（环境工程专业论文）猪场贮存污水温室气体排放研究.pdf

摘要 规模化畜禽业的发展在解决了畜产品供给和带动农村经济发展的同时也带来了日益严重 的环境污染问题。液体粪污贮存是我国规模化畜禽场中广泛应用的经济的处理粪污的方式。同 时，畜禽贮存污水是重要的农业源温室气体贡献者。目前国内对猪场贮存污水的温室气体排放 的研究报道相对匮乏，缺少相关的基础数据和资料。因此，在我国进行此方面的研究，有利于 为该领域的研究提供数据支持，有利于探索温室气体减排措施。 本文在参考国内外相关文献资料的基础上，选择猪场贮存污水为研究对象，通过室内定量 的研究分析和室外的现场试验，系统研究了温度、c o d 、覆盖物对贮存污水c 0 2 、c h 4 、n 2 0 排放的影响以及实际生产过程中的气体排放情况。主要研究结论有： 1 实验室内不同c o d 水平对贮存污水温室气体排放的影响试验表明，c h 4 和c 0 2 两种温室 气体的排放通量与累积排放量，随水质c o d 浓度的增大而升高。c o d 范围在 1 0 0 0 - 3 0 0 0 m g l 、3 0 0 0 5 0 0 0 m g l 和5 0 0 0 7 0 0 0 m g l 的三个处理，去除每克c o d 产生的c h 4 量分别为0 1 2 l 、0 2 8 l 、0 3 1 l ，c 0 2 量分别为0 4 7 l 、0 6 6 l 、1 9 0 l 。 2 实验室内不同水温对贮存污水温室气体排放的影响试验表明，4 0 水温的c h 4 和c 0 2 丰1 放通量与累积排放量都是最高的，与其他两组差异显著。2 5 。c 水温的c h 4 和c 0 2 排放通 量与累积排放量均比1 0 c 水温的低。4 0 的贮存温度条件下，去除每克c o d 产生的c 0 2 和c h 4 量分别为1 1 9 l 、0 5 9 l ，去除每克v s 的c 0 2 和c h 4 排放量是0 9 9 l 、0 4 9 l 。1 0 和 2 5 的贮存条件下，去除每克v s 和c o d 的c 0 2 和c h 4 排放量相近。 3 不同覆盖物对猪场贮存污水的温室气体排放影响试验表明，陶粒组和对照组的c i - h 和 c 0 2 累积排放量没有显著差别( p = - 0 7 8 ) 。覆盖玉米秸的处理组，其c h 4 和c 0 2 的累积排 放量显著地高于覆盖陶粒组和对照组( p o 0 1 ) 。覆盖玉米秸的处理去除每克c o d 产 生的c 0 2 和c h 4 量分别为2 9 5 7 l 、1 0 4 9 l ，去除每克v s 产生的c 0 2 和c i - h 量分别为3 7 0 6 l 、 1 3 1 4 l 。 4 不同季节各级化粪池温室气体排放浓度测定以及排放通量的计算表明：冬、春、夏三 个季节的试验没有发现明显的c 0 2 、c h 4 排放浓度和排放通量的日变化规律。与c 0 2 、 c i - h 的排放浓度相比，n 2 0 的排放浓度很低，基本可以忽略。三个季节的气温与污水贮 存系统的c 0 2 、c h 4 排放量具有极显著的相关性。 5 不同化粪池温室气体贡献率分析表明：对于整体贮存系统的排放通量而言，一级化粪 池在三个季节的贮存污水温室气体排放的测试中，贡献率分别为6 0 1 、6 2 1 和4 3 4 ， 是本污水贮存单元的主要温室气体贡献者，因此应着重控制一级化粪池的温室气体排 放。 6 温室气体贡献率分析表明：冬季试验时，对于c 0 2 当量的温室气体，c 0 2 、c h 4 和n 2 0 的贡献率分别为1 9 、7 8 和3 。春季试验时，三种气体的贡献率分别为1 0 、9 0 和 0 。夏季试验时，三种气体的贡献率分别为5 、9 5 和o 。c h a 是本污水贮存系统排 放的主要的温室气体，其次是c 0 2 。因此应主要控制本污水贮存单元c h 4 气体的排放。 7 室内厌氧贮存试验和室外的现场试验的结果均表明：n z o 的排放很微弱，基本可以忽略。 关键词：液体粪污，贮存，猪场，温室气体，排放通量 a b s t r a c t t h ec o n t i n u o u sa n dr a p i dd e v e l o p m e n to fc o n c e n t r a t e da n i m a lf e e d i n go p e r a t i o n s ( c a f o s ) c o n t r i b u t e sg r e a t l yt os u f f i c i e n ta n i m a lp r o d u c ts u p p l ya n df a c i l i t a t e st h ed e v e l o p m e n to fr u r a le c o n o m y , b u tt h ec o n c o m i t a n ta n i m a lw a s t e sp o s et r e m e n d o u st h r e a t st ot h ee n v i r o n m e n t ，e s p e c i a l l yw a s t ew a t e r l i q u i dm a n u r es t o r a g e s ( l