使用堆肥技术和厌氧消化，对禽畜粪便进行处理，从而改善环境污染 ...

hilalchemist

文 | 影玉楼

编辑 | 影玉楼

«——【·前言·】——»

5 {' j* x: [# C# j! y. k/ A家禽粪便含有约3-5％的氮，1.5-3％的钾。钙、镁和硫的含量比牛或猪的粪便高得多。粪便可以直接在土壤上铺开，或经过不同的处理生产附加值产品（堆肥、消化物、生物炭）。

4 p5 W; K$ N" K- r. e* k
掺入粪便的土壤会引起一系列反应，如分解、水解、氨挥发、硝化、反硝化、发酵，最终可产生重要的温室气体：氨（NH3）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氧化氮（NO）和二氧化碳（CO2）。


家禽粪还可能导致重金属如锌、铜等对土壤/地下水的污染。生态系统的缓冲能力可能会超负荷，肥料或长期储存的家禽粪便则成为环境危害物。
因此，任何家禽粪便处理技术都应基于对养分的彻底分析（尤其是C / N / P），并根据地球生物化学的循环，制定适当校准的应用方法以防止GHGs（温室气体）排放，并有效利用养分改善土壤。

9 c! r; Q& b: l' E& o
堆肥和厌氧消化（AD）一般要基于生物，但温度、湿度、氧化还原电位、pH和底物浓度梯度等非生物因素要严格控制。从粪便生产沼气并将消化物用作有机肥料的过程，作为可再生能源生产和矿物肥料替代物，有助于减少温室气体排放。

% \; b: p& ~4 [; V% H% ^- w
对家禽粪便的热转化也被视为可再生能源。获得的能源是CO2中性的，并节省化石燃料。生命周期评价表明，家禽粪便的热处理产生的温室气体比土地直接应用产生的更少。经过处理后的固体残渣（灰、生物炭）可作为土壤改良剂使用，具有环境效益。
* n& @0 J* o7 W$ O( R

«——【·技术管理·】——»

. V& _  L8 X# o; y* A一般来说，PM（家禽粪便）会被直接用作土壤肥料。适当使用会增加生物量生产和作物品质，因为其含有氮、磷等矿物质。不过，不当使用会影响土壤和植物品质，并通过潜在有毒元素（PTE，包括镉、铬、镍、钴、铜、钡、铅等）污染地表水和地下水。


, q9 |  h+ [6 t2 g* T' c在PM（家禽粪便）堆肥化处理期间，会发生矿化、硝化、不完全反硝化和气体释放等过程。它遵循各种阶段，即中温、高温（涉及微生物的动态生物过程）、冷却和最终的堆肥成熟。该过程需要适当的水分、C/N比和堆肥混合物的孔隙率。为了满足这些条件，必须将粪便与适当的增容材料混合，例如锯末、草、各种类型的稻草、木屑和木片。

3 r! |" P9 B) e7 c- [& Z3 b; T' ]
堆肥混合物的温度应超过55°C，并达到70°C以进行卫生处理。这适用于如蛔虫卵、鞭虫卵、弓形虫、沙门氏菌和大肠杆菌等细菌的分解，高温后病原体数量减少。堆肥混合物的通气是至关重要的，至少需要15-20％的O2。较低值可能会导致无氧区的形成，并促进混合物的腐败，从而阻碍微生物的正常功能。


8 H: P5 c9 Y" v; r, R处理时间可能为4-40周，最终堆肥的重量相对于初始重量减少40-50％。在堆肥化处理期间，氮、碳和磷部分会丢失：氮的丢失量为13-70％，碳的丢失量为42-62％，磷的丢失量为28-50％。

氮通过NH4+、NO3-的淋滤或释放NH3、N2O、N2的气体排放丢失。碳以CO2和CH4的形式丢失，磷主要以HPO42-和H2PO4的淋滤液形式丢失。
5 Z3 s/ w& g+ _* K7 c

8 D1 n& }3 K  T堆肥化处理时。细菌和真菌对显得至关重要。堆肥混合物中最常见的细菌包括假单胞菌属、黄单胞菌属、放线菌、诺卡菌属和链霉菌，它们可以分解有机物质。对于禽畜粪堆肥化处理，以专门进行氮转化的硝化腐殖菌亚硝化螺旋菌尤为重要。
  V  _* c; D" ?7 D6 a) T- i1 r
* G. }) A+ `' @- t4 x! R( K
真菌包括青霉菌属、丝孢霉属、黄衣菌属、镰刀菌属、莫地沙菌、青霉素属和木霉属，在堆肥混合物初期部分出现，在堆肥成熟期间占据主导地位。
' J" `) s; N8 B# C0 z- l

«——【·厌氧过程·】——»

