畜禽养殖粪水酸化贮存及氮素减损增效研究进展

畜禽粪水酸化贮存能够有效调控粪水贮存中微生物、环境与氮素间的作用关系,实现粪水氮素的减损增效,是一种具有广泛应用前景的关键技术。该研究系统综述了粪水酸化贮存中氮素的迁移转化机理,比较评价了常见酸化剂和不同酸化贮存工艺的应用效果,分析了酸化贮存技术对粪水氮素减损增效的影响。梳理总结得到,粪水酸化存储中氮素的迁移转化机制主要包括有机氮矿化、铵态氮固持、无机氮转化的抑制及硝化3个关键环节,可以依靠改变微生物作用和化学平衡状态实现氮素的减损;与其他酸化工艺相比,长期酸化工艺具有酸化效果更加稳定、应用范围较为广泛等优势;粪水酸化技术能够大幅降低NH3排放,以及部分N2O的排放,进而提高粪肥还田后土壤肥效,但不合理的酸化贮存技术及施用方式也会降低粪水肥效,甚至引起二次污染;未来应重点从氮素迁移转化路径的定量分析、复合酸化剂的开发、粪肥施用效果及风险的评估应对等方面进行深入研究。     

不同初始pH对猪粪水酸化贮存过程及氮素损失的影响

为减少猪粪水贮存过程中氮素损失，提高还田安全性，采用酸化贮存技术，以磷酸为酸化剂，比较了不同初始pH对猪粪水酸化贮存过程及氮素损失的影响。结果表明：试验用猪粪水中重金属浓度大小顺序为：Cu>Pb>Zn>Cd>As，贮存后重金属浓度均降低，符合《农用沼液：GB/T 40750-2021》标准，但贮存180 d后猪粪水氮素损失率达68.55%，贮存后猪粪水中氮素以氨氮为主，占比达51.73%；酸化pH与酸化剂用量的相关性公式为：y=-3.3113x + 22.999，R2=0.985；酸化贮存大幅减少了猪粪水氮素损失，损失率较CK降低了5.98-62.77个百分点，且贮存后氨氮占总氮占比大幅提高24个百分点以上，保氮效果与pH呈反比；磷酸酸化提高了猪粪水总磷和水溶性磷浓度，增加幅度与磷酸用量呈正比；酸化贮存后猪粪水EC、Cd和Pb浓度偏高，抑制根和茎生长，其负面效应与贮存pH呈反比；酸化贮存降低了猪粪水Cu浓度，Cu浓度与pH呈正比，对As和Zn的作用无明显规律。综上所述，建议将猪粪水pH调至6.0后贮存，酸化剂成本为13.89元·吨-1。     

水葫芦高温堆肥过程中氮素损失及控制技术研究

为减少水葫芦高温堆肥过程中氮素损失,采用静态高温好氧堆肥的方法,分析了水葫芦堆肥过程中氮素转化规律,研究了添加化学保氮剂对减少堆肥中氮素损失的效果。结果表明,水葫芦堆肥过程中总氮及有机氮含量均呈上升趋势,铵态氮与硝态氮含量均呈先上升后下降的趋势,总氮损失率为12.84%;水葫芦堆肥过程中氮素损失途径主要为以NH3、N2O等气态形式逸出,其中,堆肥前10d是NH3挥发的高峰期,堆制后第5~9d的N2O排放速率最大;添加化学保氮剂对水葫芦堆肥过程第4~10d的氨挥发具有显著的抑制作用,NH3挥发量可减少23.82%,另外,化学保氮剂处理降低了堆制后第0~5d的N2O排放速率,增加了第9d以后的N2O排放速率;使用化学保氮剂原位控制水葫芦堆肥过程的氮素损失具有较好的效果,与常规对照相比,化学保氮剂对水葫芦堆体的保氮效率为32.70%。     

