环境科学学报2011,(10)1754-1760
C/N比、通气速率、水分含量、氨气释放对堆肥过程中
温室气体排放的影响
Tao Jiang1,3, Frank Schuchardt2 , Guoxue Li1,lowast;, Rui Guo1 , Yuanqiu Zhao1
1. 中国农业大学资源与环境科学学院，北京100094，中国。电子邮件:runzejiang@yahoo.cn
2. 约翰·海因里希 Thuenen-Institute, 农业技术研究所和生物系统工程，德国布伦瑞克联邦大道5038116
3.化学和生物学系，乐山师范学院，614004 乐山，中国
2010年11月19日收到；2011年1月5日修订；2011年2月18日接受
摘要
堆肥过程中的气体排放(N2 O, CH4 and NH3 )是温室气体和空气污染的重要来源。 一个实验室从中国ganqinfen系统进行了正交试验来估计C/N，曝气速率和初始含水率对气体排放在猪的粪便堆肥中的影响。结果表明，约23.9%至45.6%的总有机碳以二氧化碳形式排放并且有0.8%到7.5%的TOC以CH4形式排放。大部分的氮以氨的形式失去，占初始氮的9.6%到32.4%。N2 O也是氮损失的一个重要方式，失去了最粗的总氮的1.5%到7.3%。统计分析表明，明显的影响NH3 ( p = 0.0189), CH4 ( p = 0.0113) and N2 O ( p = 0.0493)的排放的最重要的因素是曝气率。更高的曝气率能减少甲烷排放，但会增加NH3和N2O的损失。C/N可能会显著影响NH3 ( p = 0.0442) and CH4 ( p = 0.0246) 的排放,但是不会影响 N2 O.。低C/N会造成NH3和CH4更高的排放。初始水分含量不能显著影响气体的排放。大多数处理的时间都需要37天后，除了一些含水率高和低碳氮比的实验。
关键词： 猪粪便；堆肥化；甲烷；一氧化二氮；氨
DOI: 10.1016/S1001-0742(10)60591-8
引用: Jiang T, Schuchardt F, Li G X, Guo R, Zhao Y Q, 2011. C/N比、通气速率、水分含量、氨气释放对堆肥过程中
温室气体排放的影响。环境科学学报， 23(10)： 1754–1760
引言
甲烷(CH4 )和一氧化二氮 (N2 O) 都是重要的温室气体。根据国际气候变化专门委员会 (IPCC)的报告，在未来的一百年的发展中，全球变暖的趋势将会是CH4 和N2 O，将分别是二氧化碳的25倍和298倍(IPCC,2007). 直到2004年，CH4 和N2 O分别占全球人为温室气体排放的14.3% 和7.9% (IPCC, 2007).。农业已被确定为温室气体排放的主要原因之一，约13.5%的全球人为温室气体排放来自农业生产(IPCC, 2007)。 据估计80% N2O和40% CH4 的排放来自于农业生产活动(Thompson et al., 2004).。粪便管理是其中一个非常重要的来源之一，是造成三分之一农业N2 O (Mosier et al., 1998)和9% 生物甲烷 CH4 排放的原因(Steed and Hashimoto,1994)。
* Corresponding author. E-mail: ligx@cau.edu.cn
堆肥，是一项最适合处理禽畜粪便使其降解，破坏杂草种子，提供足够的卫生效果并且产生有价值的终端产品的技术。以其廉价的成本和简单的技术，堆肥被广泛使用，尤其是在发展中国家。例如，在中国每年都有超过1700万吨堆肥生产成有机肥，并且在市政固废和污泥处理领域，堆肥的比例迅速增加(Li et al., 2003)。但是堆肥所产生的有害气体的排放造成了严重的环境问题。作为硝化和反硝化作用的结果，大约有 0.02% —9.9% 的总氮(TN)以N2 O的形式排放；并且造成的缺氧环境使得0.1%—12.6% 的总有机碳(TOC) 以CH4的形式排放(Beck-Friis et al., 2001; Osada et al., 2001; Zeman et al., 2002; Fukumoto et al., 2003; Hao et al., 2004; Wolter et al., 2004; Szanto et al., 2007)。
现在国际上越来越关注堆肥温室气体的排放工作(Beck-Friis et al., 2000; Thompson et al., 2004; Brown et al., 2008)，尤其是料堆系统。据报道粪便转向的频繁,紧密的作用，大量的积累都会影响温室气体的排放(Beck-Friis et al.,2001; Fukumoto et al., 2003; Yamulki, 2006; El Kader et al., 2007)。 但是对于强制曝气系统，广泛应用在中国的几乎没有报道。本文的目的是研究在玉米秸秆堆肥强制曝气系统中C/N，曝气速率和水分对温室气体排放的影响。
1材料与方法
1.1 原材料和实验装置
猪的粪便收集来自于周春生养猪场(Shujiatuo Town, Beijing, China)。在这个农场Ganqinfen系统(Schuchardt et al., 2009) 适用于粪便收集(单独收集粪便的混凝土楼板在尿液冲洗水)。猪的粪便都收集在实验开始的第三天。从中国农业大学Shangzhuang站将切碎的玉米秆作为填充剂和碳源。原材料的特点如表1所示。
