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        好氧高溫堆肥氮素損失及保氮技術研究進展

        2020-03-15 07:06:46馮蓉劉麗楊勝竹李響陸引罡
        山地農(nóng)業(yè)生物學報 2020年6期

        馮蓉 劉麗 楊勝竹 李響 陸引罡

        摘 要:好氧高溫堆肥是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)有機廢棄物無害化、資源化的有效途徑。但在堆肥中氮素極易揮發(fā)損失,如何有效控制氮素的揮發(fā)損失成為優(yōu)化堆肥工藝的關鍵技術之一。本文綜述了好氧高溫堆肥氮素損失及保氮技術研究進展,分別從氮素轉化機理,氮素損失現(xiàn)狀、影響氮素損失因素和各種調(diào)控措施等方面進行了探討,以期為降低好氧高溫堆肥氮素損失提供參考依據(jù)。

        關鍵詞:好氧高溫堆肥;氮素轉化;氮素損失;保氮技術;控氮

        中圖分類號:S606+.1文獻標識碼:A

        文章編號:1008-0457(2020)06-0047-06國際DOI編碼:10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2020.06.008

        Abstract:Aerobic hightemperature composting is an effective way to realize the? and resource utilization of agricultural organic waste. The nitrogen is easy to los,how to effectively control the loss of nitrogen volatilization.The progress of nitrogen loss and nitrogen conservation techniques in the aerobic hightemperature composting, discuss the mechanism and the status of nitrogen loss,the influencing factors and the regulation measures of nitrogen loss, in order to provide a reference for the realization of aerobic hightemperature composting nitrogen loss.

        Keywords:aerobic hightemperature composting;nitrogen transformation;nitrogen los;nitrogen retention technology;nitrogen control

        隨著城鎮(zhèn)化進程的加快,人們對肉禽蛋類的需求不斷增加,使我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)逐漸向規(guī)?;?、產(chǎn)業(yè)化、結構化的方向發(fā)展[1]。大規(guī)模的畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生了大量畜禽糞污。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部數(shù)據(jù),我國每年產(chǎn)生的畜禽糞污總量達到近40億t,是同期工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量的1倍以上,是造成農(nóng)業(yè)源面源污染的重要部分[2]。

        畜禽糞便富含植物生長所需的各類營養(yǎng)元素,是十分寶貴的農(nóng)業(yè)資源[3],將這些營養(yǎng)物質歸還于土地是能有效促進養(yǎng)分循環(huán)和增加土壤有機質含量的可持續(xù)措施[4]。與囤積和直接施用于土地相比,畜禽糞便好氧高溫堆肥能更好地降低其污染環(huán)境和危害人體健康的風險[4],堆肥終產(chǎn)物更是良好的土壤調(diào)理劑和有機肥料[5]。因此,好氧高溫堆肥是實現(xiàn)畜禽糞便無害化和資源化的有效途徑。然而,在好氧高溫堆肥的升溫和高溫階段,由于微生物的大量繁殖,有機物加速分解,畜禽糞污中有機氮極易被微生物分解并轉化為銨態(tài)氮[6],并在堆體中積聚。研究指出,在高溫、高pH的誘導下,家禽糞便堆肥中銨態(tài)氮揮發(fā)損失量達62%[7],氨揮發(fā)造成的氮素損失可達總量的44%~99%[8]。這不僅降低了肥料中的養(yǎng)分含量,也加劇了堆肥場的惡臭,造成環(huán)境的二次污染[9]。因此,在高溫堆肥過程中有效控制氮素的揮發(fā)損失成為優(yōu)化堆肥工藝的關鍵技術之一。本文綜述了好氧高溫堆肥過程中氮素存在形態(tài)、損失途徑、影響因素及控制方法,以期為好氧高溫堆肥過程中控制氮素揮發(fā)損失提供一定的參考依據(jù)。

        1 好氧高溫堆肥中氮素形態(tài)及其轉化

        畜禽糞便的氮主要以有機物的形式存在。經(jīng)過微生物作用,氮素主要以有機氮、銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮及硝態(tài)氮等形態(tài)存在于堆肥物料中,各個形態(tài)間存在如下轉化過程:

        氨化作用:微生物分解有機氮化物產(chǎn)生氨的過程,即有機氮的礦化。微生物常常通過各種酶將復雜的含氮有機物逐級分解形成簡單的氨基化合物如多肽、氨基酸等,再將簡單的氨基化合物分解成NH3。且在堆肥過程中,NH+4-N主要以NH3的形式揮發(fā)損失掉,占總氮的44%~99%,此外還可經(jīng)氨化作用轉化成有機氮被微生物固定于堆肥中,或經(jīng)硝化作用形成NO-3-N[8]。

        硝化作用:在有氧條件下,NH+4或NH3經(jīng)氨氧化細菌的氨氧化作用氧化成NO-2后,再在硝化細菌的作用下被氧化成NO-3的過程。

        反硝化作用:在嫌氣條件下,硝態(tài)氮在反硝化微生物作用下還原為N2、N2O或NO的過程。

        以糞便進行堆肥時氨態(tài)氮在堆肥的最初時期呈增加趨勢,而后急劇下降。其變化趨勢主要是取決于溫度、pH值和物料中微生物的活性。形成的NH3,或作為微生物氮源被同化利用,或通過硝化作用形成硝態(tài)氮,或以氨氣的形式揮發(fā),這主要依賴于堆肥的環(huán)境條件。在好氧高溫堆肥中,升溫階段微生物活動不斷加劇,加速堆體中蛋白質、脂肪、碳水化合物等易分解物質的降解,使堆體溫度不斷升高,在這個階段銨態(tài)氮會快速積累并使pH值提高,在高溫、高pH條件下以氨的形式大量損失[10]。因此,控制堆肥的升溫和高溫階段氨的轉化是減少氨揮發(fā)損失的關鍵。

        2 好氧高溫堆肥氮素損失現(xiàn)狀

        銨態(tài)氮、硝態(tài)氮及有機氮是堆肥中氮素存在的主要形態(tài)。其損失路徑主要有三種:經(jīng)過氨化作用轉變成硝態(tài)氮;以氨氣形態(tài)揮發(fā)損失;以NH+4化合物的形式固定在堆肥中[11]。其中以NH3的形式揮發(fā)是堆肥中氮素損失的主要形式,占氮素損失總量的44%~99%[12],不僅降低堆肥品質,還污染環(huán)境,是目前堆肥過程中的難點,就此人們做了大量的研究。鄭瑞生等[13]研究指出,城市垃圾堆肥化處理過程中氮的損失為50%~60%,糞便高溫堆肥處理過程氮的損失最高可達77%。有研究表明,好氧高溫堆肥中總氮素損失達16%~74%,平均為40%左右[14]。其中豬糞堆肥過程中氮素損失一般為23.3%~77.0%,平均在40.0%左右,且堆肥中氮素損失主要發(fā)生在升溫期和高溫期[15-17]。姜繼超等[18]研究表明,好氧高溫堆肥過程中氮素的損失占總氮的68.4%。此外,堆肥中氮素的損失還與堆肥物料、堆肥裝置、添加劑等因素有關。王守紅等[19]向發(fā)酵殘余物(豬場沼渣、城市生活垃圾)中添加了芽孢桿菌、霉菌及酵母菌(1:2:2)混合菌液發(fā)現(xiàn),堆體高溫期可達16d,最高溫度為69.5℃,全氮損失最少,僅為8.72%。而黃懿梅等[20]的研究結果則表明,在雞糞小麥秸稈和雞糞玉米秸稈堆肥的降溫期,氨氮分別減少了69.9%和57.0%。 因此,控制堆肥中氮素揮發(fā)損失是提高堆肥品質和質量的關鍵。

        3 好氧高溫堆肥氮損失的影響因素

        堆肥過程中氮以氨氣的形式揮發(fā)損失是造成堆肥質量和品質降低最主要的原因。其中,溫度、pH、供氧量、含水率和C/N共同影響著堆肥中氮素的轉化,因此,合理地對這些因素進行調(diào)控將有利于提高堆肥的利用率。

