添加剂对堆肥温室气体排放和碳素转化的影响

该文针对好氧堆肥过程中的二次污染以及堆肥产品质量问题，以牛粪和小麦秸秆为堆肥材料，采用密闭式强制通风系统进行好氧堆肥试验，探究了添加过磷酸钙（SP）和硫酸（AS,20%V/V）对牛粪-小麦秸秆好氧堆肥时期温室气体排放和碳素转化的影响。研究结果表明，硫酸的添加对堆肥升温过程产生一定的影响，延长了堆体进入高温期所需的时间；添加过磷酸钙和硫酸实现了堆肥温室气体的减排，其中以硫酸添加剂减排效果最佳。加入添加剂后显著减少了好氧堆肥碳素的损失，不同的是相较于过磷酸钙的添加，硫酸添加剂能够显著减少好氧堆肥以气体形式损失的碳素量；添加剂的加入促进了堆肥可溶性碳以及胡敏酸的生成与积累。结构方程模型结果表明，富里酸与胡敏酸之间存在一定的转化关系，而相较于硫酸的添加，添加过磷酸钙更有利于富里酸向胡敏酸的转化；与对照相比，添加过磷酸钙能够显著促进好氧堆肥木质素、纤维素和半纤维素的降解，而硫酸添加剂显著抑制了木质纤维素的降解。添加过磷酸钙和硫酸均能提高堆肥产品腐熟度，并且其中以添加过磷酸钙后的堆肥产品质量最佳。     

酸性物质对猪粪秸秆堆肥过程中氮素转化的影响

了解不同酸性物质对堆肥过程中氮素转化和NH_3排放的影响,是筛选保氮添加剂的重要环节,对于堆肥中氮素控制具有重要意义.以新鲜猪粪和小麦秸秆为堆肥原料,磷肥、腐烂苹果和食用醋为添加剂,在实验室进行40 d的静态高温堆肥试验,研究堆肥过程中温度、pH、EC、GI、氮素化合物和TOC含量的变化特征.结果表明,CK、P、A和V这4个处理高温期(50℃)均持续了10 d以上,达到高温堆肥化卫生标准.添加磷肥延缓了堆体进入高温期的时间,降低了堆体的pH值,使整个过程的EC值保持较高水平.各处理氮素损失分别为53.1%、36.2%、46.5%和41.5%,主要集中在0~16 d之间,而P和V处理在16~24 d之间仍有20%左右的氮素损失.其中NH_3-N损失占氮素损失的26.0%、11.8%、21.5%和20.2%.添加酸性物质有效降低了堆肥的氮素和NH_3-N损失,其中以添加磷肥效果最好.堆肥结束时,各处理GI均达到80%以上,达到了腐熟的要求.     

超高温预处理对猪粪堆肥过程碳氮素转化与损失的影响

以猪粪、砻糠为原料,利用自行设计的超高温预处理装置,开展了为期56d的模拟堆肥试验,比较了超高温预处理好氧堆肥（HPC）和常规高温好氧堆肥（CK）过程中碳、氮素转化及损失.结果表明,CK有机质最大降解度（42.58%）比HPC堆体（49.29%）小,但降解速率常数（0.1d^-1）高于HPC（0.07d^-1）,两种堆肥工艺碳素降解率差异不显著.HPC堆体NH₄⁺-N、TN质量分数平均比CK高143.9%、11.2%,而NO₃^--N质量分数则比CK低58.8%.HPC堆肥后期胡敏酸含量及腐殖质聚合程度分别比CK高45.2%~56.8%、59.1%~65.3%.在预处理阶段以及后续堆肥阶段,HPC、CK有机碳损失率分别为48%、51%,氮损失率分别为18%、27%.说明超高温预处理不仅有利于堆肥过程的保氮,而且促进富里酸向胡敏酸的转化,提高了堆肥产品腐殖化水平.     

