在堆肥过程中，将废弃的网球作为惰性膨松剂添加到橄榄榨汁厂废弃物和猪粪中，可以降低与通风相关的能耗以及厌氧气体的产生

《Journal of Environmental Management》：Addition discarded tennis balls as an inert bulking agent to olive mill waste and pig slurry during composting reduces the energy consumption related to ventilation and the generation of anaerobic gases

本研究通过两次工业规模实验，验证了废弃网球作为惰性膨松剂（IBA）在堆肥工艺中的应用效果。实验表明，添加5% IBA可显著提高氧气浓度（35%-50%），降低氨排放达9倍，减少二氧化碳当量排放31-135 kg，同时降低电导率、多酚含量并提高发芽指数。IBA通过改善堆体孔隙结构促进空气流通，减少强制通风需求，在低温（实验A）和高温（实验B）季节均有效。结论指出IBA可降低能耗、减少温室气体排放并提升堆肥质量，但需进一步优化原料配比和季节适应性策略。

　　在大规模堆肥过程中，空气供应是显著的能源消耗来源。这项研究评估了使用惰性填充剂（IBA），这种填充剂由废弃的网球制成，以改善空气流通并减少强制通风和翻堆操作的需求。通过两个连续的工业规模实验，分别在不同的季节条件下进行：实验A采用猪粪固相与城市修剪废弃物的二元混合物；实验B则包括橄榄加工厂废弃物（即“alperujo”）的三元混合物。研究评估了四种处理方式，结合了通风（有/无）和IBA添加（0%或5%按重量计）。结果显示，IBA的添加显著提高了堆肥内部的空气流动，使氧气浓度分别提高了35%和50%。同时，氨气排放减少了高达九倍，碳单氧化物和甲烷的形成也明显降低。此外，IBA还降低了能源消耗，分别减少了160千瓦时和546千瓦时，避免了31至135千克的二氧化碳当量排放。堆肥质量也得到了改善，表现为更高的pH值、更低的电导率、较少的多酚含量和更高的发芽指数。使用回收的网球作为IBA提供了一种循环利用的解决方案，有助于降低堆肥过程中的能源消耗、温室气体排放和操作需求。然而，为了进一步优化，需要考虑原料特性、季节条件和堆肥管理策略。

堆肥是一种依赖于好氧、氧化条件的生物废物处理过程，用于将复杂和不稳定的有机化合物降解为更简单的形式。由于其好氧特性，确保堆肥堆的适当通风至关重要，以避免厌氧条件，这可能促进发酵过程。这不仅提高了堆肥效率，还确保了在可接受的时间范围内进行处理，并达到必要的温度以消毒废物（即消除病原体和破坏不需要的种子）。通风对于维持堆肥材料的化学计量氧需求、去除多余热量和干燥堆肥也非常重要。操作温度会影响所需通风量和模式（Keener et al., 1997）。为了在工业规模的风堆堆肥中实现适当的通风，可以采用多种技术。首先是机械翻堆，用于确保堆肥堆在处理初期的适当混合和在氧气水平低时进行通风。这种过程通常非常耗能，需要电力或机械能。通风过程（无论是强制空气还是翻堆）是堆肥过程中能源需求的主要来源，超过了原料准备等其他操作。此外，根据可用设备的不同，它也可能非常依赖人工。

使用填充剂代替强制通风系统或机械翻堆可以显著降低堆肥过程的成本。传统上，填充剂是有机材料，添加到堆肥堆中以增加颗粒之间的空气空间，减少厌氧条件，并防止物理压实（Haug, 2018）。重、湿或细碎的原料，如污水污泥、工业食品加工废弃物或污泥，需要添加大量填充材料以确保适当的堆肥条件。因此，本研究中用于堆肥的有机废弃物，如猪粪固相（PSSF）和橄榄加工厂废弃物（OMW）“alperujo”，由于其颗粒细小，需要显著的通风或填充剂。因此，这些材料在堆叠时留下的气体交换间隙非常有限。

填充剂通常为木质、木质纤维素材料，如修剪物、木屑或秸秆。因此，它们可能也补充碳（Maeda et al., 2018），作为碳源并平衡营养素的化学计量。然而，过度使用有机填充剂可能会无意中延长堆肥时间并降低效率（El Fels et al., 2014）。此外，填充剂的类型和颗粒大小对堆肥性能有显著影响（Gea et al., 2007）。

