深入的研究。

5 展望

盡管目前生物炭作為添加劑廣泛應用于好氧堆肥，但現有的研究還存在略微不足，以下幾個方面還需要進一步深入系統性研究：（1）生物炭的種類和熱解溫度對堆體pH的影響變化規律及機理；（2）生物炭的添加比例對堆體養分含量及養分演化影響機理；（3）生物炭對堆體重金屬的鈍化種類和鈍化效率等。