蓝藻好氧堆肥及其氮素损失控制的研究

选取锯木屑和药渣作为调理剂并分别添加酸化沸石、过磷酸钙和氢氧化镁与磷酸的混合液作为氮素固定剂或损失抑制剂,研究了蓝藻堆肥的效果.结果表明,V(蓝藻)∶V(锯木屑)∶V(药渣)=1∶1∶1时极易发酵.添加氮素固定剂在堆肥前期能促进发酵,特别是添加过磷酸钙的处理最高温度达66.8℃.固定剂的添加能促进物料的降解,尤其添加过磷酸钙的促进作用比较明显;各氮素固定剂在蓝藻堆肥过程中都起到了抑制氮素损失的作用,其中过磷酸钙和Mg(OH)2与H3PO4混合液对氮素的固定率达50%以上,且对氨氮的固定效果较好.堆肥结束后,添加过磷酸钙和Mg(OH)2与H3PO4混合液的两处理氨氮比堆肥起初分别增加23.52%和28.06%,P素分别增加了67.56%和36%.随着堆肥的进行,各处理堆肥物料中N、P、K含量均明显升高,C/N比显著下降,发芽指数增加到75%以上,而且添加氮素固定剂的处理效果更为明显.可见采用高温堆肥和氮素固定技术可有效实现蓝藻的资源化利用.     

生物炭添加对猪粪堆肥过程碳素转化与损失的影响

堆肥是最合适的处理农业废弃物的技术之一,但在堆肥过程中,碳素的损失及温室气体的大量排放引起越来越多的关注.因此,如何减少堆肥过程中碳素损失成为堆肥面临的重要问题.本研究以猪粪等为原料,利用强制通风反应箱研究了生物炭添加对堆肥过程中碳素转化及碳素损失的影响.结果表明,在堆肥过程中总有机碳呈下降趋势,添加生物炭处理的总有机碳含量提高了6.69%~20.60%;可溶性有机碳的变化规律与总有机碳相似.腐殖质碳含量呈先下降后上升的变化趋势,添加生物炭处理的腐殖质碳含量下降了0.39%~14.97%;腐殖化系数(胡敏酸/富里酸)与生物炭添加量成正比,说明生物炭添加有利于堆肥的腐熟.至堆肥结束,堆料干物质失重率为23.51%~30.91%,碳素损失率为20.71%~28.85%,添加3%生物炭的处理干物质失重率与碳损失率均最高,添加9%生物炭处理均最低.     

调理剂在鸡粪锯末堆肥中的保氮效果

在自动高温堆肥装置中,进行了4种调理剂对鸡粪锯末高温堆肥中的保氮效果实验,分析了堆肥化不同时期各处理中的堆温、pH值、水溶性氨氮、水溶性有机氮、全氮和有机碳的变化.结果表明,几种调理剂的加人对高温堆肥的堆温、pH值、水溶性氨氮、水溶性有机氮、TN和OC指标都有影响.都可降低堆肥过程氮素的损失;对OC的分解都有一定的促进作用.特别是同时添加草炭和过磷酸钙使堆肥高温期延长了5d,使堆制初期和高温期的pH值分别降低了0.89pH单位和0.44pH单位,使OC的降解率增加了60.7%,且使堆制过程中氮素的损失率下降了65.1%,有明显的保氮效果;而单加草炭或过磷酸钙效果次之;加沸石效果不明显.     

土霉素和磺胺二甲嘧啶对堆肥过程中酶活性及微生物群落功能多样性的影响

为了探讨抗生素对堆肥过程中酶活性及微生物群落功能多样性的影响,将添加土霉素(OTC)和磺胺二甲嘧啶(SM_2)的猪粪与小麦秸秆进行好氧堆肥发酵试验.试验设置3个处理,分别为CK处理(不添加抗生素)、L处理(10 mg·kg~(-1)OTC+1 mg·kg~(-1)SM_2)、H处理(140 mg·kg~(-1)OTC+30 mg·kg~(-1)SM_2).结果表明,各处理堆体温度在55℃及以上持续了4 d,发芽指数大于85%,均达到了腐熟标准;堆肥35 d后,L和H处理中OTC残留率分别为2.8%和4.2%,SM_2均未检出;抗生素降解符合一级动力学方程,半衰期为0.56~1.24 d.H处理对堆肥过程中脱氢酶活性呈先抑制后促进的作用,而对脲酶活性则在堆肥后期表现出显著抑制作用.Biolog数据表明,在堆肥腐熟期H处理AWCD值、Shannon指数和Simpson指数显著大于CK;主成分分析得出,H处理改变了堆肥过程中微生物群落结构,起分异作用的碳源主要为糖类、羧酸类及氨基酸类.综上所述,添加OTC和SM_2对堆肥过程中酶活性和微生物群落功能多样性有显著影响,且经堆肥处理后SM_2被完全降解,而OTC仅有少量残留,说明好氧堆肥是一种快速有效去除抗生素的方法.     

