堆肥过程中碳、氮转化与温室气体排放研究进展

农牧业生产事关民生,资源化处理农牧业废弃物是保证种养结合及养分循环必不可少的重要环节。实践表明,利用堆肥技术处理农牧废弃物不仅环保与安全,而且符合循环经济的要求,同时它也是目前国内外处理有机固体废弃物的主要措施。本文在分析和查阅大量文献基础上,对堆肥过程中温室气体排放动态及影响因素,有机肥堆制中碳、氮转化规律及其与微生物间的作用进行综述。分析影响堆肥碳、氮转化因子与相应的研究进展,指出研究中存在的问题并提出今后的研究方向。     

添加剂对堆肥过程中挥发性有机物（VOCs）的减排效果

为明确添加剂对堆肥挥发性有机物（Volatile organic compounds,VOCs）排放的减排效果和影响因素,通过文献筛选出吸附类添加剂（活性炭和沸石）与有机酸类添加剂（柠檬酸和草酸）开展实验研究。在鸡粪-玉米秸秆堆肥实验中,设置5个处理,分别为对照（CK）、添加活性炭、添加沸石、添加柠檬酸和添加草酸处理。研究对象包括115种VOCs、三甲胺和6种含硫有机挥发气体（二甲硫醚、二甲基二硫醚、二甲基三硫醚、甲硫醇、乙硫醇、乙硫醚）。结果表明：在28 d的好氧发酵中,所有处理均达到50 ℃并维持7 d,满足无害化标准。检出110种VOCs、三甲胺和3种含硫有机挥发气体（二甲硫醚、二甲基二硫醚,二甲基三硫醚）。VOCs的排放集中在前9 d,在第3天时VOCs达到峰值。5个处理在堆肥第3天检测到的VOCs浓度范围为169.22~548.26 mg·m^-3。4种添加剂对各类VOCs均有减排效果。在第3天,活性炭、沸石、柠檬酸和草酸对烷烃类的减排效率分别为79%、26%、77%和46%,对卤烃类的减排效率分别为96%、38%、93%和97%,对芳香烃类的减排效率分别为28%、11%、24%和53%。从堆肥第6天开始只有沸石对各类VOCs有减排效果,最高减排效率为30%。针对含硫有机挥发气体减排,减排效果依次是草酸>柠檬酸>沸石>活性炭。4种添加剂对含硫有机挥发气体均有减排效果,但是对三甲胺没有减排效果。综合堆肥前9 d VOCs的减排情况,4种添加剂中沸石对各类VOCs减排效果最好。堆肥过程中添加沸石有利于VOCs和其他气体的协同减排,并且对土壤和农作物不存在风险,所以沸石在堆肥工程中有广阔的应用前景。     

落叶堆肥过程中有机物的动态变化

为研究落叶堆肥过程中有机物的动态变化特征,进行了50 d的高温好氧堆肥试验.结果表明:堆肥中有机质、挥发性固体、腐殖质、游离腐植酸以及富里酸(FA)呈下降趋势;腐殖质碳/有机碳[w(GHM)/w(TOC)]先减小后增加,最后稳定在47.3%～47.6%;胡敏酸[w(HA)]呈上升趋势;胡敏酸/富里酸[w(HA)/w(FA)]在堆肥过程中迅速增加,从堆肥初始的0.43增加到堆肥结束时的1.02,表明堆肥有机物向腐殖化和稳定化方向转化;E4/E6先增加后缓慢降低.表明w(GHM)/w(TOC)可作为评价落叶堆肥腐熟和稳定的参考指标,而腐殖质含量、w(HA)/w(FA)以及E4/E6作为评价落叶堆肥腐熟的指标不太合适.     

固体有机废物堆肥过程中氮的转化

文章论述了固体有机废物堆肥过程中氮的转化过程,主要在氨化、硝化、反硝化、固定和氮以淋洗液和废气的形式排放等方面对环境的影响,并对影响此过程的因素进行了分析,对堆肥过程中氮素的合理调控提出了建议。     

污泥堆肥前后水溶性有机物的性质变化研究

采用透析、XAD-8树脂、表面张力测定、光谱分析等方法研究了城市污泥堆肥前后产生的水溶性有机物(DOM)的理化特性变化.结果表明,在腐熟堆肥中,DOM的表面张力减小,堆肥DOM含量下降了38.6%.腐熟堆肥DOM中>8 000Da大分子组分和疏水性组分含量分别增加了35.8%和10.7%,疏水性组分与亲水性组分的比值变化从0.87增至为1.34.紫外光谱和红外光谱,以及E4/E6比均表明,随着堆制的进行,污泥堆肥DOM的聚合程度增加,芳构化程度加深.     

