Суперфосфат на службе экологии: как снизить выбросы парниковых газов при компостировании навоза

Компостирование является экологически безопасным методом превращения питательных веществ, содержащихся в животноводческих навозах, в органическое удобрение. В данном исследовании изучалось влияние простого суперфосфата на улучшение качества компоста и снижение выбросов закиси азота (N₂O) и метана (CH₄) в условиях промышленного реакторного компостирования свиного навоза.

Помимо контрольной группы, были протестированы три различных дозы суперфосфата: 5% (SSP5), 10% (SSP10) и 15% (SSP15). Результаты показали, что суперфосфат снизил выбросы N₂O и CH₄ на 18,5–26,3% и 15,8–25,1% соответственно. Кроме того, суперфосфат повысил содержание в компосте как азота (N), так и фосфора (P). Однако он оказал негативное влияние на степень зрелости компоста: при дозе SSP15 был зафиксирован самый низкий индекс всхожести (GI) – 70,4% и самая высокая электропроводность (EC) – 9,04 мСм·см⁻¹. Полученные данные позволяют предположить, что суперфосфат обладает потенциалом для снижения выбросов парниковых газов и увеличения питательной ценности при промышленном компостировании. Хотя экономическая выгода от добавления суперфосфата для сокращения выбросов парниковых газов ограничена, данная технология имеет значительный экономический потенциал для сохранения азота. Дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на комбинировании внесения суперфосфата с другими усовершенствованиями, учитывая как качество компоста, так и экономическую целесообразность.

Компостирование является хорошо зарекомендовавшим себя методом обработки органических отходов, который использует процессы микробного биодеградации, и широко применяется в рециклинге животноводческих навозов и производстве удобрений [1,2,3]. В зависимости от применяемых методов обработки компостирование можно классифицировать как буртовое, реакторное, вермикомпостирование или компостирование в аэрируемых статических кучах [4]. Среди этих методов реакторное компостирование привлекательно для современных отраслей промышленности, поскольку оно требует меньше места, меньше трудовых ресурсов, обеспечивает лучший контроль запахов и значительно сокращает продолжительность компостирования по сравнению с другими методами [5,6,7,8].

Существенной проблемой при компостировании являются выбросы парниковых газов (ПГ) [9,10]. Во время компостирования основными выделяемыми ПГ являются метан (CH₄) и закись азота (N₂O), потенциал глобального потепления которых в 28 и 265 раз превышает потенциал CO₂ за 100-летний период соответственно [11]. Нежелательные выбросы ПГ, которые происходят, когда аэробный процесс недостаточно контролируется во время компостирования, не только приводят к вторичному загрязнению окружающей среды, но также приводят к снижению содержания питательных веществ в конечном продукте — компосте [12]. В исследованиях сообщается, что 0,1–6,0% начального углерода в биомассе теряется в виде CH₄ [13], а 0,2–9,9% начального азота теряется в виде N₂O [10].

Простого суперфосфат, состоящий в основном из свободной фосфорной кислоты (H₃PO₄), сульфата кальция (CaSO₄) и дигидрофосфата кальция (Ca(H₂PO₄)₂), стал эффективной добавкой для улучшения сохранения азота и снижения выбросов ПГ во время компостирования [14,15]. В этом процессе простого суперфосфат подвергается гидролизу, высвобождая фосфат-ионы, которые взаимодействуют с аммонием и магнием с образованием кристаллов струвита (MgNH₄PO₄·6H₂O), тем самым уменьшая потери азота и повышая его удержание в компосте [16]. В лабораторном исследовании реакторного компостирования свиного навоза Pan и др. (2023) [17] сообщили, что добавление 6% простого суперфосфата привело к снижению выбросов N₂O и CH₄ на 80% и 28% соответственно. Более того, многочисленные исследования показали, что простого суперфосфат может улучшить качество компоста, не оказывая негативного влияния на его степень зрелости [18,19]. Хотя многие исследования подчеркивают преимущества простого суперфосфата при компостировании, большинство промышленных исследований было в основном сосредоточено на буртовом компостировании, а не на реакторном. Например, в исследовании промышленного буртового компостирования с использованием куриного помета и рисовых отрубей Pan и др. (2023) [17] сообщили, что фосфат способствовал выбросам N₂O, одновременно снижая выбросы CH₄. Условия и характеристики промышленного реакторного компостирования могут значительно отличаться от наблюдаемых в лабораторном и буртовом компостировании [20]. Кроме того, лишь несколько исследований были сосредоточены на компостировании свиного навоза без добавления структурных материалов (например, кукурузной соломы), которые являются наиболее распространенным сырьем, используемым в региональном промышленном компостировании.

Таким образом, целью данного исследования было изучить влияние добавления простого суперфосфата на свойства компоста и выбросы ПГ при реакторном компостировании в промышленном масштабе. Основное внимание уделялось (i) степени зрелости и содержанию питательных веществ в продуктах компостирования, (ii) выбросам ПГ на протяжении всего процесса компостирования и (iii) анализу «затраты-выгоды» метода добавления простого суперфосфата. Результаты данного исследования предоставляют уникальные данные для снижения выбросов ПГ и улучшения качества компоста в промышленном компостировании.

2.1. Материалы для компостирования и установка

Свиной навоз был собран на местной свиноферме в Саньмэнься, провинция Хэнань, Китай. Свойства исходного свиного навоза измерялись в начале эксперимента и включали: общий органический углерод (TOC) 37,7%, общий азот (TN) 3,2%, соотношение C/N 11,6, pH 7,4 и влажность 79,4%. Простого суперфосфат (P₂O₅ ≥ 12%, по сухому весу) был получен от китайской химической компании (Keda, Шаньдун, Китай).

