（环境工程专业论文）竹炭的添加对猪粪堆肥过程氮素持留与温室气体减排的影响.pdf

篮炭鲍鋈盘盘猹粪堆匿过猩氢塞篓予7 0 1 08lihlllllllllilllliihllllllullllllllll 论文评阅人1 ： 论文作者签名：廨抓 指导教师签名：彩蒯矽 y 7 薛智勇研究员浙二省农科院 a u t h o r ss i g n a t u r e ： 一 s u p e r v i s o r 7ss i g n a t u r e ： t h e s i sr e v i e w e r1 ：蚤曼兰h i y q 堕g 基星墨曼鲤鱼里曼! ! q 迎 t h e s i sr e v i e w e r2 ： l q 丛l 地i 垒g 墨墨q 曼i 堑金里! q i 堡墨墨q i ! 鱼自i 垒垒g 堕迤y 皇! 墨煎y t h e s i sr e v i e w e r3 ：旦星y 避堕g墨墨q 坌i 堑曼里煦鱼墨璺q ! c h a i r ：n iw u z h o n g ( c o m m i t t e eo fo r a ld e f e n c e ) c o m m i t t e e m a n1 ：n iw u z h o n gp r o f e s s o rz h e j i a n gu n i v e r s i t y c o m m i t t e e m a n 2 一s h i j i y a n p r o f e s s o rz h e j i a n gu n i v e r s i t y c o m m i t t e e m a n3 ：墨h 曼堕丛q ! 查塾g 墨墨q 鱼i 垒! 星里! q ! 堡墨墨q 圣h 自i 垦堕g 堕逝y 鱼箜i 鲤 d a t eo fo r a ld e f e n c e ： q 5 ! 窆2 q12 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 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，也不包含为获得逝江太堂或其他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谢意。 学位论文作者签 签字日期：沙7 年厂月叫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江太堂可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 学位论文作者签名： 导师 签字日期：加v 年厂月叫日 签字日期 1 日 感谢 国家水体污染控制与治理科技重大专项 ( 2 0 0 8 z x 0 7 1o1 一0 0 6 一0 4 ) 对本论文的资助! a c k n o w l e d g e m e n t s w ea c k n o w l e d g et h ef i n a n c i a ls u p p o r to ft h en a t i o n a lk e y s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o je c t ：w a t e rp o l l u t i o nc o n t r o la n d t r e a t m e n t ( n o 。2 0 0 8 z x 0 710 0 0 6 0 4 ) i v 浙江大学硕士学位论文 致谢 本论文是在恩师吴伟祥教授的悉心指导下完成的，衷心感谢导师的授业之 恩。导师渊博的学识、敏捷的思维、开阔的视野、博大的胸怀、坚韧的探索精神、 严谨的治学态度和精益求精的的工作作风深深地感染和激励着我。为人师表，率 先垂范；诲人不倦，呕心沥血。感谢恩师带领我走进了科研的殿堂，激发我对科 研的浓厚兴趣，为我指明了前行的道路；感谢恩师教会我为人处世的道理，传授 我乐观的生活态度，让我学会了做人的哲学。两年半的学习时间转瞬即逝，但恩 师的教诲让学生终生受益。本论文从选题、试验实施、论文撰写与修改每一步都 离不开恩师的启发和指导，无不倾注了思师大量的心血和精力。在此，谨向恩师 表示崇高的敬意和最衷心的感谢! 感谢石德智老师和吕豪豪、王成师兄在论文构思、试验开展和文章撰写工作 中给予的帮助与指导，在此表示最诚挚的谢意! 感谢浙江大学环保所陈英旭教授、 施积炎教授、楼莉萍副教授、王飞儿副教授、李文红副教授、沈超峰副教授、丁 颖老师、韩志英老师、王云龙老师和任馨老师在科研工作和学习生活中给予的指 导、关心和帮助。感谢段壮芹、李峰、谢明华、秦智慧、于明革、杨建军、聂泽 宇、梁志伟、唐先进、刘磊、黄荣浪、陈文然等老师长期以来的精心指导和热情 帮助。 