m s ) a r ew i d e l yu s e dc o s t e f f e c t i v ef a c i l i t i e sf o rt h ew a s t em a n a g e m e n ti n c a f o si no u rc o u n t r y , l m si sc o n s i d e r e dt ob ea ni m p o r t a n ts o u r c eo fg r e e n h o u s eg a s ( g h g ) e m i s s i o n si na g r i c u l t u r es e c t o r t h e r ei sal a c k i n go fi n f o r m a t i o no nt h eg h ge m i s s i o n sf r o ml m s t h e r e s u l t so ft h es t u d yw i l lp r o v i d es o m eb a s i cd a t af o r t h ee s t i m a t i o no fg h ge m i s s i o n sf r o ma n i m a lw a s t e m a n a g e m e n t ，a n db eh e l p f u lt ot h ed e v e l o p m e n to fm i t i g a t i o np r a c t i c e s n i ss t u d yi n v e s t i g a t e dt h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r e ，c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( c o d ) ，c o v e r i n go n t h ec 0 2 ，c h 4 ，n 2 0e m i s s i o n sb a s e do nt h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s ，a n dm e a s u r e dt h eq u a n t i t i e so fc 0 2 ， c h 4 a n dn 2 0e m i s s i o n sf r o ml m so nas w i n ef a r m , t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h ef l u x e sa n dc u m u l a t i v ee m i s s i o n so fc 0 2a n dc i - hi n c r e a s e dw i t hc o dc o n c e n t r a t i o n s c h 4e m i s s i o n sw e r e0 12 l ，0 2 8 l ，a n d0 31lw i t he a c hg r a mo fc o dr e m o v a lf r o ml m sw i t h t h ec o dr a n g e so f1 0 0 0 3 0 0 0 m g l 、3 0 0 0 5 0 0 0 m e d la n d5 0 0 0 7 0 0 0 m g l ，r e s p e c t i v e l y t h e c o r r e s p o n d i n gc 0 2e m i s s i o n sw e r e0 4 7l g ，0 6 6l g ，1 9 0 l g 2 t h ei n s i d et e m p e r a t u r eo fl m sa f f e c t e db o t ht h ec 0 2a n dc i - 1 4e m i s s i o n s t h em a x i m u m f l u x e sa n dc u m u l a t i v ee m i s s i o n so f b o t hc 0 2a n dc h 4e x h i b i t e di n4 0 ，w h i c hw e r e s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h o s ei n2 5 ca n di o * c ，w i t ht h em i n i m u m v a l u e sa p p e a r i n gi n2 5 c w h e nt h ei n s i d et e m p e r a t u r eo fl m sw a s4 0 t h ec 0 2a n dc h 4e m i s s i o n sw e r e1 1 9 la n d 0 5 9 lf o rlgc o dr e d u c t i o n ，a n d0 9 9 la n d0 4 9 lf o rlgv sr e d u c t i o n ，r e s p e c t i v e l y1 1 l ec 0 2 a n dc h 