В данном исследовании использовался промышленный компостировочный реактор (S-90 ET, CHUBU ECOTEC, Нагоя, Япония) (Рисунок 1). Этот реактор имел общую вместимость приблизительно 86 м³ и занимал площадь около 56 м². Высота камеры для компостирования составляла приблизительно 3,7 м, диаметр – около 5,5 м, а высота сырья внутри достигала 3,2 м. Основной корпус реактора был изготовлен из стального листа, а внешняя стенка – из нержавеющей стали, при этом средний слой был заполнен теплоизоляционным материалом для устранения потерь тепла. Оборудование для принудительной аэрации (0,02 МПа) было установлено в нижней части реактора, и аэрация осуществлялась снизу вверх. В реакторе также был установлен механизм непрерывного перемешивания для смягчения проблем, связанных с анаэробными условиями, которые могут возникать в процессе компостирования в слишком больших кучах. Типичная продолжительность периода компостирования составляла 8–9 дней летом и 10–12 дней зимой. Сырье для компостирования подавалось сверху и выгружалось снизу реактора каждый день. В отличие от лабораторных компостировочных реакторов, данное оборудование обладает типичными чертами заводского компостирования и уже находилось в непрерывной эксплуатации для коммерческого производства удобрений.

Рисунок 1. Схема заводской системы компостирования: 1. входной порт; 2. порт загрузки; 3. порт отбора проб; 4. смеситель; 5. воздушный насос; 6. выходной порт; и 7. вытяжной порт.

2.2. Экспериментальный план

На протяжении всего эксперимента реактор ежедневно получал приблизительно 4000 кг свиного навоза без добавления структурных материалов. Помимо контрольного варианта (CK), в котором не было никаких добавок, были созданы три дополнительных варианта с простым суперфосфатом, который смешивался с сырьем для компостирования в концентрациях 5% (SSP5), 10% (SSP10) и 15% (SSP15) по сухому весу. Соответственно, конкретные количества простого суперфосфата для SSP5, SSP10 и SSP15 составляли 50 кг/сут, 100 кг/сут и 150 кг/сут соответственно.

В течение 48 дней данное исследование проводилось на коммерческом компостировочном заводе в Саньмэнься, провинция Хэнань, Китай. Эксперимент проводился в четыре последовательные 12-дневные фазы, начиная с CK, затем SSP5, далее SSP10 и, наконец, SSP15. Во время фазы CK реактор работал непрерывно, и образцы отбирались для анализа на 10, 11 и 12 дни. Начиная с 13 дня, что ознаменовало начало фазы SSP5, реактор ежедневно дополнялся 50 кг простого суперфосфата в течение следующих 12 дней. Образцы для SSP5 были взяты на 22, 23 и 24 дни. Затем фаза SSP10 началась на 25 день, при этом реактор получал 100 кг/сут простого суперфосфата в течение последующих 12 дней. Образцы отбирались на 34, 35 и 36 дни. Фаза SSP15 следовала сразу же, с добавлением 150 кг/сут простого суперфосфата и аналогичной схемой отбора проб.

2.3. Отбор проб

Твердые образцы компоста (200 г) отбирались из различных точек во время компостирования. Сырье бралось из входного порта, а конечные продукты собирались из выходного порта. С помощью стального пробоотборника образцы извлекались из компостировочного реактора на трех различных уровнях: верхнем (0,4 м от верха), среднем (1,6 м от верха) и нижнем (2,8 м от верха).

Газовые пробы отбирались из ПВХ-камер для измерения газовых потоков (25 см × 25 см × 30 см), установленных на поверхности компостируемого материала, в 8:00, 12:00, 16:00, 20:00 и 0:00. Одновременно, устройство перемешивания и аэрации выключалось за 30 минут до измерения. Газовые пробы отбирались из ПВХ-камер через 0, 5, 10 и 15 минут после их установки с помощью 100 мл газонепроницаемого шприца. Газовые пробы немедленно переносились из шприца в предварительно вакуумированные пакеты для отбора проб воздуха.

2.4. Аналитические методы

Количественное определение CH₄ и N₂O проводилось с помощью газового хроматографа (3420A, Beifen, Пекин, Китай), оборудованного пламенно-ионизационным детектором (FID) и детектором захвата электронов (ECD). Подробности о газовом хроматографе предоставлены у Jiang и др. (2011) [21]. Скорость газовыделения рассчитывалась по изменению концентрации в камере, как описано Hao и др. (2004) [22]. Водная вытяжка из свежего твердого образца (1:10 вес/объем по сухому весу) использовалась для анализа pH компоста, электропроводности (EC) и индекса всхожести (GI). pH и EC водной вытяжки измерялись с помощью pH-метра (PHS-3C, Shanghai Lei Magnetic, Китай) и кондуктометра (DDS-307, Leici Co. Ltd., Китай) соответственно. Для анализа GI десять семян огурца и 5 мл водных вытяжек образцов помещались в чашки Петри с фильтровальной бумагой, так как семена огурцов показали свою пригодность для оценки зрелости компоста [23]. В качестве контроля использовались три повторности с дистиллированной водой. Чашки Петри выдерживали в темноте в течение 48 ч при 25 ± 2 °C. GI определялся по всхожести семян огурца и рассчитывался в соответствии с методом, описанным Wu и др. (2019) [24].

Воздушно-сухие образцы, собранные на входном порту, выходном порту и в различных точках в процессе компостирования, использовались для измерения общего азота (TN), общего органического углерода (TOC), K₂O и P₂O₅. Все измерения проводились в конце процесса для обеспечения последовательности и сопоставимости. Содержание TN и TOC анализировалось на элементном анализаторе Vario MACRO Cube (Elementar Analysensysteme, Лангензельбольд, Германия). В соответствии с национальным стандартом Китая NY 525-2021 [25], содержание P₂O₅ определялось после обработки H₂SO₄ и HClO₄ и анализировалось с помощью молибдено-синего спектрофотометрического метода, в то время как содержание K₂O измерялось методом пламенной фотометрии после обработки в H₂SO₄ и H₂O₂.

2.5. Статистический анализ

Представлены средние значения и стандартные отклонения измерений за три последовательных дня для каждого варианта. Весь статистический анализ выполнен с помощью программного обеспечения R версии 4.2.1 (R Core Team, Вена, Австрия). Для разделения средних использовался однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA) с последующим тестом множественных сравнений Дункана (уровень значимости p < 0,05).

