无机蓬松剂重塑微生物共现网络和功能类群以差异性减缓污泥堆肥中的 NH3 和 N2O 排放

《Journal of Water Process Engineering》：Inorganic bulking agents reshape microbial co-occurrence networks and functional guilds to differentially mitigate NH 3 and N 2O emissions in sludge composting

【字体：大中小】 时间：2026年10月24日 来源：Journal of Water Process Engineering 6.6

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　　 •火山岩、沸石和陶粒用于污泥堆肥。•无机辅料延长了高温阶段并促进了有机质降解。•无机辅料重塑微生物群落，使其具有更高的功能。•添加沸石和陶粒减少了NH3和N2O的排放。•沸石增强了堆肥过程中的硝化和反硝化作用。引言污泥是废水处理过程的副产品，由于城市化进程加速以及相应的废水处

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火山岩、沸石和陶粒用于污泥堆肥。
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无机辅料延长了高温阶段并促进了有机质降解。
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无机辅料重塑微生物群落，使其具有更高的功能。
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添加沸石和陶粒减少了NH₃和N₂O的排放。
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沸石增强了堆肥过程中的硝化和反硝化作用。

引言

污泥是废水处理过程的副产品，由于城市化进程加速以及相应的废水处理能力的扩展，中国的污泥产量迅速增加。到2022年，污泥年产量（干基）已达到1560万吨。污泥含有有机物、病原体和其他污染物，容易分解并产生异味，其渗滤液会污染土壤和地下水。因此，污泥的安全处置受到了广泛关注[1]。另一方面，大量氮和磷等植物营养元素使得污泥在适当处理后成为生产有机肥料的潜在资源[2]，[3]。例如，堆肥可以有效地消除污泥中的病原体并降解有害物质，同时有机质通过微生物代谢转化为稳定的腐殖质，为将污泥转化为有价值的有机肥料提供了一种环保途径。

由于污泥固有的低碳氮比（C/N），堆肥过程中大量氮以NH₃、N₂O和N₂的形式损失[4]。NH₃和N₂O排放分别占总氮损失的79–94%和0.2–9.9%[5]，这导致严重的恶臭污染并加剧了温室效应。此外，传统的污泥堆肥通常依赖添加有机辅料——如玉米秸秆、锯末和菇渣——来调节原料的关键物理化学性质，包括C/N比、含水率（MC）和孔隙率[3]，[6]，[7]。然而，这些有机辅料的供应往往具有季节性不稳定，其质量还可能受加工方法、运输和储存条件的影响，导致成本高且性能不一致。这些条件阻碍了它们在大规模污泥堆肥中的广泛应用。因此，堆肥添加剂的高成本以及NH₃和N₂O的排放是污泥堆肥规模化的主要限制[8]，[9]，[10]。

近年来，无机添加剂作为潜在的替代品受到了关注。以往研究报告称，重过磷酸钙、磷石膏、膨润土、生物炭和FeSO₄等材料可以有效减少NH₃和N₂O的排放[11]，[12]，[13]，[14]，[15]。例如，将FeSO₄和生物炭引入牛粪和稻草堆肥中，发现可以减少NH₃和N₂O的释放[15]。同样，在污泥堆肥中应用可回收的浮石可以促进有机质的分解并减少NH₃的排放[16]。这些发现表明，无机辅料——具有可回收性和更广泛的可用性——代表了一种可行的策略来增强堆肥腐熟度并控制气体排放。然而，大多数以往研究主要集中在单一类型的无机辅料上，不同无机辅料之间的比较仍然缺乏。特别是，其潜在机制，尤其是与微生物群落和功能基因相关的机制，仍知之甚少。

为了填补这些空白，本研究评估了三种不同的无机辅料（火山岩、沸石和陶粒）在污泥堆肥中的应用。持续监测了污泥性质的时间变化和气体释放情况，以研究无机辅料对腐熟度和气体排放的影响。此外，对微生物群落组成、共现网络以及参与氮代谢的功能基因的分析进一步阐明了减少NH₃和N₂O排放的机制。研究结果有望为全规模污泥堆肥运营中的恶臭和温室气体减排提供理论见解和实践指导。

章节摘要

堆肥原料和无机辅料

堆肥用的原始污泥含水率为50–60%，采集自四川省成都市一家污泥干燥厂，干燥温度为70–120 °C。三种常见的无机辅料（火山岩、沸石和陶粒），直径为2 cm，分别购自辽宁、河南和湖南省。所有原料的初始物理化学性质见表1和图S1。

实验设计

每种处理在一个单半透膜

堆肥产品的物理化学性质

堆肥过程中基础性质的时间变化如图1和图S2所示，包括温度、VS、TC、TN、pH值和MC。温度是评价堆肥成功和微生物群落结构演替的最重要指标[22]。在30天的实验中，所有四组的温度分为四个阶段：升温阶段、高温阶段、降温阶段和腐熟阶段（图1a）。在CK组中，高温阶段（>50

结论

本研究使用了三种无机辅料来替代昂贵的有机原料进行污泥堆肥，同时减少NH₃和N₂O的排放。结果证明无机辅料可以启动堆肥过程、延长高温阶段、提高产品腐熟度，并将微生物共现网络重塑为更流畅、模块化和稳健的结构。此外，添加沸石促进了稳健的、功能特化的

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利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报道的工作。

致谢

本研究得到国家重点研发计划（2022YFD1601100）、四川省科技计划（2024NSFSC0881）和中华人民共和国农业农村部农村厕所与污水处理技术重点实验室（KLRTSTTMARA2024-2）的支持。

引言