楊佳，李國(guó)學(xué)，馬若男，王國(guó)英，袁京

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

好氧堆肥是實(shí)現(xiàn)畜禽糞便無(wú)害化與資源化的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)。然而，畜禽糞便中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在微生物的作用下會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）、氨氣（NH3）、硫化氫（H2S）、揮發(fā)性含硫有機(jī)化合物（VSCs）等惡臭氣體[1]。堆肥過(guò)程釋放的惡臭氣體不僅對(duì)環(huán)境和居民造成傷害，同時(shí)會(huì)降低堆肥過(guò)程中碳、氮、硫等元素含量。在堆肥過(guò)程中，畜禽糞便孔隙率低，易產(chǎn)生局部厭氧環(huán)境，造成含硫臭氣的產(chǎn)生[2]。一般認(rèn)為，揮發(fā)性含硫有機(jī)物是堆肥含硫臭氣排放中最主要的致臭因子，其主要來(lái)源于厭氧條件下含硫氨基酸的降解[3]。產(chǎn)生的揮發(fā)性含硫有機(jī)化合物主要以硫化氫（H2S）、二硫化碳（CS2）、甲硫醇（MeSH）、甲硫醚（Me2S）和二甲基二硫醚（Me2SS）等形式損失[4]，Me2S和Me2SS 是堆肥過(guò)程中硫損失的主要形式，分別占VSCs 的33.21%和63.96%[5]。有效的外源添加材料可改變堆體的理化性質(zhì)，加速有機(jī)質(zhì)的降解和氧氣的傳遞，從而抑制惡臭氣體的排放[6-8]。研究表明不同種類添加劑的堆肥臭氣減排效果不同。張紅玉等[7]在廚余垃圾堆肥中加入秸稈，發(fā)現(xiàn)Me2S、H2S和MeSH 的平均排放濃度分別降低了62.3%、67.9%和49.6%。李赟等[9]在堆肥中分別添加玉米秸稈、稻殼、鋸末和菌糠，結(jié)果表明鋸末對(duì)H2S 的減排效果最佳，相比對(duì)照可減排84.08%。

腐熟堆肥是經(jīng)堆肥后所產(chǎn)生的穩(wěn)定腐熟產(chǎn)品，含水率較低（30%），碳氮比為10～15，孔隙度高且微生物豐富[10]，因而腐熟堆肥回流不僅能夠改善堆體的理化性質(zhì)，提高堆肥中氧氣的傳遞效率，還可以接種土著微生物菌群，從物理和生物兩方面提升堆肥品質(zhì)，減少堆肥過(guò)程臭氣排放。徐成等[10]的研究表明，在廚余垃圾堆肥中加入腐熟堆肥，有利于堆肥腐殖質(zhì)的形成與積累，有效降低腐殖質(zhì)損失率，顯著提高腐殖質(zhì)含量。宋修超等[11]在中藥渣堆肥過(guò)程中回用腐熟堆肥，發(fā)現(xiàn)可以強(qiáng)化有機(jī)質(zhì)降解和腐殖質(zhì)形成，增加胡敏酸組分（15.2%），胡富比顯著升高。曹云等[12]在豬糞好氧堆肥中添加腐熟堆肥，發(fā)現(xiàn)24 h 內(nèi)堆體溫度提高5 ℃，脫氫酶、纖維素酶活性峰度提前，蛋白酶活性增加4.9%。江滔等[13]和LUO 等[14]在豬糞好氧堆肥中采用混勻、覆蓋回流方式添加腐熟堆肥，顯著降低了溫室氣體CH4和N2O的排放。