4e m i s s i o n sf r o mt h el m so f2 5 w e r es i m i l a rt ot l l o s ef r o mu n d e rt h el m so f10 3 n os i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nt h ec u m u l a t i v ec 0 2a n dc h 4e m i s s i o n sw a so b s e r v e db e t w e e n c e r a m i s i t ea n dc o n t r 0 1 c o r ns t a l kc o v e r i n gc o u l ds i g n i f i c a n t l yi n c r e a s eb o t ht h ec u m u l a t i v e c 0 2a n dc h 4e m i s s i o n sf r o ml m si nc o m p a r i s o nw i t hc e r a m i s i t ea n dn o n - c o v e r i n gc o n t r 0 1 n ef l u x e sa n dc u m u l a t i v ee m i s s i o n so fc 0 2a n dc h 4w i t hc o r ns t a l kc o v e rw e r e2 9 5 7la n d 1 0 4 9lf o rl gc o dr e m o v a l ，a n d3 7 0 6 la n d1 3 1 4lf o rp e rg r a mv sr e m o v a l ，r e s p e c t i v e l y 4 n od a i l yv a r i a t i o ni nt h ec o n c e n t r a t i o n sa n df l u x e so fc 0 2a n dc h 4w e r eo b s e r v e di nw i n t e r , s p r i n ga n ds u m m e lt h en 2 0c o n c e n t r a t i o nw a sm u c hl o w e rt h a nt h o s eo fc 0 2a n dc h 4 ，i t s n e g l i g i b l e n ea m o u n to fc 0 2a n dc m e m i s s i o n sw e r ep o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t ha m b i e n t t e m p e r a t u r e 5 t h ef i r s ts e p t i ct a n kc o n t r i b u t e dt o6 0 1 ，6 2 1 ，a n d4 3 4 g h ge m i s s i o n si nw i n t e r , s p r i n g a n ds u m m e r , r e s p e c t i v e l y t h e r e f o r ei t sv e r yi m p o r t a n tt oc o n t a i nt h eg h ge m i s s i o n sf r o m t h ef i r s ts e p t i ct a n k 6 t h ec 0 2e q u i v a l e n to fc 0 2 ，c h 4a n dn 2 0e m i s s i o n sf r o mt h el m sa c c o u n t e df o r19 ，7 8 a n d3 g h ge m i s s i o n si nw i n t e r , a n d1 0 ，9 0 ，0 i ns p r i n g ，a n da b o u t5 ，9 5 ，0 i n i i s u m m e r , r e s p e c t i v e l y o h 4w a st h el e a d i n gg h g f r o ml m s ，a n dc 0 2f o l l o w e d m e a s u r e m e n t s s h o u l db et a k e nt oc o n t r o lt h ec h 4e m i s s i o nf r o ml m s 7 n 2 0e m i s s i o nf r o ml m sw a sn e g l i g i b l ea c c o r d i n g t ob o t ht h el a b o r a t o r ya n df i e l d e x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：l i q u i dm a n u r e ，s t o r a g e ，s w i n ef a r m , g r e e n h o u s eg a s ，e m i s s