此前的研究已探讨了使用天然、稳定的无机填充剂，如沸石、医疗石和浮石（Wu et al., 2015；Wang et al., 2019；Jannah Abdul Hamid et al., 2020）。此外，还努力控制填充剂的颗粒大小和孔隙率，包括合成和可回收的塑料（Das et al., 2003）。然而，这些研究未考虑填充剂的大规模生产潜力及其同时再利用的可能性。网球由硫化天然橡胶芯和由37%聚酰胺纤维、13%棉和50%动物羊毛制成的毛毡层组成。它们具有高度弹性和良好的冲击吸收能力，但耐用性因使用方式而异。这些材料通常被归类为“非危险工业废弃物”（Rodríguez Aybar et al., 2023）。

因此，网球的生产与处置量非常大，由于其寿命较短。例如，在西班牙，每年约有1400万个网球被销售。目前，这些网球没有明确的使用寿命，导致大量废弃物产生。

本研究基于我们之前的工作，即探讨回收网球作为惰性填充剂在堆肥中的应用（Avi?ó-Calero et al., 2024）。本研究旨在评估使用废弃网球作为惰性填充剂（IBA）对需要大量通风的原料的影响，如猪粪固相和橄榄加工厂废弃物。这考虑了上述高能耗和高资本投入的方法。

实验设计旨在理解惰性填充剂在与强制通风对比中的影响，并评估其在堆肥过程中的能源和人力节省潜力。此外，还测试了惰性填充剂在不同季节对过程指标的影响。待堆肥的废弃物包括橄榄加工厂废弃物（OMW）、城市修剪物（UPR）和猪粪固相（PSSF）。初始原料的物理化学性质和中微量元素通过分析方法进行分析（Avi?ó-Calero et al., 2024）。这些原料的特性如表1所示。填充剂的添加量设定为5%按重量计，这是基于预测试过程指标和优化堆肥过程参数的实验结果（Avi?ó-Calero et al., 2024）。通过一项知名网球球拍供应商（Decathlon的“双弹”计划）的回收倡议，收集了约37,000个使用过的网球。这些网球从马德里的Getafe运输到西班牙的Castellón的Todolella，研究在此地进行。每个实验首先测试了没有惰性填充剂的通风情况（两个堆，一个通风，一个不通风），随后测试了含有5%填充剂的堆。网球未经过预处理或任何处理。因此，实验设计为全因子设计，测试通风和惰性填充剂的效应。四种处理包括：无通风和无填充剂（No/0%）、通风和无填充剂（Yes/0%）、无通风和填充剂（No/5%）、通风和填充剂（Yes/5%）。实验设计的总结可在表2中看到。

实验条件方面，由于实验在运行中的工业规模设施中进行，因此在与设施管理人员协商后组织，以减少对正常运营的干扰并允许继续进行。因此，在工业规模设施中进行了两个连续的堆肥实验，以测试惰性填充剂对堆肥过程的影响。实验A在较低环境温度期间进行（最高16.1°C，最低-1.4°C，平均6.6°C），从2021年10月中旬到2022年4月下旬。堆肥混合物由67%的PSSF和33%的UPR组成，这是二元堆肥混合物。实验B在较高环境温度期间进行（最高26.9°C，最低2.1°C，平均15.4°C），从2022年2月至8月。堆肥混合物由30%的橄榄加工厂废弃物、50%的PSSF和20%的UPR组成，这是三元堆肥混合物。为了确保数据可靠性，在每个采样点对所有变量进行三次测量。堆肥实验在Todolella的动物粪便处理厂的覆盖仓库中进行，采用工业规模的风堆方式。堆肥过程包括90天的生物氧化阶段和60天的成熟阶段。在每个实验阶段，使用不同比例的原料制作风堆（体积36立方米，长10米，宽2.4米，高1.5米）。风堆翻堆使用大型机械沟槽式堆肥翻堆机（HUMOFAC，EMMEPI?）。对于两个实验，每个堆在90天的生物氧化堆肥阶段翻堆13次，间隔均匀（每7天一次）。然而，实验B的整体翻堆时间更长，这是由于其堆的湿度和重量较高，特别是由于含有橄榄加工厂废弃物。实验A的翻堆时间为6小时，实验B的翻堆时间为8小时。堆的湿度每三天监测一次，通过在堆的长度上取三个独立样本进行测定。一旦确定湿度，就将所需水量编程到堆肥翻堆机中，该翻堆机配备了喷淋系统。翻堆机随后自动移动到堆上，激活喷淋系统。通风作为处理在一半的风堆中实施，发生在生物氧化阶段（0–90天），每天三次，每次10分钟。通风使用由三相异步电动机驱动的涡轮/风扇（型号D/1903-IBF-2500，Chicago Blower?）。风扇将空气导向一个带有四个空气出口的总收集器，通过阀门控制，然后引导到管道中（见图S1）。每1米在风堆的整个长度上铺设带孔管道，这些管道穿过整个风堆直径（2.4米）。每个带孔管道段用大卵石覆盖，以防止管道孔堵塞并允许空气通过。