节水灌溉控制排水条件下稻田水氮平衡试验与模拟

为了揭示我国南方灌区节水灌溉控制排水条件下稻田水平衡机制及其氮素迁移转化规律,以指导稻田水肥管理,该文以2007－2008年试验区域水稻生长期田间水氮监测数据为依据,基于一阶氮素动力反应方程,耦合田间水平衡及氮素渗漏和作物吸收过程,构建了田间水氮平衡模型,模拟计算了试验区稻田日渗漏水量与各氮素迁移转化过程中的日铵态氮和硝态氮量。结果表明,试验区田间水经渗漏和排水流失占降水和灌溉水总和的54.7%,气态氮素损失（挥发和反硝化）和渗漏是稻田氮素损失的主要途径,挥发和硝化损失量分别占铵态氮和硝态氮的30.6%和36.1%。渗漏流失中硝态氮明显高于铵态氮,排水中铵态氮高于硝态氮。通过渗漏流失的总氮素量亦较大,渗漏硝态氮和铵态氮分别占其相应氮素形态的9.8%和29.5%。因此,减少氮素气态损失有利于提高节水灌溉控制排水稻田氮肥利用率     

养殖粪水长期贮存过程理化特性变化规律

目前中国中小规模畜禽养殖场主要采用自然贮存后还田的形式处理养殖粪水,受场地制约,养殖粪水贮存时间通常仅有1～2个月,之后便直接还田利用,贮存后的粪水理化特性变化尚不清楚,是否适宜直接还田尚需研究。该研究以猪粪水和牛粪水为研究对象,重点分析粪水在长期贮存中粪大肠菌群、电导率(Electrical Conductance,EC)以及化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)的变化,分析粪水最佳贮存期及还田利用方式,以期为粪水资源化及安全还田提供参考。结果表明,粪水经自然贮存6个月,铵态氮损失达68%以上,不仅引起环境污染,且降低了养分;贮存后粪水基本可达到无害化要求,但pH值、EC值以及COD浓度仍然偏高,还田前应制定合理的粪水资源化利用方案;固液分离可以有效降低粪水中的COD浓度和EC值,促进粪水无害化进程。该研究为中国畜禽养殖粪水资源化用探索了新的技术路径。     

添加剂对猪粪秸秆堆肥的氮素损失控制效果

为减少堆肥过程中的氨气挥发和氮素损失,该文以新鲜猪粪和玉米秸秆为原料,采用强制通风静态垛堆肥装置进行35 d的好氧堆肥试验,研究2种固氮添加剂(过磷酸钙+氢氧化镁、磷酸+氢氧化镁)对猪粪秸秆堆肥过程中的氮素损失控制效果。结果表明:添加适量的固氮剂均可降低堆肥化过程中氨气的排放率。过磷酸钙+氢氧化镁处理相比较对照和磷酸+氢氧化镁处理,氮素固定率较高,固氮效果较好。与对照处理相比,该处理在整个堆肥过程中的累积氨气挥发量和总氮损失分别降低了41.78%和13.27%;在堆肥结束时,铵态氮和硝态氮含量分别提高了60.00%和24.66%。最终堆肥产品的种子发芽率指数为97.22%~115.86%,表明所有处理在堆置35 d后均达到腐熟。X射线衍射分析证实了添加固定剂处理的堆肥产品中均有鸟粪石(Mg NH_4PO_4·6H_2O)的存在,说明通过添加过磷酸钙+氢氧化镁、磷酸+氢氧化镁2种固定剂可以改变堆肥的理化性质,促进堆肥的降解和腐熟。     

