牛粪堆肥通风管道孔间距优化：气流分布调控与微生物群落演替的协同增效机制

《Environmental Technology & Innovation》：Effect of adjacent orifice spacing in aeration duct on cattle manure composting efficiency

本研究针对正压通风管道中上下游孔口气流差异达20%的工程难题，通过计算相邻孔口静压差，系统探究了0.5/0.75/1 cm递增间距对牛粪堆肥效率的影响。CFD模拟显示0.75 cm间距增量使堆体内气流均匀性提升36.08%，并通过促进纤维素降解菌属（Atopostipes/Bacillus/Thermobifida/Saccharomonospora）丰度变化，使腐殖质（HS）增加4.5 g·kg-1，胡富比（HA/FA）提升0.8，发芽指数（GI）提高22.2%。该研究为畜禽粪污资源化提供了孔间距优化设计理论依据。

　　

在我国每年产生的约14亿吨畜禽粪污中，牛粪占比高达37%，但仍有超过五分之一的粪污未能实现资源化利用。好氧堆肥作为固体粪污资源化的主要方式，其效率提升迫在眉睫。通风量是决定堆肥成熟度的关键因素，而堆体不同区域的供氧效果则直接取决于通风管道的性能。传统均匀开孔管道存在显著缺陷：由于动态压力波动和阻力损失，首尾孔口气流差异可达20%，导致堆体内出现涡流和弱通风区，严重影响微生物活动效率和堆肥质量。

为破解这一难题，发表在《Environmental Technology》上的最新研究独辟蹊径，将计算流体力学（CFD）模拟与微生物群落分析相结合，系统探讨了相邻孔间距从上游到下游递增（0.5/0.75/1 cm）对牛粪堆肥的深层影响机制。研究发现，当间距增量设置为0.75 cm时，不仅堆体内气流分布均匀性提升36.08%，更通过调控关键微生物菌群的演替，使腐殖质（HS）含量显著增加4.5 g·kg^-1，胡富比（HA/FA）提升0.8，发芽指数（GI）提高22.2%，实现了工程设计与生物过程的完美协同。

研究团队采用多技术联用的策略：通过静压差理论计算确定均衡间距，利用旋转鼓式堆肥反应器开展28天实验，结合CFD模拟分析气流场特征，并采用高通量测序解析微生物群落结构变化。关键实验技术包括计算流体力学（CFD）模拟、冗余分析（RDA）、16S rDNA高通量测序等。

3.1 相邻孔口静压差分析

通过伯努利方程和阻力计算公式，研究发现当孔间距小于均衡距离时会出现静压恢复现象，导致下游孔口气流速率递增。理论计算得出1-2至6-7孔间的均衡间距为0.101-0.646 m，为间距优化提供了定量依据。

3.2 孔间距对堆肥成熟度的影响

3.2.1 基础理化参数分析

T2组（0.75 cm增量）表现出最优综合性能：高温期峰值温度达69.1°C且延长2天，堆肥后水分含量降低6.0%，电导率（EC）降低0.32 mS/cm，C/N比降低1.26，挥发性固体（VS）降解率最高，发芽指数（GI）提升22.2%。

3.2.2 腐殖化程度分析

T2组腐殖质（HS）和胡敏酸（HA）含量分别比对照组提高7.4%和22.0%，富里酸（FA）降低17.7%，胡富比（HA/FA）达2.5。紫外光谱显示E₄/E₆降低4.7%，SUVA₂₅₄提升24.2%，表明腐殖质芳香化程度和分子复杂性显著增强。

3.3 孔间距影响堆肥成熟度的内在机制

3.3.1 孔间距对堆体内气流分布均匀性的影响

CFD模拟显示均匀开孔时前端存在弱通风区，后端出现涡流区。递增间距调整后，前端气流速度提高，后端涡流减弱。0.75 cm增量使气流速度变异系数（CASV）从10.09降至6.45，首尾气流差异从18.7%缩小至3.7%。

3.3.2 孔间距对堆体不同区域气流速度的影响

在X=0.15 m截面，T1/T2/T3组平均气流速度较对照组分别提高1.6%/4.4%/9.9%；而在X=0.65 m截面分别降低9.8%/10.8%/14.4%，表明间距增量对气流分布具有显著调控作用。

3.3.3 微生物群落结构

T2组Chao1和Shannon指数最高，物种丰富度和多样性最优。在门水平上，厚壁菌门（Firmicutes）在高温期相对丰度达48.6%，变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidota）在降温期和成熟期丰度显著提升。属水平上，嗜热裂孢菌（Thermobifida）、芽孢杆菌（Bacillus）在高温期占优势，糖单孢菌（Saccharomonospora）在成熟期丰度提升23.2%。

3.3.4 堆肥成熟度参数与微生物群落相关性分析

冗余分析表明，胡敏酸（HA）对细菌群落变异的解释度达89.68%，C/N比对属水平变异的解释度为66.5%。糖单孢菌（Saccharomonospora）与GI、NO₃^--N、HA、HS呈正相关，与VS、C/N、NH₄⁺-N、FA负相关，证实其在有机物降解和腐殖化过程中的核心作用。

该研究通过孔间距的精准调控，实现了气流分布优化与微生物群落定向演替的协同增效。0.75 cm的递增间距被证明是最优参数，不仅能显著提升堆肥产品质量指标（HS增加4.5 g·kg^-1，HA/FA提升0.8，GI提高22.2%），更重要的是揭示了工程参数通过调控微生物生态功能影响堆肥过程的内在机制。这一发现为畜禽粪污高效资源化提供了兼具理论深度和实践价值的解决方案，对推动农业绿色循环发展具有重要意义。未来研究可进一步结合生化反应动力学，探索管道直径、开孔直径等多参数协同优化，全面提升堆肥系统的能效比和工程适用性。