过程参数的监测包括在生物氧化阶段每两天至三天测量堆内的温度，使用探针进行自动温度监测，测量点在风堆剖面的两个深度（0.3米和1米）处。生物氧化阶段的热指数（EXI2）计算为每天堆内温度与周围环境温度的差值的二次和（Vico et al., 2018）。在整个堆肥过程中进行了七次采样，分别在第0天、15天、30天、60天、90天（生物氧化阶段）、120天和150天（成熟阶段）。因此，在原始混合材料上进行一次采样，生物氧化阶段进行四次采样，成熟阶段进行两次采样。在每个采样日期，从整个风堆剖面的不同位置取四个子样，以制作具有代表性的最终样本。收集的样品在60°C下干燥，研磨，并筛分至0.5毫米，然后进行分析。原始材料和堆肥样品的分析按照Bustamante等人（2007）的方法进行：使用1:10（w/v）水溶性提取物测定电导率（EC）和pH值。有机质（OM）通过在430°C下燃烧24小时测定损失。总氮（TN）和总有机碳（TOC）通过自动微分析仪测定。可溶性多酚（PPH）通过改良的Folin–Ciocalteu方法在1:20（w/v）水提取物中测定（Paredes et al., 2009），发芽指数（GI）按照Zucconi等人的方法进行评估（1981）。在微波酸消化后，磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、钠（Na）和重金属的总含量通过原子吸收光谱法分析。腐植酸类物质的含量通过0.1M氢氧化钠提取物进行评估，其中腐殖酸类碳（CFA）通过酸沉淀法从腐殖酸类碳（CHA）中分离出来。

气体监测和能源消耗及二氧化碳当量（CO?eq）避免的计算方面，堆肥堆由于微生物消耗氧气而逐渐形成厌氧环境。因此，通风的判断标准是恢复堆内氧气水平（20.9%）到大气水平。气体采样使用多气体检测仪（GMI PS500，Teledyne?），连接到柔性采样管。在通风期间，将一个气密铃铛直接放置在堆表面上。测量在堆表面下约0.5米处进行，这对应于主要通风区域，同时在风堆长度的中点（5米）进行测量，以确保代表性。在生物氧化阶段，对两个实验各进行了六次采样（在第15天、30天、45天、60天、75天和90天），每个采样事件进行三次测量，以考虑空间变化。每次测量持续10分钟，对应于通风处理中的通风周期。在非通风处理中，铃铛同样放置，并记录相同持续时间的气体读数。检测仪在1分钟间隔自动记录氧气（O?）、氨气（NH?）、一氧化碳（CO）和甲烷（CH?）的浓度，提供每个10分钟监测期间的时间序列数据。记录的值代表堆肥基质中气体的浓度，并用于表征不同处理之间气体积累动力学的相对差异。由于未直接测量气体通量，因此未进行通量到排放率的转换。相反，这些浓度的趋势被解释为通风效率和堆肥堆内厌氧微环境存在的指标。适当通风所需的时间通过在90天监测期内平均这些氧气补充测量来确定。

避免的温室气体（GHG）排放通过减少能源消耗来计算，使用西班牙国家市场和竞争委员会（CNMC）发布的官方数据（CNMC, 2024）。CNMC每年发布国家能源生产的碳足迹，以CO?eq每千瓦时（kWh）表示。这对应于该国家在特定时期内能源生产配置的生态足迹。基于这些发布数据，计算堆肥厂的能源使用乘以该数量，以估算基于堆肥堆翻堆和通风操作的CO?eq生产或避免。通风系统的有功功率（P），以千瓦时（kWh）表示，通过适当的公式计算三相系统，考虑线电压、线电流和功率因数。P计算为29.63 kWh，用于通风系统，34.02 kWh用于堆肥翻堆系统。通过监测通风堆在每个实验中的气体补充时间（在实验A和B中，共四个堆），评估了适当通风所需的能量。