脲酶抑制剂NBPT对鸡粪好氧堆肥的保氮效果

利用堆肥反应器, 以鸡粪和蘑菇渣为原料进行好氧堆肥, 在堆肥中添加不同浓度的脲酶抑制剂NBPT, 研究其对堆肥氮素转化的影响及保氮效果。结果表明: 添加不同浓度的脲酶抑制剂NBPT对堆肥进程中温度无显著影响, 在堆肥的高温阶段可有效控制堆料pH的升高, 在堆肥高温前期的0~10 d可有效降低堆肥的脲酶活性, 在堆肥中后期10~25 d明显提高全氮含量。堆肥25 d后, 添加0.04 mL·kg^-1、0.08 mL·kg^-1、0.16 mL·kg^-1脲酶抑制剂NBPT分别比CK减少氮素损失6.61%、4.89%和13.51%。堆肥过程中, 堆料铵态氮含量呈升-降-升-降的双峰趋势, 且大部分时间CK处理的铵态氮含量高于添加脲酶抑制剂NBPT处理, 且CK处理铵态氮的两次升高速度均高于添加脲酶抑制剂NBPT处理。在堆肥的升温和高温期硝态氮含量不稳定, 但堆肥结束时, 各添加脲酶抑制剂NBPT处理的硝态氮含量显著高于CK处理。本试验结果表明, 在堆肥过程中添加脲酶抑制剂NBPT可延缓鸡粪中的尿素态氮向铵态氮的转化, 增加堆肥成品中的硝态氮含量。在畜禽粪好氧堆肥中加入脲酶抑制NBPT可起到一定的保氮作用。     

太湖地区绿肥还田与无机氮追肥配施的环境效应分析

通过太湖地区绿肥还田与不同用量的无机氮追肥配施小区试验,研究了水稻苗期、分蘖期和抽穗期田面水氮素不同形态的变化特征、径流损失及水稻产量。结果表明:绿肥还田后,水稻苗期田面水中总氮浓度出现先减小后增加的变化,总氮浓度增加的原因主要是有机氮浓度的增加,而无机氮浓度先升后降;分蘖肥和穗肥施用后,田面水氮素浓度随施肥量的增加而升高,田面水总氮和有机氮在施肥后第1天达到最大,随后快速下降,而无机氮在施肥后则经历了一个先升后降的变化过程;随着施肥量的增加,稻季氮素径流损失不断增大,无机氮是氮素径流损失的主要形态,且径流水中无机氮以铵态氮为主,故应将铵态氮作为农田排水污染检测的主要指标;绿肥还田模式下,施用氮素基肥可大大提高田面水的氮素含量,增加氮素流失风险,而不施氮素追肥或者过量减施均可影响作物的产量。绿肥还田,稻季配施140 kg hm-2无机氮追肥,可减少48%无机氮肥投入,降低38.5%氮肥流失率,实现水稻产量效应和环境效应的协调,是水体污染严重地区值得尝试的一种农作方式。     

不同DMPP添加水平对土壤有机氮素转化的影响

研究单施有机肥模式下,3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)对土壤有机氮素转化的影响,为土壤氮素高效利用和减少损失提供科学依据。采用土壤恒温培养试验,研究单施有机肥条件下不同DMPP添加水平对土壤中有机氮素转化及硝化抑制效应的影响。结果表明,单施有机肥条件下,DMPP可明显抑制土壤硝化反应的进程。培养期间DMPP最佳硝化抑制效果出现在14d,与不添加DMPP的处理相比,添加DMPP的处理铵态氮含量增加2～3倍,硝态氮含量减少2～3倍。14d后DMPP硝化抑制效果逐渐减弱。DMPP对硝化反应的抑制效果及有效抑制时间随着DMPP用量的增加而不断增强,但是当用量增加到2%以上水平时,硝化抑制剂效果不再明显增强。综合用量水平和抑制效果,施用有机肥模式下DMPP添加量以氮素含量的1%～2%较为适宜。     