感谢已毕业的黄向东、黄啸、胡斌、吴松维、刘玉学、黎乾、李波、蔡传钰、 张蕊、感谢刘晶静、陈重军、杨敏、郭晓慧、孙法迁、邓辉、王亮、黄孝肖、冯 琪波、董达、周曼曼、朱为静、屠巧萍、孙斌等固废组同学在科研和生活中给予 的支持与帮助。感谢刘瑾、单立楠、陈蕾、段德超、刘婷婷、叶玉适、杨远强、 王莹莹、栾静、苏苗苗、刘国防、杨悦、余华东、李鑫、余昱葳等环保楼所有的 兄弟姐妹，非常幸运能够和你们一同度过两年半的美好时光，无论以后身在何处， 我永远牵挂着你们，永远祝福你们! 特别感谢我的父母对我的养育之恩，你们默默的关怀给予我最大的精神支持， 正是你们无私的关爱、理解和支持，才使我能够顺利完成学业。永远深爱你们! 在此，谨以此篇献给所有关心、支持、帮助我的人! 李丽劫 z - 零一二年六月浙大紫金港 浙江大学硕士学位论文 摘要 高效处理及利用生猪养殖业废物是促进生猪养殖业健康可持续发展的关键 环节。好氧堆肥是实现猪粪减量化、无害化处理和资源化利用的有效途径。但堆 肥过程物料氮素流失量大、堆体温室气体排放显著，影响堆肥产品利用价值，导 致环境污染。论文针对猪粪好氧堆肥过程存在的氮素损失和温室气体排放等问 题，以竹炭为试材，通过条垛好氧堆肥试验，系统考察了竹炭的添加对条垛堆肥 腐熟进程的影响，分析了竹炭的添加对猪粪堆肥过程氮素转化以及温室气体排放 的影响，并初步探讨了竹炭控制猪粪堆肥过程氨气和温室气体排放的作用机理。 主要研究结果如下： ( 1 ) 采用翻堆条垛堆肥工艺，研究了竹炭的添加对猪粪堆肥腐熟进程的影响。 结果表明，向猪粪堆肥物料中添加3 竹炭，可缩短堆肥腐熟周期1 7 天，提 高猪粪堆肥效率。 ( 2 ) 运用元素分析仪与气相色谱质谱联用仪，分析了竹炭的添加对猪粪堆肥过 程氮素转化的影响。研究发现，向猪粪堆肥物料中添加3 的竹炭，可减少 堆肥过程n h 3 损失量6 1 ，相对降低氮素损失率1 0 ，有利于堆肥过程氮 素的持留。 ( 3 ) 通过采用静态箱法，探讨了竹炭的添加对猪粪条垛好氧堆肥过程温室气体 排放的影响。结果发现，向猪粪堆肥物料中添加3 的竹炭，整个堆肥过程 n 2o 总排放量降低25 9 ，温室气体总排放量( 以c0 2 计) 降低 13 9 1g m - 2 d a y - 1 ，有助于控制堆肥过程的温室气体排放。 关键词：猪粪堆肥；竹炭；氮素损失；温室气体；氧化亚氮 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t e f f i c i e n tt r e a t m e n ta n dr e u s eo fw a s t e 舶mp i gb r e e d i n gi n d u s t r ya r ec r i t i c a l s t e p s t oa c h i e v es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti np i gb r e e d i n gi n d u s t r y a e r o b i c c o m p o s t i n gi sa ne f f e c t i v ew a y t or e a l i z et h er e d u c t i o n , s a n i t i z a t i o na n dr e c y c l i n g o fs w i n em a n u r e h o w e v e r , d u r i n gc o m p o s t i n gp r o c e s s ，t h e r ei s c o n s i d e r a b l e n i t r o g e nl o s sa n d r e m a r k a b l eg r e e n h o u s eg a se m i s s i o n s ，w h i c hc a ni n f l u e n c et h e u s ev a l u eo fc o m p o s tp r o d u c ta n dl e a dt oe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t os o l v e p r o b l e m ss u c ha sn i t r o g e nl o s sa n dg r e e n h o u s eg a se m i s s i o n sd u r i n gc o m p o s t i n g o fs w i n em a n u r e ，t h i ss t u d yu s e sb a m b o oc h a r c o a l0 3 c ) a st h ea d d i t i v ed u r i