摘要：將豬糞液酸化至pH 5.5是減少糞坑和儲(chǔ)存設(shè)施中氨排放的一種手段。通過在一個(gè)處理罐中使用硫酸對(duì)糞便進(jìn)行酸化，然后將其泵送回糞坑或儲(chǔ)存罐。我們研究了酸化對(duì)微生物活性的影響。與未經(jīng)處理的糞便相比，儲(chǔ)存的酸化糞便中的氧氣消耗速率、甲烷生成和硫酸鹽還原均減少了超過98%。盡管硫酸鹽濃度較高，但酸化糞便中的微生物代謝受到嚴(yán)重限制或不存在。這可能是由于酸化糞便中丙酸等質(zhì)子化的短鏈揮發(fā)性脂肪酸濃度較高（約25 mM，而未經(jīng)處理的糞便<0.1 mM），這些物質(zhì)作為細(xì)胞膜電位的解偶聯(lián)劑阻止了微生物代謝。總的來說，糞便酸化的結(jié)果是產(chǎn)量大幅減少、硫化氫和甲烷的損失降低，并且氨的損失被消除。另一方面，預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)更多揮發(fā)性脂肪酸的揮發(fā)和損失。

1引言

農(nóng)業(yè)是大氣氨（NH3）的主要人為源，占總氮排放的50%以上（Bouwman等，1997；Pedersen＆Hansen，2004）。發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)部門的結(jié)構(gòu)性發(fā)展導(dǎo)致畜禽生產(chǎn)的持續(xù)強(qiáng)化（Levin等，2006），生產(chǎn)單位變得更少但更大。伴隨總產(chǎn)量的增加，這導(dǎo)致了本地和更集中的排放類型。來自畜禽生產(chǎn)的空氣中的氮污染對(duì)環(huán)境具有已知的負(fù)面影響（Fangmeier等，1994；Krupa，2003；Smith，2003；Erisman等，2007），并且還通過減少糞便的氮肥價(jià)值而造成經(jīng)濟(jì)損失（Sorensen和Amato，2002）。飼養(yǎng)的生長豬產(chǎn)生糞便和尿液，在管理過程中與床料和一些水混合，并形成糞便。糞坑和儲(chǔ)存罐中的糞便占總農(nóng)業(yè)氨排放的70-80%（ECETOC，1994；Hutchings等，2001；Anderson等，2003）。此外，從糞坑中氨的蒸發(fā)對(duì)生產(chǎn)房間內(nèi)的工作環(huán)境和豬的健康產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，要求遵守有關(guān)工作環(huán)境和氮損失的環(huán)境政策，需要引入能夠減少畜禽生產(chǎn)系統(tǒng)中空氣氮損失的技術(shù)。

氨是一種可溶的氣體，在水溶液中作為相對(duì)較強(qiáng)的堿具有酸解離常數(shù)pKa=9.26。糞便的典型pH值約為7.5-8。將糞便的pH值降低兩個(gè)單位至約5.5，可將游離氨濃度降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，從而基本上消除糞便中的氨蒸發(fā)和損失。因此，建議通過添加酸（Bussink等，1994）來降低糞便的pH值。硫酸（H2SO4）因其經(jīng)濟(jì)原因以及其肥料價(jià)值而被提出。當(dāng)酸化糞便施用于田地時(shí)，添加的硫可以替代需要來自商業(yè)礦物肥料的硫（Eriksen等，2008）。目前在一些丹麥豬生產(chǎn)單位中商業(yè)化可用的使用糞便酸化以減少氨揮發(fā)的設(shè)施，從整個(gè)生產(chǎn)設(shè)施中獲得的氨揮發(fā)大幅減少（Pedersen，2004）。糞便酸化的氨化學(xué)已經(jīng)很好地理解，但對(duì)于糞便中微生物活動(dòng)的可能后果仍然大部分未知。在本研究中，我們特別關(guān)注了酸化對(duì)選擇的異養(yǎng)活動(dòng)的后果，包括硫酸鹽（SO42-）還原和甲烷（CH4）生成。酸化的糞便的各種其他后果的更廣泛調(diào)查，例如涵蓋許多不同類型的糞便，超出了本文的范圍。研究了來自糞坑和外部糞液儲(chǔ)罐的糞液。

