Effects of ventilation pipe deflectors on cattle manure composting efficiency and microbial community dynamics
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摘要:
通风是影响堆肥效果的重要因素，通风小孔出流速度及方向由管内流速和静压产生的流速共同决定。由于近进风口处管内流速相对较高，小孔出风气流向风管轴线偏斜，近进风口区域物料存在通风弱区。为避免该区域通风量不足影响堆肥效果，该研究在风管首个出风小孔后端（以进风气流方向计）加设导流板(0.75、1、1.25 cm)，基于计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）方法确定导流板高度，并设置2组试验，以加设导流板为处理组（T），无导流板为对照组（CK），探究导流板对牛粪堆肥效果和微生物群落的影响。研究结果表明，导流板可显著降低近进风口处通风弱区，且板高度显著影响均匀性，高度为0.75、1、1.25 cm时气流平均速度分别提高10.8%、34.0%、34.2%。处理组（T）与对照组（CK）相比，处理组物料高温期温度提升2.1 ℃，堆肥结束时含水率降低5.5%，挥发性固体含量降低2.4%，种子发芽指数提高20.9%。高通量测序结果表明，增设导流板可显著提高微生物群落的多样性与丰富度，特别是高温阶段高温双岐菌属（Thermobifida）和芽孢杆菌属（Bacillus）以及降温与腐熟阶段糖单胞菌属（Saccharomonospora）和副土地杆菌属（Parapedobacter）的相对丰度。通过冗余分析表明，Thermobifida、Bacillus与温度呈正相关，与C/N呈负相关，Saccharomonospora、Parapedobacter与Germination Index呈正相关，与Volatile Solids Content呈负相关，表明风管加设导流板可促进物料有机质降解，提高腐熟效果。该研究可为堆肥风管设计提供技术支持。
Abstract:Ventilation is one of the most critical influencing factors in the homogeneous and efficient decomposition of organic matter during composting. Among them, the supplied air velocity of the perforation holes can dominate the airflow velocity in the pipe and the static pressure perpendicular to the pipe wall. Furthermore, the airflow direction from these perforation holes can often deviate towards the central axis of the pipe, leading to a ventilation-deficient zone in the proximal inlet area. The airflow direction can also be attributed to the relatively higher airflow velocity near the inlet. However, the insufficient ventilation can cause the low efficiency of the composting. In this study, the deflectors (0.75, 1, and 1.25 cm in height) were introduced behind the first perforated hole along the airflow direction. Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis was employed to optimize the deflector height. A systematic investigation was also made on the impacts on the manure composting efficiency and microbial community dynamics. Results demonstrated that the optimal deflectors effectively mitigated the ventilation-deficient zone near the inlet. The height of the deflectors also dominated the airflow uniformity. Specifically, the deflector with a height of 0.75, 1, and 1.25 cm increased the average airflow velocity by 10.8%, 34%, and 34.2%, respectively, compared with the without deflector. In addition, there was no significant increase in the airflow speed with 1 and 1.25 cm deflectors. Finally, the height of the deflector was selected as 1cm, according to the cost and convenience. Two experiments were conducted to take the deflector-installed (1 cm) ventilation pipe as the treatment group (T), and the pipe without deflectors as the control group (CK). Compared with the CK, the T exhibited a 2.1°C temperature increase during the thermophilic phase. While there was the decrease of 5.5%, 2.35%, 0.15 mS/cm, 1, 0.1, 35.76 mg/kg, 20.94% in the moisture content, the volatile solids (VS), the electrical conductivity (EC), the carbon-nitrogen ratio (C/N), the pH value (pH), the ammonium nitrogen (NH4+-N), and the germination index (GI) at maturation period, respectively. High-throughput sequencing revealed that the deflector significantly enhanced the diversity of the microbial community. The airflow increased near the inlet, indicating the increase in the Chao 1 and Shannon index. At the level of the microbial phylum, especially during the thermophilic phase, the degradation of the macromolecular organic substances (such as the quick-acting carbon source substances) was promoted to increase the relative abundance of Firmicutes. The degradation of cellulose and lignin was promoted to increase the relative abundance of Actinomycetes and Proteobacteria in the cooling and maturing phases. Redundancy analysis indicated the positive correlations between Firmicutes and Temperature, as well as Actinobacteria/Proteobacteria/Bacteroidota and GI. While there was a negative correlation with the VS, C/N, NH4+-N. At the level of microbial genus. Especially in the thermophilic phase, the carbon consumption and heat release in organic matter were intensified to increase the relative abundance of Thermobifida and Bacillus. Redundancy analysis indicated the positive correlations between Thermobifida/Bacillus and temperature, while the negative with C/N ratio. Saccharomonospora/Parapedobacter showed a positive correlation with the GI, while a negative with the VS. Therefore, the deflector can be expected to increase the airflow volume near the inlet, thus promoting the degradation and maturity of the composting pile. This finding can provide the technical support to optimize the ventilation pipe during manure composting.