腐熟堆肥因其較高的孔隙度和吸附能力，作為生物濾池濾料被廣泛應(yīng)用于臭氣控制[15-17]。王彩云等[18-19]在雞糞堆肥過(guò)程中覆蓋半分解有機(jī)物料和自然有機(jī)物料，發(fā)現(xiàn)均能抑制NH3或H2S 的釋放，且不同覆蓋量的臭氣減排效果差異顯著。目前，腐熟堆肥作為生物濾料用于控制臭氣排放的研究已比較成熟，但主要集中于對(duì)堆肥過(guò)程中溫室氣體、NH3和H2S 的減排，針對(duì)腐熟堆肥原位回流對(duì)堆肥過(guò)程含硫臭氣排放的研究仍較少。

因此，本文以豬糞和玉米秸稈作為好氧堆肥原料，研究腐熟堆肥不同回流方式（覆蓋、混勻）對(duì)豬糞好氧堆肥過(guò)程中主要含硫臭氣排放的影響，進(jìn)一步分析腐熟堆肥回流對(duì)堆肥產(chǎn)品腐熟度和養(yǎng)分含量的影響，以期通過(guò)“以腐降排”方式，降低臭氣排放，提高堆肥產(chǎn)品腐熟度。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)堆肥原料為豬糞和玉米秸稈，豬糞取自北京市海淀區(qū)白水洼村養(yǎng)殖場(chǎng)，采用干清糞方式收集。秸稈取自中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實(shí)驗(yàn)站，風(fēng)干后粉碎處理為20～30 mm的均勻小段。腐熟堆肥與本次堆肥原料同源，為豬糞與玉米秸稈經(jīng)過(guò)堆肥處理后的產(chǎn)品。堆肥原料理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 堆肥原料基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physicochemical properties of raw materials of composting

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究共設(shè)置3 個(gè)處理，以豬糞與玉米秸稈聯(lián)合堆肥為對(duì)照（CK），濕基比為7∶1；腐熟堆肥覆蓋處理（Cap）：在CK 處理的堆體上覆蓋厚度為10 cm、質(zhì)量為6.5 kg 的腐熟堆肥；腐熟堆肥混勻處理（Mix）：將與Cap 處理同等質(zhì)量的腐熟堆肥與CK 處理均勻混合。堆肥設(shè)置初始含水率為60%，連續(xù)通風(fēng)速率為0.2 L·kg-1·min-1，在60 L 的密閉不銹鋼發(fā)酵罐中進(jìn)行14 d好氧堆肥試驗(yàn)。其中發(fā)酵罐為本實(shí)驗(yàn)室自行研發(fā)（圖1），內(nèi)徑0.36 m，高度0.6 m，利用C-LGX 程序通過(guò)罐內(nèi)溫度自動(dòng)控制曝氣，溫度傳感器與計(jì)算機(jī)連接，自動(dòng)記錄反應(yīng)器內(nèi)溫度，與馬若男等[20]報(bào)道的試驗(yàn)裝置相同。

試驗(yàn)期間每12 h 進(jìn)行一次溫度記錄和氣體的采集測(cè)定，在試驗(yàn)第3 d和第7 d進(jìn)行翻堆，翻堆時(shí)，腐熟堆肥覆蓋層保持原樣取出，待其他物料充分翻堆后，再裝入腐熟堆肥保持同樣的覆蓋層高度。取樣時(shí)間為第0、3、5、7、10、14 d，五點(diǎn)法隨機(jī)采集固體樣品300 g，其中50 g鮮樣用于測(cè)定含水率，100 g鮮樣保存于4 ℃的冷藏冰箱，用于測(cè)定pH 值、電導(dǎo)率（EC）、種子發(fā)芽指數(shù)（GI）等腐熟度指標(biāo)，其余樣品經(jīng)風(fēng)干粉碎后，用于測(cè)定總碳（TC）、總氮（TN）、總硫（TS）含量。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）理化性質(zhì)：溫度由自動(dòng)測(cè)溫儀（175-T3，Testo，德國(guó)）測(cè)定，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、隨時(shí)讀取和自動(dòng)記錄；含水率采用烘干法于105 ℃烘箱中烘至質(zhì)量恒定后測(cè)定；O2含量由便攜式沼氣分析儀（Biogas 5000，Geotech，英國(guó)）測(cè)定；堆肥主要元素（TC、TN 和TS）含量采用元素分析儀（vario MACRO cube，Hananu，德國(guó)）進(jìn)行測(cè)定。