        3.1 溫度

        溫度制約著堆體中微生物的生命活動,它不僅可以判斷堆肥是否達到無害化,還可以直觀地判斷堆肥的腐熟度。在堆肥初期,嗜溫性微生物分解淀粉,糖類等物質并釋放大量的熱量,使堆體溫度升高,同時產(chǎn)生有機酸,堆體的酸度降低,隨著溫度不斷升高,嗜熱性微生物分解物質加快,物料中的酸度逐漸增加,當其超過一定的量時有效氮就會以氨氣的形式揮發(fā)損失,降低堆肥氮含量[21-22]。Raviv等[23]發(fā)現(xiàn),當溫度超過60℃時,在高溫、高pH的條件下堆肥中的氮難溶于水并以NH3的形式大量揮發(fā)損失。李吉進等[24]的研究也表明,雞糞堆肥中氮素揮發(fā)損失與溫度呈顯著性正相關關系(r=0.098),當4℃≤T≤20℃時,氮素損失不明顯,但當20℃≤T≤35℃時,氮素損失與溫度達P<0.05顯著水平 。此外,高溫還會產(chǎn)生CH4、N2O、NO等有害氣體,對環(huán)境造成污染[25]。因此,在堆肥過程中對物料溫度的有效控制是保證堆肥品質的關鍵技術之一。

        3.2 pH

        pH的高低嚴重影響著堆肥中微生物的活性,且不同的微生物適宜的pH各不相同。研究指出,pH為6.7~9.0時最利于微生物的生長活動,且在堆制過程中pH值隨物料分解的快慢呈現(xiàn)動態(tài)變化的趨勢[26]。在堆肥過程中,尿素和蛋白質等物質不斷降解產(chǎn)生有機酸,使pH發(fā)生變化,打破了NH3和NH+4之間的動態(tài)平衡,pH值不斷升高,不僅造成氮素大量損失,而且還降低了堆肥的品質。研究發(fā)現(xiàn),當pH在5~7時,氨氣損失最少,pH≥8時,堆肥中氨氣的揮發(fā)損失最大[27]。且在高溫、高pH的條件下,氨氣幾乎不溶于水,導致堆肥中氨氣大量揮發(fā)損失[14]。

        3.3 C/N

        在堆肥物料中,碳、氮的含量嚴重制約著微生物的生命活動。其中碳作為能源物質為微生物的生長活動提供能量,而氮素則是組成核酸和蛋白質的重要元素。因此,適宜的C/N是堆肥得以有效進行的關鍵因素之一。大量研究表明,C/N為25時最有利于堆肥的進行。C/N過低,氮的含量相對過剩,如遇上高溫、高pH,堆肥中的N就會以NH3的形式逸出,產(chǎn)生惡臭,污染環(huán)境。而C/N過高,堆肥中的微生物則會經(jīng)過多次的生命代謝活動消耗掉過多的C,使C/N達到適宜的水平再進行新陳代謝,即過高的C/N會降低堆肥的降解速率,不利于堆肥的腐熟。鄭瑞生等[13]研究表明,低的C/N氨揮發(fā)明顯高于高的C/N,其中C/N比為17.6的處理氮素損失率為32.19%,而C/N為40.3時,僅為7.66%。KIRCHMANN等[28]的研究也表明,C/N越低,NH3的揮發(fā)損失量越嚴重,當C/N為36時,氮素損失僅為8%,而當C/N為24和18時,氮素損失分別為15%和38%。且未腐熟的堆肥施入土壤,堆肥中的微生物還會和土壤微生物競爭氮素,影響作物的生長。此外吳銀保等[29]研究表明,高C/N能夠提高豬糞的溫度、鉀和腐殖質的含量。目前,常通過添加一些枯枝落葉物(如秸稈、木屑等)調(diào)節(jié)堆肥中的C/N。

        3.4 微生物

        堆肥過程中氮的轉化主要是依靠微生物的作用來驅動的,尤其是有機氮和無機氮之間的轉化。在堆肥中參與氮素轉化的微生物主要有細菌、真菌、放線菌和少量的原生動物[30]。其中細菌在各個階段最為活躍。主要有氨化細菌、硝化細菌和反硝化細菌。氨化細菌是一類分解含氮有機物釋放出氨氣的菌的總稱。在堆肥初期,由于微生物的活動和數(shù)量不斷增加,氨化細菌通過氨化作用將含氮有機物分解為NH3,并轉化為NH+4-N,隨著堆體中NH3和NH+4-N濃度不斷增加,堆體內(nèi)pH升高,由于微生物大量活動不斷釋放出熱量,堆溫逐漸升高,導致NH3不斷釋放,此階段NH3的揮發(fā)是氮素損失的主要方式,達44%~99%[15, 31]。隨著微生物活動減弱,有機物質不斷分解,堆體溫度逐漸降低進入腐熟期,硝化細菌經(jīng)過硝化作用將NH+4-N轉化為NO-3-N,堆體中NH+4-N含量減少,NO-3-N含量增加[32]。此外真菌、放線菌等的生命活動也會固定一部分的氮素,減少堆肥中氮的含量。由此可見,了解堆肥中微生物的運動規(guī)律及特性對保氮十分重要。

