《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Effects of copper- and iron-based Fenton-like treatments on ammonia emissions during sewage sludge composting: microbial mechanisms under oxidative environments
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本研究构建铜基和铁基Fenton-like氧化系统，通过添加铜氧化物、纳米铁氧体和过氧化氢至污泥堆肥基质，评估其对氨排放的抑制效果。结果表明铁基处理（NFH）显著降低氨排放（40.76%），铜基处理（CH）降低27.31%。NFH通过第3天启动的Fenton反应生成活性氧，促进铵向硝酸盐转化。微生物分析显示假单胞菌和放线菌是关键物种。两种处理均加速堆肥进程并减少氨排放，通过优化氧化环境与调控微生物群落实现协同减排。
Zexin Xie|Bichao Tang|Fang Luo|Yifa Wang|Xue Dong|Zhanbo Hu
广西大学资源环境与材料学院，中国南宁，530004
摘要
污泥堆肥过程中常常伴随着大量的氨气排放。过量的氨气释放不仅会恶化空气质量，还会导致氮元素的损失，降低最终堆肥产品的营养价值。在本研究中，通过向堆肥基质中添加氧化亚铜、纳米Fe?O?和过氧化氢，构建了一种基于铜和铁的类芬顿氧化系统。通过表征类芬顿反应、量化氮元素转化过程以及进行微生物群落分析，评估了该系统在促进氮硝化作用和减少氨气排放方面的效果。结果表明，基于铜的处理方法（CH）使氨气排放量减少了27.31%，而基于铁的处理方法（NFH）则减少了40.76%。NFH组在氨积累高峰期更早地引发了类芬顿反应，产生了丰富的活性氧物种，从而增强了氨的转化并减少了氨的挥发。相比之下，CH组更有效地促进了有机物的降解和腐殖化过程。在类芬顿系统诱导的氧化胁迫下，假单胞菌和放线菌表现出较强的环境适应性，并成为影响氨气排放的关键菌类。总体而言，基于铜和铁的类芬顿处理方法通过提高硝化效率并调节氮转化微生物群落的活性，加速了污泥堆肥过程并减少了氨气排放。
引言
随着城市化进程的加快和污水处理量的持续增加，高效且经济可行的污泥稳定化处理已成为亟待研究的焦点[31]。与传统的处理方法（如卫生填埋[36]和热干燥[36], [66]）相比，好氧堆肥为污泥减量、病原体灭活和资源回收提供了更可持续的途径。由于其环保性和低运营成本，好氧堆肥被认为是污泥处理和处置中最有前景的技术之一[12]。然而，在好氧堆肥过程中，含氮气体的释放（尤其是氨气）会导致氮元素的损失，从而影响空气质量并降低最终堆肥产品的农用价值[9]。
在堆肥的高温阶段，升高的pH值和温度共同作用促进了铵态氮（NH??-N）的挥发，形成氨气（NH?），这占整个堆肥过程中释放的含氮气体的90%以上[47]。通过硝化作用将铵态氮转化为更稳定的硝酸盐和亚硝酸盐被认为是减少氨气排放的有效策略[14]。先前的研究表明，增加氧气供应[3]、接种硝化细菌[3]以及添加氧化剂[35]可以促进好氧堆肥过程中的氮转化。这些方法已被证明能有效增强NH??-N的硝化作用并减少氨气排放。然而，这些方法往往缺乏长期效果，因为在堆肥的中后期NH??-N浓度会反弹，导致二次氨气排放[55]。因此，迫切需要开发一种更可持续且高效的方法来持续促进硝化作用。将持久性氧化系统引入堆肥过程是一种有前景的方法，可以维持高氧化环境，从而促进硝化作用并最终减少氨气排放。
芬顿和类芬顿氧化系统通过过渡金属催化过氧化氢的分解产生高活性的羟基自由基（•OH），为堆肥堆提供了持久且高氧化性的环境[18]。先前的研究表明，类芬顿处理可以用于降解难降解的有机物，提高堆肥产品的腐殖化程度，并去除微塑料和抗生素抗性基因等污染物[32], [38], [6], [60]。
