劉 娟, 曹玉博, 焦陽(yáng)湄, 王 選, 馬 林

(1. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室石家莊 050022; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 3. 海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院 海口 570228; 4. 中國(guó)科學(xué)院雄安創(chuàng)新研究院雄安新區(qū) 071700)

堆肥是將糞便轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料, 實(shí)現(xiàn)糞尿養(yǎng)分循環(huán)利用于土壤的重要且應(yīng)用廣泛的技術(shù)。它強(qiáng)化了畜牧與農(nóng)田系統(tǒng)之間的養(yǎng)分循環(huán), 降低了畜禽糞便管理過(guò)程所造成的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。但堆肥過(guò)程中氨氣、氧化亞氮和氮?dú)獾葰怏w的釋放降低了肥料的養(yǎng)分含量, 其中以氨揮發(fā)形式損失的氮素約占氮素總損失的79%～94%, 是堆肥過(guò)程中氮損失的主要途徑。另外, 氨氣的排放誘導(dǎo)了二次顆粒物(PM)的生產(chǎn), 導(dǎo)致霧霾天氣的產(chǎn)生, 同時(shí)還會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問題。

條垛式堆肥技術(shù)操作簡(jiǎn)單, 廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外固體有機(jī)廢棄物資源化處理。但其生產(chǎn)環(huán)境多為露天, 受天氣影響較大, 如降雨會(huì)破壞堆體結(jié)構(gòu), 堆體的熱量散失會(huì)影響反應(yīng)進(jìn)程。另外, 條垛式堆肥無(wú)法對(duì)排出的氨氣進(jìn)行集中收集, 翻堆操作也會(huì)使氨揮發(fā)增加。反應(yīng)器堆肥作為一種新型的密閉堆肥模式, 可解決傳統(tǒng)堆肥氨氣無(wú)法收集、堆肥周期長(zhǎng)、氮素?fù)p失高、受天氣影響大的問題, 但其仍有部分氨氣隨曝氣系統(tǒng)排放到環(huán)境中。目前針對(duì)堆肥過(guò)程中的氨氣減排研究主要有兩個(gè)方向: 一是減少堆肥過(guò)程中產(chǎn)生的氨氣, 如調(diào)節(jié)物料性質(zhì)、改變供氣策略優(yōu)化和添加抑制劑, 這部分研究多為實(shí)驗(yàn)室規(guī)模, 難以在生產(chǎn)規(guī)模實(shí)施; 另一個(gè)氨減排方向是避免堆肥過(guò)程中產(chǎn)生的氨氣排放到大氣中或?qū)⑵涫占?、吸收或利? 如覆蓋、密閉式堆肥等。覆蓋是減少露天堆肥氨排放的一個(gè)比較直接的方式, 黏土、秸稈和篷布等都可降低氨揮發(fā), 對(duì)氮素?fù)p失也有一定的控制。但覆蓋的方法容易受到天氣影響, 對(duì)于堆肥量較大的養(yǎng)殖場(chǎng)來(lái)說(shuō)成本較高、工作量大, 難以實(shí)現(xiàn)。密閉式反應(yīng)器堆肥是一種可把物料輸送、高溫發(fā)酵、通風(fēng)攪拌和臭氣收集等多種功能集成于一體的好氧堆肥裝置, 其結(jié)合洗氣塔等氨回收裝置可將密閉反應(yīng)器堆肥中釋放的氨氣消除或回收利用, 從而達(dá)到減少氨氣及其他有害氣體向大氣中排放的目的。為減少密閉反應(yīng)器排放的廢氣, 逐漸出現(xiàn)了與反應(yīng)器堆肥配套的尾氣收集研究。如將化學(xué)洗滌器和生物滴濾器集成對(duì)堆肥尾氣進(jìn)行處理, 氨氣回收率在85%以上; 在密閉反應(yīng)器設(shè)備后安裝酸性洗滌器, 可將氨氣回收率保持在71%～81%和95%以上。但目前此項(xiàng)技術(shù)還存在氨氣回收效果不穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)成本較高的問題, 目前應(yīng)用并不廣泛, 因此探尋氨回收技術(shù)的影響因素、降低減氨成本可促進(jìn)密閉反應(yīng)器堆肥技術(shù)進(jìn)行廣泛應(yīng)用和推廣。

