丹麦一个全规模花园废弃物风堆堆肥设施中的甲烷和一氧化二氮生成与排放

《Waste Management》：Methane and nitrous oxide formation and emissions at a full-scale garden waste windrow composting facility in Denmark

　　

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  平均总设施排放量为8.3千克CH₄每小时和0.037千克N₂O每小时。
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  堆肥未经分类的花园废弃物可以减少CH₄的排放，但不一定能减少N₂O的排放。
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  储存堆占整个场地CH₄和N₂O总排放量的9%到15%。
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  在堆肥过程的后期阶段，表面CH₄的氧化效率会增加。

引言

堆肥，也被称为废弃物的生物处理，是指将有机废弃物（即花园和食物废弃物）通过好氧微生物转化成一种称为堆肥的稳定且有价值的产品。这种产品可以用作农业和园艺中的肥料和土壤改良剂，或者作为 landfill biocover 系统中的支持材料，以优化微生物甲烷（CH₄）的氧化，从而减少温室气体（GHG）的排放（Scheutz 等人，2023）。然而，堆肥过程伴随着温室气体的排放，包括二氧化碳（CO₂）、CH₄和一氧化二氮（N₂O）（Edjabou 和 Scheutz，2023；Sayara 和 Sánchez，2021；Vergara 和 Silver，2019；Zhu-Barker 等人，2017）。虽然 CO₂的排放被认为是气候中性的，因为它们是碳的短期生物循环的一部分，但 CH₄和N₂O的排放会导致全球变暖，因此在研究堆肥的环境影响时需要加以考虑（Andersen 等人，2012；Boldrin 等人，2011）。甲烷的产生是由于甲烷菌在厌氧（即缺氧）条件下分解有机碳化合物并释放CH₄（Dietrich 等人，2021；Hellmann 等人，1997）。研究发现，在高温厌氧条件下，甲烷的排放量最高（Amlinger 等人，2008；Habart 等人，2010；Hellmann 等人，1997；Vergara 和 Silver，2019）。一氧化二氮的排放通常来自硝化作用和反硝化作用。硝化作用是一个好氧过程，其中铵（NH₄⁺）被转化为亚硝酸盐（NO₂^–）和硝酸盐（NO₃^–），同时产生N₂O作为副产品。反硝化作用发生在缺氧条件下，涉及硝酸盐（NO₃^–）或亚硝酸盐（NO₂^–）逐步还原为氮气（N₂），N₂O是中间产物。当反硝化作用不完全时，就会产生并排放N₂O（Nag 等人，2016；Hellebrand，1998）。影响N₂排放的因素尚未完全了解，但低氧环境、低温以及低碳氮（C/N）比率已被证明会导致N₂排放增加（Amlinger 等人，2008；Brown 等人，2008；Hellmann 等人，1997；Sayara 和 Sánchez，2021）。

在丹麦，每年产生约90万吨花园废弃物，90%的堆肥设施仅处理花园废弃物（Milj?styrelsen，2024）。花园废弃物（对应于欧洲废弃物分类中的“20 02 01 花园和公园废弃物，可生物降解废弃物”类别）通常具有较低的水分含量、较低的体积密度和较高的C/N比率（Boldrin 等人，2011；Krogmann 等人，2010），这会影响堆肥过程中的排放。此外，堆肥设施主要采用开放式风排堆肥方式，将切碎和分类后的材料堆成三角形堆，通常称为风排，这些堆通过被动方式通风。堆的尺寸因设施而异，但常常可以达到50-100米长、15米宽和4-5米高，这可能导致堆内温度升高并迅速形成厌氧条件（Andersen 等人，2010）。目前，丹麦还没有关于堆肥温室气体排放的法规，但丹麦国家清单报告（NIR）显示，2022年的排放量为2,758千吨CH₄和169千吨N₂O，占总废弃物排放量的10%（Nielsen 等人，2024）。

总体而言，很少有研究量化了全规模堆肥设施的CH₄和N₂O排放量。与实验室或试点规模的实验相比，全规模研究更能代表工业堆肥设施的实际操作和环境条件。在实验室规模的实验中，将结果放大到全规模操作通常较为复杂；而全规模研究的结论可以直接应用于现有的设施。大多数全规模研究关注整个设施的总排放量（Fredenslund 等人，2026；Edjabou 和 Scheutz，2023；Karimi 等人，2026；Hrad 等人，2014；Jensen 等人，2017；Vergara 和 Silver，2019），只有少数研究关注单个堆的排放量（Amlinger 等人，2008；Andersen 等人，2010；Matlach 等人，2025；Zhu-Barker 等人，2017），只有一项研究测量了切碎花园废弃物储存堆的排放量（Fredenslund 等人，2026）。