两项最近的研究表明，在好氧堆肥的高温阶段，基于Fe?O?的纳米材料类芬顿系统可使NH??-N浓度降低71.2-74.4%，同时使NO??-N浓度增加83.6-93.7%[32], [60]。通过抑制这一阶段的铵态氮积累，这些系统可能有效减少氨气排放[33]。同样，Yang等人报告称，在好氧堆肥堆中添加磁铁矿可使NH??-N浓度在高温阶段降低超过65%，并使氨气排放量减少67.5%[64]。这种减少归因于少量原位生成的H?O?引发的局部类芬顿反应。除了类芬顿系统的化学效应外，好氧堆肥过程中与氮转化相关的微生物群落也会因类芬顿处理而发生改变和演替。另一项研究观察到，在类芬顿反应产生的氧化压力下，拟杆菌门和变形菌门的相对丰度最初下降，但随着时间的推移微生物群落逐渐恢复[28]。这两个门类被认为是好氧堆肥过程中氮转化的关键贡献者[15]。总体而言，类芬顿处理通过影响氮循环相关的微生物活性和群落演替，从而对氨气排放产生复杂的调节作用[34]。尽管类芬顿系统能够促进堆肥基质中铵向硝酸盐的转化并显示出促进硝化的潜力，但常用的基于铜和铁的类芬顿系统的实际氨气减排效果及其背后的化学和微生物机制仍不甚明了。
在选择堆肥用类芬顿系统催化剂时，基于铜的催化剂在中性至碱性条件下表现良好。Cu+/Cu2+氧化还原循环比Fe2+/Fe3+循环进行得更快[46], [67]，同时Cu+和Cu2+在堆肥过程中作为酶激活剂促进腐殖质形成[38]。此外，基于纳米铁的催化剂具有较高的pH适应性、化学稳定性和磁性响应性，在实际应用和催化剂回收方面具有优势[19]。这些催化剂还能显著增强类芬顿反应的动力学，从而促进活性氧的生成并减少对活化剂H?O?的依赖[29]。在堆肥过程中，有机氮向NH??-N的转化和NH?的释放主要发生在早期阶段。有机氮的矿化和随后的硝化过程也与活性氧的生成密切相关。因此，不同类型的类芬顿催化剂可能会导致堆肥过程中氮转化和氨气排放的显著差异。然而，目前的研究缺乏对不同类芬顿系统在氨气减排效果和作用机制方面的系统比较。
本研究进行了为期36天的好氧堆肥实验，将CuCl和纳米Fe?O?均匀加入污泥中作为类芬顿催化剂。通过综合分析物理化学参数、氮物种转化和微生物群落特征，评估了这些处理方法的效果和作用机制。具体而言，本研究旨在：（1）评估类芬顿处理对好氧堆肥过程中物理化学变化和腐殖化过程的影响；（2）阐明类芬顿处理如何影响氧化环境的形成、氮转化途径和氨气排放；（3）明确负责氨气减排的微生物机制，特别关注氮转化微生物的活性和群落演替。
部分内容摘录
堆肥材料和实验设计
本研究的堆肥实验使用了来自中国广西南宁市朗东污水处理厂的市政污泥。用于调节堆肥堆物理化学性质的稻壳和秸秆以及有效的微生物菌株（EM）均为市售产品。在堆肥过程中，为了确保基本的加热和腐殖化过程，采用了先前研究中的两种芬顿催化剂。
堆肥过程中的基本性质和成熟状态
堆肥的成功成熟很大程度上取决于关键物理化学参数，包括温度、pH值、电导率（EC）和葡萄糖指数（GI）。这些参数不仅是堆肥质量的指标，还调节着驱动堆肥过程的众多化学和生物反应。CK组在第3天达到63.9°C的峰值温度，并连续三天保持温度在55°C以上。CH组在第2天达到69.5°C的峰值温度，而NFH组
结论
在采用不同催化剂的两个类芬顿处理组中，CH组的H?O?浓度和活性自由基产量均增加了40%以上，这归因于铜离子的催化活性，从而更有效地促进了有机物的分解和腐殖化。因此，CH组的总氨气排放量减少了27.31%（93.59 mg/kg）。相比之下，NFH组更早地引发了类芬顿反应，从第3天开始
CRediT作者贡献声明
Fang Luo：撰写——初稿、调查、数据管理。Bichao Tang：撰写——审稿与编辑、项目管理、正式分析。Yifa Wang：调查、正式分析、数据管理。Zhanbo Hu：监督、项目管理、方法论、概念构思。Xue Dong：调查、正式分析、数据管理。Zexin Xie：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、数据管理。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Zhanbo Hu表示获得了中国广西重点研发计划（项目编号AB23075113）的财政支持。Zexin Xie和Zhanbo Hu表示获得了南宁创新创业领军人才 Yongjiang 计划（2022015）的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有其他已知的