生物表面活性剂在农业废物好氧堆肥中的应用

以稻草秸秆和麸皮为堆肥原料,本实验室制取的鼠李糖脂为促进剂,进行了控温条件下堆肥一次发酵的实验研究.堆肥采用好氧静态堆肥技术,含水率控制在60%～70%,通气量采用时间控制方式,发酵周期18d.实验分析了堆肥过程中有机质、pH值、水溶性有机碳、微生物种群密度、半纤维素酶活、羧甲基纤维素酶活、半纤维素和纤维素含量等指标随时间的变化特征.实验结果表明,堆肥过程中,实验组的有机质降解率比对照样高13.4%,水溶性有机碳的平均含量提高了2.2g/kg,同时半纤维素和纤维素的降解率分别增加了5.7%、10.7%.研究表明,添加鼠李糖脂能够改善堆肥处理的微环境,增强聚合物的水合程度,促进有机质降解,从而加快堆肥进程,提高堆肥产品品质.     

不同用量竹炭对污泥堆肥过程温室气体排放的影响

采用城市污泥为堆肥基质,设置4个堆肥处理,分别为添加2.5%竹炭(S1,占污泥的质量分数)、添加5%竹炭(S2)、添加10%竹炭(S3)和未添加竹碳(CK),研究城市污泥堆肥过程中温室气体的动态变化特征及添加不同用量竹炭的影响.结果表明,CH_4排放主要在升温期和高温前期,占排放总量的99.01%~99.81%.当竹炭添加量低于5%时,CH_4排放量随添加量的增加而减少;竹炭添加量高于5%时,其排放量又明显增加.CO_2排放集中在升温期和高温期,占排放总量的75.65%~86.58%;添加竹炭可减少3.37%~13.48%的CO_2排放,但处理间不存在显著差异(P0.05).N_2O排放集中在升温期和降温腐熟期,添加竹炭能减少16.37%~41.52%的N_2O排放,竹炭添加量越多,减排效果越好(P0.05).S1、S2和S3处理CO_2排放当量(以干污泥计)分别为37.57、35.10和35.44 kg·t~(-1),比CK处理减少了14.81%~20.41%.添加竹炭能降低污泥堆肥温室气体排放,其中,以S2处理的减排效果较为显著.     

堆肥嗜热纤维素分解菌的筛选鉴定及其强化堆肥研究

对采集于农业堆肥高温期的微生物样品进行30d的高温驯化,驯化完成后从中筛选得到15株嗜热纤维素分解菌,经形态学特征、生理生化反应及16S rDNA序列同源性比对鉴定为:Bacillus sp3株,Paenibacillus sp1株,Bacillus licheniformis3株,Bacillus subtilis4株,Brevibacillus borstelensis1株,Bacillus coagulans3株.将筛选得到的菌种添加至高纤维素含量的堆体进行效果验证,结果表明添加嗜热纤维素分解菌对堆肥pH变化无显著影响,但可提高堆肥高温期温度、延长高温期并显著地降低堆肥产品的C/N和有机质含量,显著降低纤维素和半纤维素含量,加快堆肥腐熟.堆体有机质降解动力学结果表明,堆体接菌和不接菌处理的有机质最大降解度分别为62.5481%和61.7101%,速率常数分别为0.1250d-1和0.1051d-1,接菌处理的堆肥比对照堆肥提前6d达到稳定.研究表明,添加筛选的嗜热纤维素分解菌能缩短堆肥周期.     