（2）腐熟度：將堆肥鮮樣與去離子水按照1∶10（固液比）混勻，振蕩30 min，靜置10 min過(guò)濾，收集上清液作為待測(cè)液。其中pH 值、EC 采用多參數(shù)分析儀（DZS-706-A，雷磁，上海）進(jìn)行測(cè)定；GI 值的測(cè)定方法為取待測(cè)液5 mL 于鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中，均勻放置10 粒蘿卜種子，于（20±1）℃培養(yǎng)箱（SHP-250，精宏，上海）中避光培養(yǎng)48 h，測(cè)算種子發(fā)芽指數(shù)（GI），計(jì)算方法參照《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）。

（3）含硫臭氣：采用氣相色譜（GC-A90，Echrom，中國(guó)）測(cè)定含硫臭氣，所測(cè)含硫臭氣包括羰基硫（COS）、二硫化碳（CS2）、硫化氫（H2S）、甲硫醇（MeSH）、乙硫醇（EtSH）、甲硫醚（Me2S）、乙硫醚（Et2S）和二甲基二硫（Me2SS）等8 種成分。氣相色譜包括火焰光度檢測(cè)器和毛細(xì)管柱（Agilent，Gas pro，美國(guó)）。測(cè)定方法采用外標(biāo)法，氣相柱箱溫度以20 ℃·min-1的速率由60 ℃升高到200 ℃并維持10 min。載氣為氦氣，速率為3 mL·min-1，檢測(cè)限為0.01 mg·L-1。氣相色譜采用3 種不同的標(biāo)氣（北京海譜）進(jìn)行標(biāo)定，數(shù)據(jù)處理采用Echrom Chem Lab軟件（V.1.0.2）。詳細(xì)方法參照Z(yǔ)ANG等[21]的研究。

2 結(jié)果和討論

2.1 溫度和氧氣

CK、Cap 和Mix 處理在堆肥第2 d 均進(jìn)入高溫期，且在第3 d達(dá)到溫度峰值（圖2a），分別為73.8、74.4 ℃和75.8 ℃，60 ℃以上的高溫期持續(xù)時(shí)間分別為4、4 d和5 d。堆肥前期混勻處理的溫度高于其他處理，由于混勻添加腐熟堆肥后堆體的結(jié)構(gòu)得到改善，微生物群落豐度增多，堆體中微生物的代謝作用加速，導(dǎo)致溫度快速升高[22]。第7 d 翻堆后，各處理的溫度急劇上升，但覆蓋處理的溫度回升速度相對(duì)緩慢，可能是由于覆蓋層限制堆體氣體流通，有機(jī)質(zhì)降解速率減緩。整個(gè)堆肥過(guò)程中，各處理的高溫期（＞55 ℃）均可持續(xù)5 d 以上，滿足我國(guó)《糞便無(wú)害化衛(wèi)生要求》（GB 7959—2012）。

氧氣濃度與微生物活性密切相關(guān)，可反映堆肥進(jìn)程[23]。從整個(gè)堆肥周期來(lái)看，堆體內(nèi)氧氣濃度先迅速下降，后波動(dòng)回升至接近環(huán)境水平（圖2b）。堆肥第2 d，各處理的氧氣濃度迅速下降，混勻處理的氧氣濃度較其他處理更低（最低為5.8%），且每次翻堆后氧氣含量均迅速降低。微生物代謝產(chǎn)熱的同時(shí)會(huì)消耗大量氧氣，因此溫度和氧氣含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.128，P＜0.01），與以往研究結(jié)果一致[24]。

