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文献综述
近年来，由于我国规模化养殖业的迅速发展，养殖废弃物中的N、P养分流失已成为我国水环境污染的重要贡献者，并严重影响了养殖业的可持续发展。“第一次全国污染源普查”结果显示，规模化畜禽养殖场的畜禽粪便产生量高达2.43times;108 t。因此，开展养殖废弃物污染控制与资源化利用技术研究意义重大，可为保护农业生态环境和促进农业可持续发展提供技术支撑。
畜粪好氧堆肥是利用好氧微生物的分解作用，将畜禽粪便和秸秆类生物质等废弃物转变为有利于作物生长的有机肥的方法，该工艺主要受物料含水率、C/N、pH、通气量、温度等环境因子的影响。好氧堆肥是实现畜禽粪便无害化处理和资源化利用的一项有效措施，具有成本低、除臭杀菌效果好、产物可肥料化等优点[1,2]。我国好氧堆肥技术研究虽已取得了显著的进展，但目前堆肥技术普遍存在的关键问题是氮素损失较为严重，氮素主要以NH3及N2O的形式排放[3]。堆肥过程中氨挥发量可达到总氮损失量的20%-60%，大多数NH3扩散到大气中，增加大气中N的沉降，导致水体富营养化等环境问题。大量NH3挥发会对人畜产生不利影响，影响人畜生理机能，刺激嗅觉神经与三叉神经，对呼吸中枢发生作用，影响人畜的呼吸功能，危害人畜健康，当NH3含量超过25ppm时影响鸟类健康和行为。畜禽粪便好氧堆肥过程同样伴随着N2O的大量排放，按每千克干物料产生0.5g N2O-N计算，每年产生的N2O已达1.2times;106t，畜禽粪便好氧堆肥已逐渐成为全球N2O一个重要的农业排放源，畜禽粪便好氧堆肥过程大量排放的N2O不仅会造成堆肥中氮素大量的损失，而且带来了显著的温室效应[4]。发达国家在控制氮素损失减少氨挥发和N2O排放方面，也有大量研究成果，但这些研究成果主要用于畜禽粪便储存和运输过程中，而在堆肥过程中较少采用控制氮素损失的工艺和技术，较多采用除臭方法解决，即通过水洗、酸吸收、碱中和等控制方法，产生二次污染。因此，如何控制堆肥中的NH3挥发以及N2O排放，对减少资源浪费和环境污染都具有重要意义。
自上个世纪90年代以来，国内外对畜禽粪便在贮存和堆置过程中NH3及N2O的产生展开了广泛的研究，影响堆肥过程中NH3和N2O排放的主要因素有堆肥工艺和堆肥原料[5]。与厌氧处理相比，好氧处理时粪便的NH3损失较为严重，静态堆肥会减少NH3的排放，从而有效降低N素损失，但可能通过硝化和反硝化作用促进N2O的排放。翻堆系统的NH3和N2O的排放分别为初始氮的3.9plusmn;0.2%和2.5plusmn;0.1%，而静态堆肥的NH3和N2O的排放分别为初始N的2.4plusmn;0.1%和9.9plusmn;0.5%。堆肥原料是影响氮损失的一个重要因素，如表1所示，猪粪堆肥过程中氨挥发损失占总氮损失的比例高达80%，猪粪堆肥的NH3排放量要比牛粪多，这可能是由于猪粪干物质含量高。
表 1 不同堆肥原料NH3/N2O损失占总氮损失比例
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堆肥原料 |
NH3/N2O损失占总氮损失比例 |
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猪粪 |
46.8%-80% （NH3） |
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牛厩粪 |
92%（NH3） |
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奶牛粪 |
60%-99%（NH3） |
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猪粪 |
1%-6%（N2O） |
目前，对堆肥中N素损失控制的途径主要有两种：一种是通过改变工艺条件，即通过控制工艺条件来减少气体排放；另一种则是通过向堆肥中引进添加剂，即添加物理吸附剂、化学试剂和微生物菌剂等[6,7]。
表 2 畜禽粪便堆肥不同控氮措施对比
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途径 |
类型 |
优缺点 |
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工艺参数 |