i o nf l u x 独创性2 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业科学院或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名i 旁娜 时间：删年歹月 j 日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解中国农业科学院有关保留、使用学位论文的规定，即：中国农业科 学院有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业科学院可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 论文作者签名： 杏挪时间：沏晒年歹月叫 日 导师签名： 时间：1 口。占年j 月弓r 中同农k 科学院硕 学位论文 第一章绪论 量- - 皇曼曼曼量曼笪曼曼曼皇曼曼量量曼曼量曼曼曼曼 ! 一 一 一 ；! 曼 一；i 皇曼舅 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论帚一旱殖化 改革开放以来，我国畜牧业得到了长足发展，畜牧业生产水平不断提高，主要畜产品产量持 续二十多年高速增长，畜牧业尤其是养猪业已成为我国农业中最具活力的支柱产业，也是农民增 收的亮点。据国家统计局统计，2 0 0 5 年，中国畜牧业总产值达到1 3 3 1 1 亿元，占农业总产值的比重 达到3 3 7 。肉类、禽蛋、奶类产量分别l e 2 0 0 0 年增长2 6 4 、2 8 4 和2 1 1 7 。我国肉类、蛋类 产量分别占世界的2 9 3 和4 4 ，5 ，居世界第一位。畜牧业的发展对于建设现代农业，促进农民增 收和加快社会主义新农村建设，促进国民经济和社会发展，提高人民群众生活水平具有十分重要 的意义。 当前，畜牧业发展形势越来越好，但随之带来的环境污染问题也越来越凸显。随着人们对畜 禽产品的需求量不断增大，动物饲养方式逐步向舍饲半舍饲转变，经营方式向集约化、规模化转 变，而且为了便于畜产品的产、供、销条龙的配套，使畜牧业由农区、牧区逐渐向城镇郊区转 移，这都造成了大量的畜禽废弃物，且由于农牧脱节，畜禽生产过程中产生的粪便、臭气、污水 对我们的生存环境造成较大的威胁。 目前，我国养殖业普遍存在养殖场缺少污染物处理贮存设施的现象，只有少部分养殖场对污 水进行了一定程度的处理，方法有物理处理法、化学处理法和生物发酵处理法等。经过一定手段 的处理虽然改善了水质，但处理后的污水仍需要贮存，高浓度的污水产生c 0 2 、c i - 1 4 和n 2 0 ( 三- 种气 体简写为g h g ) 等温室气体，对大气环境形成二次污染。众所周知，c 0 2 是大气中主要温室气体。 c h 4 和n 2 0 是仅次于c 0 2 的温室效应贡献率较大的温室气体，其对全球变暖的贡献比例分别为2 0 、 6 ( i p c c ，2 0 0 1 a ) ，与c 0 2 相比，尽管c h 4 和n 2 0 在空气中的浓度较低，但它们的温室效应分别 是c 0 2 的2 l 倍和3 1 0 倍。自从工业革命后，c 0 2 、c h 4 和n 2 0 的浓度分别增长了3 0 、1 5 1 和1 7 ( 口p c c ，2 0 0 1 b ) 。因此在控制温室气体排放时，这三种气体不容忽视。 农业对全球温室气体排放的贡献率是3 5 ( i p c c ，2 0 0 1 ) 。农业生产中，c 0 2 、c i - 1 4 的主要来源 是反刍动物和粪污贮存，n ：o 主要来源于肥料的喷洒、动物粪污降解和农作物残渣。畜禽粪污对 全球c h 4 和n 2 0 排放总量的贡献率分别为5 1 0 和7 ( j m a r t i n e z ，2 0 0 3 ) 。2 0 0 1 年，加拿大农业源 排放的c 0 2 、c n 4 和n 2 0 中，粪污贮存过程排放的贡献率为1 7 ( o l s e ne ta 1 ，2 0 0 3 ) 。根据2 0 0 1 年瑞 典的清单估计，农业源排放的c h 4 和n 2 0 分别占全国的5 5 和5 8 ，粪污管理过程中产生的占全国 的4 8 和8 3 ( a n d r e wd u s t a n ，2 0 0 2 ) 。在荷兰，畜禽业对c n 4 的贡献率达4 0 ，其中肠胃发酵达贡 献率为3 2 ，粪污贡献率达8 ( h i l h o r s te ta l ，2 0 0 1 ) 。我国2 0 0 2 年向联合国提交的中华人民共和国 气候变化国家信息通报中，农业源c h 4 排放占全国c h 4 排放的5 0 ，其中畜牧业c h 4 排放占农业c i - 1 4 排放的3 2 。 随着京都议定书的签订，发达国家已有了艰巨的温室气体减排任务，虽然我国还没有减 排任务，但在全球气候变暖的大环境下，在温室气体减排的迫切要求下，尽早了解目前我国的畜 禽粪污处理贮存过程中的温室气体排放状况，掌握粪污管理源温室气体的贡献率就显得尤为重要。 