n ga n a e r o b i cw i n d r o wc o m p o s t i n gt r i a l i nt h es t u d y , t h ee f f e c t so fb co nc o m p o s t i n g m a t u r a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no fn i t r o g e na sw e l la se m i s s i o no fg r e e n h o u s e g a s e s ( g h g ) a n da m m o n i ad u r i n gs w i n em a n u r ec o m p o s t i n gp r o c e s sh a v eb e e n a n a l y z e d a l s o ，c o n t r o lm e c h a n i s mo fb co ng r e e n h o u s eg a sa n da m m o n i a e m i s s i o n sd u r i n gs w i n em a n u r ec o m p o s t i n gh a sb e e np r e l i m i n a r i l yi n v e s t i g a t e d t h em a i nr e s u l t si np r e s e n ts t u d ya r el i s t e db e l o w ： ( 1 ) b yu s i n gt u r n i n ga sa m e t h o dt os u p p l yo x y g e nf o rw i n d r o wc o m p o s t i n g ， t h ee f f e c t so fb co nc o m p o s t i n gm a t u r a t i o nd u r i n gs w i n em a n u r ec o m p o s t i n g h a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h ea d d i t i o no f3 ( w w ) b ci n t os w i n em a n u r ec o m p o s t c a nl e s s e nt h ep e r i o do fm a t u r a t i o nb y 17d a y sa n ds i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fs w i n em a n u r ec o m p o s t i n g ( 2 ) b ya p p l y i n g e l e m e n t a la n a l y s i sa n dg a sc h r o m a t o g r a p h y - m a s s s p e c t r o m e t e r , t h ee f f e c t so fb co nn i t r o g e n t r a n s f o r m a t i o nd u r i n gc o m p o s t i n go f s w i i l em a n u r eh a v eb e e ns t u d i e d t h ea d d i t i o no f3 b ci n t o s w i n em a n u r e c o m p o s tc a nr e d u c en h 3e m i s s i o nb y6 1 ，d i m i n i s hn i t r o g e nl o s sb y 10 c o m p a r e dw i t hc o n t r o l a n df a c i l i t a t en i t r o g e nc o n s e r v a t i o nd u r i n gc o m p o s t i n g ( 3 ) b yu s i n gas t a t i cc h a m b e rs y s t e m , t h ee f f e c t so f b co ng h ge m i s s i o n s d u r i n gc o m p o s t i n go fs w i n em a n u r eh a v eb e e ne x p l o r e d t h ea d d i t i o no f3 b c i n t os w i n em a n u r ec o m p o s tc a nd