山西省畜禽粪污年产生量估算及环境效应

为了解山西省畜禽粪便产生量及其环境效应,根据《山西统计年鉴2017》中畜禽养殖数据,估算了2016年山西省畜禽粪污产生量。结果表明,2016年山西省畜禽粪便总排放量约为3 410.97万t,按年粪便产生量排序,依次为牛羊猪鸡兔。畜禽粪污的总氮、总磷、总化学需氧量、总生化需氧量、总氨氮产生量分别为23.54、7.56、75.97、70.85万t和7.72万t。畜禽粪便发酵可产沼气总量约为21.33亿m~3,畜禽粪便产沼气潜力相当于山西省天然气年消费量的25.42%。2016年山西省平均单位耕地面积畜禽粪尿氮、磷养分负荷分别为63.28、20.32 kg·hm~(-2),均未超过欧盟粪肥年施氮和年施磷限量标准,畜禽粪便耕地负荷预警值为0.38,为Ⅰ级。然而从区域分布的角度来看,太原,晋城和晋中三市的单位耕地面积畜禽粪尿磷负荷超过了欧盟粪肥年施磷限量标准,除了临汾和运城,山西省其他地市的畜禽粪便农田负荷量对环境有不同程度的威胁。因此,迫切需要对部分重点区域进行畜禽养殖粪便综合管理。     

畜禽粪便堆肥过程中碳氮损失及温室气体排放综述

堆肥是畜禽粪便资源化利用的重要技术,但堆肥过程中碳氮损失会降低产品的农用价值并造成温室气体排放。堆肥过程中的污染气体排放受多种因素影响,本文综述了堆肥原料类型、辅料类型、初始C/N、含水率和通风速率对畜禽粪便堆肥过程碳氮损失和温室气体（CH₄、NH₃、N₂O）排放的影响。结果发现：48.7%的C和27.7%的N在堆肥过程中损失,其中CH₄-C损失平均占初始总碳的0.5%,NH₃-N和N₂O-N损失分别占初始总氮的18.9%和1.1%。不同种类粪便堆肥碳氮损失差异明显,猪粪和鸡粪堆肥的温室气体排放量高于牛粪和羊粪。选择富含C的辅料与畜禽粪便联合堆肥均可促进有机物降解,其中以稻草或锯末为辅料时的温室气体排放量较低。初始C/N对堆肥过程N损失影响较大,总氮、NH₃和N₂O的损失均随C/N的增加而降低,其中C/N为20~25时最适宜N素保留。初始含水率显著影响CH₄和N₂O的排放,其排放量随含水率的增加呈显著上升趋势,以含水率为60%~65%最为适宜。通风速率（以堆肥干基计）为0.1~0.2 L·kg^-1·min^-1时,CH₄排放和总碳损失较低;通风速率为0.1~0.3 L·kg^-1·min^-1时,N₂O、NH₃和总氮损失较低。因此,为降低畜禽粪便堆肥过程碳氮损失和温室气体排放量,建议采用的工艺参数为：通风速率0.1~0.3 L·kg^-1·min^-1、含水率60%~65%、C/N为20~25。     

Fe2O3对鸡粪堆肥过程中含硫臭气排放的影响

本文以新鲜鸡粪和玉米秸秆为原料,在60 L密闭式发酵罐内进行联合好氧堆肥,研究了Fe₂O₃作为添加剂对鸡粪堆肥含硫臭气排放和堆肥产品腐熟度的影响。研究结果表明,在为期35 d的堆肥过程中,两处理的高温期（≥ 50℃）均持续10 d以上,满足堆肥产品无害化要求;种子发芽率指数（GI）均超过70%,达到完全腐熟,添加Fe₂O₃不会影响堆肥温度和堆肥产品腐熟度。鸡粪堆肥添加Fe₂O₃可有效降低含硫臭气排放,可使鸡粪堆肥过程中硫化氢（H₂S）、二甲基二硫醚（Me₂SS）和甲硫醚（Me₂S）分别减少38.81%、73.59%和42.59%,累计减少总硫损失63.17%。总体而言,外源添加Fe₂O₃不会影响堆肥进程和腐熟度,可显著降低含硫臭气排放,增加产品中硫含量。     