生活垃圾堆肥水溶性有机物荧光特性变化

利用城市生活垃圾进行堆肥,对堆肥前后水溶性有机物的荧光光谱进行分析。结果表明,水溶性有机物发射光谱相对简单,堆肥前在400 nm附近分别形成一个较强的荧光强度峰,而激发光谱与同步扫描光谱则由几个特征峰及肩峰组成。堆肥结束后,水溶性有机物在440 nm新形成一个较强的荧光强度峰;荧光激发与同步扫描光谱主峰的位置也发生明显的改变。对水溶性有机物发射、激发及同步扫描光谱的特征峰进行分析证实,堆肥结束后,水溶性有机物中含有较高的分子缩合度与芳构化程度,并与富里酸类物质相似,表明堆肥产品施入土壤后活性较高。     

添加沼渣对餐厨垃圾堆肥腐殖化过程的影响

为探讨添加沼渣对餐厨垃圾堆肥腐殖化过程的影响,设计餐厨垃圾∶沼渣的干基比例分别为4∶0 （T1）、3∶1 （T2）和1∶3 （T3）3个处理,以水稻秸秆作为辅料进行条垛式堆肥。通过测定堆体温度、干物质含量、种子发芽指数以及总氮、总有机碳、胡敏酸和富里酸含量,分析堆体的物料降解、腐殖化程度、碳氮损失和堆肥品质等。结果表明：随着沼渣比例的增加,堆肥的有效积温比、腐殖质聚合度、腐殖化指数均上升; 50 d完成堆肥时,T2处理具有最高的干物质降解率（37.16%）、氮含量（23.89 g·kg^-1）和种子发芽指数（90.59%）,并具有较高的有效积温比（63.73%）、腐殖质聚合度（0.84）和腐殖化指数（7.78%）。研究发现,添加沼渣提高了餐厨垃圾堆肥高温期发酵效率,强化了堆肥腐殖化作用,同时也增加了碳、氮损失。     

中药渣堆肥过程中氮素转化及相关微生物菌群变化的研究

为了促进中药渣废弃物资源化利用,以中药渣、芦苇渣和酱油渣为原材料,采用不同配比和添加有机物料腐熟菌剂进行堆肥处理,分析堆肥过程中的温度、微生物总数(细菌、放线菌和真菌)、氮素相关微生物菌群(自生固氮菌、氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌)、全氮、铵态氮、硝态氮和种子发芽指数的变化,探讨不同处理堆肥前后养分变化差异的原因。结果表明,在中药渣不同配比堆肥过程中,细菌数量最多,是放线菌和真菌至少10 000倍,细菌、氨化细菌数量变化是"高—低—高—低"走势,而自身固氮菌、硝化细菌、反硝化细菌数量变化是"高—低—高"走势。中药渣∶芦苇渣∶酱油渣的配比为45∶30∶25时,升温快,温度基本上维持在62℃左右,堆肥前后氮素损失率为4.0%,堆肥结束时发芽指数为74.4%;而中药渣∶酱油渣的配比为75∶25时,升温慢,氮素损失率为53.3%,堆肥结束时发芽指数仅为34.4%。中药渣中的抑菌物质影响了不同处理堆肥过程中微生物总数和氮素相关微生物菌群的变化,导致了堆肥前后养分变化的差异。研究表明,中药渣∶芦苇渣∶酱油渣的配比为45∶30∶25时,氮素损失少,腐熟快。该研究为中药渣废弃物高温好氧快速堆肥、减少氮素损失提供参考和借鉴。     

猪粪堆肥过程中氮素物质转化规律研究

猪粪、稻草、菌荆混合堆肥与单纯猪粪堆肥对比试验,定量化研究了堆肥过程中不同阶段各种形态氮素转化和氮素损失途径。结果表明,在猪粪中添加稻草和菌剂堆肥,全氮损失减少,损失量为38％,其中氨态氮损失占氮总损失量80％,有机氮损失占氮总损失量21％;而单纯猪粪堆肥其氮素损失78％,其中氨态氮损失占氮总损失量38％,有机氮损失占氮总损失量59％。堆肥过程中主要是氨态氮和有机氮的变化,硝态氮变化较小。     