一系列60-L堆肥容器（图1）是本研究中使用模拟强制曝气系统。容器是由C-LGX程序控制的。
表1 原材料特性
这个项目下曝气可以由内部事件和温度自动控制，本研究使用间歇曝气（启动25分钟，停止5分钟）。容器的温度由系统记录。
1.2 试验设计
一个正交试验L9 (34 ) 旨在研究堆肥过程中含水率、曝气率和C/N对温室气体排放的影响(表2)。
猪的粪便和秸秆以最初的不同比率的C/N 15, 18 和21混合。这个旨在估计堆肥在低C/N，从而可以节省玉米秆的需求。不同数量的水以65%, 70% 和75%的比例添加进去调整水分的含量。.根据研究de Guardia et al. (2010) and Gao et al. (2008) 表明曝气速率是取决于0.24—0.72 L/(kg dm·min) 来模拟曝气在低、中、高水平的速率 。
实验时间为2009年6月12日至7月19日，共37天。桩在第3、7、15和24天。采样的时间实在桩的期间和37天后。样品的一部分需要风干，
表2 实验设计
序号 Moisture Aeration ratea C/N For content (%) (L/kg dm·min) ratio error
1 65 0.24 15 1
2 65 0.48 18 2
3 65 0.72 21 3
TOC TKN Ammonium Moisture C/N
(g/kg)a (g/kg)a (g/kg)a content (%) ratio
猪粪 362 27.4 1.1(0.01) 71.2 13.2
玉米秆 419 10.1 – 8.9 41.5
TOC: 总有机碳; TKN: 总凯氏氮.
a 基于干物质(dm).
4 70 0.24 18 3
5 70 0.48 21 1
6 70 0.72 15 2
7 75 0.24 21 2
8 75 0.48 15 3
9 75 0.72 18 1
a 曝气25分钟，停止5分钟。
NH3
Waste air
H3BO3
QI
Vol
Waste air
Air
TIR
2
GC
GC GC GC
H
PI FI
1 1
TIR
1
CO2
N2O CH4 O2
Condensate
Gas sample Leakage water
图 1 堆肥容器示意图
斩碎后通过1 mm的筛网； 另一部分于4℃储藏。
水分含量:
ƹ 65%
Ƹ 70%
○ 75%
1.3 分析方法和统计分析
TKN、TOC、pH的测定取决于中国国家标准 (NY 525-2002)。通过合理的真正的内容是由干燥的样品在105°C 烘干直到恒重 (Thompson et al.,2002)。无机氮(NH4 -N, NO3 minus;-N, NO2 minus;-N)被提取 2 mol/L KCl (10:1, V /m)，然后 ana-lyzed仪自动分析 (自动分析仪 3， 密封， 德国)。发芽指数(GI)的测量是根据Tiquia和Tam (2000)。 通过气相色谱仪分析了CH4 和 N2O(3420A, Beifen, China)。N2O用ex-电子捕获检测器(ECD)胺检测， 使用毛细管柱连接，并用 He作为载气。分析温度：检测器280°C，注射器 120°C，柱温80°C。甲烷检测火焰离子化检测器(FID)用填充柱连接，载气为 N2 ，检测器分析温度200°C，注射器 120°C，柱温80°C。NH3 根据Ren et al.（2010）通过洗涤瓶测量。SAS (分析统计系统)使用windows 8.2 进行方差分析。
Temperature (ć)
曝气率
(L/(kg dm.min)):
80
60
40
20
80
60
40
20
80
60
40
20
0.24 0.48 0.72
C/N 21
No. 3
No. 5
No. 7
C/N 18
No. 2
No. 4
No. 9
C/N 15
No. 1
No. 6
No. 8
2 结果与讨论
2.1 温度与氧含量
当实验开始时中高度抱起处理的温度迅速的增加 (图 2)，在第二天最高温度达到(70—75°C)，因此造成了短嗜中温阶段。高温阶段的处理都要足够长的时间来满足中国国家标准(GB 7989-87)对卫生的影响需求。 试验与低曝气率缓慢退化是较长的高温阶段的结果。在21天时应在低曝气处理增加温度转向。 Hellmann et al. (1997) 和Osada et al. (2001) 在料堆系统中发现相同的结果，并且与真菌的生长有关。 中高处理的温度上升是在转换之后。这些温度的上升造成了部分材料的退化使其从厌氧区域转移到有氧的地区。
在出口的氧含量通过曝气速率是不同的。低曝气速率系列下的氧含量最先会降低至0—5.0%，并持续减少在这个水平大约2周左右。第三周以后，所有处理的氧含量都高于16%。在第一个5天时，中级曝气处理的出口氧含量在10%—12%之间，并且在第一周结束时超过16%， 这似乎是氧含量满意堆肥的收益。高级曝气处理的最初的出口氧含量会高于16%，并且维持在这个水平大约两周，在这之后氧含量接近20%。这表明在前两周碳化合物易被降解。
0 7 14 21 28 35
Time (day)
图2 温度曲线. 1–9 号参考表 2
2.2 化学性质
表3显示了堆肥材料的初始和最终的作
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