溶解氧在糞便顆粒微剖面中的分布

使用DO微電極在第0天、第10天、第20天和第30天測量了三種糞便表層中DO濃度的深度剖面。DO濃度在糞便顆粒表面以上0.4-0.3 mm處開始緩慢下降，這可能是由于傳質阻力或糞便釋放水蒸氣的稀釋效應所致。第0天，三種原始糞便表層中DO濃度隨深度迅速下降。原始豬糞頂部0.30 mm處DO耗盡，原始雞糞0.42 mm處，原始牛糞0.50 mm處，其余原始糞便顆粒均為缺氧區。經過20天強制通風堆肥后，第20天時氧氣滲透深度在雞糞中為0.78 mm，牛糞中為2.10 mm，而豬糞中仍保持約0.30 mm。這些發現表明，好氧區在活躍階段持續限于三種糞便顆粒的表層。糞便顆粒中的氧氣擴散似乎是堆肥基質中氧氣傳遞過程的關鍵限速步驟。第20天時糞便顆粒平均直徑大于8 mm，表明豬糞顆粒超過75%、雞糞顆粒50%、牛糞顆粒10%為缺氧區。堆肥通常被視為好氧生物過程，但本研究證實活躍階段三種糞便內部存在顯著體積的缺氧區。

糞便顆粒內部的DO梯度主要取決于氧氣擴散速率和微生物氧氣利用速率之間的平衡。三種原始糞便中氧氣滲透深度接近，表明堆肥開始時它們的氧氣利用速率相近。根據菲克第一定律，第20天時好氧層平均氧氣通量在豬、雞和牛糞中分別為0.556、0.214和0.140μmol/(cm2·h)。豬糞和雞糞表層的氧氣利用速率顯著高于牛糞。這一結果與它們的CO?產生速率順序一致。三種糞便中氧氣利用速率的差異與其底物條件有關。第20天時牛糞中低可用底物降低了微生物氧氣利用速率。因此，牛糞具有最大的氧氣滲透深度。此外，盡管雞糞具有最高的溶解有機物和NH??/NH?含量作為電子供體，但第20天時雞糞的氧氣滲透深度相對高于豬糞。高NH??/NH?濃度和pH值可能在活躍階段影響了雞糞中的微生物活性。

第20天至第30天期間，三種糞便中氧氣滲透深度明顯增加。由于水分蒸發，第30天時豬糞水分含量降至55.3%，牛糞降至66.7%，雞糞降至58.1%。水分含量降低不僅增加了糞便的孔隙度，而且本質上限制了微生物活性。據報道，50%是水分的下限。糞便顆粒表層的水分含量低于核心區。因此，微生物的代謝活性首先因表層水分減少而受限。此外，隨著可用底物量減少，三種動物糞便中微生物氧氣利用速率顯著降低。故孔隙度增加和氧氣利用速率降低大大提高了后期糞便中的氧氣滲透深度。

氧化還原電位在糞便顆粒微剖面中的變化

ORP作為非生物因子，強烈影響生物和化學過程。三種糞便中ORP值隨深度下降主要歸因于DO降低。牛糞的ORP水平在三種糞便中最高，這與其最低的可用底物和NH??/NH?含量以及最大的氧氣滲透深度有關。值得注意的是，三種糞便缺氧區中的ORP值隨堆肥時間先急劇下降后逐漸上升。初始10天內，2 mm深度處ORP值在雞糞中從-50 mV降至-120 mV，豬糞中從300 mV降至-200 mV，牛糞中從450 mV降至230 mV。初期ORP急劇下降可能與三個因素有關：微生物消耗氧化物質、生物降解過程中釋放還原物質以及水分損失導致糞便液相中還原物質濃縮。然而，隨著氧氣滲透深度增加，第30天時三種糞便的ORP值均升至400 mV以上。

有機物代謝機制隨ORP水平的劇烈變化而改變。糞便內部ORP值快速下降為產甲烷作用提供了氧化還原電位條件。這就是為什么三種動物糞便的CH?排放僅檢測于堆肥初期。此外，雞糞的ORP水平最低且CH?排放速率最高，牛糞的ORP水平最高且CH?排放速率最低。表明ORP水平與CH?產量呈顯著負相關。隨著低ORP微環境逐漸消失，后期產甲烷過程停止。

硝酸鹽在糞便顆粒微剖面中的空間分布

三種糞便核心區NO??濃度隨堆肥時間先下降后逐漸上升。前20天內，2 mm深度區域NO??濃度在雞糞中從15.8 mmol/L降至6.6 mmol/L，豬糞中從11.9 mmol/L降至4.1 mmol/L，牛糞中從3.1 mmol/L降至1.5 mmol/L，表明NO??可作為電子受體被缺氧區微生物利用，且活躍堆肥期發生了反硝化作用。

NO??濃度剖面顯示，活躍堆肥后期NO??濃度與DO水平呈正相關。第30天糞便顆粒表層NO??濃度分別比表面以下2 mm處高4.4倍（豬糞）、3.5倍（雞糞）和2.4倍（牛糞）。這一發現表明硝化過程首先發生在糞便表層好氧區。由于缺氧和低ORP條件會抑制生物硝化作用，三種糞便核心區NO??濃度未見明顯改善。后期好氧區比例增加，DO濃度增加為硝化作用提供了電子受體。這就是為什么NO??濃度增加僅報道于熟化階段。

討論與分析

眾所周知，好氧條件下的有機物礦化速率本質上快于缺氧條件。表層好氧代謝釋放更多呼吸熱，提高了堆肥系統溫度，并顯著改善了內部區域有機水解速率和缺氧代謝效率。厭氧核心區水解的部分可溶性底物可能擴散并在表層好氧區被氧化。結果，由于微生物氧氣利用，活躍階段氧氣滲透限于糞便顆粒表層。盡管增加通風速率，無法直接提高糞便中的氧氣擴散效率。因此，即使在高通風速率下，活躍階段糞便顆粒內部好氧-缺氧雙重結構長期存在。低DO水平限制了缺氧區有機物礦化速率。故糞便顆粒中高比例缺氧區可能是導致活躍堆肥需要長處理周期的主要原因之一。

由于缺乏氧氣作為電子受體，初期糞便內部發生了反硝化作用，這得到硝酸鹽濃度下降的支持。然而，生物硝化主要發生在熟化階段。活躍堆肥階段硝化細菌可能受到多種抑制：高溫、低DO和ORP水平、高NH??/NH?和可用底物含量以及不同微生物群間競爭。這些因素可顯著延緩硝化細菌生長。盡管強制通風維持了基質空氣空間中的高氧水平，但此期間糞便內部硝酸鹽濃度仍很低。隨著后期溫度、NH??/NH?和溶解有機物濃度下降，由于DO和ORP水平較高，生物硝化開始于糞便顆粒表層。隨后，熟化階段好氧條件改善，糞便顆粒內部區域NO??濃度顯著增加。

盡管先前文獻中低碳氮比和高pH值被視為氮素損失的主要原因，但我們的工作表明，氨化作用、水分損失、缺氧和高溫條件是高溫階段導致嚴重NH?排放的重要原因。首先，大部分蛋白質在初期水解，釋放大量NH??/NH?，提高了糞便液相pH值。故pH升高是NH??/NH?產生的結果而非原因。其次，缺氧和高溫環境抑制了生物硝化過程。由于空間分離，有機膨松劑中的碳源無法被糞便內部微生物利用。第三，高比例水分排放顯著濃縮了液相中的NH??/NH?。同時，高溫條件降低了NH?在水中的溶解度。因此，大量NH?隨水分蒸發從糞便顆粒釋放。