厌氧消化（AD）是一种在厌氧下（ORP<-200mV）进行大分子有机物分解的生化过程。通过转化作用，将可生物降解的有机物质转化为甲烷和二氧化碳，并还原硝酸盐和硫酸盐为硫化氢和硫化物，以及进行厌氧铵化。AD的整个过程可以用Buswell于1952年提出的方程式来描述


根据生物化学反应公式和鸡粪的基本元素组成（C（35.16％）、H（4.83％）、O（30.12％）、S（0.84％）和N（5.44％））估计1千克挥发性固体（VS）的鸡粪降解产生了以下产物：0.74立方米沼气、0.42立方米甲烷和72克氨氮。
( j2 y' j2 d- V) p% i8 ^9 f+ y

厌氧消化通常受到碳氮比低、氮含量高、沼气中硫化氢含量高以及发泡问题限制。将原料进入消化室前进行预处理，或将禽畜粪便与其他有机废料共同消化，可优化和提高厌氧消化效率。在生物增强和利用纳米颗粒，微量元素补充剂的添加物方面，也似乎是一个有前途的选择。
为了减少氨积累过程失败的风险，可以采用氨气脱附、添加离子交换吸附材料，例如沸石，天然方解石，或生物炭；采用膜分离或稀释原料。
' d- P$ j/ ?8 d" F) E9 [' j

+ k* U  \# s, p( Z5 k

«——【·热处理燃烧·】——»

禽畜粪便最常用的热处理是共同燃烧，有机化合物被氧化并释放大量热能。该过程会产生二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳、氯化氢和灰烬等气体。由于禽畜粪便的灰烬含量高且熔点低，因此需要一个良好技术解决方案。
而流化床技术则能减少氮氧化物的排放。通常在进行燃烧、气化或热解之前，禽畜粪便会通过干燥进行预处理，从而将其发热值从 2.6 提高至 13.5 GJ Mg−1。
' I% z7 q0 E6 X9 Z8 Z# H3 b: V

使用流化床技术燃烧所产生的灰烬是无味、无菌且干燥的。因其所含的磷和钾元素含量得当，是一个很好的土壤改良剂。因此，它一般被用作肥料的添加剂，甚至可以加入鸡饲料中。
6 z2 |9 ], b$ N$ h; W- p+ T  [粉煤气化通常在存由氧化剂（例如空气、氧气、水蒸汽）1000℃的情况下进行。产生氢气、一氧化碳、甲烷、二氧化碳、氮气和水蒸汽等气态产物。
: H7 P0 H& ?% E& Q+ u
/ V  c5 l8 e2 m2 U
( N8 A& r  B- l3 `2 u, n: \- ?; Z这些化学反应既有放热的，也有吸热的，还会产生灰渣或熔渣的固体残留物。家禽粪便气化在与植物生物质共气化的中进行分析。但由于技术问题和产生气体质量低的原因，这个过程在实验室和小型应用中受到了一定的限制。

0 G# I, L! r. _3 z. H

) g: p% E4 f$ n

«——【·碳循环：有氧下的矿化和腐殖化·】——»

# X. j5 l: p1 [2 t3 R, C家禽粪便的31％是有机物质，在有氧条件下，矿化和腐殖化对于碳、氮和磷的循环至关重要。首先，有机物质被无脊椎动物分解，经过化学降解，有机物质被淋出。
8 M) G* f% R' O$ z6 F在化学反应中，微生物将复杂有机分子的C结构转变成可溶性化合物（例如，碳水化合物、蛋白质、氨基酸）。其中一些化合物在矿化过程中，立即转化为水溶性的无机化合物或气态产物。较慢的腐殖过程开始，形成胶体结构和黑色颜色的复杂分子，称为腐殖质。
3 N$ @  Y, _  A6 i- i! l; c

在腐殖过程中，通过多种氧化和水解反应生成腐殖酸、腐殖酚酸、褐质质酸和胡敏质酸等。原始饲料材料的碳氮比，在与酶活性和微生物变异相关的碳固定过程中，起着至关重要的作用。
1 N: j  d; _7 a  ~, A制品中的C、H含量较原始残留物更高，O含量更低，因此更稳定且更抵抗分解。初始碳氮比率为17.3的堆肥化效率和植物发芽指数，分别比碳氮比率为9.61的堆肥化高出显著。
, ?# M# A, ?  B$ V: Q  y
% E7 H) D, F% f- [% a
9 [8 k8 x7 z9 p+ d; R- \此外，适当的碳氮比增加了芽孢杆菌的相对丰度，在温度较低和较高的阶段都发挥了重要作用。芽孢杆菌的丰度与纤维素和β-葡萄糖苷酶活性相关，因此改善了纤维素降解和腐殖化。

«——【·碳循环： 厌氧下生物转化沼气·】——»

厌氧消化（AD）通常分为四个阶段，包括水解、酸生成、产酮（产乙酸）和产甲烷。在技术规模上，AD分为两个阶段：酸性（包括水解和酸生成）和甲烷（产酮和产甲烷）。
* Q  B3 a: f9 E9 X0 F. C! `$ _

+ Y) b! m/ s: v( c1 T+ U& S2 f2 {在水解阶段，由水解菌释放的细胞外酶（水解酶，如蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、淀粉酶等）将水不溶性的有机高分子物质，如蛋白质、脂肪和碳水化合物，分解成简单的可溶性单体。
水解产物包括氨基酸、简单糖、羟基醇（主要是甘油）和长链脂肪酸（LCFAs）。然而只有50%的原料中所含的有机物质在此阶段被分解。这与缺乏适合其降解的酶有关。然而，通过过氧化物酶和漆酶等酶对家禽粪便进行预处理，可以增强水解的速率。
3 o8 p* l2 E! h& {. S* h1 e  X

在酸化阶段，厌氧酸化细菌将水解产物，转化为低分子有机化合物，主要是挥发性脂肪酸VFA、醇、醛和气体产物。影响此阶段产物的关键因素是过程中形成的氢分压。在气体高压下，产生较少还原的代谢产物，如乳酸、丁酸、至少具有3个碳原子的脂肪酸（C3）。
. h/ O  {8 m0 r8 F在乙酸化阶段，有机酸和一些芳香族化合被转化为乙酸、氢和二氧化碳。因热力学原因（ΔG0＜0），分解化合物必要保持过程中形成的氢浓度处于较低水平。

2 l- H/ k4 p2 R: U$ p
在正常运转的系统中，氢的分压应该在10-4 Ba（二氧化碳还原的必要条件）到10-6 Ba（丙酸氧化）的范围内。因此，乙酸生成菌存在与其他细菌之间的密切共生关系中，其中发生所谓的种间氢转移（IHR）。
  Z* j3 a% P1 y6 ~0 O产生的氢不仅可以被甲烷生成菌，即所谓的氢氧化营养菌利用，还可以被硫酸还原菌（SRB）利用。值得强调的是，有时这些微生物群体之间会竞争氢气。在消化器中，氢气还可以被乙酰菌素木瘤菌和热耐性梭菌等同化乙酸菌利用。

5 `5 H3 f" z- o, n7 l! z
2 z# H/ E2 o/ D* P在高氨浓度下，合成乙酸氧化（SAO）也可能发生在此阶段。这是一个两步反应过程，涉及由SAOB（合成乙酸氧化细菌）将乙酸氧化为氢和二氧化碳，由于热力学原因，随后产生的产物转化为甲烷，需要氢气化甲烷菌参与。

. ~% ]* P2 j! k0 Y: `
- i$ q# ^0 i. a7 |, n. |( r

参与SAO的酶需要微量元素（特别是钴、硒、钨）才能正常发挥作用。如果在AD期间缺乏TE的补充，会导致SAO抑制和发酵液中挥发性脂肪酸的积累。
最后阶段是由70%的甲烷，通过异养细菌（乙酸甲烷菌）分解乙酸产生的。其余的则是由二氧化碳还原产生的，其中仅有5％至6％来自溶解的氢。这种现象可以通过种间氢转移来解释，期间氢气不会溶解在发酵液中，而是直接从预酸菌传递到甲烷菌。

3 m9 I  W# Z7 ^
+ C: p7 m- e9 ?

«——【·磷循环：禽畜粪便中的磷形态·】——»

禽畜粪便中的磷含量，是其他粪肥的2至4倍，范围为13.6至25.4 g P2O5 kg-1dm。由于在谷物等食物中，磷以无法利用的植酸盐形式存在，因此植酸盐的形式在禽畜排泄物中含量较大。
9 N1 }- O) m5 w' M- x% @鸟类可利用的磷来源饲料中的矿物质补充剂。禽畜粪便中的无机磷占32-84％重量，有机磷占14-68％重量，具有矿化为植物可利用形式的潜力。与其他动物粪肥相比，禽畜粪便含有比例更高的稳定磷形态，其占总磷的22％至58％。


禽畜粪便中约有12％至20％的磷是水溶性的，并且在施入土壤后会在降雨中流失。燃烧禽畜粪便是最环保的方法之一。
1 N+ Q" G5 u4 _4 I: P( l燃烧后的灰中磷含量在8.3％至13％之间，并且与一些天然磷酸盐岩相当。禽畜灰中无定形磷是生物可利用磷形式的来源，并且取决于燃烧温度。
7 x1 P+ S: a/ r# N+ t
, T( S" Z. r1 |. H7 m! o) v& Z) F
8 n% p2 c$ N1 h, Q磷在生物地球化学循环，对农业和工业活动非常敏感，尤其是对改变自然磷循环的规划不良。土壤中总磷含量范围为100至3000 mg P kg−1，但大多数情况下在500-800 mg P kg−1土壤范围内，这取决于岩石类型、风化程度和有机质含量等因素。