Для анализа «затраты-выгоды» затраты рассчитывались как сумма социальной стоимости углерода (SCC) от выбросов ПГ во время компостирования, а также транспортных расходов и затрат на покупку добавки простого суперфосфата. Экономические выгоды оценивались на основе удержания питательных веществ (N, P₂O₅ и K₂O) в конечном продукте компостирования, а также снижения потребности в использовании и производстве минеральных азотных удобрений.

3.1. Показатели зрелости

Начальный pH незначительно варьировался между вариантами: 7,4 для CK, 7,3 для SSP5, 7,1 для SSP10 и 7,0 для SSP15, что соответствует диапазону, указанному в предыдущих исследованиях систем компостирования свиного навоза [16]. Из-за улетучивания и разложения органических кислот [26] pH демонстрировал тенденцию к повышению с началом компостирования, в конечном итоге стабилизируясь в диапазоне от 7,4 до 7,7 (Рисунок 2a). Этот диапазон соответствует оптимальным значениям pH, благоприятным для роста растений, доступности питательных веществ и микробной активности [27]. Примечательно, что SSP10 и SSP15 значительно снижали pH как в сырье, так и в получаемых продуктах компоста, вероятно, из-за присущей простому суперфосфату кислотности (pH = 1,5). Влияние добавления простого суперфосфата на снижение pH также наблюдалось несколькими исследователями в небольших экспериментах [28,29].

Рисунок 2. Изменения показателей зрелости в образцах компоста: (a) pH, (b) EC, (c) соотношение C/N, и (d) индекс всхожести. Столбики погрешностей представляют стандартные отклонения средних значений (n = 3). Значения с одинаковыми строчными буквами в столбце не различаются значительно при p < 0,05.

Электропроводность (EC) отражает уровень засоленности компоста, и повышенная EC может представлять риск для прорастания семян и здоровья растений при использовании компоста [30]. Как показано на Рисунке 2b, EC увеличивалась с добавлением простого суперфосфата. Конечные значения EC для вариантов CK, SSP5, SSP10 и SSP15 составляли 4,27, 5,70, 7,36 и 9,04 мСм·см⁻¹ соответственно, превышая рекомендуемые стандартные значения (4 мСм·см⁻¹) для внесения компоста в почву и потенциально вызывая фитотоксичность [31]. Однако на EC влияют свойства сырья и внешних добавок, и значение EC, превышающее 4 мСм/см, не обязательно указывает на незрелость [32]. Подобное увеличение EC при добавлении простого суперфосфата было обнаружено различными исследователями в лабораторных условиях [15,17,33]. Однако значения EC в нашем исследовании были значительно выше, вероятно, из-за растворения PO₄³⁻, HPO₄²⁻, H₂PO₄⁻ и Ca²⁺ из простого суперфосфата, чему способствовали органические кислоты, образующиеся на начальной и термофильной стадиях компостирования [15]. Тем не менее, в предыдущих отчетах указывалось, что повышение EC из-за добавленного Ca²⁺ может не вызывать серьезного беспокойства [18]. Это объясняется тем, что ожидается, что большая часть Ca²⁺ либо выпадет в осадок в виде минералов, либо будет предпочтительно адсорбирована почвой при внесении компоста [34].

Добавление простого суперфосфата значительно снизило соотношение C/N в компосте в течение периода компостирования (Рисунок 2c). Из-за отсутствия высокоуглеродистых сопутствующих материалов, таких как солома, начальное соотношение C/N было относительно низким по сравнению с предыдущими исследованиями; однако конечные соотношения C/N продуктов компостирования, в диапазоне от 12,0 для SSP15 до 16,0 для CK, соответствовали значениям, указанным в этих исследованиях [24,33]. Традиционно соотношение C/N служило ключевым показателем для оценки стабильности процесса компостирования и зрелости конечного продукта, поскольку оно отражает баланс между удержанием азота и превращением углерода в CO₂ и гумус [35]. Конечное соотношение C/N <21 принимается в качестве стандарта зрелости для компостных продуктов [36], а соотношение C/N 15 или даже ниже считается предпочтительным для сельскохозяйственного использования [37]. С учетом этих стандартов все варианты в нашем исследовании соответствовали принятым стандартам по соотношению C/N, причем SSP15 оказался лучшим для применения в почве.

Индекс всхожести (GI) является критическим параметром для оценки фитотоксичности и зрелости компоста, эффективно отражая такие характеристики, как кумулятивная температура, растворенный органический углерод (DOC) и водоэкстрагируемый азот (Nw) [23,38]. Как показано на Рисунке 2d, GI постоянно увеличивался на протяжении всего процесса компостирования. Однако добавление значительных количеств простого суперфосфата отрицательно сказывается на GI компостных продуктов, что противоположно наблюдениям Wang и др. (2022) [39]. SSP15 показал самый низкий GI на уровне 70,4%, что было значительно ниже, чем у любого другого варианта. Это ингибирование в первую очередь объясняется тем, что высокая концентрация солей ограничивает микробную активность, что подтверждается наблюдаемой значительной отрицательной корреляцией между EC и GI. Стоит отметить, что Yang и др. (2015) [18] сообщили о подобном ингибирующем влиянии простого суперфосфата на GI при компостировании пищевых отходов. Теоретически, GI > 50% считается стандартом зрелости, а GI > 80% считается нефитотоксичным для растений [40]. Хотя только вариант CK в этом исследовании достиг GI выше 80%, все варианты соответствовали критерию зрелости.

3.2. Содержание питательных веществ

Содержание питательных веществ в конечном продукте компостирования представлено в Таблице 1, и все варианты соответствовали требованиям Национального стандарта Китая на органические сельскохозяйственные удобрения (NY 525-2021) [25]. Простого суперфосфат обладает потенциалом для увеличения содержания как общего азота (TN), так и фосфора (P), и все варианты с добавлением простого суперфосфата дали более высокие значения TN и P₂O₅ по сравнению с CK, причем SSP15 показал самое высокое содержание TN, P₂O₅ и K₂O. Однако не было обнаружено значительных различий в содержании TOC между контрольным вариантом и вариантами с добавлением простого суперфосфата.