统计分析方面，为每个实验分别建立了统计模型，用于分析不同参数。在这些模型中，通过结合实验条件的不同变量创建了新的处理水平，得到以下水平：无通风/无惰性填充剂、通风/无填充剂、无通风/填充剂5%、通风/填充剂5%。使用ANOVA分析数据，并使用Tukey诚实显著性差异测试（α = 0.05）比较均值，使用R（v. 4.1.0）。通过Levene测试评估方差齐性，通过Shapiro–Wilk测试评估正态性。

实验结果方面，在实验A中，低温季节，堆肥堆的最大温度在0.3米深度比在1米深度更高。加入惰性填充剂后，温度在两个深度都明显较低。通风增加了超过指定温度的天数，无论是否加入填充剂。在两种情况下，惰性填充剂似乎减少了超过指定温度的天数，效果与最大温度类似。关于平均堆温度，无论在0.3米还是1米深度，均未观察到处理之间的差异。然而，在EXI2方面，处理组之间的计算值存在差异，尽管没有明显的模式（见图S3 A）。

在实验B中，进行于温暖季节，堆肥堆的最大温度通常低于实验A。最大温度在处理或超过监测阈值（40°C、50°C和60°C）方面没有明显差异，除了通风似乎在1米深度略微促进温度超过40°C。关于平均温度，No/0%处理组的平均温度较低，但这种差异不具有统计学意义（p值=0.08）。然而，在1米深度，处理组之间的差异明显：No/0%的温度最低，Yes/5%的温度最高。EXI2在两个采样深度上的差异明显。与实验A相比，实验B中惰性填充剂对EXI2的影响更为显著，呈现出明显的模式，即Yes/0% > No/0% > Yes/5% > No/5%（见图S3 B）。

实验B中，由于橄榄加工厂废弃物的存在，堆肥堆的温度上升时间较长。这可能解释了整个生物氧化阶段中普遍较低的温度，这些温度在1米深度未超过43°C。温度在0.3米处较高，但始终相对较低，从未达到70°C。这可能是因为翻堆频率过高，如气体监测和通风数据所示。然而，基于整个堆肥周期的平均温度监测（见图S3），通风和惰性填充剂的添加似乎略微增加了处理温度。值得注意的是，EXI2，代表堆内温度与环境温度的差异，明显降低了惰性填充剂的添加。这强烈表明填充剂促进了堆内空气流动。尽管整个实验的温度相对较低，但数据清楚地表明了更大的空气流动，从而促进氧化条件，这是使用惰性填充剂的目标。橄榄加工厂废弃物的物理一致性阻碍了其有效的堆肥，因此之前推荐使用有机填充剂（Cayuela et al., 2010）。

气体积累和堆肥能源消耗方面，堆肥堆中氧气（O?）、氨气（NH?）、一氧化碳（CO）和甲烷（CH?）的浓度在二元和三元堆肥堆中都有所改善（见图1和图2）。这与潜在的生物氧化条件有关，因为堆肥是一种好氧的生物化学降解过程。尽管通常预期更高的氧气化会带来更高的温度，但在实验A和B中并未一致观察到这一点。此外，IBA在生物氧化阶段明显降低了NH?的挥发。在橄榄加工厂废弃物堆肥中，添加填充剂有助于初始氮的固定，从而减少氮的损失（Bari Chowdhury et al., 2013）。NH?的挥发量取决于堆肥混合物中的初始NH??浓度，这些浓度在高pH条件下（例如高于7.5）可能挥发，或通过微生物固定（Sánchez-Monedero et al., 2001）。当通风条件不利时，微生物可能会使用硝酸盐作为氧气来源，导致反硝化并停止硝化（Tisdale et al., 1985）。尽管其他研究探讨了有机或难分解填充剂的表面化学或有机成分对氮损失的影响（Dias et al., 2010），但这些结果表明，IBA的物理效应有助于减少通过NH?挥发的氮损失。CO和CH?在没有IBA的堆中产生，表明了厌氧条件。这些气体的产生在两个实验中都被IBA的添加显著减少，表明这些气体的产生与堆肥堆物理环境的改变和增加的O?混合有关。虽然CO的产生通常与物理化学条件如温度和原料特性有关（Phillip et al., 2011），但通常认为CO是在厌氧条件下产生的。相比之下，好氧条件下CO的产生机制尚不明确（Sobieraj et al., 2023a；Sobieraj et al., 2023b）。众所周知，CH?是在有机化合物厌氧降解过程中产生的（Hao et al., 2001）。活动如强制通风和翻堆是减少其产生的方法（Lopez-Real和Baptista, 1996）。