        4 好氧高溫堆肥的保氮技術研究

        目前,調(diào)控堆肥中氮素揮發(fā)損失的方法有很多,最常見的有添加物理保氮劑、化學保氮劑和生物保氮劑,且取得了一定成效。

        4.1 物理保氮劑

        氮素的損失與堆肥中原料的性質和種類密切相關。因此,通過添加保氮劑改變堆肥物料的物理性質可以有效地減少氮素的損失。這些添加劑常具有多孔、比表面積大和吸附性強的特點,加入堆肥中能夠有效的調(diào)節(jié)堆肥的孔隙度,改善通風條件,促進有機物降解。此外,多孔的物質還有利于堆料中微生物的生長繁殖,大的比表面積可以保留更多的養(yǎng)分等作用[1]。吳飛龍等[33]研究發(fā)現(xiàn),當菌糠作為保氮劑添加于豬糞中能夠促進堆肥快速進入高溫期,且干物質的降解率和有機碳的損失率與菌糠的添加量成反比,當菌糠含量大于0.3%時,保氮效果明顯。于洪久等[34]研究表明,把糠醛渣作為保氮劑添加于雞糞堆肥中,可有效減少18.3%以上的氮素損失。藏冰等[35]研究發(fā)現(xiàn)向豬糞堆肥中添加鋸末、稻草和沸石等物質也能控制NH3的揮發(fā)損失。ZHANG等[36]研究也指出天然沸石通過其吸附能力吸收NH3可有效增加堆肥產(chǎn)品的氮含量達到保氮效果??梢姡砑游锢肀5獎┚哂幸欢ǖ谋5Ч?,但在復雜的堆肥過程中,這些措施盡管減少了氨揮發(fā)量,氮仍多以NH+4-N形態(tài)存在,始終存在揮發(fā)的風險。

        4.2 化學保氮劑

        化學保氮劑保氮的原理主要是通過改變堆肥中氮素的存在形式來達到保留氮素、提高產(chǎn)品氮含量的目的。主要方法有:(1)向堆肥中添加強氧化劑,如高錳酸鉀、次氯酸鹽等,通過它們的強氧化作用把NH3和NH+4-N強氧化為NO3-N,減少氨氣的揮發(fā)損失,達到固氮的目的;(2)利用化學物質的中和反應,調(diào)節(jié)物料的pH,減少氮的損失。如硫酸亞鐵、過磷酸鈣和稀硫酸等[37]。(3)利用有機化合物調(diào)節(jié)堆料的pH,這類物質有脲酶抑制劑脂類和烯醛等芳香物質[38]和濃縮味精廢液[6, 29]。目前研究較多的還是利用化學物質的中和反應進行調(diào)酸保氮。如,硫酸鋁可以水解釋放氫離子,在禽畜堆肥過程中添加硫酸鋁能夠減少高達99%的氨揮發(fā)損失[39];1.5%的磷酸添加量就可有效的調(diào)節(jié)雞糞堆肥pH,減少54%氨氣揮發(fā)損失[39];過磷酸鈣含有磷酸、硫酸等游離酸并有吸濕性,可通過調(diào)節(jié)堆肥物料pH值和含水率而減少氨氣揮發(fā),1.5%的過磷酸鈣就可減少豬糞堆肥中74%的氨揮發(fā)損失[40-41]。任麗梅等[42]發(fā)現(xiàn)在堆肥中加入一定量的氫氧化鎂和磷酸具有很好的保氮效果,且氮素的固定效果和磷酸與混合物的量成正比。胡明勇等[41]向豬糞稻草堆肥中分別添加了10%和15%的氯化鈣,與對照相比,氮素損失分別降低了51.57%和50.44%,除臭保氮效果明顯。史春梅等[40]向發(fā)現(xiàn)堆肥中加入磷酸二氫鉀和氯化鎂也能有效保留氮素。LIU等[7]研究指出濃縮味精廢液能夠調(diào)節(jié)堆肥物料pH,是一類理想的有機保氮劑??缀C竦萚43]在此研究上進一步指出,堆肥開始前向物料中添加適當比例的濃縮味精廢液比高溫期添加更有利于降低物料的pH、促進物料中銨氮的硝化,保氮效果更為明顯。

