综述：曝气在半透膜辅助好氧堆肥中的作用：一项系统性综述

《Results in Engineering》：Role of aeration in semi-permeable membrane-assisted aerobic composting: A comprehensive review

　　

好氧堆肥是实现有机固体废物资源化处置的广泛应用技术，其核心运行调控与曝气管理密切相关。本综述系统评估了膜覆盖好氧堆肥中曝气的作用机制与研究进展，重点阐明曝气策略对温度、含水率等核心理化参数的关键调控作用，及其对温室气体与恶臭气体排放的显著影响。研究指出，曝气模式的改变会驱动细菌与古菌群落的动态演替，进而调控有机底物的降解路径与气体排放行为。本综述旨在揭示曝气策略在好氧堆肥中的影响机制，为实际工程中曝气参数的优化提供理论基础。

1. 1.
   引言
   随着农业现代化与全球城市化进程推进，有机固体废物产量呈指数级增长。好氧堆肥作为一种自发热生化过程，是将有机废弃物转化为优质肥料与土壤改良剂的核心技术，可在嗜热温度（60–65°C）下将可生物降解有机物高效转化为稳定腐殖质。然而，传统好氧堆肥系统面临严峻挑战：静态堆体因透气性受限常出现严重缺氧（氧气浓度<1%），导致甲烷（CH₄）与氧化亚氮（N₂O）大量排放——这两种温室气体的增温潜势分别为二氧化碳（CO₂）的28倍与265倍，可能引发生态灾难；同时氨（NH₃）挥发不仅造成氮素损失与恶臭污染，还降低堆肥产品品质。此外，氧气不足导致的厌氧环境会抑制嗜热微生物代谢活性，因此曝气调控研究至关重要。当前主流供氧方式包括机械翻堆、被动通风与强制通风，可通过调整翻堆频率与曝气速率优化氧气供应，但开发高效、低碳、节能的新型曝气模式仍是研究重点。间歇曝气虽在节能与减排方面展现潜力，但其在膜覆盖系统中的氧动力学、有机物分解及排放特征仍需深入解析。半透膜覆盖好氧堆肥作为前沿技术，全球已应用超200个项目，其核心材料为膨体聚四氟乙烯（e-PTFE），平均孔径仅0.2 μm，三维絮状结构允许气体与水蒸气小分子透过，同时阻隔粉尘与气溶胶大分子。结合底部通风时，半透膜与堆体孔隙形成的正压环境可显著提升氧气渗透深度与范围，维持堆体微正压以改善氧利用率并减少厌氧区。研究表明，该技术可使CO₂、CH₄与N₂O排放量分别降低73%、96%与80%；相较于无膜堆肥，覆盖系统可使沼渣堆肥的NH₃与硫化氢（H₂S）排放降低58.64%与38.13%，污泥堆肥周期缩短至30天，猪粪-小麦秸秆体系CH₄排放降低22.42%。尽管膜覆盖技术已有效应用于减排，但不同曝气策略与其协同效应的机制尚未明确，亟需深入研究以优化工艺、提升堆肥品质并降低环境污染。
2. 2.
   好氧堆肥中的曝气方法
   氧气浓度的精准监测与调控是好氧堆肥的核心，堆体内氧气水平随时间波动显著：升温阶段与高温维持初期停气后5分钟内氧气即被耗尽，而高温后期与降温腐熟期储备氧可持续消耗30分钟与50分钟。封闭反应器系统的适宜氧浓度阈值尚存争议（5%–20%），但研究证实氧浓度低于10%时好氧微生物代谢近乎停滞。主流曝气方法包括三类：自然通风依赖堆体温度梯度或底部风道自然对流实现被动供氧，运营成本低、能耗少，适用于小规模系统，但堆芯易持续缺氧引发厌氧发酵，导致H₂S与CH₄释放，且难以维持嗜热阶段，病原菌灭活与杂草种子杀灭不彻底，堆肥有机质降解不完全、腐殖化程度低；研究显示传统静态堆肥（自然通风）峰值温度仅61.95°C，中下层氧浓度长期低于1%，而半透膜覆盖结合间歇曝气可使CH₄与N₂O排放分别降低99.89%与60.48%。翻堆曝气通过定期人工或机械翻堆混合物料并引入氧气，灵活性高，适用于条垛堆肥与秸秆、餐厨垃圾等多种原料，可打破结块、提升孔隙度以促进均匀分解，但频繁翻堆能耗与人力成本高，且翻堆过程中易造成氮素损失与温湿度波动；机械翻堆可细化物料颗粒、提升腐熟度，能使堆温快速升至70°C以上并维持约70天，堆肥品质达标但能耗较高。强制曝气是研究最广泛的方法，分为连续曝气与间歇曝气：间歇曝气相较于连续曝气可降低温室气体排放与能耗，但过低通风速率反而会增加排放；其可通过传感器调节通风速率实现精准供氧，适用于规模化工业堆肥，可使分解周期缩短30%–50%，但设备成本与能耗较高，能保障高腐熟度、稳定高温期与充分矿化，提升腐殖质含量；研究表明膜覆盖系统中，10分钟开/10分钟关的间歇曝气比10分钟开/30分钟关的模式更能有效调控温室气体排放与微生物群落，两种模式的发芽指数（GI）均>80%，达到腐熟标准，且间歇曝气组NH₃与N₂O累积排放分别降低24.37%与13.01%。组合曝气融合多种方法（如强制曝气+翻堆、穿孔管曝气+翻堆），可进一步提升减容效果：冬季低温环境下，强制曝气（42–48 m³·min^-1，曝气4分钟停10分钟）结合翻堆（每2天1次）与环境温控，可使污泥堆肥NH₃排放降低46%–60%，温室气体排放降低约55%；穿孔管微曝气结合翻堆可延长嗜热期、提升木质素降解率、增加硝态氮（NO₃^--N）保留并降低能耗。综上，各类曝气方法各具优劣：自然通风氧效低、无能耗、周期长（3–6个月）、品质低、除臭差、适用于家庭/小规模；翻堆曝气氧效中等、能耗中等、周期中（2–4个月）、品质中等、除臭一般、适用于农场/社区；强制通风氧效高、能耗高、周期短（1–2个月）、品质高（均匀）、除臭好、适用于工业场景；组合曝气氧效极高、能耗高、周期最短（<1个月）、品质最优、除臭极佳、适用于中大尺度。
3. 3.
   曝气对膜覆盖堆肥中温室气体与恶臭的影响
   碳氮比、含水率、添加剂、调理剂、温度、堆体尺寸与曝气条件等均会影响好氧堆肥温室气体排放，其中曝气条件因直接决定堆体氧供应水平被视为最关键因素。N₂O与CH₄是缺氧条件下的主要排放源，中国温室气体公报显示CO₂、CH₄与N₂O分别占长效温室气体总排放的66%、17%与6%，减排需求迫切。