2.2 理化性質(zhì)

各處理堆肥初始與結(jié)束理化指標(biāo)如表2 所示。整體來(lái)看，無(wú)論是堆肥前還是堆肥后，腐熟堆肥覆蓋處理的下層堆肥性質(zhì)均與對(duì)照處理相似。但腐熟堆肥覆蓋層的含水率由37.04%增加到53.31%，主要為堆體高溫期攜帶的大量水蒸氣被覆蓋層吸收所致。堆肥結(jié)束時(shí)，CK、Cap 和Mix 處理堆體的灰分含量分別為26.96%、26.10%和39.51%，Mix 處理較CK 處理增加12.55 個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明腐熟堆肥與物料混勻可提高有機(jī)質(zhì)的降解率。隨著堆體中有機(jī)質(zhì)的降解，TC含量減少，TN 和TS 含量相對(duì)增加，Mix 處理經(jīng)堆肥后TS 含量最高,C/N 最低。Cap 處理覆蓋層TS 含量變化不顯著，說(shuō)明覆蓋層的腐熟堆肥較穩(wěn)定，不易發(fā)生降解。添加腐熟堆肥混勻后，有機(jī)質(zhì)降解程度提高，堆體中N 和S 生物濃縮效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致C/N 下降，TS 含量明顯增加。整體來(lái)看，Mix 處理的TS、TN 含量高于Cap 處理，表明混勻添加腐熟堆肥對(duì)有機(jī)物的降解具有促進(jìn)作用（P＜0.01）。

表2 各處理及覆蓋層堆肥前后物料性質(zhì)變化Table 2 Properties of compost and cover material before and after composting

2.3 腐熟度

堆肥過(guò)程中各處理pH 值在7.94～9.01，且差異不顯著（P＞0.05）（圖3a）。堆肥初期，CK、Cap 和Mix 處理的pH 值分別為7.94、7.96 和8.16，其中Mix 處理的pH 值較高，主要與腐熟堆肥本身為堿性有關(guān)。隨后各處理堆體pH 逐漸上升，主要與好氧代謝利用過(guò)程中有機(jī)氮的礦化作用有關(guān)。第5 d 以后，CK 處理的pH 值高于其他處理，這是因?yàn)镃K 處理在前5 d 溫度略低于其他兩個(gè)處理，有機(jī)質(zhì)降解程度較低，有機(jī)氮的礦化作用延后。相對(duì)于Cap 和Mix 處理，前期溫度快速升高加快有機(jī)質(zhì)降解，有機(jī)質(zhì)含量減少后礦化作用減弱，使得pH 值上升速率減緩[25]。各處理堆肥結(jié)束時(shí)pH 值均達(dá)到《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）中弱堿性腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

EC 值反映堆肥過(guò)程中可溶性離子濃度，而可溶性離子過(guò)多會(huì)對(duì)植物有毒害作用。一般認(rèn)為堆肥結(jié)束后，EC 值小于4 mS·cm-1對(duì)作物無(wú)毒害作用[26]。堆肥前期（圖3b），CK、Cap 和Mix 處理的EC 值分別為3.20、3.30 mS·cm-1和3.17 mS·cm-1。堆肥第3 d，CK和Cap 處理EC 值達(dá)到峰值，分別為3.75 mS·cm-1和3.72 mS·cm-1。大量的有機(jī)物在堆肥前期快速降解，產(chǎn)生大量的銨根離子（NH+4）及其他離子，導(dǎo)致EC 值快速升高到峰值。溫度回升后，銨根離子轉(zhuǎn)化成氨氣及其他離子并開(kāi)始礦化，EC 值呈下降趨勢(shì)，最終趨于穩(wěn)定[8]。Mix 處理的EC 值在堆肥初期呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由于混勻添加腐熟堆肥后，對(duì)于堆體物料孔隙度起到良好調(diào)節(jié)作用，有機(jī)質(zhì)降解充分，NH+4-N 轉(zhuǎn)化迅速，因此EC 值沒(méi)有明顯上升趨勢(shì)。堆肥結(jié)束時(shí)各處理的EC 值為2.4～2.8 mS·cm-1，均滿足對(duì)植物無(wú)毒害作用的要求，各處理差異不顯著（P＞0.05）。