Таблица 1. Содержание питательных веществ в различных вариантах и согласно национальному стандарту Китая (NY525-2021). Значения с одинаковыми строчными буквами в строке не различаются значительно при p < 0,05.

Простого суперфосфат может уменьшить потери азота во время компостирования, тем самым повышая содержание общего азота (TN). Этот результат согласуется с несколькими предыдущими исследованиями, проведенными как в лабораторном, так и в промышленном масштабе [41,42]. Предыдущие исследования показывают, что этому эффекту способствуют несколько механизмов. Во-первых, снижение pH в результате добавления простого суперфосфата может уменьшить улетучивание аммония в виде NH₃ за счет подавления аммонификации [43]. Дополнительно, свободные кислоты (H₂SO₄ и H₃PO₄) в простом суперфосфате химически стабилизируют NH₄⁺, превращая его в фосфат аммония и сульфат аммония, которые оба эффективно снижают выбросы NH₃, ограничивая его источник [44]. Кроме того, фосфат-ионы (PO₄³⁻, HPO₄²⁻ и H₂PO₄⁻) в простом суперфосфате могут реагировать с ионами аммония и магния с образованием кристаллов струвита, которые стабилизируют азот в матрице компоста [45,46].

3.3. Выбросы парниковых газов

3.3.1. Выбросы N₂O

Добавление простого суперфосфата заметно снизило выбросы N₂O во время компостирования, при этом эмиссия для CK, SSP5, SSP10 и SSP15 составила 0,62, 0,51, 0,46 и 0,46 мг·м⁻²·ч⁻¹ соответственно (Рисунок 3a). Примечательно, что эти выбросы N₂O были значительно ниже, чем сообщалось в предыдущих исследованиях. Например, Chen и др. (2015) [47] провели исследование на коммерческом компостировочном заводе и сообщили, что средняя скорость выбросов N₂O во время компостирования составляла 0,95 мг·м⁻²·ч⁻¹. Аналогично, Thompson и др. (2004) [48] отметили, что средняя скорость выбросов N₂O при реакторном компостировании жидкого свиного навоза составляла 12 мг·м⁻²·ч⁻¹. Это расхождение может быть связано с такими факторами, как принудительное перемешивание/аэрация и размер объема компоста, причем меньшие кучи обычно демонстрируют более высокие скорости выбросов N₂O, чем большие [21]. Однако следует отметить, что, в отличие от многих существующих экспериментов, сосредоточенных на газовых выбросах в процессе компостирования, наше исследование не включало полный цикл компостирования из-за динамической работы компостировочного реактора. Следовательно, средняя скорость выбросов N₂O (а также скорости выбросов CH₄), наблюдаемая в нашем исследовании, не представляет выбросы на протяжении полного процесса компостирования, а отражает ежедневные выбросы, происходящие на заводе.

Рисунок 3. Динамика изменения выбросов (a) N₂O и (b) CH₄ во время компостирования. Отбор проб проводился на 10, 11 и 12 дни для каждого варианта. Столбики погрешностей представляют стандартные отклонения средних значений (n = 3). Значения с одинаковыми строчными буквами в столбце не различаются значительно при p < 0,05.

Теоретически, выбросы N₂O связаны с неполной нитрификацией и денитрификацией во время компостирования, причем большинство выбросов обычно происходит в фазе созревания [28,49]. Простого суперфосфат может снижать pH компостируемых материалов, способствуя формированию микробных сообществ, разлагающих аммиачный азот, опосредуя превращение NH₄⁺-N в NO₃⁻-N и ограничивая денитрификацию NOx⁻-N до N₂O [15,28,50]. Дополнительно, он ограничивает денитрификацию NOx⁻-N до N₂O в процессе компостирования. Однако добавление простого суперфосфата снизило выбросы N₂O на 18,5–26,3% в нашем исследовании, что меньше, чем снижение, о котором сообщалось в предыдущих исследованиях реакторного компостирования. Pan и др. (2023) [17] провели компостирование свиного навоза и сообщили, что добавление 3% и 6% простого суперфосфата снизило выбросы N₂O на 51,3% и 79,8% соответственно. Аналогично, Yuan и др. (2018) [28] сообщили, что добавление 10% простого суперфосфата снизило выбросы N₂O на 55,4% при компостировании осадка сточных вод. Это меньшее снижение в нашем исследовании может быть связано с изначально низкой скоростью выбросов N₂O в наших исследовательских условиях.

3.3.2. Выбросы CH₄

CH₄ образуется в результате восстановления CO₂/H и уксусной кислоты метаногенными бактериями в анаэробных зонах компостируемой матрицы [51,52]. Средний выброс CH₄ для CK составил 2,69 мг·м⁻²·ч⁻¹. Для сравнения, среднесуточные выбросы CH₄ в вариантах SSP5, SSP10 и SSP15 снизились на 15,8%, 23,4% и 25,1% соответственно (Рисунок 3b). После введения сырья каждый вариант показал всплеск выбросов CH₄, вероятно, потому, что высокая влажность свежего свиного навоза (т.е. 79% влажности свежего навоза против 37% в реакторной системе) вызывала локализованные анаэробные реакции внутри компостной кучи. На протяжении всего процесса компостирования средние выбросы CH₄ в нашем исследовании были значительно ниже, чем в ранее сообщенных исследованиях. Сообщалось, что скорости выбросов CH₄ при компостировании отходов животноводства от крупного рогатого скота и свиней составляли от 4 г·м⁻²·ч⁻¹ до 12 г·м⁻²·ч⁻¹ [53]. Для реакторного компостирования жидкого свиного навоза сообщалась средняя скорость выбросов CH₄ 0,24 г·м⁻²·ч⁻¹ [48]. Более низкие выбросы CH₄, наблюдаемые в нашем исследовании, могут быть связаны с конструкцией реактора, которая включала смесительное оборудование, непрерывно переворачивающее компостируемую массу, и оборудование принудительной аэрации, которое обеспечивало постоянную подачу кислорода и эффективно снижало выбросы из анаэробных зон внутри кучи. По сравнению с лабораторным реакторным компостированием и буртовым компостированием, где содержимое компоста обычно переворачивается один или два раза в неделю, наличие анаэробных зон внутри нашей компостной кучи было, вероятно, сведено к минимуму.