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Keywords:
- cattle manure /
- compost /
- deflector /
- ventilation pipe /
- microbial community
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0. 引 言
中国畜禽粪污的年产生量约为30.5亿t，但资源化利用率不到80%[1]。加强畜禽粪污资源化利用是亟待解决的问题。堆肥是实现畜禽固体粪污资源化利用的主要方式，由于堆肥的本质是好氧微生物将有机质转化为稳定腐殖质，所以通风及氧气的供给是决定堆肥效果的关键因素之一[2]。
对于通风效果而言，通风管道设计是决定物料内进风气流分布的关键因素。实际生产中，多通过在通风管道上等距离开孔实现正压送风。而空气从小孔流出时，流出方向由管内流速和静压产生的流速共同决定，管内流速越高，孔口出流向风管轴线偏斜角度越大[3]。据CHENG等[4]的研究表明，当风管直径为0.013 m，猪粪堆肥通风量为32.5 m3/h时，以进风气流方向为前端，首个通风小孔出风气流向风管轴线偏斜近60°，致使该小孔上方存在通风弱区，后端物料气流流量是首个小孔上方物料的2倍以上。CAO等[5]也发现，通过管道送风的气流出风方向向风管轴线偏斜，首个小孔偏斜角度近30°，且沿气流流动方向偏斜角度逐渐减小，首个小孔下方区域同样存在通风弱区。
针对以上问题，现有研究表明，导流板可有效改善通风弱区。LI等[6]研究发现导流板可改变入射角，降低高速列车上空调机组的高速剪切流速率，车厢内冷凝空气通量最高增加72.5%。CHENG等[7]研究了导流板对鸡舍通风弱区的改善效果，发现导流板能够将气流引导至鸡群活动区域，使该区域平均风速增加了0.66 m/s。YE等[8]发现了导流板可通过改变气流流动方向影响猪舍粪沟的气流交换率，当角度为45°时效果最明显，气流交换速率提高45.6%。FATAHIAN等[9]发现，在涡轮机内加装导流板可优化气体射流方向，机器功率最高可提升166%。程琼仪等[10]发现了在鸡舍进风口内侧加设导流板后，进风气流路径发生改变，近进风口处通风弱区面积减小，平均气流速度最大增幅为0.54 m/s。CAO等[5]研究导流板对风管定向送风效果影响，发现在出风小孔内侧加装导流板后，奶牛体表可完全被气流覆盖，首个小孔的通风效率提高了27.5%。但在堆肥通风系统中，导流板对出风气流的改变效果尚未有相关研究。
此外，好氧堆肥的本质是微生物在氧气供给条件下，分解和转化有机物的生物代谢过程。杨萍萍等[11]发现提高污泥堆肥中厚壁菌门（Firmicute）相对丰度，可增加高温期优势菌种比例，使高温期时间延长2 d。施童等[12]研究了微生物对餐厨垃圾堆肥的驱动机制，发现提高热杆菌属（Thermobacillus）相对丰度可促进木质纤维素分解酶产生，提高有机物降解速率，促进腐殖质形成。席北斗等[13]发现了放线菌群可提高生活垃圾堆肥降温期和二次发酵温度，使纤维素、半纤维素和木质素降解率分别提高12.72%、8.95%和10.13%。范玉本等[14]探究了微生物对牛粪堆肥腐熟效果的影响，研究发现在高温期与降温期时厚壁菌门（Firmicutes）相对丰度增加，腐熟期时变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）占主导的情况下，微生物群落对有机质分解代谢能力提高，高温期延长了3 d，微生物群落门水平的相关性提高56%，促进了物料腐熟进程。
与此同时，计算流体力学方法（computational fluid dynamics, CFD）可清晰反映氧气分布情况，为废弃物处理提供参考。目前CFD技术已在废弃物处理通风系统设计中广泛使用。GUO等[15]采用CFD研究垃圾堆肥填埋场曝气工艺，发现被动曝气可增加20%风量，使氨态氮（NH4+-N）含量下降96.9%。HUANG等[16]基于CFD-动量传递方程对槽式堆肥过程中气体排放进行研究，发现曝气缓解了物料内厌氧情况，进而影响温度和氧气分布，使CO2排放量提升了25%。FYTANIDIS等[17]建立了CFD-生化反应耦合模型，基于此模型探究垃圾填埋场曝气系统的通风效果，研究发现模拟结果与可准确地模拟填埋场曝气过程。