基于添加剂使用的污泥堆肥厂经济效益分析

基于原位控制理念的外源添加剂可有效控制堆肥过程中污染气体的产生,同时提高堆肥产品养分含量,但其在工厂尺度应用的经济效益仍不明确。本文以内蒙古通辽市某污水处理厂为例,对不同堆肥模式情景以及外源添加剂使用进行系统的经济效益分析。结果表明:处理量较大的条垛式自然通风堆肥工艺(配套WT36型翻堆机)具有相对较低的基础设施投资费用和运行管理成本。不同堆肥工艺不添加外源材料的堆肥产品生产成本为314.93~349.85元·t^-1;使用磷石膏可使堆肥生产成本降低约6元·t^-1;磷石膏与双氰胺混合添加、仅使用过磷酸钙、过磷酸钙与双氰胺混合添加时生产成本升高5.0%~16.2%。堆肥产品销售可以补偿污泥堆肥处理成本,使污泥堆肥达到微利水平。采用大规模的条垛式自然通风且添加磷石膏的堆肥工艺经济效益最优,产投比达到3.22,投资回收期最短,可在3年2个月收回项目静态投资总额。因此,以磷石膏为外源添加剂并采用大规模条垛式自然通风工艺的污泥堆肥工厂化应用具有经济可行性。     

含水率对羊粪堆肥腐熟度及污染气体排放的影响

为了优化羊粪好氧堆肥的工艺条件，研究初始含水率对羊粪堆肥腐熟度及污染气体排放的影响。本文以高湿新鲜羊粪为堆肥原料（含水率为75%），添加玉米秸秆调节初始物料含水率分别为70%、65%、60%和55%，堆肥在60 L密闭发酵罐中共持续35 d。结果表明：75%含水率羊粪堆体单独不能顺利启动升温，且在试验期间释放了大量的甲烷和氧化亚氮等温室气体，在所有处理中产生的总温室效应最大（41.4 g/kg）。玉米秸秆与羊粪联合均能成功启动堆肥过程，且堆肥产品均可以达到无害化卫生要求和腐熟标准。其中初始含水率为65%时，堆体不仅高温期持续时间长，且有机质降解程度高，物料干质量降解率达45%，同时比其他处理可降低4.81%～16.99%的总氮损失和7.56%～48.62%的总温室气体排放量。因此，在羊粪和玉米秸秆联合堆肥时，初始含水率65%左右为最佳条件。     

菌剂和含磷添加剂联合添加对污泥堆肥污染气体排放及堆肥品质的影响

以脱水污泥和玉米秸秆堆肥为对照,采用实验室规模系统,研究了外源添加微生物菌剂（VT菌剂）和含磷添加剂（过磷酸钙和磷石膏）对污泥堆肥腐熟度、污染气体排放以及产品品质的影响。结果表明：菌剂添加显著促进堆肥腐熟,最终种子发芽率指数为126%~158%。菌剂和两种含磷添加剂混合添加可更大程度降低污染气体的排放,其中菌剂和过磷酸钙联合添加可减少63.3%的NH₃和42.8%的H₂S排放量,菌剂和磷石膏联合添加可减少97.6%的NH₃和54.4%的H₂S排放量。添加剂处理均可降低CH₄的排放。添加菌剂可以降低30.7%的N₂O排放,但是菌剂与过磷酸钙和磷石膏联合添加会增加堆肥前期的N₂O排放。含磷添加剂处理可提高18.3%~22.9%的总养分（TN+P₂O₅+K₂O）含量。研究表明,VT菌剂和含磷添加剂联合使用是提高堆肥产品品质、减少堆肥过程污染气体排放的有效方法。     

山西省畜禽粪污年产生量估算及环境效应

为了解山西省畜禽粪便产生量及其环境效应,根据《山西统计年鉴2017》中畜禽养殖数据,估算了2016年山西省畜禽粪污产生量。结果表明,2016年山西省畜禽粪便总排放量约为3 410.97万t,按年粪便产生量排序,依次为牛 > 羊 > 猪 > 鸡 > 兔。畜禽粪污的总氮、总磷、总化学需氧量、总生化需氧量、总氨氮产生量分别为23.54、7.56、75.97、70.85万t和7.72万t。畜禽粪便发酵可产沼气总量约为21.33亿m³,畜禽粪便产沼气潜力相当于山西省天然气年消费量的25.42%。2016年山西省平均单位耕地面积畜禽粪尿氮、磷养分负荷分别为63.28、20.32 kg·hm^-2,均未超过欧盟粪肥年施氮和年施磷限量标准,畜禽粪便耕地负荷预警值为0.38,为Ⅰ级。然而从区域分布的角度来看,太原,晋城和晋中三市的单位耕地面积畜禽粪尿磷负荷超过了欧盟粪肥年施磷限量标准,除了临汾和运城,山西省其他地市的畜禽粪便农田负荷量对环境有不同程度的威胁。因此,迫切需要对部分重点区域进行畜禽养殖粪便综合管理。     