盡管氧（O2）消耗在原位上沒有定性重要性，但糞液確實(shí)含有許多需氧的好氧生物，因此在微生物活動(dòng)的一般度量之外，更具體的厭氧微生物過程也是非常相關(guān)的，這些過程也可能受到酸化的影響。至于硫酸鹽還原，不僅pH值瞬間降低了約2個(gè)單位，而且還引入了高達(dá)100mM的硫酸鹽到糞液中。硫酸酸化后硫酸還原的增加可能是個(gè)問題，因?yàn)楦叨拘缘牧蚧铮℉2S）在pH 5.5時(shí)幾乎100％為氣體形式，因此非常揮發(fā)。在自然生態(tài)系統(tǒng)中已經(jīng)描述了低pH值下的硫酸鹽還原（Gyure等人，1990；Ku¨sel和Dorsch，2000），但在豬糞中，不清楚硫酸鹽作為電子受體的高濃度是否會(huì)引起硫酸鹽還原的進(jìn)行性增加。初始觀察到存儲(chǔ)的酸化糞液中持續(xù)低硫化物濃度的跡象表明，硫酸鹽還原可能比最初預(yù)期的要低（Eriksen等人，2008）。在糞液儲(chǔ)存期間產(chǎn)生的甲烷對(duì)總體農(nóng)業(yè)溫室氣體排放做出了重要貢獻(xiàn)（Berg等人，2006），但也可能在形成糞液儲(chǔ)罐上的天然地殼中發(fā)揮有益作用。據(jù)報(bào)道，在更酸性的條件下（pH&lt;5.5）也發(fā)生甲烷生成（Taconi等人，2007）。

在本研究中，我們研究了一種帶有生長/育肥豬的豬場(chǎng)中酸化糞便的微生物活動(dòng)。該單位配備了從糞坑到儲(chǔ)存罐的完整和恒定的酸化。

2材料和方法

2.1實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和樣本采集

本研究中采用的糞便酸化系統(tǒng)是商業(yè)可用的，并在www.infarm.dk上有詳細(xì)描述。簡(jiǎn)言之，糞坑中的糞便每天被轉(zhuǎn)移到一個(gè)處理罐中，在那里加入硫酸直到達(dá)到約5.5的pH值。然后，大部分糞便（通常<90%）被泵回豬舍的糞坑中，以降低那里的pH。每個(gè)周期之間產(chǎn)生的多余糞便被泵送到帶有稻草覆蓋的糞便儲(chǔ)存罐中，進(jìn)行長時(shí)間儲(chǔ)存（最多6-8個(gè)月），直到田間施用。糞便從糞坑和處理罐中酸化后的滯留時(shí)間約為30天。儲(chǔ)存罐中糞便的平均年齡約為120-140天。由于每天的泵送活動(dòng)，糞坑中的糞便被充分混合，而與之相反，儲(chǔ)存罐中的糞便在數(shù)月內(nèi)保持靜止。為了考慮這種差異，對(duì)來自糞坑和儲(chǔ)存罐的糞便進(jìn)行了分析。樣本是在一月份的某個(gè)時(shí)候收集的。認(rèn)為來自糞坑的糞便是充分混合的，因此在單個(gè)樣品中具有代表性。為了考慮可能的分層，從儲(chǔ)存罐中的糞便柱中采樣。儲(chǔ)存罐大約60-70%滿，因此存儲(chǔ)的糞便代表了年齡和成分的廣泛平均水平。為了比較，還從一個(gè)不使用糞便酸化的類似養(yǎng)殖設(shè)施中收集了未經(jīng)酸化處理的對(duì)照糞便。在這里，糞便在糞坑中的滯留時(shí)間約為20天。