Простого суперфосфат обладает потенциалом для снижения выбросов CH₄. Это снижение может быть объяснено увеличением содержания SO₄²⁻ в результате применения простого суперфосфата [28]. Предыдущие исследования указывают, что увеличение SO₄²⁻ отрицательно влияет на метаногены, ингибируя их активность [34]. Дополнительно, повышенные уровни SO₄²⁻ могут отрицательно влиять на метаногены, изменяя их окислительно-восстановительный потенциал [18]. В исследовании реакторного компостирования пищевых отходов, проведенном Yang и др. (2015) [18], добавление 10% простого суперфосфата снизило выбросы CH₄ на 80,5%, в то время как Zhang и др. (2017) [33] сообщили, что та же доза простого суперфосфата снизила выбросы CH₄ на 35,5% во время реакторного компостирования свиного навоза. Кроме того, в эксперименте по промышленному буртовому компостированию куриного помета Peng и др. (2019) [51] наблюдали, что простого суперфосфат снижает выбросы CH₄ на 62,3%. Однако снижение выбросов CH₄ на 15,8–25,1% при добавлении простого суперфосфата, вероятно, можно объяснить непрерывным перемешиванием и принудительной аэрацией в системе реакторного компостирования, что смягчало анаэробные условия и подавляло активность метаногенов, тем самым уменьшая смягчающий эффект простого суперфосфата на выбросы CH₄.

3.4. Анализ «затраты-выгоды»

Согласно протоколу МГЭИК, выбросы CH₄ и N₂O переводятся в эквиваленты CO₂ с использованием их потенциалов глобального потепления за 100 лет, которые в 28 и 265 раз превышают потенциал CO₂ соответственно [11]. Учитывая неадекватность рынка торговли углеродными квотами в городе, где находится завод, мы оценили экологические экономические выгоды от снижения выбросов парниковых газов с использованием последней оценки социальной стоимости углерода (185 долл. США за тонну CO₂) по Camilleri и др. (2023) [54]. Транспортные расходы и стоимость закупки простого суперфосфата, использованного в этом эксперименте, составляют 100 долл. США за тонну. Принимая во внимание текущие рыночные цены на удобрения, экономические выгоды, связанные с удержанием N, P₂O₅ и K₂O в компосте, оцениваются в 0,72, 1,00 и 0,60 долл. США за килограмм соответственно. Кроме того, за счет снижения потерь азота в процессе компостирования и его удержания, добавление простого суперфосфата также уменьшает спрос на минеральные азотные удобрения и их производство. Экономические выгоды, полученные в результате сэкономленного использования и производства минеральных азотных удобрений, рассчитываются на основе выбросов ПГ, связанных с процессами производства азотных удобрений, описанных Zhang и др. (2013) [55], в сочетании с оценкой социальной стоимости углерода по Camilleri и др. (2023) [54].

Учитывая, что средняя цена на выбросы углерода (CEP) в Китае составляла всего 6 долл. США за тонну в 2020 году [56], что значительно ниже экологической стоимости в 185 долл. США за тонну, использованной в нашем анализе, экономическое бремя, связанное с добавлением простого суперфосфата, превышает выгоды, полученные исключительно от снижения выбросов ПГ (Таблица 2). Тем не менее, при учете ценности питательных веществ, сохраненных при компостировании, включение простого суперфосфата в производство компоста повышает содержание фосфора и смягчает потери азота, что приводит к общему увеличению экономической выгоды. Более того, добавление простого суперфосфата позволяет увеличить извлечение азота из компоста, тем самым снижая спрос на минеральные азотные удобрения и их производство. Следовательно, это значительно снижает выбросы ПГ при производстве и использовании удобрений, приводя к существенным экологическим и экономическим преимуществам.

Таблица 2. Годовые затраты, выгоды и баланс для различных вариантов компостирования.

Однако важно признать, что хотя экологические и экономические выгоды от добавления простого суперфосфата, такие как сокращение производства азотных удобрений и повышение качества удобрений, являются существенными, эти преимущества трудно получить заводам напрямую. Необходимо создавать программы стимулирования и политику субсидий, чтобы помочь компостировочным компаниям внедрять такие технологии. Для решения вопроса о том, как эффективно реализовать эти потенциальные экономические и экологические выгоды для содействия широкому внедрению технологий фиксации азота и снижения выбросов ПГ при компостировании на заводах, потребуются дальнейшие исследования со стороны государственных органов. В заключение, долгосрочный экономический потенциал включения простого суперфосфата в компостирование является значительным. Однако, учитывая текущие условия экономического рынка, выгоды от включения простого суперфосфата в промышленное реакторное компостирование не являются благоприятными.

Добавление простого суперфосфата эффективно снижало выбросы N₂O и CH₄ при промышленном компостировании, но это снижение не было столь выраженным, как наблюдаемое в лабораторном масштабе. Дополнительно, простого суперфосфат способен повышать содержание питательных веществ в компосте. Однако стоит отметить, что добавление простого суперфосфата может отрицательно влиять на зрелость компоста. Эти результаты свидетельствуют о том, что простого суперфосфат представляет собой перспективный материал для использования в промышленном компостировании для снижения выбросов ПГ и улучшения содержания питательных веществ. Тем не менее, следует соблюдать осторожность в отношении количества добавляемого простого суперфосфата, учитывая его потенциальное влияние на зрелость компоста и экологические риски, связанные с вымываемым фосфором из компостов, в частности в чувствительных районах, где отсутствуют нормативные руководства по применению фосфора. Наш экономический анализ показал, что экономические выгоды от снижения выбросов ПГ, вызванные добавлением простого суперфосфата, намного меньше, чем возросшие затраты. Однако, учитывая, что этот процесс уменьшает потери азота и значительно увеличивает концентрации фосфора, потенциал для экономических выгод от экономии питательных веществ и снижения использования минеральных удобрений огромен. Дальнейшие исследовательские усилия должны быть сосредоточены на сочетании добавления простого суперфосфата с другими усовершенствованиями для улучшения зрелости компоста при одновременном снижении затрат.