好氧堆肥微生物代谢多样性及其细菌群落结构

好氧堆肥是农业废弃物无害化处理和资源化利用的一条有效途径.为了探究好氧堆肥过程中微生物群落的代谢特征和细菌群落演替现象,了解起关键作用的微生物菌群,通过筛选强降解菌种改善堆肥工艺、提高堆肥效率,采用Biolog法和宏基因组法分析了玉米秸秆和牛粪联合好氧堆肥过程中微生物的碳源代谢能力和细菌群落多样性.结果表明:在第2次翻堆（第14天）时,微生物利用碳源的能力最强,初次建堆时（0 d）和其余翻堆时（第8、20、26天）次之,发酵结束时（第34天）最弱.Simpson、Shannon-Wiener和McIntosh多样性指数表明,建堆时及翻堆时的菌群优势度、丰富度和均匀度均极显著优于好氧堆肥结束.不同好氧发酵时间的微生物群落对同一碳源代谢有差异,同一好氧发酵时间微生物群落对不同碳源的利用率不同.糖类、酸类和醇类是区分好氧堆肥不同时间微生物碳源利用差异的敏感碳源.好氧堆肥不同时间细菌的种类和丰度不同,共享的优势菌门有厚壁菌门（Firmicutes）、变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、绿弯菌门（Chloroflexi）、放线菌门（Actinobacteria）和浮霉菌门（Planctomycetes）,在第0、8、14、20、26、34天这6个时间内它们的相对丰度之和分别达90.27%、90.34%、94.26%、84.21%、84.31%和77.61%,且6种门类在不同发酵时间的丰度表达存在消长变化状态.研究显示,参与好氧堆肥不同时间的微生物群落在碳源代谢能力上存在多样性,在细菌菌群的种类和丰度上也存在多样性.      

生物炭复合菌剂促进堆肥腐熟及氮磷保留

为减少堆肥的氮素损失并提升磷素有效性,通过堆肥试验研究了添加生物炭复合菌剂对猪粪堆肥腐熟度及氮磷保留的影响.结果表明,在42d堆肥中,对照（CK）、生物炭（B）、菌剂（M）和生物炭菌剂（BM）4个处理组均达到了畜禽粪便无害化卫生要求标准.BM处理组的NH₃和N₂O释放累积量为2.36和0.93g,显著低于CK（8.01和1.31g）,且总氮含量达23.78g/kg,显著高于CK（18.36g/kg）.堆肥结束时,CK、B、M和BM处理的TP含量分别为16.41,17.16, 18.51及19.16g/kg,且BM组OP含量增加77.60%,显著高于CK（50.66%）.堆肥后,磷素有效性增加,并以M和BM的变化趋势最为显著,各处理的缓效磷和有效磷所占比例加合顺序为：BM（42.94%） > M（39.80%） > B（37.29%） > CK（31.51%）.研究表明,生物炭复合菌剂在促进堆肥腐熟和氮磷保留中具有良好的效果.     

外接菌种对污泥堆肥效能及堆体细菌群落的影响

以污泥、锯末、蘑菇渣为堆肥原料,分阶段添加高温复合菌和白腐真菌,通过测定温度、pH、有机质、水溶性有机碳、含水率、总氮、NH_4~+-N、NO_3~--N和种子发芽率,比较了外接菌种对堆肥效能的影响.利用高通量测序技术,研究了污泥堆肥过程中细菌群落结构变化及外接菌种对细菌群落的影响.结果表明,外接菌种可以延长堆体高温持续时间,降低氮损失,加快堆体腐熟脱毒.在整个堆肥过程中,细菌群落结构发生了较大的演变,同一堆肥的不同阶段的细菌群落结构相似性较低,同一时期不同堆肥的细菌群落结构相似性较高.外接菌种提高了堆体中细菌群落的丰富度,增加了高温期优势菌的所占比例,但未改变优势菌的种类.典型对应分析(CCA)表明pH对细菌群落结构的影响最大,温度主要与9个菌属呈正相关关系.     

底物含氮量对厨余堆肥氮素转化及其损失的影响研究

采用静态好氧工艺研究了含氮量分别为32.4 g·kg-1、45.3 g·kg-1和58.2g·kg-1的厨余垃圾(N0、N1、N2)与木屑混合堆制时,堆肥过程中不同形态氮的转化及其氮损失规律.结果表明,堆肥中堆体全氮含量呈先升后降趋势,部分有机氮转化为铵氮导致堆体pH升高,在通风和高温的联合作用下,NH3挥发出堆体造成一定的氮损失.随着底物含氮量的增加,NH3挥发速率和氮损失率均呈上升趋势.堆肥结束时N0、N1、N2的堆体全氮含量分别下降了16.4%、26.3%和21.7%,NH3累计挥发量分别为7.0 g·kg-1、9.8 g·kg-1和29.4 g·kg-1,堆肥氮损失率分别为35.0%、49.9%和53.0%.NH3挥发主要集中在高温阶段的中后期,是厨余堆肥氮损失的主要原因.     