3.1 二氧化碳（CO₂）

微生物以有机碳为碳源支持生长代谢，将其转化为CO₂，因此CO₂排放是评估微生物活性与有机质分解速率的核心指标。微生物在堆肥中具有双重作用：一方面通过合成代谢将碳固定为难降解的高腐殖质化合物，另一方面通过分解代谢向大气释放CO₂；此外甲烷氧化菌可将CH₄氧化为CO₂。堆肥初期CO₂排放快速上升并达峰值，反映微生物群落快速建立；随后进入嗜热期，鸡粪与污泥中易降解有机物被优先消耗，可利用碳源枯竭导致排放下降。曝气频率通过调控氧可用性显著影响CO₂累积排放，增强氧扩散与维持微生物活性可促进矿化作用；膜材料的气体交换限制会导致CO₂在堆内滞留，可能影响微生物过程。研究显示，采用e-PTFE膜（孔径0.2 μm）、平均曝气速率220.0 m³·h^-1、间歇曝气周期10分钟开/40分钟关的实验组，较无干预组CO₂与CH₄排放分别降低78.68%与99.97%，表明曝气频率通过氧介导的微生物代谢调控CO₂生成，而膜透性决定排放路径，优化二者协同是提升堆肥效率与控排的核心策略。

3.2 甲烷（CH₄）

CH₄是全球增温潜势（GWP）为CO₂28倍的重要人为温室气体，2020年全球大气CH₄浓度达工业化前2.62倍（1889±2 ppb）。好氧堆肥CH₄排放集中于高温发酵阶段的好氧受限区域，约占饲料总碳含量的2%–6%。CH₄生成受产甲烷菌与甲烷氧化菌共同调控：产甲烷过程由严格厌氧的甲烷古菌完成，甲基辅酶M还原酶（MCR）是关键酶，其编码基因mcrA可作为环境产甲烷菌的检测靶标；甲烷氧化则由颗粒甲烷单加氧酶（pMMO）催化。堆肥初期微生物活跃耗氧，堆体厌氧区产生CH₄；进入嗜热期后产甲烷菌受抑制，CH₄释放速率下降；好氧条件不利于CH₄生成。研究显示，冷却阶段10分钟开/30分钟关的间歇曝气比10分钟开/10分钟关的模式CH₄排放更高，可能因氧限制与30天翻堆后残留有机物加速降解所致，证明优化曝气间隔可显著降低CH₄排放，10分钟开/10分钟关模式的CH₄排放量较10分钟开/30分钟关模式低9.68%。

