猪粪浆固液分离处理对温室气体CH4和N2O排放影响的季节性差异研究

本研究通过中试规模实验探究猪粪浆及消化液固液分离后液态部分的存储过程中CH4和N2O排放特征。结果表明，分离后液态部分挥发性固体转化率显著提高，但年际排放差异不显著，同时建立厌氧生物降解模型(ABM)揭示pH、温度及初始微生物群落对排放的关键影响，为农业废弃物管理提供科学依据。

　　

随着全球气候变化加剧，农业源温室气体排放成为重要调控目标。畜牧业粪浆存储过程中产生的甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)分别占农业非CO₂排放的26%，其中猪粪浆管理尤为关键。尽管固液分离技术被广泛用于养分回收，但其对长期存储中温室气体排放的影响仍存在争议——既往研究多聚焦实验室尺度或单一季节，且对分离后液态部分的微生物转化机制认识不足。

为系统评估分离技术的环境效益，丹麦奥胡斯大学的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表论文，通过为期123天（夏季）和159天（冬季）的双季节中试实验，结合厌氧生物降解模型(ABM)，首次揭示了不同分离工艺下粪浆存储的温室气体排放规律。研究采用500升改性集装箱模拟存储环境，利用腔衰荡光谱技术(CRDS)在线监测CH₄和N₂O通量，同步分析挥发性脂肪酸(VFA)、pH等关键参数，并通过ABM模型解析微生物群落动态。

关键技术方法
实验设计包含猪粪浆、厌氧消化(AD)浆及其螺旋压榨/离心分离后的液态部分（各3重复）。采用温度记录仪监测浆体温层变化，核磁共振(NMR)定量总氮(TN)，气相色谱(GC)分析VFA。ABM模型通过预设甲烷菌活性因子模拟长期存储动态。

研究结果
3.1 平均排放特征

• 液态部分CH₄排放量[g m^-3 h^-1]比未分离浆低22-28%（猪粪浆），但VS转化率反增46-107%，表明分离可能富集易降解有机物。AD浆因pH较高(7.6)未表现显著差异。
• N₂O排放受季节影响更大，夏季AD浆排放量达冬季12.5倍，与表面结壳厚度正相关。

3.2 ABM模型解析
模拟显示猪粪浆液态部分在pH 7.2时CH₄排放比未分离浆(pH 6.8)高11%，但pH升高0.3后关系逆转，证实VFA抑制效应的pH依赖性。初始甲烷菌活性降低10%可使未分离浆排放减少38%，凸显微生物接种的重要性。

3.3 浆体特性
离心分离使猪粪浆干物质(DM)去除率达59%（螺旋压榨仅36%），但TAN（总氨氮）在液态部分富集达99%，可能通过NH₃抑制减缓甲烷生成。

讨论与意义
该研究首次量化了固液分离对粪浆存储温室气体排放的季节性影响。液态部分更高的VS转化率可能源于：①分离去除难降解纤维；②减少VFA抑制。ABM模型揭示温度升高2°C会使未分离浆排放增幅超过液态部分，预示气候变化可能削弱分离技术的减排效益。

实践层面，研究建议：①分离技术需结合后续处理（如固态部分热解）才能实现全链条减排；②排放估算必须报告初始pH、VS和微生物活性等参数。这些发现为修订IPCC排放因子提供了实验依据，也为沼气工程优化提供了新思路——分离工艺的选择需权衡养分回收效益与长期存储的温室气体风险。

（注：所有数据均来自原文实验与模型结果，未添加外部引用）