碳氮比对鸡粪堆肥腐熟度和臭气排放的影响

为确定鸡粪堆肥最优碳氮比（C/N比），该研究以新鲜鸡粪为堆肥原料，添加玉米秸秆调节初始C/N比为14、18和22进行好氧堆肥，研究不同C/N比对鸡粪堆肥腐熟度和臭气排放（NH3和H2S）的影响。结果表明：C/N比为14的处理堆肥产品未腐熟，C/N比为18和22的处理均达到腐熟。C/N比为18的处理NH3累积排放量和总氮（TN）损失率最高；C/N比为18～22时，C/N比越高，NH3累积排放量和TN损失率越低。C/N比为14的处理H2S累积排放量和总硫（TS）损失率最高；C/N比为18和22的两个处理，H2S累积排放量显著降低，且无显著差异。此外，C/N比为18处理的微生物群落多样性在整个堆肥过程中显著高于C/N比为14和22处理。堆肥的理化指标、臭气排放与微生物群落之间的相关性分析表明，高温、高pH和缺氧环境会增加Firmicutes丰度，进而促进NH3和H2S的排放，相反地，低温、低pH和氧气充足的环境更有利于Actinobacteria增殖，有利于减少NH3和H2S的排放。综合考虑堆肥产品腐熟度和臭气减排效果，建议低C/N比鸡粪堆肥的初始C/N比为18～22。当秸秆资源不足时，建议初始C/N比为18；秸秆资源充足时，建议初始C/N比为22。     

腐熟堆肥回流对猪粪堆肥含硫臭气排放的影响

为探究腐熟堆肥不同回流方式对猪粪堆肥含硫臭气排放的影响,本文以猪粪为研究对象进行好氧堆肥试验,设置不添加腐熟堆肥（CK）、腐熟堆肥覆盖处理（Cap）和腐熟堆肥混匀添加（Mix）3个处理。研究结果表明：腐熟堆肥覆盖和混匀回流方式相较于CK均可促进堆肥腐熟,种子发芽指数（GI）分别提高12.50%和18.09%;甲硫醚（Me₂S）和二甲基二硫醚（Me₂SS）为猪粪高温堆肥过程中主要的含硫臭气（>90%）,主要在堆肥前期和翻堆后排放。腐熟堆肥覆盖和混匀回流处理可分别减排Me₂S 75.42%和78.64%、Me₂SS 35.58%和56.17%,降低39.42%和58.31%的总含硫气体排放,增加堆肥产品总硫（TS）含量13.46%和24.07%。腐熟堆肥覆盖和混匀两种回流方式均可促进堆肥腐熟,减少含硫臭气排放,且腐熟堆肥混匀处理效果最佳。     

生物炭和菌剂对羊粪微好氧堆肥腐熟度和温室气体排放的影响

为探究微好氧堆肥方式对羊粪堆肥腐熟度和温室气体排放的影响，该研究以纯羊粪为研究对象，设置对照（CK）、生物炭添加（BC）和VT菌剂添加处理（MC）3个处理，在60 L的敞口发酵罐中进行42 d的堆肥试验，堆肥前14 d微量间歇强制通风，后28 d停止强制通风。结果表明：羊粪微好氧堆肥均能满足种子发芽指数（Germination Index，GI）≥70%、pH值不小于8等腐熟标准，与CK相比，BC和MC处理分别提高27.8%和38.8%的GI，并延长堆肥高温期至10 d以上，满足堆肥无害化和腐熟标准。NH3、CH4和N2O排放集中在前14 d，排放速率主要受温度、腐熟度等理化性质影响，且添加外源功能材料可不同程度减少气体排放量，其中添加生物炭使NH3、CH4和N2O排放量分别减少38.68%、14.26%和31.54%，总温室效应降低31.11%；菌剂添加降低18.41%的NH3排放，增加21.10%的N2O排放，总温室效应增加20.70%。因此，在羊粪微好氧过程，生物炭作为调理剂可促进堆肥腐熟，减少堆肥过程温室气体排放，加速有机质矿化和腐殖化，增加堆肥产品养分含量，为羊粪轻简化堆肥提供数据支撑。