        然而,不管是物理保氮劑還是化學保氮劑,都必須達到足夠的添加量才能發(fā)揮對物料的調(diào)酸保氮作用[44]。據(jù)王秀娟[45]報道,雞糞堆肥時添加3%硫酸亞鐵、10%過磷酸鈣、9%草炭才能達到良好的保氮效果。然而,大量添加硫酸亞鐵、氫氧化鎂和沸石等保氮劑不僅增加了有機肥生產(chǎn)成本,而且由于稀釋效應使產(chǎn)品的養(yǎng)分含量降低。同時,大量添加磷酸或過磷酸鈣作為調(diào)酸保氮劑會造成堆肥產(chǎn)品的含磷量過高,進而導致有機肥的氮、磷、鉀三要素配比失衡,在實踐中也難以為堆肥生產(chǎn)企業(yè)所廣泛接受。

        4.3 生物保氮劑

        堆肥是在適當條件下由微生物調(diào)控的活性有機物轉化為穩(wěn)定腐殖質的過程,添加外源微生物、調(diào)節(jié)微生物結構是優(yōu)化堆肥過程的行之有效的方法[46]。目前,用于堆肥的生物保氮劑主要以固氮菌和纖維素分解菌為主。蒲一濤等[47]通過對篩選的自生固氮菌和纖維素分解菌進行混合培養(yǎng),接種于生活垃圾中發(fā)現(xiàn)混合培養(yǎng)的菌液能夠加速生活垃圾的降解,提高堆肥的含氮量。有研究指出,把篩選出的對粗纖維素分解能力強的菌株制成菌劑,按不同比例接種于二次發(fā)酵的堆肥中發(fā)現(xiàn),堆體溫度明顯提高、真菌和纖維素分解菌的數(shù)量增加,提高了堆體中腐殖質的含量,改善了堆肥的品質,具有一定的保氮效果[48]。石春芝等[49]在垃圾堆肥中接種自生固氮菌和纖維素分解菌也發(fā)現(xiàn),固氮菌能夠提高堆肥中氮的含量且纖維素分解菌對固氮菌的生長有一定協(xié)同效應。

        與物理和化學保氮劑相比,生物保氮劑不僅成本低、無二次污染,還能加速物料的腐熟度,促進畜禽糞中的有機物質分解,提高堆肥的品質,且微生物的加入或可進一步提高堆體溫度以快速高效殺滅物料中的病原菌和雜草種子而達到無害化的目的。在高溫堆肥中,氮以銨態(tài)氮形式揮發(fā)損失率極高,倘若生物保氮劑能在高溫條件下通過改變銨態(tài)氮形態(tài),從而將氮素保留在堆肥產(chǎn)品中,這將有效提高堆肥氮素含量和產(chǎn)品品質。

        5 總結與展望

        好氧高溫堆肥是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物減量化和無害化的有效途徑。在堆制過程中,氮極易以NH3的形式揮發(fā)損失,不僅污染環(huán)境,還易降低堆肥品質。因此在堆肥過程中如何有效控制氮素揮發(fā)損失仍是當前的研究重點,未來好氧高溫堆肥氮素損失及保氮過程仍需關注以下問題:

        在好氧高溫堆肥過程中加強過程控制的研究。綜合調(diào)節(jié)溫度、C/N、pH、等相關因素,使得堆肥成品的氮素損失足夠小。

        開展多學科交叉研究。微生物是堆肥中氮素轉化的驅動者,但目前并沒有專門關于微生物直接引起堆肥中氮素變化的相關性研究,今后應結合多學科交叉知識,利用傳統(tǒng)與現(xiàn)代分子生物技術,明確微生物種類及其對氮素轉化相關機理,對今后保氮具有指示作用。

        加強保氮劑方面研究。篩選高活性、高效率氨氧化細菌,改變氮素存在形態(tài),保證堆肥質量和品質。

        室內(nèi)轉向室外。目前,大多數(shù)好氧高溫堆肥都是室內(nèi)模擬試驗,大田試驗較少開展且堆體規(guī)模的大小直接影響著堆肥的品質。因此、探究以形成適合于本地的大規(guī)模堆肥生產(chǎn)應用的經(jīng)濟有效的保氮方法和技術是對保氮至關重要。

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