摘要

堆肥是一種廣泛使用的方法，用于回收畜禽糞便中的養分用于農業。糞便顆粒內部微生物過程的空間分層決定了有機質和氮素的轉化，但這些過程尚不清楚。本研究通過強制通風堆肥過程中使用微電極技術，展示了豬、牛和雞糞內部微環境的演變。堆肥通常被視為一種好氧生物過程，但本研究證實，在活躍階段，這些糞便內部長期存在大范圍缺氧區。氧化還原電位（ORP）的剖面先急劇下降后逐漸上升。氨氮濃度的空間差異不顯著，但硝酸鹽濃度隨深度持續下降。糞便顆粒內的缺氧條件被證明是導致嚴重氨排放和堆肥周期長的主要原因。這些發現為“好氧”堆肥過程提供了新視角，并為開發高效堆肥技術奠定了堅實基礎。

核心發現總結

本研究通過微電極技術首次揭示了畜禽糞便堆肥過程中顆粒內部微環境的空間分層特征。主要發現包括：

1.所有三種糞便顆粒內部在活躍堆肥階段均存在顯著缺氧區，好氧層僅局限于表層（0.3-2.1 mm）

2.缺氧條件導致反硝化作用和甲烷產生，是造成氮損失和延長堆肥周期的主要原因

3.氨排放主要受ammonification、水分損失和溫度升高的共同影響

4.氧氣滲透深度受微生物活性和孔隙度的雙重調控

5.堆肥后期好氧條件改善后硝化作用才明顯增強

技術應用價值

本研究建立的微電極測量方法為堆肥過程優化提供了重要技術手段。通過實時監測顆粒內部化學梯度，可以更精確地控制通風策略和調節物料特性。研究結果對開發高效堆肥工藝具有指導意義，特別是對于減少氮損失和縮短堆肥周期的技術改進提供了理論依據。

引言

畜禽廢物既是重要的環境污染源，也是寶貴的營養資源。好氧堆肥是一種傳統方法，通過在氧氣存在下將畜禽糞便轉化為有機肥料。商業堆肥過程中通常采用強制通風、氧氣濃度控制和大量膨松劑，以在這種固體基質中提供充足的氧氣和自由空間。盡管畜禽糞便顆粒內部的微環境尚不明確，但堆肥通常被視為好氧生物過程，并被稱為好氧堆肥。

提高有機質穩定化效率是堆肥操作的重要目標。堆肥過程可分為兩個階段：活躍階段（或高溫階段）和熟化階段。通常，這兩個階段需要超過兩個月的時間才能達到產品的生物穩定，這種長處理周期嚴重影響了該技術的應用。為縮短堆肥周期，大量研究聚焦于優化培養條件，如溫度、通風速率、碳氮比、水分、孔隙度、pH、添加膨松劑和翻堆頻率，以提供微生物代謝的最佳環境。然而，近三十年來堆肥周期并未縮短。

嚴重的氮素損失是畜禽糞便堆肥處理的另一個瓶頸。高溫期堆肥堆釋放大量NH?，這不僅降低了肥效，還導致酸化和富營養化。文獻中認為畜禽糞便的低碳氮比是導致氮素損失的主要原因。因此，在畜禽糞便堆肥前，會投入大量富碳膨松劑，如木屑、秸稈和鋸末。盡管膨松劑的使用大大增加了運營成本，但氮素損失問題尚未得到很好解決。據報道，微生物的氨化和硝化作用在堆肥基質氮素損失中起重要作用。然而，糞便顆粒是堆肥基質的基本單元，糞便內部微生物氮轉化空間分布特征尚未被理解。

氧氣水平不僅影響有機物的生物穩定速率，還影響堆肥過程中氮素的轉化過程。然而，電子受體（氧氣）和供體（可溶性有機物和還原態氮）受傳質限制。堆肥基質中的氧氣傳遞過程可分為顆粒間階段（顆粒間空間）和顆粒內部階段（顆粒內部）。膨松劑提供結構支持以形成顆粒間空隙，作為氣流通道。然而，糞便顆粒內部微生物活性、溶解氧（DO）和化學變化（如NH??和NO??濃度）的空間分層尚不清楚。這些信息對于理解堆肥系統中氮轉化和有機生物降解過程至關重要。

本研究調查了堆肥過程中雞、牛和豬糞內部氧氣傳遞特性和微生物氮轉化的空間分布。首次使用微電極在堆肥期間測定了三種糞便表層中DO、ORP以及NH??和NO??濃度的化學梯度。評估了氧氣滲透深度、ORP、碳氮比、pH、溶解有機碳、溫度和水分對三種糞便NH?、CO?和CH?排放速率的影響。闡明了氧氣傳遞與糞便穩定化過程之間以及微生物分層與化學梯度之間的關系。

實驗方法

實驗材料與設計

牛、豬和雞糞便采集自中國東北哈爾濱中心紅農場。豬糞水分和揮發性固體含量分別為75.4%和73.9%，牛糞為86.7%和86.6%，雞糞為79.3%和81.2%。pH和碳氮比分別為：豬糞8.1和8.0，牛糞8.0和17.7，雞糞8.4和8.4。浮石（一種多孔火山巖）用作堆肥基質中的膨松劑，以避免有機膨松劑對動物糞便NH?排放和CO?產生分析的影響。浮石的化學和物理性質見我們先前文獻。簡言之，浮石高孔隙率為71.8-81%。浮石初始水分和吸水量分別為8%和51-72%。浮石容重和抗壓強度分別為0.34-0.49 g/cm3和14-38 kg/cm2。原始牛、豬和雞糞便（各300 g）分別與250 g浮石在三個圓柱形玻璃反應器（體積5 L，直徑20 cm×高27 cm）中堆肥30天。這三個堆肥反應器置于恒溫水浴中，前20天55°C，后10天45°C。新鮮空氣從三個反應器底部吹入堆肥材料。為避免顆粒間空隙低氧濃度對糞便顆粒氧氣擴散效率的影響，采用高通風速率0.2 L/min以提高每個堆肥反應器的空氣交換和氧水平。

化學分析技術

樣品（2 g×3）在105°C下干燥，每2小時計算質量損失。直至質量損失低于前次質量損失的0.5%時，測定不同階段糞便樣品的水分含量。干糞便樣品的揮發性固體含量通過550°C下2小時重量損失測定。pH使用pH計測定，將1 g糞便樣品溶解于10 mL去離子水中。糞便樣品干燥、研磨過200目篩，2 g殘渣用50 mL去離子水在25°C提取24小時。糞便樣品水提取物通過0.45μm膜過濾。水提取物中溶解有機碳濃度使用TOC分析儀（TOC-VcPN,Shimadzu）測定。濕糞便樣品中NH??/NH?含量通過蒸餾和滴定使用H?SO?分析。從三個堆肥反應器釋放的NH?和CO?被填充KOH（4 mol/L）和H?BO?（1 mol/L）的吸收瓶依次吸收。通過每天化學滴定六個吸收瓶中的溶液，測定三種糞便的NH?排放速率和CO?產生速率。排氣中的CH?濃度每日三次采用配備火焰離子化檢測器的氣相色譜系統（6890系列，安捷倫科技）進行測定。