i m i n i s hg h ge m i s s i o n ( c 0 2 一e q u i v a l e n t ) b y 3 浙江大学硕士学位论文 13 9 1g m - 2 d a ya n dc o n t r i b u t et og h ge m i s s i o nc o n t r o ld u r i n gt h ep r o c e s so f s w i n em a n u r ec o m p o s t i n g k e yw o r d s ：s w i n em a n u r e ，b a m b o oc h a r c o a l ，n i t r o g e nl o s s ，g r e e n h o u s eg a s ， n i t r o u so x i d e 4 浙江大学硕士学位论文 目录 至j 【谢1 摘要2 。j i - ：1 8 l s t r a c t ：； 目录i 1 绪论1 1 1 生猪养殖业现状及污染1 1 2 猪粪处理处置现状4 1 3 猪粪好氧堆肥处理技术存在问题及其研究进展5 1 4 竹炭在堆肥过程中的应用1 3 1 5 研究目标及内容1 4 1 5 1 研究目标1 4 1 5 2 研究内容1 4 】5 3 技术路线1 5 2 竹炭的添加对猪粪堆肥腐熟进程的影响1 6 2 1 引言1 6 2 2 材料与方法1 6 2 2 1 试验材料1 6 2 2 2 堆肥工艺条件17 2 2 3 试验设计及采样：1 7 2 2 4 堆肥样品指标分析方法1 8 2 3 结果与讨论1 8 2 3 1 竹炭的添加对猪粪堆肥过程温度变化及升温效果的影响1 8 2 3 2 竹炭的添加对猪粪堆肥过程物料含水率的影响2 0 2 3 3 竹炭的添加对猪粪堆肥过程p h 的影响2 l 2 3 4 竹炭的添加对猪粪堆肥过程电导率的影响2 4 2 3 5 竹炭的添加对猪粪堆肥过程总碳的影响2 5 2 3 6 竹炭的添加对猪粪堆肥过程c n 的影响2 6 2 4 本章小结2 8 t 浙江大学硕士学位论文 3 竹炭的添加对猪粪堆肥氮素转化的影响一2 9 3 1 引言2 9 3 2 材料与方法3 0 3 2 1 试验材料一3 0 3 2 2 试验设计及采样方法3 0 3 2 3 样品指标分析方法31 3 3 结果与讨论3 2 3 3 1 竹炭的添加对猪粪堆肥过程铵态氮的影响3 2 3 3 2 竹炭的添加对猪粪堆肥过程硝态氮的影响3 3 3 3 3 竹炭的添加对猪粪堆肥过程亚硝态氮的影响3 5 3 3 4 竹炭的添加对猪粪堆肥过程有机氮的影响3 7 3 3 5 竹炭的添加对猪粪堆肥过程总氮的影响3 8 3 3 6 竹炭的添加对猪粪堆肥过程氨气排放的影响3 9 3 4 本章小结4 1 4 竹炭的添加对猪粪堆肥过程温室气体排放的影响4 2 4 1 引言4 2 4 2 材料与方法4 3 4 2 1 试验材料4 3 4 2 2 试验设计及采样方法4 3 4 2 3 样品指标分析方法4 3 4 2 4 数据处理方法4 3 4 3 结果与讨论4 3 4 1 竹炭的添加对猪粪堆肥过程二氧化碳排放的影响4 3 4 2 竹炭的添加对猪粪堆肥过程甲烷排放的影响4 5 4 3 竹炭的添加对猪粪堆肥过程氧化亚氮排放的影响4 6 4 4 竹炭的添加对猪粪堆肥过程温室效应综合评价5 1 4 4 本章小结5 2 5 主要研究结论与展望5 3 5 1 论文的主要研究结论5 3 5 1 1 竹炭的添加对猪粪条垛堆肥进程的影响5 3 t 1 浙江大学硕士学位论文 5 1 2 竹炭的添加对猪粪条垛堆肥氮素转化的影响5 3 5 1 3 竹炭的添加对猪粪条垛堆肥肥过程温室气体排放的影响5 3 5 2 论文的创新点5 4 5 3 论文展望5 4 参考文献5 5 攻读硕士期间发表的文章、专利及奖励7 0 i l i 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 生猪养殖业现状及污染 近几十年来，我国规模化和集约化养殖业迅猛发展，畜禽粪便产生量增加( 李 庆康和吴雷，2 0 0 0 ；朱启红，2 0 0 7 ) 。2 0 0 4 年国务院发展研究中心调查研究报道： 2 0 0 2 年，全国畜禽粪便年产生量约为1 7 3 亿吨，是工业固体废弃物的2 7 倍， 其中约5 0 产自集约化畜禽养殖。我国是一个生猪养殖大国，猪肉产量排名世界 第一，占全球猪肉产量的5 0 2 3 ( h t t p ：w w w f e e d t r a d e t o m o n ) 。一个存栏1 万头 的猪场，每年排放的猪粪量达3 万吨( 易中华，1 9 9 9 ) 。据估算，2 0 1 0 年我国畜禽 粪便的排放总量达4 5 亿吨( 朱启红，2 0 0 7 ) ，其中生猪养殖业产生的畜禽粪便占 畜禽粪便总量的3 0 以上( 高定等，2 0 0 6 ) 。