土壤辐照灭菌对土壤中铵态氮和硝态氮行为的影响

拟通过土壤辐照灭菌的方法,研究土壤微生物对硝态氮和铵态氮在土壤中的相互转化、固持及损失的影响,为提高作物氮肥利用率提供理论依据。采用土壤纯培养的方法,通过外源添加~(15)N标记铵态氮肥[(~(15)NH_4)_2SO_4]和硝态氮肥(Na~(15)NO_3),结合γ辐照灭菌的方法,培养30 d后,测定分析了灭菌和未灭菌土壤中总的、来自于肥料的和来自于土壤的铵态氮和硝态氮含量,并定量评价了肥料氮在土壤中的残留、固持和损失情况。结果表明:灭菌显著抑制铵态氮向硝态氮的转化,激发土壤铵态氮的释放,对铵态氮在土壤中的残留、固持和损失没有显著影响;灭菌对土壤硝态氮转化为铵态氮的过程没有影响,降低了硝态氮在土壤中的残留和固持,增加了硝态氮的损失;与外源添加硝态氮相比,外源添加铵态氮促进了土壤自身无机氮的释放,外源添加的铵态氮在土壤中残留低、固持高、损失高。因此,总体来看,灭菌有利于土壤铵态氮的积累,却降低土壤硝态氮的积累。虽然外源铵态氮较外源硝态氮更能激发土壤无机态氮的释放,并更易被土壤固持,但是铵态氮肥较硝态氮肥在土壤中残留少、损失多。     

4种畜禽粪便厌氧发酵产甲烷特性研究

本文采用玻璃厌氧发酵罐研究了猪粪、牛粪、鸡粪和鸭粪在室温下发酵20 d过程中产甲烷气量及其受物料特性影响的规律, 为动物废弃物的资源化利用提供指导。研究表明, 在同等条件下猪粪、牛粪、鸡粪和鸭粪经过20 d的厌氧发酵后, 总产气量从大到小排序为牛粪>鸭粪>猪粪>鸡粪, 分别为2 649 mL、2 515 mL、1 964 mL、1 278 mL; 与总产气量排序相似, 上述粪便厌氧发酵总固体物质降解产气率分别为47.60 mL·g^-1、45.23 mL·g^-1、37.27 mL·g^-1和33.49 mL·g^-1。猪粪在厌氧发酵过程中易发生酸化, 第10 d发酵液 pH降到5.62, 从而导致产气量下降; 鸡粪在厌氧发酵过程中铵态氮含量过高, 发酵液铵态氮含量在前5 d就快速增长, 第15 d达到最大值3 604 mg·L^-1, 从而抑制产气。可见, 源于物料自身的pH和铵态氮含量变化是影响畜禽粪便发酵液厌氧产气的重要因素。     

粪水酸化储存还田应用效果

为探索酸化储存粪水对农田的施用效果,采用浓硫酸(H_2SO_4)酸化前后的粪水和长期储存前后粪水,开展盆栽试验研究酸化储存粪水对土壤养分和作物产量的影响。试验分别设置2个对照组:储存前和储存后的粪水,H_2SO_4酸化前和酸化后的粪水,每个处理分别设置4组施加量水平(5%、25%、50%和100%稀释比例的粪水)。试验结果表明:对于养殖粪水还田,应严格控制粪水还田比例,不宜施加浓度过高的粪水,宜控制在25%～50%施加量。粪水储存有利于土壤总氮(Total Nitrogen, TN)和总磷(Total Phosphate,TP)的固持,储存后土壤总养分(总氮、总磷和总钾(Total Potassium,TK))增加了11.32%～73.16%,SMS(储存60 d的粪水)(100%)处理产量提高了21.22%;粪水经过H_2SO_4酸化处理后,对土壤总养分影响变化较大,TN、TP和TK部分处理呈增加的趋势,HMS(25%)处理产量显著提高了27.94%;在H_2SO_4酸化的基础上储存粪水,土壤TN含量增加十分显著(P0.05),酸化与储存联合处理减少了粪水TN的损失,对于土壤速效养分的增加有促进作用,尤其对速效N的影响较显著(P0.05),SHMS(粪水+H_2SO_4储存60 d)(25%)处理产量提高了13.63%。该研究通过对比分析新鲜粪水、储存粪水、酸化粪水和酸化储存粪水的特性,探讨了畜禽养殖场粪水经酸化储存后的还田应用效果,为粪水还田提供技术支撑。     

