1.2 試驗裝置和運行參數
試驗采用密閉式強制通風好氧箱式發酵，共設置 3 個堆肥箱，堆肥箱體有效體積為 0.95m3，尺寸為 1m×1m×1m，主體結構采用 1cm 厚聚氯乙烯（PVC）板，采用 5cm 聚乙烯作為保溫層（圖 1），間歇式通風，每通風 10min 停止 30min，通風率為60L·min-1·m-3[20-22]，進氣通過篩板進入箱體并實現均勻布氣，發酵周期為 31d，僅在第 21 天進行了翻堆，在試驗第 18 天出現連續 26h 停電，造成風機和檢測裝置 Innova1312 停止運行。




1.3 采樣與分析
1.3.1 氣體排放通量使用 Innova1312 實時監測 3 個箱體排放的混合氣體中 NH3、N2O、CH4 和 CO2 的濃度。Innova1312使用前采用標準氣體 NH3、N2O、CH4、CO2（中國計量科學研究院提供）進行標定，每個采樣點每隔2min 采 1 次樣，重復測定 5 次，取最后 1 次讀數進行計算，24h 連續測定。根據進氣口和出氣口濃度、通風量和堆體的初始質量，計算單位初始物料的氣體排放通量，計算式為


式中，ERj表示單位質量（濕重）初始物料排放第 j 種氣體的排放速率（mg·kg-1·h-1），j=1、2、3、4，分別表示 NH3、N2O、CH4、CO2，Co,j和 Ci,j分別表示堆肥箱排氣口和進氣口處所測第 j 種氣體的濃度（mg·m-3），Qair表示堆肥箱的通風率（m3·h-1），m 表示堆體原料的質量（kg）

1.3.2 日平均溫度堆肥箱內和環境溫度采用溫度自動采集器（HOBO Pro V2 U23-003）進行測定，溫度探頭放在堆肥箱體中軸處 50cm 左右的深度，記錄間隔為 1h，日平均溫度為 24h 的平均值。

1.3.3 堆肥物料特性分別在堆肥第 1、5、9、12、15、20、22、26、31 天時，從堆肥箱體上、中、下 3 層取等量樣品，均勻混合后送農業部畜禽環境設施設備質檢中心進行檢測，測定含水率、pH、總碳和總氮等指標。含水率采用烘箱干燥法測定；pH 采用便攜式 pH 計法；總氮采用杜馬斯燃燒法。

1.3.4 C、N 損失




式中，碳損失（μC,i）為不同形式碳損失相對于物料初始總碳質量分數所占的比例，μC,i 表示堆肥過程中第 i 種氣體排放的 C 損失率，i=1 和 2，分別表示 CH4 和 CO2；mC,i 表示每千克初始原料第 i 種氣體累計排放的 C 量（g·kg-1）；MTC 表示每千克初始原料中總 C 含量（g·kg-1）。


式中，氮損失（μN,i）為不同形式氮損失相對于物料初始總氮質量分數所占的比例，μN,i 表示堆肥過程中第 i 種氣體排放的 N 損失率，i=1 和 2，分別表示 NH3 和 N2O；mN,i 表示每千克初始原料第 i 種氣體累計排放的 N 含量（g·kg-1）；MTN 表示每千克初始原料中總 N 含量（g·kg-1）。

1.4 數據處理與分析
數據統計和分析利用 SPSS statistics 20 和 Excel 2016，繪圖利用 Sigma Plot 12.5 軟件完成。

2.結果與分析

2.1 豬糞堆肥過程中溫度的變化
由圖 2 可見，試驗期間（2015 年 10 月 18 日-11月 21 日）堆肥箱外環境氣溫在 10℃上下，最高13.76℃，最低 3.74℃。箱體內日平均溫度從第 1 天開始就遠高于箱外，達 30.93℃；隨后大幅升高，至第 4 天已超過 50℃，并保持高溫較長時間；第 21 天翻堆時溫度略有下降，隨后繼續升高，最高時達到70℃。在整個堆肥 31d 過程中，溫度持續超過 50℃的天數達 18d，符合糞便無害化衛生要求（GB 7959-2012）中人工堆肥≥50℃至少持續 10d[23]和畜禽糞便無害化處理技術規范（NY/T1168-2006）中密閉式堆肥保持發酵溫度≥50℃不少于 7d[24]的要求。




2.2 豬糞堆肥過程中物料特性的變化
由圖 3a 可見，試驗過程中堆體 pH 整體呈現增長的趨勢，從堆肥開始的 7.1 左右，經過 31d 的好氧發酵達到 8.0 左右，滿足《有機肥料》（NY 525-2012）標準中 pH 應在 5.5～8.5 的要求。堆肥物料 pH 在6.7～9.0 范圍內，堆肥過程中的微生物具有較高的活性[25]，但相關研究表明，pH 不是影響堆肥微生物活性的主要因素，幾乎所有物料的 pH 都在這個范圍內[25]。堆體含水率變化如圖 3b 所示，水分是堆肥內微生物生長繁殖的環境條件，又是物質交換的媒介[26]，在堆肥過程中具有重要的作用，在整個堆肥過程中呈現下降趨勢，但在未補充水分的條件下，試驗結束時堆肥物料的含水率仍在 52%左右，在微生物生長適宜的含水率（50%～60%）范圍內。