GI 值作為判斷堆肥是否腐熟的重要指標(biāo)，可以反映堆肥對(duì)植物的毒害作用程度。一般認(rèn)為，GI＞70%時(shí)堆肥完全腐熟[27]。如圖3c 所示，GI 值總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。堆肥結(jié)束時(shí)，CK、Cap 和Mix 處理的GI 值分別為46.82%、59.32%和64.91%，與CK 相比，Cap和Mix處理的GI值分別增加12.50、18.09個(gè)百分點(diǎn)。Cap 覆蓋層在堆肥高溫期吸收大量冷凝水，而冷凝水中攜帶的有機(jī)酸和氨態(tài)氮等植物毒性物質(zhì)使得堆體中植物毒性物質(zhì)減少，從而促進(jìn)堆體的腐熟和GI值的升高。在Mix處理中，混勻添加腐熟堆肥可促進(jìn)堆體中的有機(jī)質(zhì)降解和轉(zhuǎn)化形成腐殖質(zhì)，減少對(duì)植物的毒害作用，進(jìn)而提高GI值。

2.4 含硫惡臭氣體

堆肥體系中的局部厭氧環(huán)境和微生物代謝作用易導(dǎo)致含硫惡臭氣體的產(chǎn)生。本文中檢測(cè)了主要的8 種含硫臭氣，分別為COS、CS2、H2S、MeSH、EtSH、Et2S、Me2S 和Me2SS，其中Me2S 和Me2SS 是含硫氣體排放的主要形式，與他人研究結(jié)果一致[28-32]。從整個(gè)堆肥過(guò)程來(lái)看，含硫氣體的峰值均出現(xiàn)在翻堆后，這是由于翻堆后物料混合均勻，微生物代謝活動(dòng)增強(qiáng)，造成局部厭氧環(huán)境，導(dǎo)致含硫氣體的排放，兩次翻堆后Me2S 和Me2SS 的排放量分別占其總排放量的50.31%和60.59%。腐熟堆肥回流（Cap 和Mix）對(duì)堆肥過(guò)程中（特別是翻堆后）含硫氣體的減排具有顯著效果（P＜0.01），因?yàn)樘砑痈於逊屎蟾纳贫洋w的孔隙度，增大氧氣的傳遞速率，有助于含硫氣體的減排。

從Me2S 排放速率來(lái)看（圖4a），CK 處理的排放峰值出現(xiàn)在第4 d 和第8 d，Cap 和Mix 處理的排放速率始終維持較低水平。CK 處理的Me2S 累積硫元素排放量最高（25.80 mg·kg-1）（圖4b），Cap 和Mix 處理相較于CK 可分別減排Me2S 75.42%和78.64%。CK 處理中，以Me2S 形式損失的硫占初始物料TS 含量的0.51%，Cap 和Mix 處理分別占0.12%和0.10%（表3），表明腐熟堆肥回流處理可降低堆體中硫元素?fù)p失。Cap 和Mix 對(duì)Me2SS 有顯著的減排效果（P＜0.001）。不同處理的Me2SS 的排放速率峰值均出現(xiàn)在第4 d 和第8 d，且Cap和Mix處理在第4 d的減排效果明顯，減排率達(dá)到50%以上（圖4c）。CK、Cap 和Mix 處理的Me2SS 的累積硫元素排放量分別為243.38、156.78 mg·kg-1和106.66 mg·kg-1（圖4d），Cap 和Mix 處理相較于CK 處理分別減排35.58%和56.17%。CK、Cap、Mix 3 個(gè)處理的Me2SS 排放造成的硫損失分別占初始物料S含量的4.77%、3.02%和1.98%（表3）。