3.3 氧化亚氮（N₂O）

N₂O是堆肥释放的含氮化合物，GWP为CO₂的298倍，会破坏平流层臭氧层，其排放占堆肥总氮损失的1.23%–4.16%，来源包括硝化与反硝化过程，但膜覆盖高温好氧堆肥中两过程的贡献占比尚不明确。不完全硝化过程中，NH₃经氨单加氧酶（AMO）与羟胺氧化还原酶（HAO）依次氧化生成羟胺（NH₂OH）与次亚硝酸（NOH）中间体，聚合脱水形成N₂O；反硝化过程中，亚硝酸还原酶将亚硝酸根（NO₂^-）转化为一氧化氮（NO），再经一氧化氮还原酶作用生成N₂O。堆肥N₂O生成同样源于硝化与反硝化：中温阶段为主要排放期，峰值出现在堆肥启动初期，主要来自原料中NO_x^--N的反硝化；冷却阶段则因累积NO_x^--N的热反硝化产生额外排放；而嗜热条件（>40°C）可抑制硝化与反硝化细菌，大幅降低高温期N₂O排放。针对玉米秸秆-猪粪（湿重比7:1）混合堆肥，最优曝气策略为：第9、22、36、51天翻堆；高温期含水率>55%，腐熟期45%；瞬时曝气速率0.54 L·kg^-1干物质（DM）·min^-1，平均0.36 L·kg^-1DM·min^-1，周期40分钟曝气/20分钟暂停；36天可达腐熟，较同平均速率连续曝气总温室气体排放降低17.8%，36天末减排率达47.4%，同时降低NH₃与CH₄排放、提升氧利用率并节能。静态堆肥N₂O排放最高，间歇曝气则在能效与控排间实现最佳平衡。

3.4 曝气对恶臭排放（NH₃与挥发性有机物VOCs）的影响

堆肥恶臭主要来自NH₃与挥发性有机物（VOCs，含H₂S、二甲基硫醚、萜烯类等），其中NH₃是首要恶臭污染物，占堆肥总氮损失的73.68%–94%，其碱性特质易与大气中酸性气体中和生成硫酸铵与硝酸铵，成为大气颗粒物核心组分；同时NH₃刺激皮肤与黏膜，危害人体健康。合理设置的间歇曝气通常较连续曝气降低NH₃排放：餐厨垃圾消化残渣堆肥采用“1小时开/1小时关”的间歇曝气，NH₃与N₂O排放分别降低63.1%与75.7%；曝气阶段的气流会带走更多水蒸气，促进NH₃吸收，从而实现减排。单一温室气体的曝气优化常导致其他气体排放增加，例如高曝气可能降低CH₄但加剧N₂O与NH₃排放。可采用分阶段曝气策略破解该矛盾：中温期采用低强度曝气促进快速升温，允许少量CH₄排放；高温期提升至中高强度曝气维持好氧条件，抑制N₂O生成；腐熟期采用10分钟开/30分钟关的间歇曝气，减少厌氧微区CH₄生成；还可基于传感器反馈部署多目标优化算法实现动态调控。

