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不同C N比堆肥碳素物质变化规律研究
摘要:针对堆肥化过程中常伴有少量CH4等温室气体排放造成环境污染等问题,采用密闭堆肥化装置,进行了不同碳氮比和通气条件下,堆肥过程中的气体释放规律、影响因子及其对堆肥理化性质的影响研究。结果表明,C/N=25、30堆肥处理的有机物降解率高于低碳氮比处理;全氮含量随着有机物的降解而浓缩,随着堆肥的进行而不断提高,到堆肥结束时,C/N=15、20、、24、 g·kg- g·kg-1;堆肥过程中,C/N=15、20、、、·kg- g·kg-1,%、%、%%,并且CH4气体的排放主要集中在高温前期,高温期越长,排放的温室气体越多。高温期适当增大通气量,对于控制堆肥温度和减少温室气体生成有双重作用。
关键词:好氧堆肥;C/N比;碳素物质;甲烷
随着有机废弃物产量的增多,其处理过程中的臭气及其温室气体的排放量也大大增加,由此导致的二次污染和全球气候变化问题非常严峻,其中农业源温室气体排放是引起全球变暖的一个非常重要的组成部分。近年来,堆肥过程中的温室气体排放问题引起了越来越高的关注。国外关于此类研究报道日渐增多,国内关于堆肥温室气体研究的报道还很少[1-2]。谢军飞和李玉娥研究了猪粪堆肥的温室气体排放。他们认为,在相同条件下,二氧化碳的排放与猪粪内部的氧气状况密切相关,通风良好则排放量就大,而甲烷恰相反。甲烷的排放通量数值较少,这与猪粪内部的氧气含量有很大关系[1]。影响堆肥温室气体排放的因素很多,其中,堆肥物料种类及其属性对于温室气体的产生有很大的影响,物料中可溶性有机碳含量越高,温室气体排放量越大[3]。任顺荣等的研究认为,CO2、NH3的产生量与堆腐材料的C/N有关,C/N低的猪、鸡排泄物在堆腐过程中有CH4产生[2]。为了进一步探讨碳氮比对温室气体排放的影响,本文拟通过猪粪和秸秆堆肥试验来获取堆肥温室气体排放数据,分析气体排放的规律,为猪粪温室气体排放控制提供理论依据和参考。
1材料与方法
供试猪粪取自北京市海淀区苏家坨养猪场,秸秆取自河北省衡水地区,经过粉碎机切割为5 cm左右的小段秸秆,其基本性状见表1。
以猪粪作为堆肥化氮源,以粉碎5 cm长的秸秆为碳源,设置4个处理,用尿素调节C/N比分别为15、20、25、30,按含水率60%进行配比,均匀混合,添加到密闭堆肥化装置中进行高温好氧堆肥,采用机械强制通风, m3·min-1·m-3,通风30 min,停止30 min。
密闭堆肥化装置是由不锈钢制成的双层圆桶状结构,顶部密封,高度为70 cm,外直径为46 cm,罐壁厚5 cm,见图1。
堆制期间,利用温度反馈自动控制系统每半小时自动记录堆体温度,并于0、3、8、11、14、17、21、26、29d取固体样100~300 g。样品分成两份,一份为鲜样储存4℃冰箱中待用,另一份在105℃下烘干测定水分,粉碎留做干样待用。
每日释放的氨气用装有2%硼酸的吸收瓶吸收;温室气体每日取样,取样时间为上午10:00—10:30,取样时将医用注射器从堆肥罐顶部活塞处深入堆体上部空间迅速采样,采完后立即使用锡箔纸密封,用GC-9900气相色谱仪测定其含量。
温室气体的通量表示单位时间单位面积气体质量的变化。本密闭式堆肥发酵系统结构类似动态箱,故可用动态箱法来计算通量。根据气体不可压缩原理和物质守恒定律,在此系统中,待测气体排放通量可由下式确定[4]:
C2Q入ρ+FA=C1Q出ρ(1)
F=(C1-C2)Qρ/A (2)
式中:Q=Q入=Q出为流经箱体的气体流量,m3·d-1;A为箱的底面积,m2;C1,C2分别是出口和入口处所流出的气体浓度,g·m-3;ρ为空气密度,g·m-3;F为待测的气体排放通量,g·m-·2d-1。
(1)堆肥温度:温度自动监测系统。
(2)含水率:烘干法。
(3)pH值、EC、GI:用水浸提鲜样,固液比为1∶10,过滤后滤液保存于4℃冰箱中待测。pH值用S-3C型pH计,EC用DDS-11A型电导率仪。取上述浸提液8 mL于垫有滤纸的培养皿中,然后取10粒水萝卜种子,放置在(20±1)℃的培养箱中培养,分别在24h和96 h测定发芽率,用发芽率指数G(IGerminationIndex)来评价堆肥的毒性。GI由下式确定:
G(I%)=(浸提液种子发芽率×根长)×100(/对照种子发芽率
×根长)
(4)NH+4-N、NO-3-N:用1 mol