由于种养脱节，畜禽粪便大量直接排 放入环境，引起生态环境的极度恶化。2 0 世纪9 0 年代初发生在杭州湾的污染事 件主要源于农药、化肥污染和畜禽粪便等农业污染，敲响了畜禽粪便污染环境的 警钟( 彭里，2 0 0 6 ；李学伟，2 0 0 7 ) 。现今，畜禽粪便污染逐渐成为破坏农业环境 的主要原因之一，猪粪二次污染已成为“畜产公害”。猪粪中污染物质种类繁多， 包括悬浮物、有机质、盐、沉积物、气体、细菌、病毒与微生物和n 、p 、k 及 其他养分，能对水体、大气、土壤、生物造成多方面的污染和危害( l o p e z r e a la n d b a p t i s t a , 19 9 6 ) 。 ( 1 ) 水体污染 当畜禽粪便堆放不当或施入农田后，粪便中有机质及矿物质会随粪水及雨 水通过地表径流污染湖泊、河流、水库等地表水或渗入土壤并进入地下水( 何逸民 等，2 0 0 9 ) 。若这些物质在环境中的存在量超过环境容量，就会产生环境污染和生 态破坏。例如，水体氮、磷达到一定浓度时，大量藻类和其他水生植物等生物群 体大量繁殖并最终死亡腐烂，持续分解消耗水中溶解氧，使水体变黑发臭恶化， 从而影响水中鱼类和其它水生生物生存( 单德鑫，2 0 0 6 ) ；畜禽粪便中含有的有机 质能降解转化为氨，当水体中氨浓度达到o 2 m e d i j ，会导致鱼类中毒甚至死亡。 生猪养殖业已成为我国水体面源污染的主要来源( 李庆康和吴雷，2 0 0 0 ) 。 畜禽废弃物收集、贮存、运输和肥田期间，雨水的冲刷和淋洗会导致的营养物质 如氮、磷等进入水体，形成面源污染( 李远，2 0 0 2 ) 。由于生猪养殖业废弃物处理 成本高( 彭里，2 0 0 6 ) ，有机肥的市场竞争力弱于化肥，大量猪粪闲置，不能及时 浙江大学硕士学位论文 还田，加剧畜禽粪便对环境的污染( 彭里，2 0 0 6 ) 。王方浩等研究表明，猪粪中总 氮、总磷的平均含量分别约为0 2 3 8 和0 0 7 4 ( 王方浩等，2 0 0 6 ) ，据此可估算我 国2 0 1 0 年经猪粪排放的氮、磷总量分别至少达3 2 1 3 万吨和9 9 9 万吨。 ( 2 ) 大气污染 畜禽废弃物堆放和处置过程中会向大气排放大量的有害物质，包括携带病原 微生物的粉尘( 牟克琚，2 0 0 8 ) 和挥发性物质( 氨、甲烷、氧化亚氮及各类恶臭气体 等) ，影响人畜健康，造成大气污染，破坏生态平衡。研究表明，畜禽粪便堆放 及处置过程产生的有害气体及颗粒物，会导致畜禽对疫病的易感性提高，引起呼 吸道疾病及其它疾病，并最终影响畜禽生长，导致畜禽生产能力下降；同时，有 害气体的传播可使较大范围内空气质量恶化，长期生活在养猪场周边人们更易患 气管炎、支气管炎、肺炎等呼吸系统疾病( 李民，2 0 0 1 ；钱靖华等，2 0 0 6 ；m i t l o e h n e r a n ds c h e n k e r , 2 0 0 7 ) 。据调查，年出栏1 0 万头的猪场，每天可向大气排放菌体3 6 0 亿个、氨气( n h 3 ) 3 8 1 6k g 、硫化氢3 4 8k g 、粉尘6 2 1 6k g ，污染半径可达4 5k m 5 0k m ( 徐伟朴等，2 0 0 4 ) 。畜禽粪便中所含有机物大体可分成碳水化合物和含氮 化合物。在畜禽粪便堆放过程，碳水化合物在有氧条件下大部分分解成二氧化碳 ( c 0 2 ) 和水，在无氧条件下分解成甲烷( c h 4 ) 、有机酸和各种醇类，这些物质略带 臭味和酸味；而含氮化合物主要为蛋白质，其在酶的作用下可分解成氨基酸，氨 基酸在有氧条件下可最终分解为硝酸盐类，在无氧条件下可分解成氨、硫酸、乙 烯醇、二甲基硫醚、硫化氢、甲胺和三甲胺等恶臭气体( 李民，2 0 0 1 ；韩鲁佳和 闰巧娟，2 0 0 2 ) 。国际上许多发达国家都对恶臭气体的排放有严格规定，如日本 在恶臭法中确定了8 种恶臭物质，其中6 种与畜禽粪便有关( 徐伟朴等，2 0 0 4 ) 。 美国学者n a t a l i e a n d e r s o n 等认为，畜禽废弃物是大气中最大的n h 3 源( 彭里， 2 0 0 6 ) 。n h 3 进入到大气，大气中的氮含量增加，严重时可形成酸雨，危害农作 物，腐蚀建筑物造成危害( 黄向东，2 0 l o ) 。 随着全球节能减排要求的日益提高，如何减少畜禽粪便堆肥过程的温室气体 排放引起关注( w a n o t t ie ta 1 ，2 0 0 8 ) 。c i - h 全球增温潜势是c 0 2 的2 1 倍( i p c c ， 1 9 9 7 ) ，畜禽粪便堆放与处置过程中c i - h 直接影响全球性气候变暖( s o m m e ra n d h u t c h i n g s 2 0 0 1 ；p e i g n ea n dg i r a r d i n , 2 0 0 4 ) 。