本文探索了不同季节条件下猪场污水处理贮存单元c 0 2 、c h 4 和n 2 0 排放规律，在实验室内研究了 猪场贮存污水的g h g 排放与水质c o d 浓度、水温、覆盖物等相关因素的关系，为编制我国畜禽废 】 中同农业科学院硕f j 学何论文第一章绪论 弃物温室气体排放清单和探索有效的温室气体减排措施提供数据支持与依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 污水温室气体产生原理研究 经多年研究，对于c 0 2 、c h 4 的产生原理已研究得较为成熟。c 0 2 、c h 4 是在厌氧消化过程中 产生的。厌氧消化过程可分为3 个连续阶段：水解阶段、产酸阶段和产甲烷阶段。第一阶段为水解 阶段，复杂的大分子、不溶性有机物在水解酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物。水解的量 和程度取决于酶的活性、粪污的特点和环境因素，例如p h 值、温度等。第二阶段为产酸阶段，在 产酸菌的作用下，将第一阶段产生的各种有机物水解转化为乙酸和氢气，在降解有机酸时还形成 c 0 2 。第三阶段为产甲烷阶段，产甲烷菌将乙酸、乙酸盐、c 0 2 和氢气等转化为c h 4 。产甲烷菌是 严格的厌氧菌，不能与氧气共存。产甲烷菌繁殖缓慢，对温度、p h 值等非常敏感。 粪浆中的n 2 0 释放之前，首先是尿素的氨化反应。然后在氧气供应充足的情况下通过硝化细 菌转化为硝态氮。过去通常认为硝化过程中不产生n 2 0 ，但近年的研究显示硝化和反硝化过程都 有产生n 2 0 的可能。n 2 0 既不是硝化反应的中间产物也不是它的最终产物，而是这一过程的副产物。 在缺氧状态下发生反硝化反应，n 2 0 是反硝化过程的中间产物。p h i l l i p s 等( 1 9 9 7 ) 总结从粪浆贮 存设备中释放的n 2 0 可以忽略，c l a u d el a g u 爸( 2 0 0 4 ) 也在粪浆贮存试验中发现n 2 0 的释放可以忽 略，p e u 等( 1 9 9 9 ) 利用动态箱测试好氧贮存系统n 2 0 的排放量，发现只有不到1 的总氮转化成 了n 2 0 。但s o m m e f 等( 1 9 9 9 ) 的实验表明贮存过程中同体粪便产生的n 2 0 不能忽略，需要进一步 关注。随后b r o w n 等( 2 0 0 0 ) 也研究在固体粪污贮存期间，当氧气充足硝酸盐大量积聚时就会有 大量n 2 0 释放。n 2 0 的生成对环境冈素的变化非常敏感，如粪污中的溶解氧、温度、p h 值等的变 化对其排放影响较大。同时，n ：0 的排放是个极其复杂的物理、化学、生物过程，受时间、空间 影响很大( c l a y t o ne ra 1 ，1 9 9 4 ；m c t a g g a r te ta 1 ，1 9 9 4 ；s m i t h ，1 9 9 0 ) 。 由上述c 0 2 、c h 4 和n 2 0 排放原理可知，畜禽粪污的高有机物的特点有利于产生温室气体，而 各种产生菌对环境冈素敏感的特点决定了c 0 2 、c i - 1 4 和n 2 0 的产生与挥发受到很多因素的影响与制 约，尤其是在室外自然情况下，其挥发量通常是多种因素综合作用的结果。 1 2 2 污水温室气体排放影响因素研究 污水贮存过程中温室气体的排放受很多因素的影响，例如温度( g o n z a l e z a v a l o s 等，2 0 0 1 ； a m o n ，2 0 0 1 ；k y u h y u np a r k 等，2 0 0 6 ；周叶峰等，2 0 0 7 ；) 、粪污硬壳或覆盖物( h u s t e d ，1 9 9 4 ； s o m m e r 等，2 0 0 0 ；a m o n 等，2 0 0 6 ；w e m e rb e r g 等，2 0 0 6 ) 、风速( l o w r ya h 等，2 0 0 0 ) 、粪 污处理类型( p a t t e y 等，1 9 9 7 ) 、饲料成分( s u t t o n 等，1 9 9 9 ；g e r a r d 等，2 0 0 5 ；k t l l l i n g 等，2 0 0 2 ) 等。掌握污水温室气体排放的过程以及相关影响因素，有利于进一步研究减少排放的措施与手段。 c o l ee ra l ( 1 9 9 7 ) 的研究中表明，运用恰当的技术，可以将污水的c h 4 排放量减少2 5 8 0 。目前国 内相关方面的研究基本处于起步阶段，已有的研究主要集中在动物排放( 樊霞等，2 0 0 4 ) ，舍内 排放( 董红敏等，2 0 0 6 ) ，堆肥处理等，谢军飞等( 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ) 分别研究了蛋鸡粪的堆肥过程 中温室气体排放与影响因子之间的关系和不同堆肥处理猪粪温室气体排放与影响因子之间的关 2 中同农、i k 科学院硕卜学位论文第一章绪论 系。而对畜禽污水处理与贮存过程中的温室气体排放方面的研究还未见报道。国外对此方面的研 究较早，从不同处理模式的温室气体排放浓度到考察各因素的影响程度的研究，均做了大量的工 作。各国研究者对于温度、覆盖物对处理贮存过程中温室气体排放影响的研究较多，本文将温度、 覆盖物作为主要的综述因素，简述其他影响冈素。 1 ) 温度 通过上述原理可知，c h 4 和n 2 0 的生成均受温度的影响。