凹凸棒土添加对结球甘蓝废弃物堆肥腐殖化过程的影响

为明确凹凸棒土的添加对结球甘蓝废弃物堆肥腐殖化的促进效果,以结球甘蓝废弃物和玉米秸秆为原料,分别添加质量分数为0（CK）、2.5%（T1）、5%（T2）、7.5%（T3）的凹凸棒土进行好氧堆肥,探究不同添加量的凹凸棒土对基本理化性质、有机质组分、腐殖化的影响,并结合相关性分析和结构方程模型探讨其影响腐殖化过程的途径。结果显示,凹凸棒土的添加使堆肥高温期延长了1~3 d。与CK相比,T2和T3处理的种子发芽指数分别提高了27.97%和42.06%,有机质降解率分别提高了1.67%和6.92%,腐熟状况更好。此外,与初始状态相比,堆肥结束时CK、T1、T2和T3处理的富里酸（FA）含量分别下降39.88%、42.92%、47.28%和47.68%;胡敏酸（HA）含量分别上升89.08%、129.78%、135.83%和162.50%,使得堆体芳香度增加。相关分析和结构方程表明,凹凸棒土的加入使水溶性有机碳（DOC）与腐殖质组分、前驱体的相关性发生正负转变,显示其通过影响DOC来促进HA的合成,同时还增多了显著影响HA形成的路径,促使氨基酸、还原糖和FA向HA转化,从而提高腐殖化程度。研究表明,凹凸棒土添加量为7.5%时可明显促进结球甘蓝废弃物堆肥腐熟,有效活跃前驱体,并提高腐殖质的芳香性和腐殖化程度。     

有机固体废物超高温好氧发酵技术及其工程应用

有机固体废物已成为我国生态环境和农业面源污染的重要源头,解决废物资源化高效利用问题成为研究的热点与关键.虽然传统高温堆肥作为废物资源化处理技术已经成熟,但是存在发酵周期长、发酵温度低、无害化不彻底等缺陷,严重制约其工厂化推广应用.本文推出一种有机废物资源化利用新技术:超高温好氧发酵技术.介绍了其基本原理、工艺流程、发酵参数以及在废物资源化利用方面的优势.该技术通过添加嗜热菌剂使发酵温度比传统高温堆肥高出20~30℃,能够显著缩短发酵周期、强化无害化效果.因此,该技术有望成为一项具有广泛应用前景和市场需求的废物资源化新技术.     

有机物料不同配比堆肥过程的差异分析

为了促进当地农业有机废弃物资源的循环利用,以牛粪、猪粪和鸡粪等为堆肥的主要原料,在协调所有处理的碳氮比相同和添加EM菌液的条件下进行堆肥试验,分析有机物料的不同配比在堆肥过程中的温度、p H、EC、全氮、铵态氮、硝态氮和发芽指数的变化趋势,比较不同处理堆肥前后养分含量的差异。结果表明,牛粪—鸡粪—谷壳处理的升温最快,高温阶段温度基本上维持在70℃上下,堆肥前后氮素损失率最大为22.8%,而猪粪—食用菌渣—鸡粪处理的高温阶段温度低于65℃,氮素损失率最小为3.47%,发芽指数在堆肥进行20 d就达到了52%,堆肥腐熟快于其他处理,但是在堆肥32 d后,所有处理的p H在7.7-8.5之间,满足堆肥腐熟后呈弱碱性的要求,发芽指数在80%左右,基本上达到了有机肥完全腐熟的标准。研究表明堆肥32 d后可以完全腐熟;但合理的配比,同时调节其通风性,控制堆体温度在45-65℃之间,可减少氮素损失,提高有机物料堆肥的效果。     

污染土壤中有机质和重金属互相作用的模拟研究

    为了解污染土壤中有机质积累与重金属积累之间的相互影响,在供试土壤中添加不同等级的有机物料和重金属元素Pb与Cu,在培养条件下研究有机物对土壤重金属稳定性的影响及不同重金属添加量对土壤生物呼吸强度和有机质矿化的影响.结果表明,随着重金属添加量的增加,土壤微生物生物量和有机质矿化速率显著下降,添加的有机物料残留增加,促进了土壤有机碳的积累.同时,有机碳的积累又增加了土壤对重金属的吸附固定,增加了土壤中重金属的稳定性,降低了其淋溶性,有利于重金属在土壤中的积聚.分析结果表明,颗粒态有机质中重金属的富集是土壤有机质矿化减弱和重金属稳定性增加的主要原因.由此推断,污染土壤中重金属和有机质可通过形成重金属-颗粒态有机质复合体发生相互促进稳定或积聚的作用.     