全球畜禽粪便c h 4 年排放量为8 亿 吨1 3 亿吨( 董红敏，1 9 9 6 ) ，占排放总量的2 8 3 8 ( 谭新和方热军，2 0 0 6 ) 。据 报道，我国来源于动物粪便的c h 4 排放占c i - h 总排放量的5 左右( 董红敏，1 9 9 6 ) 。 浙江大学硕士学位论文 另外，畜禽粪便的处理和处置是全球氧化亚氮f n 2 0 ) 的潜在来源, ( c z e p i e le ta 1 ， 1 9 9 6 ) 。n 2 0 是一种温室气体，全球增温潜势为c 0 2 的3 1 0 倍( i p c c ，1 9 9 5 a ) ，会 严重影响全球气候变化。同时，n 2 0 能破坏臭氧层，危及人类生存健康( i p c c ， 2 0 0 7 ) 。按每千克干物料产生o 5g n 2 0 - n ( c z e p i e le ta 1 ，19 9 6 ；s o m m e ra n dm o i l e r , 2 0 0 0 ) 计算，每年全球畜禽堆肥产生的n 2 0 已达1 2 x 1 0 1 2g ( c z e p i e le ta 1 ，1 9 9 6 ) 。 ( 3 ) 土壤污染 生猪养殖废弃物长期堆放，不仅占用土地，而且影响土壤理化结构，污染农 田，降低甚至破坏农田生产力。猪粪中含有大量k + 、n a + 、c a 2 + 、m 9 2 + 、c l - 和 s 0 4 2 一等盐基离子( 一般为2 0 3 0 ) ，大量长期施用会造成土壤盐渍化( 张增强和 孟昭福，2 0 0 1 ) ，对土壤生态健康功能产生危害( 姚丽贤等，2 0 0 6 ；王辉等，2 0 0 8 ) 。 猪粪中还含有大量的氮磷元素，氮化合物会转化为硝酸盐和亚硝酸盐，导致土壤 中硝酸盐和亚硝酸盐含量增高，污染地下水；磷化合物会转化为难溶性磷酸盐， 在土壤下层富积，引起土壤板结。 猪粪中还含有各类重金属和激素，会造成土壤污染，影响食品安全，危害人 类健康。我国普遍使用铜( c u ) 、锌( z n ) 等重金属元素作为生猪饲料中的添加剂， 以减少集约化生猪养殖过程中生猪疾病的产生及促进生猪生长发育、缩短饲养周 ) 辋( c a n ge ta 1 ，2 0 0 4 ；z h o ue ta 1 ，2 0 0 5 ) ，给生态环境造成压力。据报道，集约化养 猪场过量使用c u 作为饲料添加剂，其中7 2 8 0 的c u 随粪便排出，导致猪粪 中c u 浓度比正常土壤高出了1 0 倍4 0 倍( m a n t o v ie ta 1 ，2 0 0 3 ；l ie ta 1 ，2 0 0 7 ) 。刘 荣乐等研究了我国的畜禽粪便性质，发现猪粪中的c u 、z n 浓度分别高达1 7 2 6 m g k g - 1 和2 2 8 6m g k g - 1 ( 刘荣乐等，2 0 0 5 ) ，若按照德国腐熟堆肥重金属限量标准 c u ( 1 0 0m g k g _ 1 ) 和z n ( 4 0 0m g k g - 1 ) ，我国猪粪样品中c u 超标率为6 9 ，z n 超 标率为5 9 。 ( 4 ) 生物污染 畜禽体内的微生物主要是通过消化道排出体外。因此，粪便是微生物排出畜 禽体内的主要载体。有关资料表明，在1 9 猪场的粪污水中，含有大肠杆菌8 3 万个，肠球菌6 9 万个，另外还含有寄生虫卵、活性较强的沙门氏菌等( 沈其荣等， 1 9 9 7 ) 。并且粪便中的病原微生物可以在较长时间内维持其感染性。如自然堆肥 条件下粪大肠杆菌群在2 个月3 个月后才可以达到排放标准，沙门氏菌则需4 个月5 个月，蛔虫卵经1 0 个月贮存后死亡率方可达9 0 ( 汪雅谷等，2 0 0 1 ) ，这 浙江大学硕士学位论文 些有害病菌，如果得不到妥善处理，则会孳生大量的蚊蝇，使环境中的病原种类 增多、菌量增大，甚至造成人、畜传染病传播( 冯勐，2 0 0 6 ；钱靖华等，2 0 0 6 ) 。 世界卫生组织( w h o ) 和联合国粮农组织( f a o ) 的有关资料表明，目前已有2 0 0 种 “人畜共患传染病”，其中较为严重的至少有8 9 种，可由猪传染的约2 5 种( 梁仁 礼，2 0 0 6 ) ，例如炭疽、五号病、布氏杆菌病、结核病等。调查表明，局部环境 污染较为严重的规模化养猪场，仔猪黄、白痢、传染性胃肠炎、支原体及猪蛔虫 病的发病率可高达5 0 以上，不仅影响畜禽生产力水平和经济效益，严重时还 会威胁畜禽生存，危害人类健康( 赵颖，2 0 0 6 ) 。 1 2 猪粪处理处置现状 如何实现猪粪的减量化、无害化处理和资源化利用尤为重要。目前集约化养 猪场猪粪的处理主要包括厌氧发酵、蚯蚓堆肥及饲料化处理和好氧堆肥( 黄向东， 2 0 l o ) 。