1.    Bernal, M.P.; Alburquerque, J.A.; Moral, R. Composting of Animal Manures and Chemical Criteria for Compost Maturity Assessment. A Review. Bioresour. Technol. 2009, 100, 5444–5453. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

2.    Chen, H.; Levavasseur, F.; Houot, S. Substitution of Mineral N Fertilizers with Organic Wastes in Two Long-Term Field Experiments: Dynamics and Drivers of Crop Yields. Soil Use Manag. 2024, 40, e13079. [Google Scholar] [CrossRef]

3.    Chen, H.; Levavasseur, F.; Montenach, D.; Lollier, M.; Morel, C.; Houot, S. An 18-Year Field Experiment to Assess How Various Types of Organic Waste Used at European Regulatory Rates Sustain Crop Yields and C, N, P, and K Dynamics in a French Calcareous Soil. Soil Tillage Res. 2022, 221, 105415. [Google Scholar] [CrossRef]

4.    Manyapu, V.; Mandpe, A.; Kumar, S. Synergistic Effect of Fly Ash in In-Vessel Composting of Biomass and Kitchen Waste. Bioresour. Technol. 2018, 251, 114–120. [Google Scholar] [CrossRef]

5.    Stelmachowski, M.; Jastrzȩbska, M.; Zarzycki, R. In-Vessel Composting for Utilizing of Municipal Sewage-Sludge. Appl. Energy 2003, 75, 249–256. [Google Scholar] [CrossRef]

6.    Lim, L.Y.; Bong, C.; Lee, C.T.; Klemeš, J.; Lim, J.S.; Sarmidi, M. Review on the Current Composting Practices and the Potential of Improvement Using Two-Stage Composting. Chem. Eng. Trans. 2017, 61, 1051–1056. [Google Scholar] [CrossRef]

7.    Seymour, R.M.; Donahue, D.; Bourdon, M.; Evans, J.R.; Wentworth, D. Intermittent Aeration for In-Vessel Composting of Crab Processing Waste. Compos. Sci. Util. 2001, 9, 98–106. [Google Scholar] [CrossRef]

8.    Viel, M.; Sayag, D.; Peyre, A.; André, L. Optimization of In-Vessel Co-Composting through Heat Recovery. Biol. Wastes 1987, 20, 167–185. [Google Scholar] [CrossRef]

9.    Sánchez, A.; Artola, A.; Font, X.; Gea, T.; Barrena, R.; Gabriel, D.; Sánchez-Monedero, M.Á.; Roig, A.; Cayuela, M.L.; Mondini, C. Greenhouse Gas Emissions from Organic Waste Composting. Environ. Chem. Lett. 2015, 13, 223–238. [Google Scholar] [CrossRef]

10. Chen, H.; Sun, S.; Zhang, B. Forecasting N2O Emission and Nitrogen Loss from Swine Manure Composting Based on BP Neural Network. MATEC Web Conf. 2019, 277, 01010. [Google Scholar] [CrossRef]

11. Myhre, G.; Shindell, D.; Bréon, F.-M.; Collins, W.; Fuglestvedt, J.; Huang, J.; Koch, D.; Lamarque, J.-F.; Lee, D.; Mendoza, B.; et al. Anthropogenic and Natural Radiative Forcing. In Climate Change 2013-The Physical Science Basis; Cambridge University Press: Cambridge, UK, 2014; pp. 659–740. [Google Scholar]

12. Chowdhury, M.A.; de Neergaard, A.; Jensen, L.S. Potential of Aeration Flow Rate and Bio-Char Addition to Reduce Greenhouse Gas and Ammonia Emissions during Manure Composting. Chemosphere 2014, 97, 16–25. [Google Scholar] [CrossRef]

13. Yang, F.; Li, G.; Zang, B.; Zhang, Z. The Maturity and CH4, N2O, NH3 Emissions from Vermicomposting with Agricultural Waste. Compos. Sci. Util. 2017, 25, 262–271. [Google Scholar] [CrossRef]

14. Jiang, J.; Huang, Y.; Liu, X.; Huang, H. The Effects of Apple Pomace, Bentonite and Calcium Superphosphate on Swine Manure Aerobic Composting. Waste Manag. 2014, 34, 1595–1602. [Google Scholar] [CrossRef]

15. Wu, J.; He, S.; Li, G.; Zhao, Z.; Wei, Y.; Lin, Z.; Tao, D. Reducing Ammonia and Greenhouse Gas Emission with Adding High Levels of Superphosphate Fertilizer during Composting. Environ. Sci. Pollut. Res. 2019, 26, 30921–30929. [Google Scholar] [CrossRef]

16. Wu, J.; He, S.; Liang, Y.; Li, G.; Li, S.; Chen, S.; Nadeem, F.; Hu, J. Effect of Phosphate Additive on the Nitrogen Transformation during Pig Manure Composting. Environ. Sci. Pollut. Res. 2017, 24, 17760–17768. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

17. Pan, Y.; Chang, H.; Song, P. Effects of Superphosphate as an Additive on Nutrient Characteristics and NH3, CO2, CH4, and N2O Emissions during Pig Manure Composting. Agronomy 2023, 13, 560. [Google Scholar] [CrossRef]

18. Yang, F.; Li, G.; Shi, H.; Wang, Y. Effects of Phosphogypsum and Superphosphate on Compost Maturity and Gaseous Emissions during Kitchen Waste Composting. Waste Manag. 2015, 36, 70–76. [Google Scholar] [CrossRef]

19. Jiang, J.; Kang, K.; Zhang, C.; Yan, G.; Lv, J.; Li, Y. Adding Phosphate Fertilizer and Apple Waste to Pig Manure during Composting Mitigates Nitrogen Gas Emissions and Improves Compost Quality. J. Environ. Qual. 2019, 48, 1534–1542. [Google Scholar] [CrossRef]