通风时间、物料密度、翻堆频率、含水率、C/N |
控氮效果明显，但操作繁琐 |
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物理吸附剂 |
活性吸附剂:木片、秸秆、树叶 |
有机物，取料容易，堆肥过程中可以降解 |
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惰性吸附剂:粉煤灰、碎轮胎、活性炭、泥炭、沸石 |
孔容大、比表面积大、具有良好吸附能力的物质 |
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化学试剂 |
氧化型:高锰酸钾、次氯酸盐 |
保氮效率较高，但对堆肥微生物影响较大，腐熟物肥效不佳 |
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中和型:过磷酸钙、硫酸亚铁、稀硫酸 |
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微生物菌剂 |
黄链霉菌、EM菌剂 |
控氮效率低，需要专业知识 |
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通过调节堆肥工艺参数可控制氮素损失。翻堆次数越多，以NH3形式损失越严重，而对N2O的影响很小。水分含量越高的堆肥，N2O排放量越大，然而NH3排放与N2O排放趋势相反，即容积密度越小，NH3排放量越高。尽管通过调整堆配工艺参数的方法可控制氨挥发和N2O的排放，但堆肥工艺技术和规模大小的多样性造就优化参数并不是一项减少N2O排放的有效途径。
调理剂在堆肥过程中可以改变物料的理化状况，有助于好氧微生物的生长，是堆肥的重要辅料。有学者用冷杉木片作为活性炭对非极性分子、直径较大的恶臭物质如饱和化合物(如苯、甲苯、硫醇等)的吸附力较强，被认为是有效的除臭吸附剂，但价格高、再生设备复杂，难以推广使用。泥炭含有较大的比表面积和较高的孔隙度，是一种良好的吸附剂，泥炭能吸收自身干重2.5倍的NH3，而在湿润状态下能吸收高达自身重量15~20倍的NH3。沸石可以有地降低堆肥的pH，堆肥高温持续期要比一般堆肥长，减少了NH3的释放。吸附剂中的化学吸附剂研究也很多，王卫平等在鸡粪混化反应器内，通过管道淋入鸡粪总量4%-6%的浓硫酸，进行酸化预处理后再进行发酵，酸化预处理使鸡粪生物发酵过程中N素损失率由常规高温发酵的48.4%下降至41.9%和19.4%，下降率达6.5%和9.0%[8]。微生物菌剂也是一个重要的添加剂，将细黄链霉菌与培养物按1:20的比例添加到新鲜鸡粪中，发酵l周后测定发现，细黄链霉菌对鸡粪有良好的除NH3效果，而且能使堆肥的TN含量比对照处理的鸡粪提高45.5%[9]。
随着全球节能减排要求的日益提高，如何降低畜禽粪便堆肥过程氨挥发和温室气N2O的排放，提高堆肥产品附加值从而增加经济效益已成为畜禽粪便资源化利用的重要课题。然而，通过几种添加剂的比较发现，化学试剂虽然控氮效果较好，但堆肥产品附加值低，肥效还有待进一步验证；微生物菌剂控氮效率低，要求操作人员具备一定专业知识，不易推广使用。因此，开发减少畜禽堆肥过程NH3挥发和N2O排放的新技术，深入研究其微生物学机理，对控制堆肥过程氮损失具有重要的现实意义。
生物质炭（biochar）是一种可以减少NH3挥发和N2O排放的潜在的吸附剂。它是由植物生物质在完全或部分缺氧的情况下经低温热解炭化产生的一类高度芳香化固态物质，是黑碳(black carbon)的一种类型。由于其结构稳定、孔隙丰富、比表面积高等特性，生物质炭对缓解全球气候变化具有重要的影响。鉴于生物质炭在环境治理方面的广泛应用，因而越来越受到国内外研究者的关注[10]。
近年来的一系列研究表明生物质炭的添加是一种土壤生态系统温室气体N2O减排的有效手段[11-13]。Major等[14]发现添加20g·kg-1的生物质炭至牧草地与大豆土壤中，N2O排放量分别降低了80%和50%；Yanai等[15]发现对灌溉土添加10%wt的生物质炭，土壤的N2O排放量减少了85%；Zhang等[16]对施氣肥的太湖平原稻田土壌添加40t·ha-1的小麦稚秆生物质炭发现N2O排放总量降低了40%-51%。