基于以上情況, 尋求一種氨氣排放量低、經(jīng)濟(jì)、高效、可實(shí)施的堆肥模式對(duì)我國(guó)的畜禽糞尿處理和生態(tài)環(huán)境有重大意義。但此類堆肥方式的氨揮發(fā)情況和氨減排潛力及經(jīng)濟(jì)成本等尚不清楚, 因此本研究擬利用養(yǎng)殖場(chǎng)生產(chǎn)規(guī)模試驗(yàn), 分析傳統(tǒng)條垛式堆肥、新型密閉反應(yīng)器堆肥以及氨回收技術(shù)在堆肥過(guò)程中的氨排放量、氨回收率及其影響因素以及成本, 提出畜禽糞尿處理環(huán)節(jié)氨減排技術(shù)方案。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與試驗(yàn)材料

本研究中的堆肥試驗(yàn)于江蘇省鹽城市一個(gè)集約化肉羊養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行, 養(yǎng)殖場(chǎng)存欄量約7萬(wàn)余只, 年產(chǎn)糞量約3.5萬(wàn)t。圈舍為竹制漏縫地板, 可供固體糞便與尿液落到糞道中, 糞尿由刮糞板帶入儲(chǔ)糞池, 并直接運(yùn)到養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的堆肥廠進(jìn)行堆肥。試驗(yàn)原料由新鮮羊糞和蘑菇殘?jiān)粗亓勘?∶1混合, 其物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 堆肥原料的理化性質(zhì)(以干重計(jì), n=3)Table1 Physico-chemical characters of raw materials for compost (dry matter, n=3)

1.2 試驗(yàn)方案

本研究設(shè)定了兩種堆肥方式, 包括: 1)條垛式堆肥; 2)密閉反應(yīng)器堆肥, 該反應(yīng)器堆肥安裝洗氣塔作為氨回收技術(shù)。

條垛式堆肥(圖1a)在試驗(yàn)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的堆肥廠進(jìn)行, 試驗(yàn)進(jìn)行45 d, 設(shè)置3個(gè)條垛作為重復(fù), 每個(gè)條垛長(zhǎng)15.0 m, 寬3.0 m, 高1.1 m。翻堆及堆肥結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)完全按照堆肥廠正常運(yùn)行模式進(jìn)行。第3天堆體進(jìn)入高溫期后進(jìn)行翻堆, 翻堆原則為第4～26天內(nèi)隔天翻堆, 第27～44天每天翻堆。

圖1 條垛式堆肥及氨揮發(fā)測(cè)定裝置(a)和密閉反應(yīng)器及氨回收裝置(b)Fig.1 Device of windrow composting and ammonia measurement (a) and device of reactor composting and ammonia recovery (b)

此次研究中所使用的密閉堆肥反應(yīng)器(圖1b)運(yùn)行容量為40 m, 經(jīng)過(guò)8 d的罐體培養(yǎng)后, 反應(yīng)器滿負(fù)荷運(yùn)行, 進(jìn)入連續(xù)進(jìn)出料階段。本研究中反應(yīng)器堆肥進(jìn)料和出料原則為每2 d進(jìn)料9 m, 每天出料3 m。試驗(yàn)中堆肥原料從堆肥反應(yīng)器頂部投入, 堆肥產(chǎn)品于反應(yīng)器底部排出。新鮮空氣以6000 m?min的速率由反應(yīng)器底部向上部供應(yīng), 供氣規(guī)則為通氣5 min, 間歇5 min。密閉堆肥反應(yīng)器內(nèi)的攪拌系統(tǒng)每天工作2 h, 用于混合物料。