TC 在整個堆肥過程中呈現下降趨勢，試驗結束時堆肥物料的 TC 比初始值下降了 10.9%，有機物的降解產生的揮發性含碳氣體是造成碳損失的主要原因。堆肥過程中雖然NH3和N2O 等氣體的揮發造成氮含量的損失，但 TN 量出現了升高的趨勢，堆肥結束時，TN含量達 3.1%，與尚斌等的研究[22,26-27]具有相似的結論，主要是由于干物質下降的幅度超過 TN 下降的幅度，造成 TN 相對含量出現增加（如圖 3c、d）。
2.3 豬糞堆肥過程中氣體排放規律
2.3.1 NH3排放NH3是好氧發酵過程中主要揮發性物質之一，NH3排放不僅造成環境污染，還會造成氮流失。由圖 4 可見，試驗期間 NH3的日均排放量在 16.8～164.1mg·kg-1（排放濃度在 116.5～1137mg·m-3），排放主要集中在堆肥第 1 周和翻堆后。在堆肥第 2 天 NH3排放迅速升高，隨后緩慢下降；在翻堆前，NH3 濃度出現緩慢下降，是由于底部堆肥產生的 NH3 受到抑制，直到在翻堆作用下物料的重新分配[28]。NH3排放峰值出現在第 21 天翻堆后，達到 1137mg·m-3，遠遠超過《惡臭污染物排放標準》（GB 14554-93）[20]三級排放標準中 5.0mg·m-3的要求，高達其 227 倍。在整個堆肥過程中，每千克初始堆肥混合料的 NH3排放為 2265.48mg。




2.3.2 N2O 排放堆肥過程中銨態氮的硝化與硝態氮的反硝化過程均有可能產生 N2O，圖 5 為 N2O 日均排放量和累計排放量，由圖可見，堆肥前期 N2O 的排放相對較穩定，后期出現較大的波動。N2O 日均排放濃度范圍在 8.7～33.3.7mg·m-3，并且排放峰值出現在翻堆后，達 33.37mg·m-3 ，隨后迅速下降，翻堆后 N2O達到峰值可能是由于有氧條件下產生的硝酸鹽，進入厭氧區域或微氧環境后，通過反硝化作用產生N2O，翻堆能夠顯著增加 N2O 的釋放，本試驗 N2O排放在第 18 天時出現了短暫的上升，并保持 2d 較高的排放濃度，隨后恢復到之前水平，可能與堆肥第 18 天時出現的連續 26h 停電有關，但其出現短暫上升的機理需要進一步深入研究。N2O 的累計排放量如圖 5 所示，在整個堆肥過程中，每千克初始堆肥混合料的 N2O 排放為 66.83mg。




2.3.3 CH4排放堆肥過程中 CH4 排放變化規律如圖 6 所示，由圖可見，堆肥初期 CH4 排放濃度較高，中后期較低。CH4 排放的高濃度出現在堆肥后的前 2d，隨后迅速下降，CH4 濃度保持 40mg·m-3 左右持續10d，但在堆肥的第 18 天時，主要是由于出現超過 26h 的停電，氧氣供應不足，造成 CH4 排放增加，濃度達到 110mg·m-3。第 21 天翻堆后 CH4 濃度出現了小幅增長，主要是由于翻堆作用下，堆體內的 CH4 得以釋放。堆肥后期幾乎不產生 CH4，主要是由于有機物的大量減少，且隨著堆肥物料含水量的下降，厭氧區域減少。圖 6 表明，在整個堆肥過程中，每千克初始堆肥混合料的 CH4 累計排放量為 237.36mg。




2.3.4 CO2排放CO2 排放主要集中在堆肥的開始階段和翻堆后，CO2 的釋放速度表征了有機物的降解率和微生物活性[14]，CO2排放規律與溫度具有相似的變化規律。在試驗過程中，CO2的排放濃度為 15.58～46.83mg·m-3。CO2 排放峰值在堆肥翻堆后，濃度高達 46.83g·m-3，隨后迅速下降，翻堆能夠顯著促進 CO2 的排放，與Zhu 等[28,30-31]具有相似的結論。CO2 的累計排放量如圖 7 所示，在整個堆肥過程中，每千克初始堆肥混合料的 CO2的累計排放量為 135.72g。