温度是影响气体排放的重要冈素。细 菌活性与温度密切相关并且不同的细菌类型适宜在不同的温度范围内生长。 水温m a s s 6 等( 2 0 0 3 ) 测试猪粪浆贮存时的c h 4 排放时发现，当粪污温度为1 0 时，c h 4 挥发量为1 3 2 3 8 l l l ，当粪污温度为1 5 时，c h 。挥发量为7 3 4 7 4 3 l l ，他们进一步总结在加拿大的典型农场，在晚秋、冬天、早春时粪污贮存罐挥发 的c h 4 可以忽略，因为在这些时节粪污温度一直低于1 0 。j o h ns t e e dj r 矛1 a n d r e wg h a s h i m o t o ( 1 9 9 4 ) 也发现1 0 以下各个粪污管理系统的甲烷转化因子都可以忽略。h u s t e d ( 1 9 9 4 ) ，k h a n 等 ( 1 9 9 7 ) ，s o m m e r 等( 2 0 0 0 ) 在研究中将c h 4 的浓度和水温的关系同归成指数方程。当温度较低时， 一些研究中发现c h 4 产生与水温的线性关系( s h a r p ea n dh a r p e r ，1 9 9 9 ；k a h a r a b a m 等，1 9 9 8 ) 。 s h a r p e 等( 2 0 0 2 ) 发现氧化塘中粪浆温度最高时，c h 4 的排放量也达到最大，s h a r p e 等将风速、粪 污温度和挥发性固体作为自变鼍同归成c h 4 的挥发量的一次方程，其中粪污温度与c h 4 的挥发量相 关性最强。s h a r p ea n dh a r p e r ( 1 9 9 9 ) 发现2 0 0 以下时，c h 4 的产生主要受不同形式产甲烷菌的生 长速率和液体中甲烷的形成速度影响。h i l h o r s t 等( 2 0 0 1 ) 通过实验证实，当温度从2 0 降到1 0 时，通过公式计算出的甲烷释放量减少了6 6 ，这一结果与z e e m a n ( 1 9 9 4 ) 和c h y n o w e t h 等( 1 9 9 9 ) 所得出的结果吻合。k a z u t a k au m e t s u ( 2 0 0 5 ) 研究了粪浆温度对原浆和厌氧处理过的粪浆c h 4 释放的影响。当贮存的温度不断升高时，两种粪浆的c h 4 释放量都有所增加。当贮存温度高于1 5 时，c h 4 占所释放气体浓度的4 0 以上。k y u - h y u np a r k 等人( 2 0 0 6 ) 通过两年的现场试验也发 现，c h 4 的排放与粪污温度有很强的相关性。 气温c l a u d el a g u 芑( 2 0 0 4 ) 在s a s k a t c h e w a n 研究猪粪贮存过程中温室气体的排放，其结果显 示夏季气体排放量最高，春季排放量最低。h u s t e d ( 1 9 9 4 ) 发现c h 4 冬季时挥发量低而夏季时挥发 量高。w a g n e r - r i d d l e 和m a r i n i e r ( 2 0 0 4 ) 在安大略湖南部的三个试验点发现，c i - h 的排放与气温呈 线性关系。作者表示去除当粪污结冰在冰面上的试验，这种线性关系的显著性将会提高。s h a r p ea n d h a r p e r ( 1 9 9 9 ) 发现氧化塘冬季时的c h 4 排放与水温成高度相关，温暖季节，水温、气温、风速都 影响c 1 4 的排放。w a g n e r - r i d d l e 和m a r i n i e r 与h u s t e d 的观点一致，认为粪污温度比周围气体温度更 能影响c h 4 的排放。 由上面例举的文献资料可知，无论是气温还粪污温度都和c h 4 排放有较大关系。 n 2 0 通过硝化反硝化过程产生，这两个过程进行的程度随着温度的增加而提高( g r a n l ia n d b k m a n ，1 9 9 4 ) ，当温度在4 时，反硝化过程还能进行，但是当温度高于5 时此过程才会显著。 在瑞典的研究表明，寒冷时期贮存的粪污释放的n 2 0 比温暖时期的释放浓度低。但是s o m m e re t a l ( 2 0 0 0 ) 的研究表明n 2 0 的挥发与气温和粪污温度均没有关系。 2 ) 覆盖物 通常研究的覆盖物有自然形成的硬壳、碎稻草、粘土、鹅卵石、木材等，众多专家都将覆盖 3 中同农、f k 科学院硕仁学位论文第一章绪论 曼曼曼曼曼菖i 一 ；i m l 曼皇曼皇曼皇曼量曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅舅舅曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 物作为重要影响因素来研究其对粪污贮存过程中温室气体排放的影响。但可能是各实验的原粪浆 成分不同、粪污贮存管理方式不同、实验条件等的不同使得不同专家对于同种覆盖材料的影响得 出了截然相反的结论。s o r e no p e t e r s e n ( 2 0 0 5 ) 指出粪浆贮存过程中添加覆盖物是减少温室气体 排放的既经济又有效的方式。英国政府建议在室外贮存时添加覆盖物，荷兰政府也颁布法令要求 在室外贮存粪浆时添加覆盖物减少对大气的污染。