20. Michel, F.; O’Neill, T.; Rynk, R.; Bryant-Brown, M.; Calvez, V.; Li, J.; Paul, J. Chapter 7—Contained and in-Vessel Composting Methods and Methods Summary. In The Composting Handbook; Rynk, R., Ed.; Academic Press: Cambridge, MA, USA, 2022; pp. 271–305. ISBN 978-0-323-85602-7. [Google Scholar]

21. Jiang, T.; Schuchardt, F.; Li, G.; Guo, R.; Zhao, Y. Effect of C/N Ratio, Aeration Rate and Moisture Content on Ammonia and Greenhouse Gas Emission during the Composting. J. Environ. Sci. 2011, 23, 1754–1760. [Google Scholar] [CrossRef]

22. Hao, X.; Chang, C.; Larney, F.J. Carbon, Nitrogen Balances and Greenhouse Gas Emission during Cattle Feedlot Manure Composting. J. Environ. Qual. 2004, 33, 37–44. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

23. Yang, Y.; Wang, G.; Li, G.; Ma, R.; Kong, Y.; Yuan, J. Selection of Sensitive Seeds for Evaluation of Compost Maturity with the Seed Germination Index. Waste Manag. 2021, 136, 238–243. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

24. Wu, J.; Zhang, A.; Li, G.; Wei, Y.; He, S.; Lin, Z.; Shen, X.; Wang, Q. Effect of Different Components of Single Superphosphate on Organic Matter Degradation and Maturity during Pig Manure Composting. Sci. Total Environ. 2019, 646, 587–594. [Google Scholar] [CrossRef]

25. NY/T 525-2021; Organic Fertilizer. Ministry of Agriculture and Rural Affairs of the People’s Republic of China: Beijing, China, 2021.

26. Wei, Y.; Zhao, Y.; Wang, H.; Lu, Q.; Cao, Z.; Cui, H.; Zhu, L.; Wei, Z. An Optimized Regulating Method for Composting Phosphorus Fractions Transformation Based on Biochar Addition and Phosphate-Solubilizing Bacteria Inoculation. Bioresour. Technol. 2016, 221, 139–146. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

27. Ho, T.T.K.; Tra, V.T.; Le, T.H.; Nguyen, N.-K.-Q.; Tran, C.-S.; Nguyen, P.-T.; Vo, T.-D.-H.; Thai, V.-N.; Bui, X.-T. Compost to Improve Sustainable Soil Cultivation and Crop Productivity. Case Stud. Chem. Environ. Eng. 2022, 6, 100211. [Google Scholar] [CrossRef]

28. Yuan, J.; Li, Y.; Chen, S.; Li, D.; Tang, H.; Chadwick, D.; Li, S.; Li, W.; Li, G. Effects of Phosphogypsum, Superphosphate, and Dicyandiamide on Gaseous Emission and Compost Quality during Sewage Sludge Composting. Bioresour. Technol. 2018, 270, 368–376. [Google Scholar] [CrossRef]

29. Yang, Y.; Yin, Z.; Li, L.; Li, Y.; Liu, Y.; Luo, Y.; Li, G.; Yuan, J. Effects of Dicyandiamide, Phosphogypsum and Superphosphate on Greenhouse Gas Emissions during Pig Manure Composting. Sci. Total Environ. 2022, 846, 157487. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

30. Qasim, W.; Lee, M.H.; Moon, B.E.; Okyere, F.G.; Khan, F.; Nafees, M.; Kim, H.T. Composting of Chicken Manure with a Mixture of Sawdust and Wood Shavings under Forced Aeration in a Closed Reactor System. Int. J. Recycl. Org. Waste Agric. 2018, 7, 261–267. [Google Scholar] [CrossRef]

31. Siles-Castellano, A.B.; López, M.J.; Jurado, M.M.; Suárez-Estrella, F.; López-González, J.A.; Estrella-González, M.J.; Moreno, J. Industrial Composting of Low Carbon/Nitrogen Ratio Mixtures of Agri-Food Waste and Impact on Compost Quality. Bioresour. Technol. 2020, 316, 123946. [Google Scholar] [CrossRef]

32. Kong, Y.; Zhang, J.; Zhang, X.; Gao, X.; Yin, J.; Wang, G.; Li, J.; Li, G.; Cui, Z.; Yuan, J. Applicability and Limitation of Compost Maturity Evaluation Indicators: A Review. Chem. Eng. J. 2024, 489, 151386. [Google Scholar] [CrossRef]

33. Zhang, D.; Luo, W.; Yuan, J.; Li, G.; Luo, Y. Effects of Woody Peat and Superphosphate on Compost Maturity and Gaseous Emissions during Pig Manure Composting. Waste Manag. 2017, 68, 56–63. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

34. Hao, X.; Larney, F.J.; Chang, C.; Travis, G.R.; Nichol, C.K.; Bremer, E. The Effect of Phosphogypsum on Greenhouse Gas Emissions during Cattle Manure Composting. J. Environ. Qual. 2005, 34, 774–781. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

35. Bernai, M.P.; Paredes, C.; Sánchez-Monedero, M.A.; Cegarra, J. Maturity and Stability Parameters of Composts Prepared with a Wide Range of Organic Wastes. Bioresour. Technol. 1998, 63, 91–99. [Google Scholar] [CrossRef]

36. Khan, N.; Clark, I.; Sánchez-Monedero, M.A.; Shea, S.; Meier, S.; Bolan, N. Maturity Indices in Co-Composting of Chicken Manure and Sawdust with Biochar. Bioresour. Technol. 2014, 168, 245–251. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

37. Gaind, S.; Nain, L.; Patel, V.B. Quality Evaluation of Co-Composted Wheat Straw, Poultry Droppings and Oil Seed Cakes. Biodegradation 2009, 20, 307–317. [Google Scholar] [CrossRef]

38. Brťková, H.; Růžičková, J.; Slamová, K.; Raclavská, H.; Kucbel, M.; Šafář, M.; Gikas, P.; Juchelková, D.; Švédová, B.; Flodrová, Š. Plastic Particles in Urban Compost and Their Grain Size Distribution. Environ. Pollut. 2024, 351, 124025. [Google Scholar] [CrossRef]

