Picarro G2508——生物炭堆肥对奶牛粪便中甲烷和空气污染物排放的减少

江苏海兰达尔环境科技有限公司

2024/03/01 15:28

Picarro G2508——生物炭堆肥对奶牛粪便中甲烷和空气污染物排放的减少

江苏海兰达尔 2024-03-01 15:13 江苏

原文链接：https://doi.org/10.1088/1748-9326/ad1ad2

背景介绍

牲畜粪便是人为甲烷排放和农业空气污染的主要来源。随着全球对动物产品需求的增加，各国政府正努力应对气候变化和改善农村空气质量，人们越来越需要减少粪便排放的新战略。其中乳制品行业就存在巨大的减排潜力，以此来减轻甲烷和空气污染物的排放。奶牛场低氧的堆肥环境，使得其能产生大量的甲烷排放，也是恶臭空气污染物，如：氨气、挥发性有机物和硫化氢。因此，迫切需要替代传统的粪便管理方法，以减少甲烷排放，减少空气污染，并将奶牛粪便从污染废物转化成有价值的有机资源。

在这项研究中，研究人员测试了生物炭堆肥是否可以同时作为奶牛粪便管理中甲烷减排和减少空气污染的策略。实验在一个开放的奶牛场进行，研究人员测量了有和没有生物炭分离堆肥过程中温室气体（CO₂、CH₄和N₂O）和空气污染物（H₂S、VOCs、NO_x和NH₃）的排放。同时还利用堆肥实验中的排放数据，结合一个综合评估模型，来估计每种堆肥策略的社会成本，以评估其对公共卫生的潜在影响。

通量的测量方法

堆肥实验于2022年10月24日至11月27日在美国加利福尼亚州一家奶牛场进行，为期35天。实验所需的生物炭由杏仁壳在475℃下通过缓慢热解产生。

堆肥堆中的气体通量使用与几个气体分析仪相连的静态腔室系统进行了测量。对于每个测试堆，在第一周每天从三个方位（南侧，顶部和北侧）测量通量，此时测试堆的状态变化最大，在剩下的实验中每隔一天测量一次。每个腔室环插入堆肥3厘米，并在测量前放置至少30分钟，以便腔室安装后从堆肥中释放的初始气体消散。

温室气体（CO₂、CH₄、N₂O）和氨气从每个腔室中采样3分钟，并使用Picarro G2508多组分气体浓度分析仪进行测量。温室气体和氨气通量使用Picarro自带的土壤通量处理程序（使用线性模型）进行计算；当浓度变化为非线性时，则使用Hutchinson和Mosier指数模型进行拟合计算。通过相同的采样方法，使用化学发光法NO_X分析仪测量NO_X（NO+NO₂），H₂S使用便携式的电化学传感器进行测量。通过线性回归确定NO_X和H₂S浓度的变化，并利用浓度的变化和腔室的温度与尺寸来计算通量。非甲烷挥发性有机物则以0.1L/min的速度从每个腔室内抽取，随后在实验室中利用GC-MS进行分析，将每7min采样周期内采集的VOC质量除以腔室面积和采样时间转换为通量。

温室气体和空气污染物的排放

在实验过程中，生物炭堆肥组的排放量分别为421±63 g CO₂ kg^-1 TS，4.44±1.47 g CH₄ kg^-1 TS以及18.6±8.21 mg N₂O kg^-1 TS；而仅粪肥组的排放量分别为711±69.22 g CO₂ kg^-1 TS，10.60±1.61 g CH₄ kg^-1 TS以及3.65±8.94 mg N₂O kg^-1 TS。N₂O累积量的两者差值没有统计学意义（p=0.2857）。但是，生物炭确实显著降低了总二氧化碳（p=0.0371）和甲烷（p=0.0479）的排放量，分别各自降低了41%（±14%）和58%（±22%）。生物炭堆肥组的100年和20年GWPs（全球变暖潜势）分别为129和378 g CO₂e kg^-1 TS,而仅堆肥组则分别为298和891 g CO₂e kg^-1 TS。

三种温室气体每日平均排放通量

生物炭堆肥组的空气污染物排放总量为78.4±23.5 mg H₂S kg^-1 TS，0.11±0.023 mg VOCs kg^-1 TS，0.12±0.042 mg NO_X kg^-1 TS以及0.64±0.13 mg NH₃ kg^-1 TS；而仅粪肥组的总空气污染物排放量为239±44 mg H₂S kg^-1 TS，0.29±0.044 mg VOCs kg^-1 TS，0.40±0.065 mg NO_X kg^-1 TS以及0.51±0.16 mg NH₃ kg^-1 TS。虽然两个堆组之间累积氨排放的差异没有统计学意义（p=0.567），但生物炭堆肥处理将VOCs，NO_X和H₂S分别显著降低了61%（±19%），70%（±22%）和67%（±24%）。

空气污染物的每日平均排放通量

总结

此前，我们发现奶牛场粪便的生物炭堆肥是一种尚未开发的甲烷缓解策略，在其生命周期中可提供多种气候效益。在这项研究中，研究人员再次发现生物炭在降低奶牛粪便甲烷排放方面具有很高的潜力，同时也证实了这一策略在减少奶牛场空气污染方面也具有很高的潜力。

从原本可能会被燃烧的农业生物源中寻找生物炭原料，能为减少农业造成的空气污染提供额外的机会。生物炭堆肥可以为政府和农民提供一个难得的机会，可以同时应对气候变化和空气污染。然而，需要进一步的研究来优化生物炭的生产和堆肥过程中氨气的应用。

编辑人：陆文涛

审核人：史恒霖

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