w i l l i a m s 和n i g r o ( 1 9 9 7 ) 、m a h i l h o r s t 等 ( 2 0 0 1 ) 、c l a u d el a g u e 等( 2 0 0 4 ) 也都认为为室外贮存的粪浆添加覆盖物会减少5 0 6 0 的c 心 排放。同时c h a d w i c k ( 2 0 0 5 ) 也发现对牛粪堆进行压实和加覆盖物处理会有效减少n h 3 的释放量， 同时也会显著减少n z o 的排放，但对c h 4 释放的影响不明显。但n a z i mc i c e k 等( 2 0 0 4 ) 、h 6 m i g 等( 1 9 9 8 ) 、c l e m e n s 等( 2 0 r e ) 、h o y 等( 1 9 9 7 ) 却在实验中发现稻草、自然形成的硬壳等使贮存 粪浆产生了更多的温室气体。 自然形成的硬壳s o m m e r 等( 2 0 0 0 a ) 证实自然形成的硬壳对降低c h 群放量效果显著， h u s t e d ( 1 9 9 4 ) 对猪粪浆和牛粪浆的c h 4 排放进行了长期的研究，发现自然形成的硬壳相对裸露的 液面可以减少c h 4 的排放。当没有硬壳时发现c h 4 的挥发显著增加，但是随着温度的增加，表面硬 壳对于减少c h 4 排放的作用越来越小。冬季的硬壳较夏季更加潮湿和紧实，减少c h 4 排放的作用更 显著。冬季硬壳的低渗透性可以解释较低的气体排放。a m b u s 等( 2 0 0 5 ) 利用c ”示踪技术研究贮 存罐中c h 4 的释放，实验结果证明粪浆上形成的硬壳能为c h 4 的氧化提供了环境这发现可能为减少 粪污贮存过程中温室气体的减排提供新的途径。 但针对自然形成的硬壳的作用也有科学家得出不同结果。h 6 m i g 等( 1 9 9 8 ) 却在试验中发现 粪污贮存中自然形成的硬壳会使n 2 0 的释放量更高，在某种情况下也会引起c h 4 的释放，尤其是在 高温的情况。s o m m e r 等( 2 0 0 0 b ) 实验发现当粪污表面没有硬壳或者硬壳还很湿润时n 2 0 的挥发 接近于0 ，但是在夏季，当硬壳部分的变干裂，并且形成空洞时，n 2 0 的挥发显著增加。 碎稻草s o m m e r 等( 2 0 0 0 a ) 发现稻草减少粪浆贮存时c h 4 排放的效果很明显。j o n a t h a n p e t e r s o n 等( 2 0 0 4 ) 发现贮粪坑添加稻草盖时能减少6 0 的c 0 2 和9 1 的c h 4 的气体释放。但n a z i m c i c e k 等人( 2 0 0 4 ) 却发现在粪污贮存设备上罩上稻草能较少3 7 8 的气味，但是c h 4 释放量却激 增，增加了2 4 7 2 ，而且在实验中发现n 2 0 也有轻微的增加，w u l 弛指出稻草覆盖物会增力n c i - 1 4 的排放。w e m e r b e r g 等( 2 0 0 6 ) 在实验室内研究发现添加稻草增加了c h 4 和n 2 0 的排放。a m o n 等 ( 2 0 0 6 ) 在试验室内的试验结果显示碎稻草有增加温室气体排放的可能。面对不同研究者得出的 不同结论，h t i t h e r ( 1 9 9 9 ) 做出了这样的解释，他阐述温室气体的释放与添加的稻草景有很大关 系。添加较多稻草使粪污变成好氧状态，从而降低c 地和n 2 0 的释放，添加少量的稻草会导致c h 4 释放量增加。c l e m e n s 等( 2 0 0 1 ) 的研究表明在【司体粪便或者粪浆中添加稻草由于添加了碳会导致 较高的c h 4 排放。 粘土b e r g ( 2 0 0 3 ) 发现酸化的轻质粘土作为覆盖物对于降低c h 4 排放有很明显的效果，同 时也减少了n 2 0 的排放。w e m e rb e r g 等( 2 0 0 6 ) 发现乳酸酸化的粪浆罩上轻质粘土盖时，c h 4 排 放明显降低。但l a g u e 等( 2 0 0 2 ) 研究表明，膨胀的黏土或者稻草盖将增力i c h 4 和n 2 0 的排放， h 0 t h e r ( 1 9 9 7 ) 的试验结果也是如此。 其他除上述几种研究者研究较多的覆盖物外，研究者还对其他的一些材质的覆盖物进行了 研究，如鹅卵石( s o m m e r 等，2 0 0 0 ) 、多孔渗水膜、木材( a m o n 等，2 0 0 6 ) 、珍珠岩、负压盖 4 中同农业科学院硕卜学位论文第一章绪论 等。s o m m e r 等( 2 0 0 0 ) 证实小鹅卵石对降低c h 4 释放量有很显著的效果，h a n s e n 等( 2 0 0 2 ) 在粪 浆的表面罩上多孔渗水膜可以减少4 0 的c h 4 排放量。a m o n 等( 2 0 0 6 ) 研究木头盖能减少c h 4 和 n h 3 的释放。w e m e rb e r g 等( 2 0 0 6 ) 发现覆盖珍珠岩使c h 4 和n 2 0 的排放略有增加。j o n a t h a np e t e r s o n 等( 2 0 0 4 ) 发现贮粪坑添加负压盖时能减少7 2 的c 0 2 和9 3 的c h 4 释放。 