覆盖处理对猪粪秸秆堆肥中氮素转化和堆肥质量的影响

为了探讨覆盖措施对堆肥化中氮素转化与堆肥质量的影响,在自制的强制通风静态堆肥箱中,模拟研究了覆盖腐熟堆肥后,下层猪粪秸秆堆肥及覆盖层中氮素形态和其他腐熟度指标的变化.结果表明:覆盖处理降低了下层堆肥中的含水率、种子发芽指数(GI值)、升温期和高温期的pH值,增大了降温期后的堆肥电导率EC值,而对堆温影响不大.覆盖处理未改变堆制初期下层堆肥中氨气的释放总量,只延缓了氨气的释放时间,但明显增加了降温期后堆肥中硝态氮和有机氮的含量.在堆制期间,覆盖处理的下层堆肥中硝态氮、有机氮、总氮和总磷含量的增幅分别比对照高66.7％、33.8％、32.7％和138.6％;而有机碳降解率、铵态氮和腐殖质含量的降幅则分别比对照低1.1％、8.0％和3.7％.覆盖层中pH值、铵态氮和硝态氮含量的变化说明腐熟堆肥能够吸收下层堆肥释放的氨气并进行硝化作用;覆盖层的腐熟堆肥总体上进行了矿化作用,从而影响了下层堆肥的氮素转化过程及质量.     

采用生物沥浸法和化学法调理深度脱水污泥的堆肥效果:生产性试验

利用生物沥浸法和以添加石灰与三氯化铁为代表的化学法对污泥进行调理,继而采用隔膜厢式压滤机深度脱水是目前在我国应用较为广泛的工艺,但系统比较两种工艺所产生的污泥的堆肥效果的研究还很鲜见.为此,本试验分别对相同来源的污泥用两种方法进行调理后再用机械脱水,将获得的污泥饼进行工程化高温好氧堆肥,并以相同来源的常规脱水污泥(CS,指含水率80%左右的污泥)作为对照,探究其堆肥过程及产品性质的差异.结果表明,采用条垛式堆肥(条垛底宽2.8 m、高1.2 m、长10 m),生物沥浸污泥(BS)和石灰调理污泥(LS)堆肥所需辅料仅为CS的9.1%.尽管BS堆体中的NH+4-N含量始终最高,但其氨气挥发量仅为LS堆体的9.7%和CS堆体的31.4%.42 d时各堆体的CO2释放速率和水溶性C/N相比堆肥前均明显下降,说明堆体均已腐熟.LS堆肥产品的种子发芽指数(GI)仅为57.3%,而BS堆肥产品和CS堆肥产品的GI均为90%左右,显然后两者对种子的毒害已完全消除.此外,BS堆肥产品中的养分含量(N+P2O5+K2O)明显高于LS堆肥产品和CS堆肥产品,总养分分别高出28.5%和73.0%;其速效养分指标WSN亦分别高出40.6%和102%.综上所述,较之LS堆肥或CS堆肥,采用BS高温堆肥不仅可以显著减少辅料的添加量,且其堆肥过程中的氨气损失少,堆肥产品腐熟度好,养分含量高,因此,污泥生物沥浸处理-高温发酵技术是对推动堆肥后土地利用极有帮助的深度脱水工艺和资源化方法.     

三阶段温度控制堆肥接种法对有机氮变化规律的影响

利用原生生活垃圾,通过三阶段温度控制技术进行堆肥试验,探讨在堆肥过程中有机态氮组分的动态变化规律.结果表明,全氮、酸水解有机态氮、氨基酸态氮均在堆肥的前期呈明显的下降趋势,呈较好的相关性.与CK（对照组）处理相比,在堆肥的后期,三阶段温度控制堆肥酸水解有机态氮、氨基酸态氮、氨基糖态氮及酸解未知态氮含量呈不同程度的上升趋势,增加幅度依次为：10.67%、16.17%、7.17%、22.44%.表明三阶段温度控制技术能减少堆肥中氮素的损失,堆肥产品施入土壤后,可提高土壤的供氮潜力.