对于生物质炭添加能降低N2O排放量的现象归结于以下几个原因：(1)生物质炭通过吸附作用降低了土壤硝化和反硝化反应的底物浓度，不仅降低了土壌中可利用态的NH4 ，同时也降低了硝化作用产生的NO3-浓度，最终使得反硝化作用产生的N2O量显著降低；(2)生物质炭的添加可提高土壤孔隙度，改善土壤通气状况，从而抑制了厌氧条件下功能微生物的反硝化作用，最终实现氮氧化物(NOx)的减排，并增加了土壤中全氮的储量；(3)生物质炭的添加可增加土壤pH，高pH利于反硝化菌氧化亚氮还原酶活性的提升，进一步促进更多的N2O还原为N2，最终形成N2O减排的效果；(4)生物质炭表面存在一些影响N2O排放的金属离子等物质。比如，生物质炭在环境中释放的乙烯能作为微生物抑制剂，对产生N2O的反硝化菌造成一些不利影响；同时，生物质炭表面的金属离子(TiO2)能催化N2O还原为N2的过程。尽管以上一系列研究表明生物质炭可以显著降低土壌温室气体N2O的排放量，但对于堆肥生境中生物质炭添加对堆肥过程中保氮作用还未见报导。
图 1 生物质炭对土壤系统影响模型
有关生物质炭添加对堆肥体系的影响研究仅仅表明生物质炭的添加能够减少堆肥N素损失并同时增加腐殖化程度[17]。这些研究表明生物质炭可以成为一种具有可减缓土壌温室气体排放、吸附有毒污染物、提高氮素利用率、加快腐殖化程度等功效的物质。尽管如此，添加生物质炭对堆肥过程NH3挥发和温室气体N2O排放的影响研究还鲜有报导。因此，有必要深入研究生物质炭对堆肥过程NH3挥发和N2O排放的影响及其相应的微生物学机理。
主要参考文献
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资料编号：[79004]
文献综述
近年来，由于我国规模化养殖业的迅速发展，养殖废弃物中的N、P养分流失已成为我国水环境污染的重要贡献者，并严重影响了养殖业的可持续发展。“第一次全国污染源普查”结果显示，规模化畜禽养殖场的畜禽粪便产生量高达2.43times;108 t。因此，开展养殖废弃物污染控制与资源化利用技术研究意义重大，可为保护农业生态环境和促进农业可持续发展提供技术支撑。
畜粪好氧堆肥是利用好氧微生物的分解作用，将畜禽粪便和秸秆类生物质等废弃物转变为有利于作物生长的有机肥的方法，该工艺主要受物料含水率、C/N、pH、通气量、温度等环境因子的影响。好氧堆肥是实现畜禽粪便无害化处理和资源化利用的一项有效措施，具有成本低、除臭杀菌效果好、产物可肥料化等优点[1,2]。我国好氧堆肥技术研究虽已取得了显著的进展，但目前堆肥技术普遍存在的关键问题是氮素损失较为严重，氮素主要以NH3及N2O的形式排放[3]。堆肥过程中氨挥发量可达到总氮损失量的20%-60%，大多数NH3扩散到大气中，增加大气中N的沉降，导致水体富营养化等环境问题。大量NH3挥发会对人畜产生不利影响，影响人畜生理机能，刺激嗅觉神经与三叉神经，对呼吸中枢发生作用，影响人畜的呼吸功能，危害人畜健康，当NH3含量超过25ppm时影响鸟类健康和行为。畜禽粪便好氧堆肥过程同样伴随着N2O的大量排放，按每千克干物料产生0.5g N2O-N计算，每年产生的N2O已达1.2times;106t，畜禽粪便好氧堆肥已逐渐成为全球N2O一个重要的农业排放源，畜禽粪便好氧堆肥过程大量排放的N2O不仅会造成堆肥中氮素大量的损失，而且带来了显著的温室效应[4]。发达国家在控制氮素损失减少氨挥发和N2O排放方面，也有大量研究成果，但这些研究成果主要用于畜禽粪便储存和运输过程中，而在堆肥过程中较少采用控制氮素损失的工艺和技术，较多采用除臭方法解决，即通过水洗、酸吸收、碱中和等控制方法，产生二次污染。因此，如何控制堆肥中的NH3挥发以及N2O排放，对减少资源浪费和环境污染都具有重要意义。
自上个世纪90年代以来，国内外对畜禽粪便在贮存和堆置过程中NH3及N2O的产生展开了广泛的研究，影响堆肥过程中NH3和N2O排放的主要因素有堆肥工艺和堆肥原料[5]。与厌氧处理相比，好氧处理时粪便的NH3损失较为严重，静态堆肥会减少NH3的排放，从而有效降低N素损失，但可能通过硝化和反硝化作用促进N2O的排放。翻堆系统的NH3和N2O的排放分别为初始氮的3.9plusmn;0.2%和2.5plusmn;0.1%，而静态堆肥的NH3和N2O的排放分别为初始N的2.4plusmn;0.1%和9.9plusmn;0.5%。堆肥原料是影响氮损失的一个重要因素，如表1所示，猪粪堆肥过程中氨挥发损失占总氮损失的比例高达80%，猪粪堆肥的NH3排放量要比牛粪多，这可能是由于猪粪干物质含量高。
表 1 不同堆肥原料NH3/N2O损失占总氮损失比例