39. Wang, G.; Kong, Y.; Yang, Y.; Ma, R.; Shen, Y.; Li, G.; Yuan, J. Superphosphate, Biochar, and a Microbial Inoculum Regulate Phytotoxicity and Humification during Chicken Manure Composting. Sci. Total Environ. 2022, 824, 153958. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

40. Estrella-González, M.J.; Suárez-Estrella, F.; Jurado, M.M.; López, M.J.; López-González, J.A.; Siles-Castellano, A.B.; Muñoz-Mérida, A.; Moreno, J. Uncovering New Indicators to Predict Stability, Maturity and Biodiversity of Compost on an Industrial Scale. Bioresour. Technol. 2020, 313, 123557. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

41. Li, Y.; Luo, W.; Li, G.; Wang, K.; Gong, X. Performance of Phosphogypsum and Calcium Magnesium Phosphate Fertilizer for Nitrogen Conservation in Pig Manure Composting. Bioresour. Technol. 2018, 250, 53–59. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

42. Zhao, M.; Zhao, Y.; Xie, L.; Zhang, G.; Wei, Z.; Li, J.; Song, C. The Effect of Calcium Superphosphate Addition in Different Stages on the Nitrogen Fixation and Ammonification during Chicken Manure Composting. Bioresour. Technol. 2023, 374, 128731. [Google Scholar] [CrossRef]

43. Chan, M.T.; Selvam, A.; Wong, J.W.C. Reducing Nitrogen Loss and Salinity during ‘Struvite’ Food Waste Composting by Zeolite Amendment. Bioresour. Technol. 2016, 200, 838–844. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

44. Luo, Y.; Li, G.; Luo, W.; Schuchardt, F.; Jiang, T.; Xu, D. Effect of Phosphogypsum and Dicyandiamide as Additives on NH3, N2O and CH4 Emissions during Composting. J. Environ. Sci. 2013, 25, 1338–1345. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

45. Jeong, Y.-K.; Hwang, S.-J. Optimum Doses of Mg and P Salts for Precipitating Ammonia into Struvite Crystals in Aerobic Composting. Bioresour. Technol. 2005, 96, 1–6. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

46. Jiang, T.; Ma, X.; Yang, J.; Tang, Q.; Yi, Z.; Chen, M.; Li, G. Effect of Different Struvite Crystallization Methods on Gaseous Emission and the Comprehensive Comparison during the Composting. Bioresour. Technol. 2016, 217, 219–226. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

47. Chen, R.; Wang, Y.; Wang, W.; Wei, S.; Jing, Z.; Lin, X. N2O Emissions and Nitrogen Transformation during Windrow Composting of Dairy Manure. J. Environ. Manag. 2015, 160, 121–127. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

48. Thompson, A.G.; Wagner-Riddle, C.; Fleming, R. Emissions of N2O and CH4 during the Composting of Liquid Swine Manure. Environ. Monit. Assess. 2004, 91, 87–104. [Google Scholar] [CrossRef]

49. Wu, J.; Shangguan, H.; Fu, T.; Chen, J.; Tang, J.; Zeng, R.J.; Ye, W.; Zhou, S. Alternating Magnetic Field Mitigates N2O Emission during the Aerobic Composting of Chicken Manure. J. Hazard. Mater. 2021, 406, 124329. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

50. Jin, Y.; Miao, Y.; Geng, Y.; Huang, M.; Zhang, Y.; Song, X.; Li, S.; Zou, J. Calcium Superphosphate-Mediated Reshaping of Denitrifying Bacteria Community Contributed to N2O Mitigation in Pig Manure Windrow Composting. Int. J. Environ. Res. Public Health 2021, 18, 171. [Google Scholar] [CrossRef]

51. Peng, S.; Li, H.; Xu, Q.; Lin, X.; Wang, Y. Addition of Zeolite and Superphosphate to Windrow Composting of Chicken Manure Improves Fertilizer Efficiency and Reduces Greenhouse Gas Emission. Environ. Sci. Pollut. Res. 2019, 26, 36845–36856. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

52. Santos, A.; Bustamante, M.A.; Tortosa, G.; Moral, R.; Bernal, M.P. Gaseous Emissions and Process Development during Composting of Pig Slurry: The Influence of the Proportion of Cotton Gin Waste. J. Clean. Prod. 2016, 112, 81–90. [Google Scholar] [CrossRef]

53. Hellebrand, H.J.; Kalk, W.-D. Emission of Methane, Nitrous Oxide, and Ammonia from Dung Windrows. Nutr. Cycl. Agroecosyst. 2001, 60, 83–87. [Google Scholar] [CrossRef]

54. Camilleri, S.F.; Montgomery, A.; Visa, M.A.; Schnell, J.L.; Adelman, Z.E.; Janssen, M.; Grubert, E.A.; Anenberg, S.C.; Horton, D.E. Air Quality, Health and Equity Implications of Electrifying Heavy-Duty Vehicles. Nat. Sustain. 2023, 6, 1643–1653. [Google Scholar] [CrossRef]

55. Zhang, W.; Dou, Z.; He, P.; Ju, X.-T.; Powlson, D.; Chadwick, D.; Norse, D.; Lu, Y.-L.; Zhang, Y.; Wu, L.; et al. New Technologies Reduce Greenhouse Gas Emissions from Nitrogenous Fertilizer in China. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2013, 110, 8375–8380. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

56. Huang, W.; Wang, Q.; Li, H.; Fan, H.; Qian, Y.; Klemeš, J.J. Review of Recent Progress of Emission Trading Policy in China. J. Clean. Prod. 2022, 349, 131480. [Google Scholar] [CrossRef]

Chen H, Li H, Sun T, Huang X, Li Y, Zhang B. Effects of Superphosphate on Greenhouse Gas Emissions and Compost Quality During Industrial Scale In-Vessel Swine Manure Composting. Agriculture. 2025; 15(2):148. https://doi.org/10.3390/agriculture15020148

Перевод статьи «Effects of Superphosphate on Greenhouse Gas Emissions and Compost Quality During Industrial Scale In-Vessel Swine Manure Composting» авторов Chen H, Li H, Sun T, Huang X, Li Y, Zhang B., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык