畜禽粪便好氧发酵过程中VOCs的产生规律及控制机理

Aerobic fermentation is an effective way to manage livestock manure and produce organic fertilizer which in line with the direction of agricultural sustainable development. However, the intense microbial activity during aerobic fermentation may produce and release secondary pollution such as volatile organic compounds (VOCs). In order to control the VOCs production during aerobic fermentation with livestock manure, the component of VOCs and key-VOCs will be monitored and determined first. Based on the research of VOCs patterns during aerobic fermentation, the key factor affecting the VOCs emission will be in-depth study. Combined GC-MS methods and PCR-DGGE technology, the relationship of VOCs production with O2 consumption and redox potential (ORP) change will be studied; the microbiology mechanism related to VOCs generation will be further clarified. Furthermore, different control parameters will be set in order to decrease the VOCs emission finally.

畜禽粪便好氧发酵集农业废弃物处理和生产有机肥于一体，契合农业可持续发展的方向，得到较广泛的推广与应用。然而，好氧发酵过程中仍存在着严重的二次污染，挥发性有机物（VOCs）污染就是其中之一。本项目以畜禽粪便好氧发酵过程中的VOCs控制为目标，从VOCs组分分析入手，明确畜禽粪便好氧发酵过程中需重点监控的VOCs种类；以好氧发酵过程中VOCs的产生规律为研究基础，通过好氧发酵试验，深入研究影响VOCs排放的关键因子；结合GC-MS测定方法和PCR-DGGE技术，进一步明确VOCs产生与O2、氧化还原电位(ORP)以及微生物种群特性的关系，揭示畜禽粪便好氧发酵VOCs的产生机制；在确定VOCs形成途径的基础上，通过参数调控，最终减少好氧发酵过程中VOCs的排放。

本项目以降低VOCs的产生与排放为目标，开展了畜禽粪便好氧发酵过程中挥发性有机物（VOCs）的产生及控制研究。主要结果如下:. （1）以猪粪、牛粪和鸡粪好氧发酵为例，不同畜禽粪便好氧发酵中排放的主要VOCs均有甲硫醚、二甲二硫和二甲三硫，分别占猪粪、牛粪和鸡粪VOCs排放种类的33%，75%和 50%，故在畜禽粪便好氧发酵中应针对这三种VOCs进行重点监控与治理。从主要致臭物质之间的相关性来看，仅甲硫醚与硫化氢、乙醛、二甲二硫和二甲三硫均呈显著正相关关系，故在好氧发酵中可将甲硫醚作为恶臭污染指示物。. （2）对猪粪好氧发酵进行通风速率、初始物料含水率、初始物料C/N三因素正交试验，结果表明过低的含水率和通风速率难以使堆体的高温期（＞50℃）达到10d，不适宜作为堆肥参数；本实验中的最佳减排VOCs参数组合为：含水率55%、C/N：20:1、通风速率：1.0 m3/(min•m3)，考虑到含水率在55%时堆体难以维持好氧发酵高温期持续时间，故实际生产中推荐最佳堆肥参数为：含水率65%、C/N：20:1、通风速率：1.0m3/(min•m3)。. （3）在猪粪好氧发酵中，高氧化还原电位可以在一定程度上加快VOCs的释放，臭气总量、VOCs浓度、3种重要致臭VOCs浓度均有所提高。O2浓度与VOCs浓度变化呈现极显著负相关关系（P<0.01）。甲硫醚的产生可能与在Tepidimicrobium作用下含硫氨基酸的厌氧降解有关；二甲二硫和二甲三硫的产生可能与Bacillus（芽孢杆菌属）在分解有机物过程中由于氧气供应不足导致的有机物不完全降解有关。. （4）通风量增加可增加堆体氧气浓度，但持续通风会降低堆体高温期的持续时间；在持续通风条件下VOCs释放量最少，相比通风5min停止30min而言，持续通风使臭气总量和VOCs含量分别降低了20.0%和29.8%；增加通风量可以在好氧发酵初期加快重要致臭VOCs的释放并减少其产生的含量与最终释放量，甲硫醚在持续通风条件下的产生量可减少66.7%。在今后畜禽粪便堆肥过程中建议在达到堆肥高温期后，适当降低通风速率以维持堆肥高温期时间，保证堆肥物料充分腐熟。