《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Regulating passively aerated static composting of swine manure with bulking agents for enhanced pathogen elimination and humification
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摘要被动通风静态堆肥技术被广泛用于小型农场中的猪粪就地处理，但该技术往往存在病原体消除不彻底以及腐殖化效果不佳的问题。本研究旨在探讨不同填充剂，如玉米秸秆、甘蔗渣和烟草粉，如何改善堆肥堆的物理化学性质，从而促进微生物群落的更替，提升腐殖质形成效率并实现病原体灭活。研究结果表明，玉
摘要
被动通风静态堆肥技术被广泛用于小型农场中的猪粪就地处理，但该技术往往存在病原体消除不彻底以及腐殖化效果不佳的问题。本研究旨在探讨不同填充剂，如玉米秸秆、甘蔗渣和烟草粉，如何改善堆肥堆的物理化学性质，从而促进微生物群落的更替，提升腐殖质形成效率并实现病原体灭活。研究结果表明，玉米秸秆和甘蔗渣在改变堆肥结构、增加氧气供应以及维持较长的高温阶段方面尤为有效。这些条件有助于丰富关键的功能性细菌种类，尤其是嗜热性的厚壁菌门细菌和能分解木质纤维素的放线菌，进而推动有机物向腐殖质的转化。在猪粪的被动通风静态堆肥过程中，玉米秸秆、甘蔗渣和烟草粉分别使有机质降解指数提升了755.4%、700.0%和665.4%，而玉米秸秆和甘蔗渣使腐殖质含量相比烟草粉分别提升了18.2%和19.7%。此外，微生物群落的优化更替以及随之而来的有机物降解作用，对病原体具有直接的抑制效果。因此，本研究为提升畜禽粪便就地处理的安全性和成熟度提供了一种简单实用的策略。
引言
全球养猪业虽对粮食安全至关重要，但却会产生大量粪便。猪粪富含有机物和营养物质，若管理不当，会释放氨气、硫化氢和甲烷等污染物，对环境和公共健康造成严重威胁[1]。更令人担忧的是，猪粪中还含有大肠杆菌和沙门氏菌等病原体，可能危害生态系统和人类健康[2]。
好氧堆肥是一种广泛应用于粪便稳定化和资源回收的技术。然而，对于众多中小型农场而言，配备强制通风装置的先进堆肥系统往往成本过高。因此，低成本、可在现场实施的被动通风静态堆肥技术仍然被广泛使用。这种技术依靠自然空气扩散，通常缺乏过程控制，导致温度升高和氧气供应不足。这样的不良条件使得病原体无法被完全灭活，且有机物难以转化为稳定的腐殖质。将这类未充分成熟的堆肥施用于土壤，还可能引发土壤板结和病原体扩散等二次污染问题[3]、[4]。
添加填充剂是调控堆肥微环境的重要策略。玉米秸秆和甘蔗渣等填充剂能够优化初始基质的性质，如碳氮比、含水量和孔隙度，从而激发微生物活性，提高堆肥处理效率。这些填充剂通过特定的机制发挥作用：在好氧堆肥中，它们能改善空气间隙、湿度状况和碳氮平衡，进而提升氧气传输效率、嗜热微生物的活性、有机物的降解速度、腐殖质形成程度以及病原体灭活效果；在厌氧发酵过程中，它们则主要作为多孔支撑材料，有助于提高物质传递效率、促进微生物附着、缓冲抑制剂的作用，并推动共生代谢，进而促进有机物的水解和稳定化。在被动通风静态堆肥中，填充剂的结构性作用更为重要，因为该过程的通风依赖于空气扩散和自然对流，因此足够的孔隙度对于维持氧气扩散、热量积累、腐殖质形成以及杀菌效果至关重要[5]、[6]。例如，添加大豆、茶渣和生物炭可使有机物降解率提升28.75%至51.81%，同时还能改善关键的腐殖质形成指标[7]。不过，现有研究大多聚焦于强制通风堆肥系统，或者仅报告最终结果而不阐明其背后的作用机制。目前对于静态、被动通风堆肥系统而言，还缺乏系统性的认识，不清楚不同填充剂是如何改变初始的物理化学环境，进而影响微生物群落的结构和功能更替，最终决定腐殖质形成效率和病原体消除效果。
为填补这一研究空白，本研究设置了以下目标：（1）评估并比较玉米秸秆、甘蔗渣和烟草粉这三种常见农业废弃物作为填充剂，在猪粪被动通风静态堆肥过程中对腐殖质形成和病原体灭活效果的差异；（2）探究这些填充剂如何调控堆肥过程中物理化学性质和细菌群落组成的动态变化；（3）运用偏最小二乘路径模型定量分析初始性质、微生物动态与最终堆肥质量之间的因果关系。通过结合过程监测、微生物生态学研究以及先进的统计建模方法，本研究不仅超越了简单的经验相关性分析，还为中小型畜牧场低成本静态堆肥技术的优化提供了具有机制依据的理论框架。从理论上而言，它有助于更清晰地理解关键的物理化学条件与微生物群落动态是如何共同影响堆肥处理效果和病原体减少程度的。从实际应用角度来看，该框架能够帮助识别可控的过程指标和管理策略，从而在中小型畜牧养殖条件下提升堆肥的成熟度、生物安全性以及处理过程的可靠性。因此，本研究不仅有助于深入理解粪便堆肥的机制，也有助于推动更安全、更经济、更可持续的畜禽粪便管理方法的开发。
章节节选
堆肥原料
本研究中的新鲜猪粪采集自中国北京的某家当地农场。玉米秸秆取自中国河北省。甘蔗渣和烟草粉则由商业供应商提供。在使用前，这些填充剂均经过风干处理，并被切割或研磨至合适的尺寸（小于2厘米）。表1列出了这些原材料的基本物理化学性质。在堆肥过程中，猪粪与玉米秸秆、甘蔗渣及烟草粉按湿重比为9:1的比例混合。
填充剂对温度和氧气动态的调控作用
这三种填充剂均能促进有机物的降解以产生热量，从而在猪粪的被动通风静态堆肥过程中提升堆肥堆的温度。如图1A所示，对照组的温度与环境温度相近，说明该组微生物活性较低，有机物分解程度也很弱。而添加了填充剂的三个处理组则均出现了明显的温度上升现象，其中玉米秸秆组和甘蔗渣组的温度上升尤为显著。
结论
研究表明，玉米秸秆和甘蔗渣这类填充剂通过优化堆肥堆的物理化学环境，显著提升了猪粪被动通风静态堆肥的处理效果。虽然添加烟草粉的组别获得了较高的有机质降解指数，但由于其温度、孔隙度和氧气含量相对较低，病原体灭活效果不佳，因此该填充剂或许更适合与玉米秸秆或甘蔗渣这类结构更稳固的填充剂一起使用。
作者贡献说明
罗文海：论文撰写——审阅与编辑、结果验证、研究监督、项目管理、方法设计、资金筹集、数据整理、概念构思。史彤：论文撰写——初稿撰写、方法设计、实验研究、数据分析、数据整理、概念构思。张兰霞：实验研究、数据分析、数据整理。李国学：结果验证、研究监督、方法设计。徐志成：论文撰写——审阅与编辑、方法设计。杨岩：实验研究、数据分析、数据整理。陈瑞远
利益冲突声明
所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了武威市科技专项“三种沼气的综合资源利用技术”（项目编号：WW24A01YFN005）的支持。
Tong Shi|Lanxia Zhang|Guoxue Li|Zhicheng Xu|Yan Yang|Riyuan Chen|Wei Guo|Wenhai Luo
中国农业大学资源与环境科学学院，北京，100193，中国