此外, 密閉反應(yīng)器氣體排出口與洗氣塔相連接。洗氣塔的吸收液為水, 體積為1 m, 于每天7:00更換吸收液。

1.3 樣品采集

條垛式堆肥利用動(dòng)態(tài)箱法測(cè)定氨氣排放, 每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置3個(gè)重復(fù), 分別位于堆體的高、中、低3個(gè)位置(圖1a), 同時(shí)設(shè)置堆肥環(huán)境的背景氨氣測(cè)定點(diǎn)。采樣點(diǎn)氨排放量為高、中、低3個(gè)位置氨排放量的平均值, 每天10:00進(jìn)行一次氨氣測(cè)定, 氨氣吸收時(shí)間為硼酸開始變色后10 min, 并記錄氨氣吸收時(shí)間。

在密閉反應(yīng)器堆肥中, 由氨氣排出管道抽取一定量的氣體測(cè)定氨氣濃度, 利用風(fēng)速儀測(cè)定管道內(nèi)氨氣的流速, 結(jié)合管道內(nèi)徑, 計(jì)算反應(yīng)器氨氣排放管道內(nèi)的氣體流量(公式3)。密閉反應(yīng)器堆肥中共設(shè)置2個(gè)氣體采樣點(diǎn), 分別在氨氣進(jìn)入洗氣塔之前和洗氣塔排出氣體之后, 每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)。密閉反應(yīng)器堆肥的供氣策略為供氣5 min, 間歇5 min, 對(duì)每種供氣狀態(tài)下的氨氣排放速率分別進(jìn)行測(cè)定。每天氨氣的測(cè)定原則為9:00、11:00、14:00和17:00進(jìn)行4次測(cè)定, 氨氣吸收時(shí)間設(shè)定為2 min。

洗氣塔運(yùn)行期間, 每天于7:00、9:00、11:00、15:00和17:00取氨回收液100 mL, 用于測(cè)定銨態(tài)氮(NH-N)和pH, 記錄氨回收液溫度, 并于–20 ℃儲(chǔ)存。

條垛式堆肥第1、8、12、18、24、30、36、39、42和45天進(jìn)行多點(diǎn)取樣, 混合均勻?yàn)橐粋€(gè)樣品, 每次取3個(gè)重復(fù)樣品, 每個(gè)樣品400 g左右。密閉反應(yīng)器堆肥樣品于出料時(shí)在出料口進(jìn)行多點(diǎn)取樣, 混合均勻?yàn)橐粋€(gè)樣品, 每次取3個(gè)重復(fù)樣品, 每個(gè)樣品400 g左右。堆肥固體樣品分為2部分: 一部分于–20 ℃下存儲(chǔ), 用于測(cè)定NH-N、pH、含水率(DM)、發(fā)芽率(GI); 另一部分進(jìn)行風(fēng)干后壓碎并通過(guò)1 mm的篩子用于測(cè)定全氮(TKN)、全鉀(TK)、全磷(TP)含量。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

條垛式堆肥采用動(dòng)態(tài)箱法計(jì)算氨氣排放速率, 計(jì)算方法見公式(1)。反應(yīng)器堆肥無(wú)法直接測(cè)定氨氣的流量, 故先由真空泵將氣體抽入硼酸吸收瓶計(jì)算氨氣濃度, 并將流量計(jì)控制為4 L?min, 計(jì)算方法見公式(2); 氨氣的排放速率利用公式(3)進(jìn)行計(jì)算。

堆肥樣品由去離子水浸提后, 利用梅特勒FE20測(cè)定pH。堆肥樣品的GI采用HKORC方法測(cè)定:在一個(gè)底部鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中加入10粒水芹[(Bl.) DC.]種子和10 mL堆肥產(chǎn)品的浸提液, 將其恒溫(25 ℃)培養(yǎng)48 h, 根據(jù)公式(4)計(jì)算堆肥樣品的GI。堆肥樣品的含水率利用105 ℃烘干法測(cè)定; 含氮量(TKN)利用凱氏定氮法測(cè)定, TP、TK通過(guò)HSO-HO消煮法測(cè)定, 以上分析均進(jìn)行3次重復(fù)。

洗氣塔水樣利用梅特勒FE20測(cè)定pH; 水樣由KCl浸提后, 利用SmartChem140 全自動(dòng)化學(xué)分析儀測(cè)定NH-N。

1.5 不同堆肥技術(shù)成本核算及相對(duì)減氨成本計(jì)算

本研究中的堆肥技術(shù)成本核算主要包括3個(gè)方面: 基礎(chǔ)設(shè)施成本投入、固定運(yùn)行成本和可變運(yùn)行成本。基礎(chǔ)設(shè)施投入主要指土地租賃、房屋修建、地面硬化等基礎(chǔ)建設(shè)以及堆肥反應(yīng)器、翻拋機(jī)、鏟車等基礎(chǔ)設(shè)備的投入, 數(shù)據(jù)來(lái)自養(yǎng)殖場(chǎng)調(diào)研; 固定運(yùn)行成本指基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備的維護(hù), 按基建投入和基礎(chǔ)設(shè)備投入的4%計(jì)算; 可變運(yùn)行成本指堆肥技術(shù)運(yùn)行過(guò)程中的投入, 如電費(fèi)、輔料費(fèi)、人工費(fèi)、基礎(chǔ)設(shè)備燃油費(fèi)等, 本研究中一年的運(yùn)行成本由試驗(yàn)期間每天運(yùn)行成本計(jì)算得到。另外, 設(shè)備投入的成本需要與養(yǎng)殖場(chǎng)規(guī)模相匹配, 本研究中所有堆肥技術(shù)的設(shè)備投入均與試驗(yàn)養(yǎng)殖場(chǎng)在一年內(nèi)的運(yùn)行狀況相匹配。本研究中所涉及的堆肥技術(shù)成本投入見表2。反應(yīng)器堆肥技術(shù)的相對(duì)減氨成本計(jì)算公式如下:

表2 不同堆肥技術(shù)成本投入1)Table2 Cost of different technical implementation treatments1) ￥·a?1

式中: AC指氨減排成本, 元?kg;和指條垛式堆肥和反應(yīng)器堆肥糞尿處理成本, 元?t;和指條垛式堆肥和反應(yīng)器堆肥過(guò)程中排放的氨氣, kg?t。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析, 試驗(yàn)結(jié)果利用SPSS 17.0進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同堆肥方式的氨揮發(fā)規(guī)律

在條垛式堆肥中(圖2a), 氨排放速率隨堆肥的反應(yīng)進(jìn)程改變。試驗(yàn)前3 d, 氨排放速率低, 約為4 g(NH)?d?t, 主要由于堆體處于堆肥前期, 有機(jī)氮礦化慢。試驗(yàn)第5天后, 溫度不斷上升進(jìn)入高溫期, 氨排放速率也逐漸升高至125 g(NH)?d?t(第10天)。較高的氨排放速率一直維持至試驗(yàn)第35 d左右。試驗(yàn)進(jìn)行35 d后, 氨排放速率呈下降趨勢(shì), 但在第45天仍能達(dá)到34 g(NH)?d?t。

圖2 條垛式、新型密閉反應(yīng)器及安裝洗氣塔后堆肥過(guò)程中的氨氣排放Fig.2 NH3 emissions from windrow composting, reactor composting and scrubber

對(duì)于密閉反應(yīng)器堆肥(圖2b), 其平均每天氨揮發(fā)量為157 g(NH)?d?t, 高于條垛式堆肥。且密閉反應(yīng)器堆肥上料日的氨排放速率明顯低于未上料日(第1、3、5、7天為上料日, 2、4、6、8天為非上料日), 如第1天為進(jìn)料日, 氨排放速率為106 g(NH)?d?t, 第2天為非進(jìn)料日, 排放速率為288 g(NH)?d?t, 約為進(jìn)料日的3倍。

每處理1 t干物質(zhì)的物料, 條垛式堆肥需排放193 g NH, 密閉反應(yīng)器堆肥氨排放量為75 g NH, 安裝洗氣塔后, 此排放量為34 g NH(圖2c)。與條垛式堆肥相比, 兩者分別減少氨揮發(fā)61.1% (<0.01)和82.3% (<0.01)。從樣品最終的氮素含量可知(圖2d), 條垛式堆肥以氨揮發(fā)形式損失的氮素占原始糞尿的32.2% (<0.01), 反應(yīng)器堆肥僅損失16.5% (<0.01), 安裝洗氣塔后為8.0% (<0.01)。

2.2 洗氣塔氨回收效率

如圖3所述, 洗氣塔內(nèi)吸收液更換后, 6 h內(nèi)氨氣回收率隨著吸收時(shí)間逐漸降低, 由最初的82.0%逐漸降低到39.8% (<0.05)左右, 但在吸收的第9 h(17:00), 氨回收率有上升趨勢(shì), 此時(shí)氨回收率為64.3%(<0.05)。同時(shí), 試驗(yàn)結(jié)果顯示隨吸收時(shí)間的增加, 洗氣塔氨回收率的變異范圍增大, 其對(duì)氨氣的吸收不穩(wěn)定增加。

圖3 洗氣塔氨回收率與吸收時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Change of ammonia recovery efficiency with absorption time

2.3 洗氣塔氨回收率的影響因素分析

圖4展現(xiàn)了洗氣塔更換氨吸收液后不同時(shí)間點(diǎn)溫度、pH、NH-N含量及其與氨回收率的關(guān)系。圖4a表明, 剛更換的氨吸收液溫度為30 ℃左右, 且隨氨回收時(shí)間延長(zhǎng)逐漸上升, 并在6 h左右上升到最高溫度50 ℃。當(dāng)液體溫度為30～40 ℃時(shí), 氨回收率約為80%, 氨回收率隨氨吸收液溫度上升而快速下降; 在溫度達(dá)到50 ℃后, 氨回收率下降到20% (圖4b)。在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi), 氨吸收液pH穩(wěn)定上升0.5個(gè)單位, 從最開始的8.5上升到9.0 (圖4c), 洗氣塔氨氣回收率也出現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象(圖4d)。當(dāng)回收液pH從8.3上升到8.6時(shí), 氨氣回收率變化較為平緩, 由65.0%左右上升到80.0%; 但當(dāng)回收液吸收的氨氣量增加, pH逐漸上升到9.0以上, 洗氣塔的氨氣回收率快速下降。圖4e表明NH-N含量隨吸收時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸上升, 從最開始的84.6 mg?L上升到231.6 mg?L, 與圖3中1 h和6 h間的氨氣回收率降低相對(duì)應(yīng), 圖4f也表明氨回收率隨吸收液中NH-N的增加整體呈緩慢下降趨勢(shì); 但在吸收液工作22 h后, 吸收液的NH-N含量略有下降, 約為170.6 mg?L。以上結(jié)果顯示氨氣在不斷被回收液吸收的過(guò)程中, 氨吸收液中NH-N濃度與pH升高, 水吸收氨氣的能力減弱。

圖4 洗氣塔內(nèi)氨吸收液在不同吸收時(shí)間內(nèi)的溫度、NH4+-N及pH變化及其對(duì)氨回收率的影響Fig.4 Temperature, NH4+-N and pH changes in ammonia absorption solution during different absorption time and their effects on ammonia recovery rate in the scrubbing tower

2.4 不同堆肥方式的經(jīng)濟(jì)效益

由圖5可知, 在每年處理35 000 t糞污的規(guī)模下, 條垛式堆肥年投入成本最低, 為306.1萬(wàn)元, 反應(yīng)器堆肥及安裝洗氣塔的反應(yīng)器年投入成本相差較小, 但都明顯高于條垛式堆肥, 分別為409.2萬(wàn)元及418.9萬(wàn)元。其中可變運(yùn)行成本在各項(xiàng)堆肥技術(shù)中所占比例都較高, 約占總經(jīng)濟(jì)成本投入的63.7% (條垛式)、47.5% (反應(yīng)器)和48.3% (反應(yīng)器&洗氣塔)。由表2可知, 輔料投入是3種堆肥模式最大的可變運(yùn)行成本, 分別占可變運(yùn)行成本的44.8% (條垛式堆肥)、45.0% (反應(yīng)器堆肥)和43.2% (反應(yīng)器堆肥&洗氣塔)。其中, 反應(yīng)器堆肥的電力消耗也是可變運(yùn)行成本重要組成, 分別為37.0%和39.4%。反應(yīng)器堆肥的基建投入約為條垛式堆肥2.4倍, 這主要是由于反應(yīng)器設(shè)備價(jià)格較高(表2)。3種堆肥方式的每年固定運(yùn)行成本較低, 分別為46萬(wàn)元(條垛式)、61萬(wàn)元(反應(yīng)器)和62萬(wàn)元(反應(yīng)器&洗氣塔)。每處理1 t羊糞, 條垛式堆肥需花費(fèi)87.4元, 反應(yīng)器堆肥和裝有洗氣塔的反應(yīng)器堆肥的成本分別增加29.5元和32.2元。根據(jù)反應(yīng)器堆肥技術(shù)在實(shí)施過(guò)程中產(chǎn)生的成本投入以及該技術(shù)的減氨效果(公式5), 可得到每減少1 kg氨氣揮發(fā)所投入的成本為22.0元; 當(dāng)反應(yīng)器與氨回收裝置結(jié)合使用時(shí), 氨減排成本降低到16.5元。

圖5 不同堆肥方式的年成本、每噸糞的處理成本及反應(yīng)器的氨氣減排成本Fig.5 Annual cost, cost of composting 1 ton manure and ammonia abatement cost of different composting methods

3 討論

3.1 不同堆肥方式的氨揮發(fā)影響因素分析

本研究中的兩種堆肥方式排放的氨氣都有被低估的可能。在條垛式堆肥中, 翻堆是氨揮發(fā)的高峰期, 但此階段的氨揮發(fā)無(wú)法測(cè)定; 條垛式堆肥所占面積較大、開放性較強(qiáng), 本研究中只針對(duì)某一點(diǎn)進(jìn)行了氨揮發(fā)的測(cè)定, 無(wú)法精準(zhǔn)定量。前人的兩組條垛式堆肥測(cè)得的氮損失分別為31%和55%, 在一項(xiàng)數(shù)據(jù)分析文章中也指出堆肥過(guò)程中氮損失為21.1%～46.7%, 本研究所測(cè)氨揮發(fā)產(chǎn)生的氮損失在此范圍內(nèi), 為32.2%。在密閉型反應(yīng)器堆肥中, 管道中的氣體流量通過(guò)風(fēng)速儀測(cè)定, 但在供氣間歇所測(cè)風(fēng)速較低, 從而導(dǎo)致供氣間歇所測(cè)氨揮發(fā)速率低; 另外, 密閉反應(yīng)器堆肥在進(jìn)料時(shí)也會(huì)釋放大量的氨氣, 降低了氨揮發(fā)的測(cè)定值。在氨揮發(fā)影響因素中, 條垛式堆肥中所測(cè)得的氨排放速率變化與氨揮發(fā)測(cè)定前的翻堆操作有關(guān)(圖2a), 主要因?yàn)榉褧r(shí)堆體被翻動(dòng), 大量氣體及熱量在翻堆時(shí)散失, 翻堆結(jié)束后的堆體溫度下降, 導(dǎo)致所測(cè)氨揮發(fā)量低。由于本研究中的條垛式堆肥在我國(guó)南方的冬季進(jìn)行, 濕度較大, 多陰雨天, 且為室內(nèi)堆肥, 水分難以散去, 翻堆時(shí)間也隨天氣進(jìn)行調(diào)整, 只在空氣較為干燥時(shí)進(jìn)行翻拋, 從而導(dǎo)致高溫期較長(zhǎng)。在密閉反應(yīng)器堆肥中(圖2b), 上料日的氨排放速率明顯低于未上料日, 這可能是由于上料日需要將上料口打開1 h左右, 期間會(huì)有大量氨氣從頂部揮發(fā), 且上料時(shí)新物料的溫度較低, 覆蓋在溫度較高的舊物料上方, 從而導(dǎo)致了氨排放速率的降低。

3.2 氨回收技術(shù)影響因素及應(yīng)用前景

氨回收技術(shù)通過(guò)氨氣與吸收液的化學(xué)反應(yīng)將氨氣固定, 從而減少向環(huán)境的排放。在本研究中, 反應(yīng)器堆肥排放出來(lái)的氨氣與水發(fā)生反應(yīng)后轉(zhuǎn)化為氨水(NH+HO? NH·HO), 將氨氣固定在水中, 因此反應(yīng)器堆肥結(jié)合洗氣塔后可將氨減排效率由61.1% (<0.01)增加到82.3% (<0.01)。同時(shí), 由于氨氣與水為可逆反應(yīng), 當(dāng)吸收液中氨水濃度過(guò)高時(shí), 反應(yīng)可能逆向進(jìn)行, 不利于氨氣的固定, 從而限制吸收液的使用時(shí)間和氨回收效率。此外, 氨吸收液類型是影響氨回收效率及應(yīng)用前景的主要因素。在本研究中所選取的氨回收液為便宜、可獲得性強(qiáng)的水, 但其吸收氨氣的能力較弱, 所測(cè)氨回收效果最高為82.0% (<0.05)。隨著氨氣與水之間反應(yīng)的進(jìn)行, 氨回收液NH-N、pH不斷升高, 其氨回收效率逐漸下降; 由于水與氨的反應(yīng)為可逆過(guò)程, 若不及時(shí)更換吸收液, 可能會(huì)將更多的氨氣排放到大氣中。另外本研究中每天更換的吸收液的去處是氨回收技術(shù)推廣應(yīng)用的一個(gè)限制因素。將更換的氨回收液再加入到堆肥中或進(jìn)行農(nóng)田施用都是比較常見的方法, 但前者對(duì)堆肥產(chǎn)生的影響不清楚, 后者在實(shí)際生產(chǎn)中可能會(huì)產(chǎn)生較大的運(yùn)輸成本。洗氣塔存在的以上問題, 可通過(guò)更換氨吸收液的類型進(jìn)行改進(jìn)。與水相比, 酸性溶液可中和氨氣溶于水后產(chǎn)生的OH, 使更多的氨氣以NH的形式保留在吸收液中, 從而延長(zhǎng)吸收液的使用時(shí)間。另外, 酸性溶液種類較多, 可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況選擇更為方便或經(jīng)濟(jì)的酸化劑。有研究使用硫酸作為酸化劑, 調(diào)節(jié)回收液pH, 可使氨回收率穩(wěn)定在95%以上。另外一個(gè)解決方案為吸收液處理裝置, 去除氨吸收液中的NH, 從而使氨吸收液重新具有較高的氨氣吸收能力。

3.3 糞尿處理環(huán)節(jié)氨揮發(fā)減排技術(shù)應(yīng)用前景

本研究中的密閉反應(yīng)器堆肥結(jié)合洗氣塔的糞尿處理技術(shù)顯著降低了堆肥過(guò)程中排放的氨氣(82.3%), 這對(duì)減緩大氣環(huán)境、保護(hù)人類健康和促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)都有重要意義。密閉反應(yīng)器堆肥周期為8 d, 將堆肥周期縮短了5.6倍, 但未達(dá)到有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn), 之后的應(yīng)用中可適當(dāng)加長(zhǎng)反應(yīng)周期或增加后續(xù)的陳化時(shí)間, 以達(dá)到商品有機(jī)肥規(guī)定含水率(干物質(zhì)含量≤30%)及肥料的無(wú)害化程度(GI≥80%)。水為成本低、可獲得性強(qiáng)的氨吸收液, 但從本研究的結(jié)果看, 其吸收氨的能力較弱, 若想得到較高的氨回收效果需加大換水頻率, 這對(duì)后續(xù)氨吸收液的處置增加了困難, 建議今后的研究可選擇對(duì)氨氣吸收能力更強(qiáng)的酸性溶液, 并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況更換成本較低或吸收能力較強(qiáng)的酸化劑。本研究中兩種反應(yīng)器堆肥的氨減排成本為22.0元和16.5元, 均低于歐盟的減排成本4.1 EUR。但其實(shí)本研究中反應(yīng)器堆肥的糞尿處理成本及氨氣減排成本都有被高估的可能, 這主要來(lái)自兩個(gè)方面: 一是由于反應(yīng)器堆肥運(yùn)行過(guò)程中的人工成本無(wú)法得到, 本研究將其設(shè)置為與條垛式堆肥所用人工成本相同, 但在實(shí)際操作中, 反應(yīng)器堆肥自動(dòng)化程度高, 工人的技術(shù)要求和工作強(qiáng)度較低, 其人工成本應(yīng)低于條垛式堆肥; 二是本研究中所用密閉型反應(yīng)器堆肥容量為40 m, 為了與條垛式堆肥的處理量相匹配, 計(jì)算經(jīng)濟(jì)時(shí)假設(shè)該反應(yīng)器使用了22臺(tái), 這種假設(shè)很大程度提高了設(shè)備成本, 因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)情景下, 養(yǎng)殖場(chǎng)為匹配較大的處理量會(huì)選擇容量更大的反應(yīng)器設(shè)備。另外, 不同規(guī)模的養(yǎng)殖場(chǎng)可根據(jù)自身運(yùn)營(yíng)情況選擇養(yǎng)殖場(chǎng)原位反應(yīng)器處理或?qū)⒓S尿運(yùn)送至糞尿處理中心集中處理。

3.4 結(jié)論

相比于傳統(tǒng)條垛式堆肥, 密閉反應(yīng)器堆肥具有堆肥周期短、氮素?fù)p失低、氨氣排放低且可回收等優(yōu)勢(shì)。密閉反應(yīng)器堆肥將堆肥周期從45 d縮短到8 d, 氨揮發(fā)減少61.1%, 結(jié)合洗氣塔裝置后可減少氨揮發(fā)82.3%。密閉反應(yīng)器堆肥將每噸堆肥成本提高了29.5元, 但由于洗氣塔的設(shè)備成本及運(yùn)行成本較低, 安裝洗氣塔后可將氨減排成本從反應(yīng)器堆肥的22.0元降低到16.5元, 因此推薦密閉反應(yīng)器與洗氣塔裝置結(jié)合的堆肥技術(shù)。洗氣塔的氨回收率隨吸收時(shí)間逐漸衰減, 且與吸收液的氨態(tài)氮含量、pH及吸收時(shí)間相關(guān), 提高洗氣塔氨回收率及運(yùn)行穩(wěn)定性研究是未來(lái)堆肥氨減排技術(shù)研發(fā)的發(fā)展方向。