HE等[18]基于CFD-Contois耦合方程建立了堆肥温度与氧浓度空间分布模拟模型，研究发现该模型在堆肥物料内气流场研究上具有良好适用性。且CFD可克服现场测试测点有限、时间长、前期投入高等问题，其可通过改变几何结构直观探究各导流板高度对近进风口处气流影响及改善情况，从而优化该区域的通风流量，提高堆肥效率。此外，由于反应器堆肥具有占地面积小、自动化程度高、污染气体排放量低等优点，目前已被广泛应用于畜禽粪污处理中[19]。因此，本研究拟通过CFD探究不同高度导流板对气流分布的影响规律。在此基础上，以牛粪和秸秆为原料，基于滚筒反应器探究风管加设导流板对物料堆肥效果和微生物群落的影响，为后续堆肥通风管道设计提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 现场试验
1.1.1 试验材料
本研究采用的新鲜牛粪取自河北省三河市养殖场，玉米秸秆（粉碎至1～2 cm）采购于河北省石家庄市。物料配比为牛粪：秸秆=2：1，牛粪好氧堆肥试验的初始理化性质见表1。
表 1 初始物料的理化性质Table 1. Physical and chemical properties of the initial pile物料
Material总碳
Total
carbon/%总氮
Total
nitrogen/%碳氮比
C/N ratio含水率
Moisture
content/%pH值
pH value牛粪
Cow manures
玉米秸秆
Maize stover
混合物料 Mixed pile38.70±0.05
39.63±0.02
39.23±0.062.91±0.05
1.31±0.02
1.73±0.0513.32
30.33
22.7484.25±0.03
7.92±0.06
55.16±1.77.48±0.08
6.52±0.05
7.28±0.091.1.2 试验设备及通风管道导流板设计
本试验在农业农村部规划设计研究院（双桥院区）开展，试验设备为自主研发的滚筒式好氧堆肥反应器（图1a），反应器长50 cm、直径60 cm，左右两侧为可拆卸密封盖，密封盖1/4处为气体收集口，上方和下方分别为固体采样口和渗滤液收集口。反应器内铺设主管及3支风管，支管呈扇形分布并且可拆卸（图1b），长度为415 mm、直径为12 mm，风管上等距开设小孔，相邻小孔孔距55 mm、孔径2 mm。针对近进风口处通风弱区的问题，本研究探究在首个出风小孔后端加设导流板后的改善效果，导流板高度分别为0.75、1、1.25 cm。
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图 1 滚筒式好氧堆肥反应器结构及通风管道结构简化图1.固体采样口 2.密封盖3.抄板 4.渗滤液收集口5.通风管道 6.气体收集口7.第一出风小孔 8.导流板Figure 1. Simplified diagram of aerobic composting reactor and ventilation duct1.Solid sampling port 2.Sealing cover 3.Mixed pile plate 4.Leachate collection port 5.Ventilation duct 6.Gas collection port 7.The first perforated hole 8.Deflector1.1.3 现场试验与样品收集
试验于2024年3月—5月进行。本研究设置2组试验，以加设导流板为处理组（T），导流板高度基于1.1.2的模拟结果，无导流板为对照组（CK）。牛粪和秸秆混合均匀后放置于反应器中，通风频率为8.5 L/min，通停比为1：2，即通气15 min，停止30 min。在整个堆肥试验中，分别于0、3、7、10、14、21、28 d采集样品，且每日上午9点和下午3点测量温度2次。采样点共18个，分别位于距左侧密封盖3、6 cm，距滚筒外壳前侧15、20、25 cm且距底部15、20、25 cm。
1.2 CFD模拟及导流板高度确定