3 ) 其他影响因素 c 0 2 、c i - 1 4 和n 2 0 都是在微生物作用下产生的，而微生物的生长、活性与粪浆的酸性是有关的。 甲烷菌生长最适宜p a 值为6 8 7 2 ，低于6 或高于8 时，生长将受到抑制。w e m e rb e r g 等( 2 0 0 6 ) 研究覆盖物与p h 值对贮存时c h 4 排放的影响时指出，加乳酸降低p h 值减少c h 4 和n 2 0 排放的效果 明显。产甲烷菌对p h 值的变化很敏感，最优的p h 值接近于7 ，但是当p h 值在6 6 , - - 9 0 2 _ 间都能产 生c h 4 。 w a g n e r - r i d d l e 和m a r i n i e r 发现风速与c 刚 放的正相关性。s h a r p e 等( 2 0 0 2 ) 将风速、粪污温 度和挥发性固体作为自变量同归成c h 捌 放一次方程，可见风速影响c h 4 排放。s h a r p ea n dh a r p e r ( 1 9 9 9 ) 试验发现，当温度和风速最大时，c h 4 排放也是最大的，并将水温、气温、风速三种因 素对c h 捌 放的影响建立了数学模型。 1 2 3 温室气体测试技术研究 温室气体生物源本身的特点为其测量工作带来了一定的困难，至今尚缺乏完善的测量方法。 目前广泛应用的测试方法有箱法( 包括静态箱法和动态箱法) 、风洞法( n a z i mc i c e k ，2 0 0 3 ) 和 微气象学法( s h a r p ea n dh a r p e r ，1 9 9 9 ) 。另外还有一些快速响应的测量仪器，如二极管( s h a r p e ra n d h a r p e r ，1 9 9 9 ) 、激光法( s h a r p e 等，2 0 0 2 ) ，失踪法( m a r t i nw o l t e r e ta l ，2 0 0 4 ) 等。箱法由于其简 单方便的优点被广泛应用在粪污温室气体排放的测定。 静态箱法的工作原理是在保持位于被测界面上方的箱内空气与外界没有任何交换的情况下， 通过一段不太长的时间内箱内被测气体的浓度变化来获得该气体的界面交换通量。此方法简单易 行，箱子的覆盖面积通常小于1 m 2 ，但其突出缺点是破坏了被测界面的自然状态。箱内的湍流状态 以及温度、湿度、辐射状况等均可发生改变，因此在一定程度上会影响测量结果的真实性( 王庚 辰，1 9 9 7 ) 。h a m i l t o n 等( 2 0 0 6 ) 利用静态箱技术进行中试模拟氧化塘测试温室气体排放状况， 箱体材料为聚丙烯，尺寸为0 0 9 0 2 m ( o h ) ，通过泡沫板提供浮力。 动态箱法的工作原理是让一定流量的空气通过箱子，通过测量箱体的入口处和出口处空气中 被测气体的浓度来确定被罩表面该气体的交换通量。动态箱法可以实现长期和连续观测，但系统 较复杂。同静态箱法一样，动态箱法适用于小区域观测，并且在一定程度上改善了箱体对被测区 域的自然环境的破坏。但在实际应用中却有很多技术难题，例如由于箱体覆盖面积小，在气体排 放通量较低的情况下，箱体出入口的被测气体浓度差别很小，因而要求很高的测量精度。h u s t e d ( 1 9 9 4 ) 、l a g u 芑等( 2 0 0 5 ) 、s o m m e r 等( 2 0 0 4 ) 、w o o d b u r y 等( 2 0 0 6 ) 、t e n g t e e hl i m 等( 2 0 0 3 ) 、 f a n gg a o ( 1 9 9 7 ) 等均用动态箱技术进行过粪污温室气体排放或土壤气体排放研究。采样箱的材 料大部分是不锈钢( w o o d b u r y 等，2 0 0 6 ；t e n g t e e hl i m 等，2 0 0 3 ) ，也有部分是有机玻璃( h u s t e d ， 1 9 9 4 ) 和p v c ( l a g u e 等，2 0 0 5 ) 。b r e w e r 希1 t h o m a s ( 1 9 9 7 ) 用树脂玻璃箱测试商业鸡场的垫草的氨 气排放。 5 中国农业科学院硕f 学何论文第一幸绪论 n a z i mc i c e k ( 2 0 0 3 ) 利用风洞法测量氧化塘的温室气体排放状况，隧道由不锈钢制成，长、 宽分别为0 。7 5 i n 和o 4 m ，隧道一端安装进气管，进气速度是0 3 m s ，材料是p v c ，进气管末端装有 风扇和过滤层，隧道另一端设有出气导管，材料为t e f l o n 管，此管与采样袋连接，每隔一段时间进 行采样测定浓度。其优点是可以将周围环境的影响考虑在内，不足是采样面积相对较小。 m i s s e l b r o o k 等( 1 9 9 8 ) 利用风洞法在商业奶牛场进行气体测试。 微气象学技术通过测试不同高度的风速、气温等来计算气体通量值，比箱技术测试的范围大， 并且不破坏粪污表面的自然状态。s h a r p e 等( 2 0 0 2 ) 应用微气象学技术研究氧化塘的c h 4 排放，通 过游艇将设备运到塘中测试位置，在塘面上五个不同高度( o 2 m 、0 3 1 5 m 、0 5 0 5 m 、1 2 6 m 乘d 2 m ) 测量气温和