1. 4.
   曝气对膜覆盖堆肥微生物区系的影响
   微生物多样性是决定堆肥运行效率的核心特征，功能相似的分类单元构成群落基石，不同功能群落协同调控堆肥碳氮转化过程。高通量测序技术的发展推动了对堆肥微生物群落组成与演替的认知，解析膜覆盖下的群落演替有助于揭示其生物学过程。膜覆盖会塑造独特的微生物群落结构：以猪粪-小麦秸秆为原料时，细菌优势门为厚壁菌门（Firmicutes）、变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、放线菌门（Actinobacterias）等，优势属包括Cerasibacillus、Pusillimonas等；沼渣-花生秸秆体系中细菌优势门为变形菌门、拟杆菌门等，优势属包括Pseudomonas、Bacillus等；蛋鸡粪-蘑菇渣体系中真菌优势门为子囊菌门（Acomycota）、担子菌门（Basidiomycota）等，优势属包括Mycothermus、Coprinopsis等。不同曝气策略会差异化调控各阶段微生物群落演替：堆肥通常经历中温期（中温菌主导，快速分解易降解有机物）、嗜热期（嗜热类群主导，降解木质纤维素）、腐熟期（中温种群重建，促进腐殖化）三个阶段。升温期，强制曝气下芽孢杆菌目（Bacillales）占主导，其次为乳杆菌目（Lactobacillales，11.7%）、梭菌目（Clostridiales，9.7%）与黄杆菌目（Flavobacteriales，5.2%）；翻堆曝气下变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门与子囊菌门被富集，前两门占总序列的59.6%–76.8%；间歇曝气下厚壁菌门（>60%）、变形菌门与拟杆菌门占优，促进易降解底物快速矿化与升温。嗜热期，强制曝气系统协同富集放线菌目（Actinomycetales）、伯克氏菌目（Burkholderiales）与假单胞菌目（Pseudomonadales），前者携带多糖降解酶基因负责大分子有机物初始水解，后两者富集nirK与norB基因驱动反硝化，提升氮损失与碳氧化的平衡效率；翻堆系统中绿弯菌门（Chloroflexi）取代变形菌门成为优势门，厚壁菌门进一步富集，耐温属Novibacillus与Bacillus成为优势类群；间歇曝气下厚壁菌门增殖主导复杂有机物降解，变形菌门随温度升高显著下降。腐熟期，翻堆系统中放线菌相对丰度从高温期的12%升至38%，宏基因组显示其携带fhs、poxC与mnp基因，催化木质素衍生物氧化交联与腐殖酸生成，漆酶与锰过氧化物酶活性达峰；间歇曝气系统此时放线菌酶活性低约40%，腐殖化指数较低，证明曝气模式通过调控放线菌代谢强度而非仅丰度影响腐熟品质。综上，不同曝气模式下微生物演替特征差异显著：强制曝气升温期以Bacillales为主，升温快（1–2天达60°C）、蛋白脂类分解高效；高温期黄杆菌目与伯克氏菌目主导，高温耐受纤维素酶（GH48）高表达；腐熟期鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）主导，腐殖酸合成基因活跃。翻堆曝气升温期变形菌门与拟杆菌门主导，升温不均；高温期绿弯菌门与厚壁菌门主导，木质素降解速率中等；腐熟期放线菌门与Melanocarpus主导，腐殖酸含量中等。间歇曝气升温期变形菌门与厚壁菌门主导，升温稍缓（2–3天达50°C）；高温期芽孢杆菌属（Bacillus）主导，木质素降解基因高表达；腐熟期放线菌门与芽孢杆菌属主导，腐殖酸含量高。现有研究存在不一致性：如间歇曝气高温期变形菌门占比40%–50%与厚壁菌门占比>60%的差异，可能与初始碳氮比（25 vs. 35）及曝气频率（30 min/h vs. 15 min/h）有关，需进一步开展交互协变量分析。
2. 5.
   结论与展望
   曝气是膜覆盖好氧堆肥系统的核心调控因子，显著影响工艺效率与环境效益，其通过调控堆肥基质理化演化、温室气体与恶臭排放特征、微生物群落动态三个维度发挥作用，优化曝气参数对提升工艺效率、改善堆肥品质、降低环境影响具有重要潜力。未来研究应聚焦三个方向：一是优化曝气参数与膜性能的协同机制，明确曝气频率、速率、时长与膜透性的交互作用，在实现有效供氧的同时最小化气体排放；二是阐明覆盖堆肥的温室气体减排代谢通路，解析曝气对硝化/反硝化细菌、产甲烷菌、甲烷氧化菌等关键功能微生物代谢途径的影响，将机制认知转化为可操作的精准控排策略——如利用间歇曝气抑制产甲烷代谢、调整曝气速率规避N₂O产生的关键反硝化条件、通过氧反馈控制维持硝化-反硝化平衡；三是深化曝气对微生物群落互作机制的认知，明确种群间相互作用及其在堆肥过程中的功能角色，推动高效堆肥技术发展。通过上述研究，可深化对膜覆盖堆肥系统的科学认知并推动有机废物管理的实用化进展。基于微生物群落动态与气体排放通路的精准曝气技术开发，有望变革畜禽粪污处理模式：膜覆盖结合精准曝气可使牛粪堆肥CH₄减排70%–99.9%、N₂O减排45%–60.5%、总温室气体减排17%–72.4%、氨挥发降低23%–90.8%，且较传统工艺在资源回收、投资与运营成本方面均具显著优势，将为可持续农业发展与生态环境保护提供可复制、可推广的技术路径。