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随着有机废弃物原位处理需求攀升，堆肥反应器应用广泛，但大型反应器研究匮乏。本研究聚焦 90 m3 筒仓式堆肥反应器，探究曝气模式和速率对堆肥效果及氮转化影响。发现不同曝气模式下有不同变化，为优化堆肥工艺提供依据，推动有机废弃物处理技术发展。
在当今社会，有机废弃物如农场粪便、城市污泥和厨余垃圾等的产生量与日俱增，如何高效、环保地处理这些废弃物成为了亟待解决的问题。堆肥处理作为一种常见的有机废弃物处理方式，能将废弃物转化为有价值的肥料，实现资源的循环利用。其中，反应器堆肥凭借其对温度、湿度、气体排放和堆肥质量的良好控制能力，受到了广泛关注。
然而，目前大多数堆肥反应器的研究都是基于小型实验室规模，对于大型反应器的研究相对较少。这使得在实际应用中，大型堆肥反应器面临着诸多技术挑战，难以充分发挥其优势。同时，氮元素在堆肥过程中起着至关重要的作用，它是微生物生长的必需元素，直接影响着堆肥的进程。但氮元素在堆肥过程中的转化复杂，受到多种因素的影响，其中曝气模式和速率对氮转化的影响尚不明确。因此，开展关于大型堆肥反应器中曝气模式和速率对氮转化及相关过程影响的研究迫在眉睫。
为了解决这些问题，国内研究人员针对 90 m3 的垂直筒仓式堆肥反应器展开了研究。该反应器集多种功能于一体，适用于中低规模农场的有机废弃物原位处理。研究人员以稻壳和污泥为原料，设置了不同的曝气模式和速率，对堆肥过程中的各项指标进行监测和分析，旨在揭示曝气对堆肥效果、氮转化以及微生物群落的影响机制。
研究结果表明，24 小时不间断曝气模式（K60T0）有利于堆肥温度升高，最高可达 78°C。不同曝气模式下，下层的发芽指数（GI）值始终超过 80%，表明堆肥在下层达到了较高的无害化程度。在氮转化方面，除 K60T0 外，总氮含量随着曝气时间的增加而逐渐上升；氨氮含量也呈上升趋势，这是因为曝气增强了氨化细菌的活性，促进了含氮有机化合物向氨氮的转化。硝酸盐氮含量则呈现波动变化，中层含量最低，这与反应器中不同位置的氧气含量有关，硝化反应需要有氧环境，而反应器上下层氧气含量高于中层。在不同曝气模式下，上层的酰胺氮和有机氮含量在 K50T10 模式下达到最高，分别为 5.93 g/kg 和 2% 。
在细菌群落方面，研究发现不同曝气模式下，堆肥中主要的细菌门包括厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）。其中，厚壁菌门是优势菌门，其相对丰度随着曝气时间的延长总体呈现先下降后上升的趋势，且与有机碳含量的变化趋势一致，这表明厚壁菌门在有机物质的降解过程中发挥着重要作用。在属水平上，不同层的优势菌属有所不同，其中尿芽孢杆菌属（Ureibacillus）在各层都有较高的相对丰度，且与有机碳含量变化趋势一致，它可能参与了堆肥过程中有机物质的分解，尤其是木质纤维素的降解。此外，研究还发现不同曝气模式改变了反应器内的氮循环功能，上层的反硝化作用较弱，而中层和下层较强，这与不同层的硝酸盐氮含量结果相吻合。
该研究成果发表在《Environmental Technology》上，为大型堆肥反应器的实际应用提供了重要的理论依据和实践指导。通过优化曝气模式和速率，可以提高堆肥效率，减少氮素损失，提升堆肥质量，从而推动有机废弃物堆肥处理技术的发展，实现有机废弃物的资源化利用，对环境保护和农业可持续发展具有重要意义。
研究人员采用了多种关键技术方法。在样本采集方面，每日从反应器的上、中、下三层不同角度采集样本，混合后分为两份进行不同处理。在指标检测上，运用多种标准方法测定温度、水分含量（MC）、pH、有机碳、发芽指数（GI）值、各类氮含量等指标。利用高通量 16S rRNA 基因焦磷酸测序技术分析细菌群落组成，并通过功能注释原核生物分类群（FAPROTAX）软件预测细菌群落的氮循环功能。
在堆肥的理化特性方面，随着曝气时间增加，温度逐渐上升，K60T0 模式下温度最高。水分含量逐渐降低，pH 值逐渐升高，且上层 pH 值相对较低，下层相对稳定。有机碳含量在不同层呈现不同变化趋势，K50T10 模式利于上层有机物降解，K60T0 模式利于下层有机碳降解。GI 值在上下层先升后降，中层逐渐下降，K50T10 模式更利于发酵反应。
氮转化方面，总氮含量在上层先升后降，K50T10 模式最利于保氮，中下层逐渐上升。氨氮含量各层均逐渐上升，K40T20 及以上曝气模式更有利于堆肥反应。硝酸盐氮含量上层下降，中下层上升，K30T30 模式下含量最高。酰胺氮和有机氮含量在不同层呈现先升后降趋势，不同曝气模式对其形成的影响不同。
细菌群落动态方面，在门水平上，优势菌门与有机物质降解密切相关。在属水平上，不同层优势菌属不同，部分菌属与有机物质分解、腐殖化相关。通过预测发现，堆肥过程中主要的氮循环代谢包括硝酸盐呼吸、硝酸盐还原和氮呼吸，不同曝气模式改变了氮循环功能。
综上所述，本研究明确了曝气模式和速率对筒仓式堆肥反应器中堆肥效果、氮转化和细菌群落组成的影响。研究结果有助于优化堆肥工艺参数，提高堆肥质量和效率，减少氮素损失，为有机废弃物的高效处理和资源化利用提供了科学依据，对推动堆肥行业的发展具有重要的理论和实践意义。