存在多种测量堆肥温室气体排放的方法，这些方法在空间和时间覆盖范围上有所不同。小规模方法包括静态或动态通量室和基于漏斗的方法（Andersen 等人，2010；Matlach 等人，2025；Yasmin 等人，2022；Zhu-Barker 等人，2017），相对成本效益较高，并能提高排放源的识别能力和现场分离效果。然而，这些方法的空间覆盖范围有限且劳动力需求较高。微气象学方法，包括微气象质量平衡（MMB）和逆向扩散建模（IDM），具有较高的空间覆盖范围。不过，这些方法依赖于精确的风速测量和建模，最适合于定义明确的小规模排放源，而不适合堆肥场所普遍存在的扩散性排放（Dankwa 等人，2026；Kent 等人，2019；Vergara 和 Silver，2019）。相比之下，示踪剂扩散方法（TDM）提供了较高的空间覆盖范围，并能够量化整个设施的温室气体排放量。这种方法在堆肥设施中已被证明能够提供准确可靠的测量结果（Edjabou 和 Scheutz，2023；Fredenslund 等人，2026；Jensen 等人，2017；Andersen 等人，2010）。虽然堆肥操作的总排放量对于排放报告和生命周期评估至关重要，但使用小规模测量方法（例如通量室或孔隙空间气体采样）可以提供有关堆肥过程中不同处理步骤（包括未处理材料储存和最终产品、风排堆肥）的气体产生和排放的宝贵信息，以及影响排放的因素，如堆龄、材料属性或堆肥实践（例如废弃物分类或堆翻频率）。在制定减排策略和定义堆肥最佳做法时，需要这种子设施规模的测量。

本研究调查了丹麦 einem 全规模花园废弃物堆肥设施中的CH₄和N₂O排放量及相关参数（即气体组成、温度、堆龄和组成）。在场地内测量了未经处理的花园废弃物、生物燃料和堆肥产品堆中的气体浓度和温度。使用通量室测量了堆表面的甲烷和N₂O通量。此外，还使用TDM测量了整个设施的CH₄和N₂O总排放量。这项研究为花园废弃物风排堆肥相关的CH₄和N₂O排放过程提供了有价值的见解，有助于指导堆肥最佳实践和减排策略。

章节片段

设施描述

该设施每年接收约2万吨花园废弃物，并生产两种主要产品：堆肥和生物燃料。图1显示了堆肥设施的流程图。花园废弃物在接收后的几天到一个月内（平均2周）进行称重和预处理，包括切碎和分类。花园废弃物被切碎到大约60厘米×30厘米的大小，然后在一个旋转鼓筛中进行分类

甲烷浓度监测

在第一个研究阶段，我们识别了两个含有未经处理的花园废弃物的材料堆（“未经处理的废弃物”），一个堆含有切碎的花园废弃物（“切碎的、未经处理的”），以及13个处于不同堆肥阶段的堆肥风排，其中3个风排由未经分类的切碎花园废弃物组成（“原始堆肥，未经分类”），其余10个风排由切碎和分类后的花园废弃物组成（“原始堆肥，已分类 < 30毫米”）（图2，表S1）。在场地上的20个堆中，有18个

堆肥过程不同阶段的排放

堆肥过程分为不同的阶段，这些阶段的特点是堆内的温度和废弃物的可降解性。随着时间的推移，堆内的温度逐渐降低（从61 ± 12°C降至54 ± 8°C，再到成熟堆肥的42 ± 8°C），表明嗜热堆肥阶段发生在前三个月（图4a）。嗜热阶段过后，容易被降解的部分废弃物被消耗掉，剩余的废弃物则

结论

在丹麦的一个全规模堆肥设施中，使用小规模方法测量了甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）的排放量，以研究影响排放的各种因素，包括堆的组成、堆龄和堆肥实践（堆肥切碎和分类后的材料或切碎和未分类后的材料）。堆肥风排中的甲烷浓度随堆龄增加而升高，氧气可用性降低，但CH₄的表面通量保持不变，表明

CRediT作者贡献声明

Louise Anne Klotz：撰写——初稿编写、可视化、调查、数据分析。Anders Michael Fredenslund：撰写——审核与编辑、监督、项目管理、方法论研究、数据管理。Charlotte Scheutz：撰写——审核与编辑、监督、资源协调、方法论研究、资金获取、数据分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文报道的工作。

Louise Anne Klotz|Anders Michael Fredenslund|Charlotte Scheutz