添加惰性填充剂的能源节省方面，除了在被动空气流动中增加O?水平（见4.2节），IBA还在通风过程中帮助O?的补充，特别是在实验B中，通风需求几乎减半（见表4）。虽然没有直接测量，但这种节省很可能归因于堆中增加的空气孔隙和由IBA添加形成的空气通道，这些通道促进了更大的空气流动。这种特性对促进好氧分解、控制温度和防止导致气味和较慢堆肥速率的厌氧条件是有利的。更大的通道也意味着更低的能源需求和更小的碳足迹。在实验A中，减少的能源使用可能导致31千克CO?eq的减少，在实验B中，可能导致135千克CO?eq的减少。考虑到表4中报告的能源消耗数据和西班牙当前的电价（约每千瓦时0.30欧元），添加IBA可能在实验A中节省48欧元，在实验B中节省163欧元，如果通风调整以满足实际需求。尽管风堆翻堆未在本研究中作为实验处理，但它也是堆肥厂操作和相关成本的一个重要因素。为了估算翻堆需求的潜在减少，可以基于通风需求的相对差异计算翻堆减少。在实验A中，通风需求减少了19%，在实验B中减少了46%。使用这种方法，可以发现减少翻堆带来的能源节省可能对应于实验A中的-504千瓦时和实验B中的-1627千瓦时，分别相当于经济节省151欧元和488欧元。

堆肥特性方面，使用合成填充剂可能导致堆肥中形成微塑料（Nourozi et al., 2024）。在堆肥过程中，需要注意的是，尼龙毛毡层在大约三个循环后会从橡胶芯上脱落。每次循环后，堆肥会通过滚筒筛进行筛选，以有效回收和去除尼龙覆盖层。橡胶芯可以在多个额外循环中重复使用，而不会发生结构性降解。正如结果所示，堆肥的农学质量没有下降，也没有发现基于其物理化学性质的植物毒性证据。

在实验A中，没有惰性填充剂的堆pH值较低，而添加了填充剂的堆pH值较高（见表S2）。电导率（EC）呈现出相反的趋势，没有填充剂的堆中EC值较高，而添加了填充剂的堆中EC值较低（见表S2）。虽然在没有填充剂的堆中，pH值在实验过程中下降或保持不变，但在添加了填充剂的堆中，pH值上升（见表S2）。除了处理的影响，这些结果可能还表明了实验开始时所用材料的差异，或者堆肥过程中的条件（如环境温度）的差异。CFA和CHA呈现出非常相似的趋势。有趣的是，这两个参数在通风处理中未添加填充剂时达到最高值（Yes/0%；见表S2）。多酚水平在没有填充剂的处理中也显著较高。结合之前的数据，这可能表明这些处理中未添加填充剂的材料降解和生物氧化程度较低。

在实验B中，不同的有机物指标在处理之间表现出差异（CFA和CHA）。尽管这些差异具有统计学意义，但绝对差异并不大（见表S3）。此外，含有惰性填充剂的堆的发芽指数显著高于不含填充剂的堆（见表S3）。这表明这种处理减少了限制生长的元素。

综上所述，添加惰性填充剂（IBA）显著改善了二元和三元堆肥堆的堆肥效果，特别是降低了通风和翻堆需求。这种创新可能有助于工业堆肥厂提高堆肥效率，减少整体时间和操作成本。同时，由于减少了厌氧气体的排放和降低了能源消耗，操作的环境影响也会减少。在许多情况下，这些气体的排放可能需要除臭处理，这增加了管理的复杂性和成本。此外，堆肥质量指标也有所改善，表现为更高的pH值、更低的电导率和多酚含量，以及更高的发芽指数。这反映了更好的堆肥成熟度和稳定性。

为了确保环境安全，需要定期监测堆肥过程，以检测可能的合成残留物或微量元素的释放。尽管在最终堆肥中没有发现有害物质，但长期评估是必要的，以确认橡胶材料的重复使用不会导致土壤中污染物的逐渐积累。实施此类质量控制措施有助于确保堆肥的持续农学有效性和农业使用中的环境安全性。

因此，将废弃的网球作为IBA重新利用，代表了一种创新的循环解决方案，有助于促进更可持续的堆肥操作。未来的研究应集中在优化IBA的剂量、评估长期再利用以及在不同原料组成和气候条件下评估性能，以制定标准化的操作指南。