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(yǎng)分用于農(nóng)業(yè)。糞便顆粒內(nèi)部微生物過(guò)程的空間分層決定了有機(jī)質(zhì)和氮素的轉(zhuǎn)化，但這些過(guò)程尚不清楚。本研究通過(guò)強(qiáng)制通風(fēng)堆肥過(guò)程中使用微電極技術(shù)，展示了豬、牛和雞糞內(nèi)部微環(huán)境的演變。堆肥通常被視為一種好氧生物過(guò)程，但本研究證實(shí)，在活躍階段，這些糞便內(nèi)部長(zhǎng)期存在大范圍缺氧區(qū)。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(xù)下降。糞便顆粒內(nèi)的缺氧條件被證明是導(dǎo)致嚴(yán)重氨排放和堆肥周期長(zhǎng)的主要原因。這些發(fā)現(xiàn)為“好氧”堆肥過(guò)程提供了新視角，并為開(kāi)發(fā)高效堆肥技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

核心發(fā)現(xiàn)總結(jié)

本研究通過(guò)微電極技術(shù)首次揭示了畜禽糞便堆肥過(guò)程中顆粒內(nèi)部微環(huán)境的空間分層特征。主要發(fā)現(xiàn)包括：

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

2.缺氧條件導(dǎo)致反硝化作用和甲烷產(chǎn)生，是造成氮損失和延長(zhǎng)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(diào)控

5.堆肥后期好氧條件改善后硝化作用才明顯增強(qiáng)

技術(shù)應(yīng)用價(jià)值

本研究建立的微電極測(cè)量方法為堆肥過(guò)程優(yōu)化提供了重要技術(shù)手段。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顆粒內(nèi)部化學(xué)梯度，可以更精確地控制通風(fēng)策略和調(diào)節(jié)物料特性。研究結(jié)果對(duì)開(kāi)發(fā)高效堆肥工藝具有指導(dǎo)意義，特別是對(duì)于減少氮損失和縮短堆肥周期的技術(shù)改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

引言

畜禽廢物既是重要的環(huán)境污染源，也是寶貴的營(yíng)養(yǎng)資源。好氧堆肥是一種傳統(tǒng)方法，通過(guò)在氧氣存在下將畜禽糞便轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料。商業(yè)堆肥過(guò)程中通常采用強(qiáng)制通風(fēng)、氧氣濃度控制和大量膨松劑，以在這種固體基質(zhì)中提供充足的氧氣和自由空間。盡管畜禽糞便顆粒內(nèi)部的微環(huán)境尚不明確，但堆肥通常被視為好氧生物過(guò)程，并被稱為好氧堆肥。

提高有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定化效率是堆肥操作的重要目標(biāo)。堆肥過(guò)程可分為兩個(gè)階段：活躍階段（或高溫階段）和熟化階段。通常，這兩個(gè)階段需要超過(guò)兩個(gè)月的時(shí)間才能達(dá)到產(chǎn)品的生物穩(wěn)定，這種長(zhǎng)處理周期嚴(yán)重影響了該技術(shù)的應(yīng)用。為縮短堆肥周期，大量研究聚焦于優(yōu)化培養(yǎng)條件，如溫度、通風(fēng)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(huán)境。然而，近三十年來(lái)堆肥周期并未縮短。

嚴(yán)重的氮素?fù)p失是畜禽糞便堆肥處理的另一個(gè)瓶頸。高溫期堆肥堆釋放大量NH?，這不僅降低了肥效，還導(dǎo)致酸化和富營(yíng)養(yǎng)化。文獻(xiàn)中認(rèn)為畜禽糞便的低碳氮比是導(dǎo)致氮素?fù)p失的主要原因。因此，在畜禽糞便堆肥前，會(huì)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(yùn)營(yíng)成本，但氮素?fù)p失問(wèn)題尚未得到很好解決。據(jù)報(bào)道，微生物的氨化和硝化作用在堆肥基質(zhì)氮素?fù)p失中起重要作用。然而，糞便顆粒是堆肥基質(zhì)的基本單元，糞便內(nèi)部微生物氮轉(zhuǎn)化空間分布特征尚未被理解。