运用Solidworks对滚筒反应器进行1：1建模，并在笛卡尔坐标系中建立滚筒反应器的全尺寸模型，以反应器的宽作为x方向，取值为−0.36 ～0.24 m，高度为y方向，取值为−0.16 ～0.44 m，长度为z方向，取值为−0.25 ～0.25 m。滚筒反应器被划分为2个区域，分别为物料区和通风管道区。网格通过ICEM 2022R1划分，非结构网格离散。采用3种水平的非结构网格进行网格独立性检验，通风管道表面的最大网格，粗网格设置为0.3 mm，中等网格设置为0.25 mm，细网格设置为0.2 mm。物料区域的最大网格，粗网格设置为6 mm，中等网格设置为5 mm，细网格设置为4 mm。将3种网格模拟出的平均风速进行对比，粗网格、中等网格相对于细网格的平均相对差异分别为9.5%、3.2%。因此模拟采用中等网格。本研究中边界条件为速度入口，进风速度为1.25 m/s；压力出口，出风压力为0 ，壁面边界条件为无滑移壁面。滚筒反应器内部物料简化为多孔介质，黏性阻力系数为
689615.35 m−2，惯性阻力系数为298.06 m−1[20]。气流与通风管道的摩擦阻力系数为0.045，模拟采用k-ε湍流模型，压力和速度以Coupled算法耦合，以二阶迎风格式离散动量、湍动能和湍流耗散量方程[4]。管道区域分为近进风口区域和剩余区域，基于式（1）连续性方程、动量守恒方程、能量方程的通用方程[21]和式（2）气流均匀性方程[22]，采用ANSYS FLUENT软件进行模拟，并通过软件计算各区域气流均匀性，确定近进风口处导流板高度。
$$ \text{div}(\rho\cdot\mathit{\mathit{\mathbf{\mathit{u}}}}\cdot\varphi-I_{\varphi}\cdot\text{grad}(\varphi))=S_{\varphi} $$ (1) $$ Cv = \frac{1}{{{\mu _{\text{l}}}}}\sqrt {\frac{1}{{n - 1}}\sum\limits_{i = 1}^n {{{({X_i} - {\mu _{\text{l}}})}^2}} } $$ (2) 式中$\rho $为密度，kg/m3；$ \mathit{\mathit{\mathbf{\mathit{u}}}} $为速度矢量，m/s；$\varphi $表示通用变量，可以代表速度、温度等；${I_\varphi }$表示广义扩散系数；${S_\varphi }$表示控制方程的广义源项。对于特定的方程，$\varphi $、${I_\varphi }$和${S_\varphi }$具有特定值。表2给出了3个符号与特定方程的对应关系，具体数值见表2。n为样本数量；Xi为第i个测点速度值，m/s；μ1为气流速度平均值，m/s；Cv为标准差与平均值的比值。
表 2 控制方程中广义源$\varphi $、${I_\varphi }$和${S_\varphi }$Table 2. Values of general source $\varphi $、${I_\varphi }$ and ${S_\varphi }$ in the control equation方程 Equation $\varphi $ ${I_\varphi }$ ${S_\varphi }$ 连续方程 Continuity equation 1 0 0 动量方程 Momentum equation ${u_i}$ $\mu $ $ - \dfrac{{\partial p}}{{\partial {x_i}}}$ 能量方程 Energy equation $T$ $\dfrac{k}{{{c_p}}}$ ${S_T}$ 组分方程 Species equation ${C_s}$ ${D_s}\rho $ 0 注：${u_i}$为$x$、$y$、$z$方向速度分量，m·s−1；$\mu $为流体黏度系数，kg·（m·s）−1；$p$为压力，Pa；${x_i}$为$x$、$y$、$z$方向长度，m；$T$为温度，K；$k$为流体导热系数W·（m·K）−1；${c_p}$为流体比热容，J·（kg·K）−1；${S_T}$为㓿性耗散项，W；${C_s}$为组分$s$的浓度，kg·kg−1；${D_s}$为组分$s$的扩散系数，m2·s−1；ρ为密度，kg·m-3。 