其中，厌氧发酵是通过自然或接种微生物在缺氧条件下分解猪粪中的有 机物为c 0 2 和c h 4 来实现猪粪处理，但其存在一次性投资过大、运行受温度影 响较大、产甲烷量受季节波动大、沼气运输困难等问题，不适用于大型的集约化 养殖场的粪便处理；蚯蚓堆肥是指蚯蚓在微生物的协同作用下，利用自身丰富的 酶系统( 蛋白酶、脂肪酶、纤维酶、淀粉酶等) 将猪粪迅速分解转化，加速堆肥稳 定化的过程( 孙振钧，2 0 0 4 ) ，但新鲜粪便的初始条件和粪便堆制过程中的高温不 适合蚯蚓的生长繁殖，只能利用腐熟或半腐熟的畜禽粪便饲养蚯蚓( 王志凤， 2 0 0 7 ) ，因此蚯蚓堆肥很少直接用于猪粪处理；饲料化处理是通过喂养低等动物 畜禽粪便，获取动物蛋白饲料，但该方法前期需进行猪粪的灭菌和脱水，后期需 收蝇蛆、饲喂蚯蚓、蜗牛，技术难度大，并且对温度要求较高，难以全年生产， 故尚未得到大范围的推广应用( 李庆康和吴雷，2 0 0 0 ) ；猪粪好氧堆肥是在有氧条 件下利用好氧微生物的作用使猪粪中有机物分解形成腐殖质，同时灭活病原微生 物，将猪粪转变为有利于土壤性状改良、对作物生长有益和容易吸收利用的有机 肥的方法( 郭亮等，2 0 0 1 ) ，其运费低、处理量大，适宜于规模化养猪场的废物处 理，被广泛应用于实际的猪粪处理过程。 浙江大学硕士学位论文 1 3 猪粪好氧堆肥处理技术存在问题及其研究进展 好氧堆肥是是通过一系列微生物的交替活动，实现堆肥原料的矿质化、腐殖 化的过程( 闵三弟和唐桂清，1 9 8 8 ) 。一般利用堆肥温度变化来作为堆肥过程( 阶段) 的评价指标。根据堆肥温度变化情况，可将堆肥过程划分为三个阶段，即升温阶 段( 温度由环境温度到5 0 ) ，高温阶段( 温度处于5 0 7 0o c ) 和降温腐熟阶段( 温 度由高温下降至环境温度) ( 陈世和和张所明，1 9 8 9 ；z h ue ta 1 ，2 0 0 4 ) 。每个阶段， 堆肥堆体内物料受到不同的细菌、放线菌、真菌和原生动物的作用( p e 远n ea n d g k a r d i n , 2 0 0 4 ) 。微生物或利用各种废物原料，或利用堆肥前阶段其他微生物代 谢的产物作为新陈代谢的物质和能量来源，逐步实现并完成堆肥原料的腐殖化。 尽管好氧堆肥是猪粪减量化、无害化处理和资源化利用的有效方法( 黄国锋等， 2 0 0 2 ；黄国峰等，2 0 0 3 ；b u g a m a n t ee ta 1 ，2 0 0 8 ) 。但目前好氧堆肥仍然存在工艺相 对落后、腐熟周期长、氮素损失严重、温室气体排放显著和添加剂生态风险评估 缺乏等问题，影响猪粪处理处置效果和资源化利用。因此有必要从碳氮转化的角 度，全面分析堆肥过程环境效应，提出工艺优化的方案及参数。 1 3 1 猪粪堆肥腐熟 我国猪粪产生量大，土地资源有限，实际堆肥过程中不能一味通过延长堆肥 周期来提高猪粪的处理效果。并且堆肥周期过长会使堆料中有机质分解过于彻 底，丧失生物生长活性，不利于后续再利用。因此合理控制猪粪堆肥腐熟周期是 猪粪资源化过程的重要环节。猪粪堆肥过程存在升温慢，脱水效果差等问题，会 降低猪粪等废物的处理效率，延长堆肥周期。只有选取适当的堆肥周期和条件， 才能即达到猪粪等废物的无害化，又尽可能多地保存堆料中的养分，获得理想的 堆肥产品，有利于土壤性质的改良和作物的生长。堆肥化过程复杂，受多种生物 和非生物因素影响，要达到良好的堆制效果，加快腐熟进程，必须合理控制一些 主要关键的技术参数，包括温度、水分、碳氮t l ( c m o 、通风供氧和p h 等。 ( 1 ) 温度 温度是影响微生物活性的最显著因子，对堆肥反应速率起着决定性作用。堆 体在5 5 。c 条件下保持3 天或5 0 ( 2 以上保持5 天7 天，是杀灭堆肥中所含致病菌，保 证堆肥的卫生指标合格和堆肥腐熟的重要条件( g b7 9 5 9 8 7 ) 。过高的温度抑制堆 浙江大学硕士学位论文 体中多种微生物的生长，影响堆肥反应速度，过低的温度不利于无害化处理和物 质降解，延长堆肥达到腐熟的时间。从生物学的角度分析，温度大于5 5 。c 能最大 程度的实现无害化；温度在4 5 5 5 之间，有利于提高生物降解有机物的效率； 温度在3 5 4 0 之间，有利于增加微生物的多样性( r a ob h a m i d i m a r r ia n d p a n d e y , 1 9 9 6 ；h a s s e ne ta 1 ，2 0 0 1 ) 。在实际堆肥过程，w i l e y 等认为温度在5 0 6 5 时c 0 2 产生量最大，有机质分解最l 央( w i l e y ，1 9 5 7 ) 。b a c h 和s t r o m 认为6 0 。c 是 有机固体废弃物堆肥的最佳温度( b a c h , e ta 1 ，1 9 8 4 ；s t r o r r h1 9 8 5 ) 。金家志等发现， 当最高温度为6 5 7 0 c ，2 4 d 时即可使大肠杆菌和蛔虫卵成活率为零( 金家志和 邵凤君，1 9 9 7 ) 。陈世和等研究认为，工程上堆肥极限温度可达7 0 ( 陈世和和张 所明，1 9 8 9 ) 。实际堆肥过程温度多控制在6 5 左右，一般通过调节通气量、加 水及翻堆的方法调节。 ( 2 ) 含水率 堆肥物料含水率与堆肥温度密切相关。过多的水分会充满颗粒问的空隙使堆 肥体系通气不佳，堆温难以上升，分解速度下降，导致厌氧发酵形成恶臭的中间 产物。研究表明，物料含水率大于7 0 ，会影响有机物料的腐熟( y o n a g a , 2 0 0 0 ) 。 而太低的含水率会造成堆肥微生物活动减弱，致使有机物难以被分解，堆体温度 不易上升( 曾光明，2 0 0 6 ) 。一般认为水分最佳范围为5 0 7 0 ( 吴银宝等，2 0 0 3 ； p e i g n ea n dg i r a r d i n , 2 0 0 4 ) 。 ( 3 ) c n 值 好氧堆肥过程中，碳既是微生物生长的能量来源之一，又是微生物体的主要 组成元素；氮是组成核酸和蛋白质的重要元素，对微生物的生长发育有着重要的 作用。一般认为，分解有机固体废弃物的微生物生长过程对碳氮的需求比为 3 0 ：1 。若堆肥物料c n 值过高，将导致微生物因为缺乏足够的氮而无法快 速生长，使堆肥进展缓慢，若将该类堆肥成品施入土壤，会造成土壤微生物与作 物争夺氮，使作物陷入“氮饥饿”，影响作物正常生长( 李国鼎，1 9 9 0 ) ；若c n 值过低，将使微生物生长过于旺盛，消耗大量氧气，导致堆体局部厌氧发酵，散 发恶臭气体，同时氮素大量以n h 3 形式释放，降低堆肥质量，引起空气污染。 所以通常认为，c n 值控制在2 5 3 0 左右较适( 黄国峰等，2 0 0 3 ) 。一般猪粪的 c n 值为11 1 5 ( 黄向东，2 0l o ) ，需添加木屑、锯末、树皮、稻草、稻壳、米糠 等c n 值较高的碳源物质将c n 值调节到2 5 3 0 ，以加快堆肥进程、减少氮素 浙江大学硕士学位论文 损失。 ( 4 ) 通风供氧 通风是好氧堆肥过程的重要环节，其具有- g z 作用：一是为微生物的活动提 供足够的氧气及带走微生物呼吸释放的c 0 2 ；二是带走水蒸气，去除堆肥物料中 过多的水分；三是调节堆肥过程的温度和稀释恶臭气体浓度郭亮，2 0 0 2 ) 。堆肥 的通风方式可分为翻堆、自然通风、被动通风和强制通风等。不同的通风方式会 影响好氧堆肥的微生物生长活动，从而间接影响堆体温度的升高、病原菌的杀灭 效果以及有机质的分解( l a ue t a l ，1 9 9 2 ) 。翻堆、自然通风和被动通风方式常应用 于条垛式好氧堆肥系统，强制通风方式常用于静态条垛和大多数反应器堆肥系统 ( l a ue ta 1 ，1 9 9 2 ) 。研究表明，堆料中含氧量达1 0 ，即可保证微生物代谢的需要 ( 陈海滨和万迎峰，2 0 0 6 ) 。但实际堆肥工艺中一般以控制堆体温度为目标，相应 调节通风供氧参数。因为在供氧充分、其他条件适宜的情况下，堆体内微生物分 解有机物会产生大量的代谢热，如果对多余热量控制不当，会影响堆肥的整体效 果。金家志等发现通气量在5 0 m l l m i n 。1 可满足发酵过程对氧气的需要量并同 时保持一定的堆体温度，过多的通气则会带走较多热量，缩短高温持续时间，不 利于堆肥腐熟( 金家志和邵凤君，1 9 9 7 ) 。u a o 等认为猪粪堆肥化处理最佳通气量 为每千克挥发性物质每分钟4 0r n l 8 0m l ( u a oe ta 1 ，1 9 9 3 ) ，而l a u 等认为单位物 质量单位时间内8 7m 1 1 8 7 m l 的通气量较为合适( l a ue ta 1 ，1 9 9 2 ) 。实际上堆肥 物料种类性质不同，所需的最适的通风量也不同。粘重的物料通气量需求较大， 疏松的物料通风量需求较小。 ( 5 ) p h 值 p h 值是堆肥过程中的重要环境参数之一。堆肥中微生物的生存环境以中性 为宜，过高或过低都将影响微生物活性甚至导致微生物死亡( 胡天觉等，2 0 0 5 ) 。 堆肥中微生物生长最适宜的p h 值为6 5 9 0 ( n a k a s a k ie ta 1 ，1 9 9 3 ；关静姝，2 0 0 7 ； b e r n a le ta 1 ，2 0 0 9 ) 。一般堆体有足够的缓冲作用，p h 值可稳定在适宜微生物好 氧分解的酸碱度水平。如果原料p h 值过低0 h 9 ) ，可加入新鲜绿肥、青草，其分解产生 有机酸，有利于调节堆体p h 值至合适水平。 ( 6 ) 发酵菌剂 堆肥的腐熟是基于微生物对堆肥物料中