氧氣水平不僅影響有機(jī)物的生物穩(wěn)定速率，還影響堆肥過(guò)程中氮素的轉(zhuǎn)化過(guò)程。然而，電子受體（氧氣）和供體（可溶性有機(jī)物和還原態(tài)氮）受傳質(zhì)限制。堆肥基質(zhì)中的氧氣傳遞過(guò)程可分為顆粒間階段（顆粒間空間）和顆粒內(nèi)部階段（顆粒內(nèi)部）。膨松劑提供結(jié)構(gòu)支持以形成顆粒間空隙，作為氣流通道。然而，糞便顆粒內(nèi)部微生物活性、溶解氧（DO）和化學(xué)變化（如NH??和NO??濃度）的空間分層尚不清楚。這些信息對(duì)于理解堆肥系統(tǒng)中氮轉(zhuǎn)化和有機(jī)生物降解過(guò)程至關(guān)重要。

本研究調(diào)查了堆肥過(guò)程中雞、牛和豬糞內(nèi)部氧氣傳遞特性和微生物氮轉(zhuǎn)化的空間分布。首次使用微電極在堆肥期間測(cè)定了三種糞便表層中DO、ORP以及NH??和NO??濃度的化學(xué)梯度。評(píng)估了氧氣滲透深度、ORP、碳氮比、pH、溶解有機(jī)碳、溫度和水分對(duì)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(wěn)定化過(guò)程之間以及微生物分層與化學(xué)梯度之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

牛、豬和雞糞便采集自中國(guó)東北哈爾濱中心紅農(nóng)場(chǎng)。豬糞水分和揮發(fā)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(zhì)中的膨松劑，以避免有機(jī)膨松劑對(duì)動(dòng)物糞便NH?排放和CO?產(chǎn)生分析的影響。浮石的化學(xué)和物理性質(zhì)見(jiàn)我們先前文獻(xiàn)。簡(jiǎn)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(qiáng)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(gè)圓柱形玻璃反應(yīng)器（體積5 L，直徑20 cm×高27 cm）中堆肥30天。這三個(gè)堆肥反應(yīng)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(gè)反應(yīng)器底部吹入堆肥材料。為避免顆粒間空隙低氧濃度對(duì)糞便顆粒氧氣擴(kuò)散效率的影響，采用高通風(fēng)速率0.2 L/min以提高每個(gè)堆肥反應(yīng)器的空氣交換和氧水平。

化學(xué)分析技術(shù)

樣品（2 g×3）在105°C下干燥，每2小時(shí)計(jì)算質(zhì)量損失。直至質(zhì)量損失低于前次質(zhì)量損失的0.5%時(shí)，測(cè)定不同階段糞便樣品的水分含量。干糞便樣品的揮發(fā)性固體含量通過(guò)550°C下2小時(shí)重量損失測(cè)定。pH使用pH計(jì)測(cè)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(guò)200目篩，2 g殘?jiān)?0 mL去離子水在25°C提取24小時(shí)。糞便樣品水提取物通過(guò)0.45μm膜過(guò)濾。水提取物中溶解有機(jī)碳濃度使用TOC分析儀（TOC-VcPN,Shimadzu）測(cè)定。濕糞便樣品中NH??/NH?含量通過(guò)蒸餾和滴定使用H?SO?分析。從三個(gè)堆肥反應(yīng)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(guò)每天化學(xué)滴定六個(gè)吸收瓶中的溶液，測(cè)定三種糞便的NH?排放速率和CO?產(chǎn)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(cè)器的氣相色譜系統(tǒng)（6890系列，安捷倫科技）進(jìn)行測(cè)定。