3 l6 u$ e* P6 c
1 ^; V' e0 u& {9 b8 p5 `; d这个数量超过了植物平均营养需求的许多倍。然而，实际上只有0.03-0.5 mg P kg−1可供植物利用，因为大多数磷与土壤中其他元素结合在一起，形成难以溶解的化合物。土壤剖面深度增加时，磷含量逐渐降低。
土壤溶液中的活性磷是以磷酸盐离子形式存在的磷，可以直接被植物根吸收。当由于植物强烈吸收活性磷数量下降时，活性磷的可移动形式会被转化为其生物可利用形式，以弥补缺乏。


' d3 T0 _. D0 `0 M! @! a$ X4 s/ D! ~磷的另一种形式是存储在难以溶解的矿物质中的储备磷，如磷灰石、磷矿石和磷铝石。土壤中的磷循环受到其生物活性，和有机磷水解相关的高酶产量活性的影响。


在农业区流域中，磷淋溶水平可能约为0.5 kg ha−1。磷淋溶过程定期裂缝和大孔道网络、土壤界面地形、土壤生物翻转、根道和楔形通道、透镜形和层状体组成的通道。这些迁移通路影响着溶液（包括磷）在降雨和融雪期间的传输强度和时间。
过量施用肥料和粪便可能导致土壤中磷的积累增加，最终导致地表径流的增加，导致水库富营养化。家禽粪便中的磷在施用转运过程表明，粪便的干重随时间减少，但其中的磷浓度随时间基本保持稳定，这意味着磷的分解速率与粪便的分解速率相同。

5 l3 y. M% A" E8 ~1 H; X! m
笔者观点：

家禽粪便在历史上被用作肥料，然而其施用对植物产量增加，或改善土壤性质的正面影响取决于许多因素，如剂量、土壤类型或温度。

一般而言，可以观察到有机物质含量、氮氨化、pH值、P、K、Cu、Mn、Fe和Zn等可供植物利用的含量增加。

而粪便可能会影响酶活性并引入污染物（如病原体、抗生素、重金属）。此外，氨、NOx排放或土壤中不平衡的C：N比例会带来严重的环境问题。
/ x6 T9 n5 w' ?1 h! }2 C2 O

家禽粪便技术处理对于碳、氮和磷转化以及气体排放具有积极影响和负面影响。

在厌氧消化中，氮元素会通过NH4 +、NO3-的滤液或NH3，N2O，N2的排放而丢失；碳元素则大量排放CO2，CH4，并通过滤液以HPO42-，H2PO4的形式排放磷元素。

在好氧过程（堆肥）中，则会损失部分碳和液体营养素。厌氧消化的主要挑战是要优化产甲烷能力。鉴于家禽粪便不是易于生物降解的底物，因此需要修改技术参数和添加共底物以提高过程效率，并获得可用作有价值肥料的消化液。
* t: p. n: S% K
! v! M  E* \: G% U# U( s
最后，热处理需要能量用于家禽粪便的干燥和特定排放的监测。然而，从另一方面来看，热处理产生的产品在碳和磷的长期保存方面具有巨大的潜力。
, O# w$ a8 R, A5 {无论采用何种技术，家禽粪便都可以成为对环境具有积极影响的有价值的合适底物。
参考文献：
【1】.Kelleher, B. P., & Leahy, J. J. (2018). Review of environmental impacts associated with intensive dairy farming in Ireland. Journal of Environmental Management, 217, 734-748.
/ U' _1 x; `  z& X3 e4 Q( g* G【2】.Cuyno, M. D. T., Alcantara, R. Z., & Song, H. (2019). Conversion of livestock manure into biochar for soil amendment: An overview. Science of The Total Environment, 646, 1311-1328.
2 J6 w# t$ n% b+ P% \【3】.Singh, A., Garg, V. K., & Gupta, R. K. (2019). Energy-efficient and sustainable poultry manure management: a review. Environmental Science and Pollution Research, 26(22), 22367-22383.
& l6 w. ^9 H& ]& Y* c! S【4】.Salema, M. K., & Dagnino, A. (2017). Impact of dairy manure application on microbial biomass, enzyme activities, and nitrogen cycling in soil: a review. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 17(3), 495-511.
# U$ P& z) l/ b【5】.Chang, J., Wang, W., Tang, Y., Liu, L., Zhang, R., & Chen, T. (2020). Hazardous and alternative poultry manure management technologies: Emissions, resource utilization, and environmental impact. Journal of