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堆肥是农业废弃物处理与资源化利用的有效途径,是农业可持续发展的重要措施。堆肥过程直接或间接释放出大量温室气体,是温室气体重要排放源。探索合适堆肥模式,减少温室气体排放和养分损失,对减缓全球温室气体浓度升高速度和提高堆肥质量具有重要意义。本研究改进了传统恒定通风率的不足,提出了“按需分配”的供氧方式,比较了不同堆肥方式对温室气体排放的影响,探讨了堆肥方式对堆肥理化性质的影响。主要研究结果如下:
本文采用文献分析方法,在总结前人堆肥过程有机碳降解规律的基础上,归纳有机碳分解动力学方程,根据物料守恒原则确立不同时期有机碳分解需氧量,提出了适宜通风量。使用不同的动力学模型分别对不同堆肥材料和堆肥条件下的有机质或有机碳累积矿化曲线进行模拟,结果表明使用最简单的一级反应动力学模型Ct=Co·(1-e-kt)(Ct代表碳累积降解量,%;C0代表潜在最大降解量,%)对曲线拟合结果最好。使用逐步回归法探讨了堆肥材料性质(含水量、TOC、TN和C/N比)对C0和k(一级反应常数)的影响。结果表明,C0=41.151+0.422*C/N;k=0.017+0.004*N。碳潜在最大降解量与碳氮比正相关(r=0.302,p=0.093),一级反应常数与含氮量极显著正相关(r=0.481,p＜0.01)。通过时间-累积排放量曲线与时间-排放率变化曲线拟合参数及拟合性比较发现,使用一级动力学衰减函数对日变化曲线拟合相关度较差,拟合曲线与实际排放量间有较大出入(尤其是堆肥初期)。Ct=Co·k·1.2·e-k·t(Ct代表碳降解速率,%)可以保证堆肥试验碳降解速率数据点大多数都落在该拟合曲线下方。结合上述模型的选取及参数的确定,就农业废弃物堆肥而言,推荐通风量如下:前10天0.32 L min-1 kg-1 DM初始,11-20天0.136 L min-1 kg-1 DM初始,21-30天0.063 L min-1 kg-1 DM初始,31-45天0.027 L min-1 kg-1 DM初始。
本研究采用箱式堆肥法探讨了不同通风方式及添加过磷酸钙对温室气体排放量及堆肥过程中堆料物理化学性质变化的影响。堆肥结束时翻堆处理CO2和CH4累积排放分别为220-235 g Cg-1 DM和0.015 g C kg-1 DM,强制通风处理分别为190 g C kg-1 DM和0.003-0.008 g C kg-1 DM。翻堆处理和强制通风处理N2O-N排放分别为0.013-0.017 g N kg-1 DM和0.009-0.011 g N kg-1 DM,分别占堆肥初始含氮量的0.12%左右和0.06%左右。翻堆通风系统比强制通风系统损失更多的碳,说明堆肥好氧分解过程中翻堆体系氧供应相对不足的缺点可由定时的翻堆所抵消。翻堆系统重新混合底料和水分,提供新鲜的空气,热量散失也要小于强制通风系统,因此有机质分解率和CO2排放高于通风系统。堆肥操作消耗的电力和燃料引起的温室气体排放,翻堆加过磷酸钙处理、翻堆不加过磷酸钙处理、强制通风加过磷酸钙处理和强制通风不加过磷酸钙处理分别为3.27、3.4、12.29和11.89 g CO2-C kg-1干物质。大量秸秆作为堆肥填充料的加入及反应器小规模堆肥,保持了肥堆的高孔隙度和良好的通风条件,促进了空气的对流和扩散,从而减少了CH4形成或促进CH4氧化。因此试验各处理CH4和N2O产生比例都较少,过磷酸钙对温室气体排放影响也很小。虽然强制通风堆肥可以节省空间且操作方便,但由于其较高的能源消耗和建设成本,从温室气体减排和经济效益考虑,其推广应用还有待进一步研究。
不同堆肥方式影响堆肥的物理化学性质,从而影响堆肥效率和堆肥产品的质量。堆体不同剖面温度都呈先升高后降低的大趋势,每次翻堆后温度升高后再次下降。就不同深度而言,底部不良的通风条件影响了微生物的活动和温度的升高。堆料有机质分解引起的“浓缩效应”使得N、P、K养分和灰分含量增加。受NH4+、灰分元素浓缩及小分子有机酸的综合影响,堆肥过程中pH先升高,随后略有降低,堆肥结束时pH高于堆肥开始时。加过磷酸钙处理pH低于不加过磷酸钙处理。堆肥初期EC值有明显升高,后期趋于稳定。发芽指数堆肥前期升高,后期稍有降低。不同堆肥处理E4/E6比值(堆料浸提液在465和665 nm的吸光度比值)均表现先降低后升高再降低的趋势。