Impact of Different Systems of Manure Management on the Quality of Cow Dung

The use of cow dung as a source of plant nutrients is widespread among many smallholder farmers in Ghana. The benefits of cow dung application in crop production depend on the amount, quality, nutrient-release patterns, and uptake by crops. Samples of cow dung from three main systems of manure management (free range, semi-intensive, and intensive) were collected from the Kumasi Metropolis in the semideciduous forest zone of Ghana and analyzed for nitrogen (N), carbon (C), phosphorus (P), potassium (K), calcium (Ca), magnesium, (Mg), and ash contents. This research was undertaken to corroborate results of an earlier study in the interior savanna zone of Ghana, because manure quality is a function of its management (handling, storage, and transport), animal breed, and vegetation type (feed). Nitrogen content varied from 1.44 to 2.10% with the intensive system of management recording the greatest value. Phosphorus varied from 0.48% under free-range (field) system to 0.80% under the intensive system. The greatest and lowest total K values of 1.74% and 1.11% were respectively recorded under the intensive and free-range management systems. Generally, the study indicated there was relatively better manure quality under the intensive system than in the semi-intensive and free-range (field) systems. The cow dung collected under the various manure-management systems was then incubated in a laboratory study to assess their nutrient-release patterns. The results revealed that the manure under the intensive system mineralized ammonium N during the first 6 weeks of incubation with peak mineralization in the fourth week. Immobilization of nitrate N was observed from the second to the eighth week of incubation from cow dung under all the management systems. Total N [nitrate (NO₃^?) + ammonium (NH₄⁺)] was immobilized under the free-range and semi-intensive management systems throughout the incubation period except in the first week. Peak net N mineralization was observed during the fourth week of incubation from cow dung under the intensive system of manure management. Results of the study suggested that total mineral N needs of crops might not be met entirely through application of cow dung to Ferric Acrisol due to immobilization during appreciable period of decomposition of the manure.     

家畜圈舍粪尿表层酸化对氨气排放的影响

氨气是形成雾霾前体物的关键物质,而家畜养殖圈舍是氨气的重要排放源。本文选择圈舍环节新鲜猪粪和牛粪作为试验样品,利用动态箱-硼酸吸收法,研究了不同类型酸和不同剂量酸的表层酸化对圈舍粪尿氨排放的影响,探讨圈舍氨减排的方法。研究发现：按0.31 mL·cm^-2的喷施量在猪粪表层喷施0.012 mol·L^-1和0.006 mol·L^-1乳酸,24 h氨累积排放量可分别减少43%（P<0.05）和32%（P=0.07）;喷施0.017 mol·L^-1和0.009 mol·L^-1磷酸后,氨排放可分别减少74%（P<0.01）和61%（P<0.05）;粪尿表面喷洒0.017 mol·L^-1磷酸72 h后仍可减少氨排放64%（P<0.01）。另外,用同样方法对牛粪酸化可降低氨排放80%左右,且在不添加新粪的情况下,粪尿表层酸化间隔对24 h内氨减排效率无显著影响。同时,粪尿表面酸化仅改变粪尿表层pH,对粪尿整体pH无显著影响。综上所述：圈舍粪尿表面酸化可以大幅度降低氨气挥发,其减排效果与酸的种类、浓度及粪尿类型有关,是一种实现圈舍氨减排且经济可行的方法,此研究也可为家畜养殖业圈舍酸化氨减排技术提供科学数据支撑。     

集约化奶牛养殖场不同粪尿处理阶段氮素分布及氨排放特征

为促进奶牛养殖场的大气氨排放控制,形成奶牛养殖场粪便中氨排放的阻控体系,该文在冬季和夏季对内蒙古呼和浩特地区奶牛养殖场A和奶牛养殖场B的大气、牛粪和牛尿进行了采样试验分析,研究了2种奶牛养殖场不同处理工艺的氨排放特征。静态试验结果表明,奶牛养殖场A和奶牛养殖场B氨气排放浓度最高的是氧化塘处理工艺、预处理工艺,分别为冬季0.862,3.169 mg/m3,夏季2.785,2.130 mg/m3。动态试验结果表明,牛粪的氨排放系数要高于牛尿1.85倍,奶牛养殖场A和奶牛养殖场B平均排放系数分别为29.23%、49.36%。奶牛养殖场A和奶牛养殖场B总大气氨排放量分别为冬季172.69,1 101.00 kg/d,夏季284.70、1 395.32 kg/d。2种处理工艺冬季和夏季大气氨含量均满足畜禽场环境质量标准,但超过人居空气质量标准。     

规模化养猪场粪污全量收集及贮存工艺设计

基于全量收集的粪污贮存技术具有粪尿收集方便、运行成本低廉和养分利用率高等特点,在欧美等发达国家得到了普遍应用,是一种适合在中国华北、西北等地区和土地匹配较充足的区域进行推广的粪污处理与还田利用技术。文章以规模化养猪场尿泡粪全量贮存技术为研究对象,分析了尿泡粪收集量、贮存工艺控制参数、贮存设施设计和投资运行成本等内容,旨在为该技术的推广应用提供参考。结果表明:每头生猪整个饲养周期内尿泡粪收集量为0.70 m~3;粪污贮存设施分为舍内贮存池和舍外贮存罐2种,粪污贮存方法可采取舍内贮存、舍外贮存和舍内结合舍外贮存3种。粪污pH值酸化至5.5～6.5,氨排放量最高可减少80%;粪肥还田前一般要求存储时间为6个月。以存栏5000头规模养猪场为例,舍内贮存池所需容积为6 600 m~3,投资660万元;舍外贮存罐所需容积为4 118 m~3,投资206万元;舍内结合舍外贮存设施所需容积为8 214 m~3,投资651万元;粪污处理成本为3.83万元/a,施肥成本为10.8万元/a;全部粪肥还田可满足133 hm~2农田用肥,节省化肥6.0万元/a,该研究可为粪污贮存及利用提供参考。     

牛粪固定床气化多联产工艺

为了减少畜禽粪便自然发酵造成的温室效应和环境污染,降低养殖奶牛的成本和增加养殖奶牛的效益,该文利用自制的固、气、液（Solid, gas, liquid）多联产固定床气化炉将牛粪气化,气化可得到固体牛粪炭、可燃气、提取液三相产品,三相产品均可以资源化利用,从而达到减排、减污的目标。考察了含水率、气化温度及气化剂的当量比对气化效果的影响。结果表明：原料含水率控制在12%～18%,气化温度为850～900℃,当量比在0.25～0.30时,气化效果较好,牛粪含水率为17.78%,气化温度为850℃,当量比为0.30时,气体产率为1.42 m3·kg-1,可燃气体的低位热值为2.84 MJ·m-3,牛粪炭得率为23.82%,提取液得率是24.17%。牛粪气化多联产工艺试验为工程化实施提了基础和基本数据。     

直接接触式膜蒸馏结晶回收沼液氨氮性能

为解决现有沼液氨氮膜回收技术中氮肥浓度低和副产物价值低的问题,该研究提出采用膜蒸馏结晶技术实现沼液中氨氮的结晶回收。研究中,通过提升近饱和接收液的温度来平衡膜两侧的水蒸气分压,在保证氨氮传质通量的情况下最小化水分传质。操作结束后接收液中铵盐达到超饱和状态,冷却至常温即可回收铵盐晶体。结果表明,当进料侧沼液温度为40℃时,近饱和磷酸二氢铵温度需提高至47℃,而使用硫酸为吸收剂时,近饱和硫酸铵溶液温度需提高至65℃。酸液温度升高对氨通量也有促进作用,氨通量由40℃时的10.70 g/(m²·h)小幅提升至70℃时的14.90 g/(m²·h)。进料侧氨氮质量浓度的提升可显著增加氨氮回收通量。磷酸二氢铵为吸收剂时,试验6 h后晶体中的氨氮回收率为77.60%,采用硫酸为吸收剂时可提高至92.20%。继续延长处理时间,晶体中的氨氮回收率甚至超过100%。显然,采用膜蒸馏结晶技术回收沼液氨氮具一定的可行性,研究结果可为沼液氨氮的高价值回收提供一定参考。