CK、Cap 和Mix 處理以8 種含硫氣體形式排放造成的累積硫元素?fù)p失量分別為269.32、163.16 mg·kg-1和112.29 mg·kg-1（圖4f）。Cap 和Mix 處理相較于CK處理分別減少39.42%和58.31%的含硫氣體排放，占初始物料硫含量的3.14%和2.08%，而CK 處理下氣體排放造成的硫損失占初始物料硫含量的5.28%（表3）。腐熟堆肥孔隙率較高，對(duì)揮發(fā)性氣體可起到吸附作用，同時(shí)混勻添加腐熟堆肥能夠?yàn)槲⑸锷L(zhǎng)代謝提供更充足的氧氣，減少惡臭氣體的產(chǎn)生[33]。因此，覆蓋和混勻添加腐熟堆肥對(duì)堆肥過(guò)程中的含硫氣體減排均具有良好的效果。其中，混勻添加腐熟堆肥效果優(yōu)于腐熟堆肥覆蓋。

表3 不同回流方式的硫元素平衡分析（%）Table 3 The total sulfur content balance in different reflux modes（%）

2.5 理化性質(zhì)與含硫臭氣的相關(guān)性

堆肥物料的理化性質(zhì)直接影響氣體的排放。如圖5所示，CK處理Me2S和總硫臭氣的排放與堆體中的氧氣含量呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.82，P＜0.05；r=-0.87，P＜0.05），Cap 處理Me2S 排放與氧氣含量同樣具有顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.91，P＜0.05）。含硫臭氣的排放峰值在高溫期出現(xiàn)，高溫期堆體微生物代謝活動(dòng)增強(qiáng)，氧氣含量降低，導(dǎo)致含硫臭氣迅速排放。Mix 處理中含硫氣體的排放與堆肥理化性質(zhì)沒(méi)有顯著的相關(guān)性，可能是由于添加腐熟堆肥后，其較低的含水率以及較高的孔隙度有利于氧氣擴(kuò)散，同時(shí)腐熟堆肥自身攜帶的大量土著微生物可直接降解臭氣分子。因此，腐熟堆肥與堆肥原料混勻處理可有效改善堆體孔隙結(jié)構(gòu)，增大氧氣傳遞效率，減少局部厭氧環(huán)境，阻止含硫臭氣的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

（1）腐熟堆肥回流有利于增強(qiáng)微生物代謝活動(dòng)，加速有機(jī)質(zhì)的降解，提高堆體溫度。與對(duì)照處理相比，腐熟堆肥覆蓋處理使總氮增加0.10 個(gè)百分點(diǎn)，混勻處理總氮和總硫分別增加0.42、0.08 個(gè)百分點(diǎn)，腐熟堆肥回流提高了堆肥中營(yíng)養(yǎng)元素氮和硫的含量。

（2）腐熟堆肥不同回流方式均可滿足堆肥產(chǎn)品無(wú)害化要求，同時(shí)可以提高堆肥腐熟度，經(jīng)過(guò)14 d堆肥，堆體pH 和EC 值達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。與CK 相比，腐熟堆肥覆蓋與混勻回流可分別提高種子發(fā)芽指數(shù)12.50、18.09個(gè)百分點(diǎn)。

（3）含硫惡臭氣體排放集中在堆肥前10 d，且翻堆后排放量顯著增加，Me2S 和Me2SS 為主要的含硫臭氣，占總含硫氣體排放量的90%以上。腐熟堆肥覆蓋對(duì)Me2S 和Me2SS 的減排率分別為75.42% 和35.58%，混勻處理對(duì)這兩種臭氣的減排率分別增加至78.64%和56.17%，腐熟堆肥混勻回流方式控制臭氣效果更佳。