根據 IPCC 第五次評估報告[32]，按 100a 尺度計算，CH4 和 N2O 的全球增溫潛勢（GWP）分別是 28和 256，將 CH4 和 N2O 轉化成二氧化碳當量（CO2-eq），計算出堆肥過程中溫室氣體排放如表 2和表 3 所示，考慮和不考慮 CO2 排放時的每千克初始原料的溫室氣體（CO2-eq）排放總量分別為 159.48和 23.75g。考慮 CO2 時，CO2、CH4 和 N2O 累計排放分別占溫室氣體（CO2-eq）排放的 85.10%、4.17%和 10.73%。如果不考慮 CO2，溫室氣體的排放以 N2O為主，N2O 和CH4的貢獻率分別為 72.02%和27.98%。NH3 的排放主要集中在第 1 周和翻堆后，分別占總排放的 31.09%和 36.15%，NH3 揮發的氮素損失分別占初始 TN 的 7.40%和 8.61%；堆肥后期 N2O 排放占總排放的 39.14%，以 N2O 形式揮發的氮素占初始總氮的 0.21%；CH4 排放各個階段差異性不大，第 3 周排放最高，占總排放的 30.32%，占初始總碳的 0.05%。可見，在本試驗中 NH3-N 是主要的氮損失來源，占初始 TN 的 23.81%，CO2-C 是主要的碳損失來源，占初始 TC 的 35.83%。氣體累計排放量變化規律與物料特性相關性分析如表 4 所示。由表可見，物料 pH 值與氣體累計排放呈現良好的正相關（P＜0.01），相關系數都在 0.9以上；含水率與氣體累計排放量呈現良好的負相關（P＜0.01），除了對 NH3 的相關系數小于 0.9，其余均在 0.9 以上；C/N 與氣體排放呈現良好的負相關（P＜0.01），相關系數均在 0.9 以上。





3.結論與討論

本試驗以豬糞和秸稈為發酵原料，經過 31d 好氧發酵，堆肥發酵溫度超過 50℃的持續天數均在 10d以上，滿足現行相關標準的無害化衛生要求；NH3排放濃度與溫度變化規律具有一定的相似性，NH3排放主要集中在堆肥高溫期（堆肥第 1 周和翻堆后），這與 Zhu 等[28,32]研究具有相似的結論；N2O 排放主要集中在堆肥后期，翻堆后 N2O 達到峰值可能是由于有氧條件下產生的硝酸鹽，進入厭氧區域或微氧環境后，通過反硝化作用產生 N2O，翻堆能夠顯著增加 N2O 的釋放，與 Ahn 等[30,33]具有相似的結論。Ahn 等[30]認為牛糞堆肥翻堆 N2O 排放是不翻堆處理的 3.5 倍，但是 Zhu 等[28]認為 N2O 排放在堆肥早期，翻堆不會對 N2O 濃度造成影響，江滔等[17]也認為N2O 排放與溫度變化趨勢相同，在堆肥的初期達到高峰，翻堆對 N2O 排放影響出現不同的研究結論，可能是由于試驗原料、運行控制條件和堆肥方式等對氣體的產生和排放的影響。本研究 CH4 的排放主要集中在第 3 周，可能是由于第 18 天出現了超過 26h的停電造成的，由于氧氣不足造成 CH4 排放增加，但后期幾乎不產生 CH4，主要是由于有機物的大量減少，且隨著堆肥物料含水量的下降，厭氧區域減少。CH4 產生于厭氧條件下，在厭氧區域減至消失時，標志著堆肥的成熟[34]。 在整個堆肥過程中，每千克初始原料的 NH3、N2O、CO2 和 CH4 的累計排放分別為 2.27、0.07、135.72、0.24g，并且堆肥過程中氣體累計排放量與物料 pH 呈現良好的正相關（P＜0.01），與含水率和C/N 呈負相關（P＜0.01）。其中 NH3 和 N2O 損失的氮占初始原料 TN 的 23.81%和 0.54%，CH4 和 CO2形式損失的碳占初始原料 TC 的 0.17%和 35.83%。整個堆肥過程中以 NH3 形式損失與 Osada 等[35]在豬糞堆肥過程中初始原料中 10%～25%的氮是以 NH3 的排放而損失具有相似的結論；Beck-Friis 等[36]認為，生活垃圾和麥稈堆肥過程中大于 98%的氮損失是以NH3 的形式釋放，可以通過調節 C/N，以減少 NH3的排放，或減少翻堆的頻率和添加覆蓋材料均可較好地實現減少 NH3 的釋放[19]；Boucher 等[37]通過添加 FeCl3 降低污泥堆肥過程中 NH3 的排放。本研究以CH4 形式損失的碳占原料總碳低于 Hao 等[31]牛糞堆肥過程中的 CH4 形式損失的 2%～3%，主要是由于原料的 C/N 不同和堆肥工藝的差異性。相關研究表明，增加孔隙率和曝氣量可以減少 CH4 的排放[13]，對于 CH4 的控制應集中在堆肥前期[16,38]。 綜上所述，在本研究工藝條件下，經過 31d 好氧發酵，滿足現行相關標準的無害化衛生要求，在整個堆肥過程中，每千克初始原料的 NH3、考慮和不考慮 CO2 的溫室氣體（CO2-eq）的累計排放分別為 2.27、159.48 和 23.75g。建議對豬糞堆肥過程中NH3 排放的控制集中在堆肥第 1 周和翻堆后，GHG減排應重點關注堆肥后期 N2O 的排放。