土壤有机质高光谱特征及其反演研究

具有精细的光谱分辨率,可获取地物纳米级连续光谱信息的高光谱技术以其简便、快速、精度高和无损等优势成为获取土壤有机质(soil organic matter,SOM)含量的重要手段,在精确农业发展中发挥着重要作用。本文阐述了高光谱反演土壤有机质的机理,概述了土壤有机质含量的光谱反射特征,包括不同土壤类型、不同土壤有机质含量的光谱响应波段,以及土壤有机质含量的光谱反演方法和模型的研究进展。进一步分析了土壤有机质光谱特征研究中存在的问题并对发展趋势进行了展望和分析,以期为以后的研究提供一定的参考。     

有机酸添加剂对低碳氮比条件堆肥氮素损失控制效果研究

为减少堆肥过程中的氨气挥发和氮素损失,以鸡粪、玉米秸秆和菌渣为发酵原料,采用强制通风静态堆肥罐进行41 d的好氧堆肥试验,研究低C/N（15）条件下两种有机酸（柠檬酸、草酸）对堆肥过程中氨气减排效果和氮素形态转化的规律。结果表明：添加5%（鲜质量）的柠檬酸、草酸增加了堆肥50℃以上高温天数和连续高温天数,降低了堆肥初始物料1.70个和1.88个pH值单位。草酸对堆肥主要发酵时期氨气减排有较好的效果,柠檬酸对氨气减排的影响主要集中在堆肥前10 d,随后减排效果减弱。与CK相比,柠檬酸、草酸分别降低堆肥过程中氨气累积挥发量44.15%和69.57%,氮素损失量分别降低了25.16%和48.54%。堆肥中氮素主要以有机氮的形态存在,与CK相比,添加柠檬酸、草酸处理有机氮含量分别提高了9.44%和23.13%,氨基酸态氮含量提高了11.23%和15.53%,酰胺态氮含量提高了18.43%和39.99%。柠檬酸、草酸提高了堆肥结束时无机氮含量,与CK相比,铵态氮含量分别提高了68.13%、408.48%,硝态氮含量提高了17.94%、45.75%。堆肥结束后CK、柠檬酸、草酸处理有机碳含量分别下降了31.44%、22.16%、15.70%。各处理温度、粪大肠菌群数、蛔虫卵死亡率均达到《畜禽粪便无害化处理技术规范》（GB/T 36195—2018）要求,但是草酸处理种子发芽指数未达到无毒害标准。试验结果表明,添加有机酸具有较好的氮素损失控制效果,且添加草酸效果优于柠檬酸,但是从堆肥产品无害化角度考虑,草酸添加量和添加方式还有待进一步研究。     

畜禽废弃物的基质化处理研究

畜禽废弃物的基质化处理试验采用木屑、茶渣和药渣为调理剂,分别配合0、20%、30%、40%质量比的猪粪,进行有机基质的腐熟对照实验.在整个腐熟周期,各组堆料的主要理化指标(堆温、pH值、电导率(EC)、有机质、全碳(TC)、全氮(TN)、全磷(TP)和总孔隙率等)随堆制时间呈现一定的变化规律.综合堆料的堆温变化、发酵周期和设施无土栽培对有机基质的理化指标要求,30%猪粪含量的腐熟后的有机基质,其理化性质比较适合作物栽培,腐熟周期适于工厂化生产.     

溶解性有机质对水稻生长及元素吸收的影响

用溶液交换法研究了从猪粪、稻草和紫云英 3种有机肥中提取的溶解性有机质对水稻生长及其吸收养分的影响 .结果表明 ,3种来源不同的溶解性有机质均显著促进了水稻根系及茎叶的生长 ,提高了水稻的分蘖数 .3种溶解性有机分解液均显著提高根系和茎叶 Fe质量分数 ,对 Cu质量分数的影响不显著 ,对 Zn和 Mn质量分数有一定影响 ,但情形较复杂     

水溶性有机物电子转移能力及其生态效应

水溶性有机物(Dissolved organic matter,DOM)是生态系统最为活跃的有机物组分,参与众多物理、化学及生物过程.DOM具有电子转移能力,主要原因在于结构中包含的醌基官能团,通过醌、半醌和氢醌之间的可逆转化完成电子转移过程.DOM作为电子穿梭体,循环参与电子转移的能力是其发挥生态效应的重要体现.研究表明,DOM可以通过氧化还原反应介导环境中Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)等重金属及卤代烃、硝基芳香化合物等持久性有机污染物降解转化.综述了DOM电子转移能力机理、途径及可循环性,电子转移能力测定方法,以及DOM电子转移能力的生态效应并展望研究方向.     

不同消解方法测定土壤有机质含量

重铬酸钾为氧化剂,选用油浴、磷酸浴、电沙浴、微波消解加热消解土壤有机质,比较有机质测得量。结果表明：微波法有机碳氧化率最高,精密度和准确度最高,平行测定RSD为0．42％～0．69％。磷酸浴法氧化率高,准确度与精密度高,平行测定RSD为0．43％～0．70％。磷酸浴法温度稳定,易于控制,简单,安全,环保。微波法和磷酸浴法试验结果相对误差为＋0．61％～＋1．39％,可以作为实验室分析土壤有机质的标准加热消解方法。油浴法与沙浴法氧化率较低,试验误差大。油浴法温度不易控制,存在环境污染。