Note: ${u_i}$ is the velocity component along $x$、$y$、$z$ axis, m·s−1; $\mu $ is the viscosity coefficient, kg·(m·s)−1; $p$ is the pressure, Pa; ${x_i}$ is the length along $x$、$y$、$z$ axis, m; $T$ is the temperature, K; $k$ is the thermal conductivity, W·(m·K)−1; ${c_p}$ is the specific heat capacity, J·(kg·K)−1; ${S_T}$ is the viscous dissipation term, W; ${C_s}$ is the concentration of s, kg·kg−1; ${D_s}$ is the diffusion coefficient of s, m2·s−1;ρ is the density, kg·m−3. 1.3 指标测试方法
1）温度：使用温度计（型号TP101，河北中仪伟创试验仪器有限公司，中国）进行测量。
2）含水率：将部分新鲜样品装入铝盒放入烘箱（型号101-0A，北京中兴伟业仪器有限公司，中国），105 ℃条件下烘干8 h，称取前后质量进行计算。
3）pH值和电导率（electric conductivity，EC）：将新鲜样品：去离子水=1：10混合，封口，摇床震荡1h，静置10 min，用滤纸过滤，分别使用pH计（型号PHS-3C，上海精科雷磁，中国）和电导率仪（型号DDS-307A，上海精科雷磁，中国）测定。
4）NH4+-N含量：采用纳氏试剂显色，通过紫外分光光度计（型号UV8100，美国LabTech公司，美国）测量。
5）挥发性固体含量（volatile solids content，VS）：测定采用马弗炉灼烧重量法，使用马弗炉（型号SX-G07 102，天津市中环实验电炉有限公司，中国）在550 ℃条件下灼烧4 h，称取前后质量进行计算。
6）种子发芽率指数（seed germination index，GI）：取浸提液5 mL于垫有滤纸的培养皿中，均匀放进10粒种子，以去离子水作空白对照，置于（25±1）℃培养箱中培养48 h，测量根长及种子发芽率，种子发芽率XGI由式（3）确定：
$$X_\text{GI}=\dfrac{样品发芽率\times 样品处理的平均根长}{空白的发芽率\times 空白处理的平均根长} \times 100\text{%} $$ (3) 7）微生物群落分析：采用FastDNA SPIN试剂盒（MP Biomedicals，Solon，USA）提取堆肥样品基因组DNA，并进行PCR扩增，采用Illumina PE2520/300平台进行16SrDNA高通量测序（上海美吉生物医药科技有限公司）。细菌引物序列为：上游引物338F(5’ACTCCTACGGGAGGCAGCAG)和下游引物806S(5’GGACTACHVGGGTWTCTAAT)，测序区域为16S V3-V4区域。利用UPARSE软件，依据0.97的相似度序列对样本抽平和聚类，得出OUT表后对生物信息进行统计分析。
1.4 数据处理
运用Fluent 2022R1软件对不同高度导流板进行模拟与分析；采用SPSS 22软件对好氧堆肥试验数据进行配对T检验，以检验其显著性差异；堆肥物料腐熟效果分析参照《畜禽粪便堆肥技术规范》（NY/T3442-2019）标准；采用Origin 2021对理化指标、微生物数据进行图表绘制与冗余分析；使用美吉生物云平台绘制不同处理的微生物群落相对丰度。
2. 结果与分析
2.1 导流板的高度的选择
基于CHENG等[4]堆肥气流模拟模型，采用CFD探究不同高度导流板对物料内气流分布的影响规律。图2为通风孔后端无导流板及加设不同高度导流板时，X=0 m气流速度分布云图。由图2a可以看出，近进风口区域存在通风弱区，这是因为通风小孔出流方向由管内气流及静压产生垂直于管壁速度共同决定，近进风口处管内流速高，导致出流向风管轴线方向偏移的角度较大，使近进风口区域形成通风弱区。由图2b～2d可以看出，加设不同高度导流板后通风弱区得到明显改善，这是由于导流板可将出风气流引导至近进风口上方区域；且随着高度增加，导流板将气流引导至进风口处上部物料的效果越明显，该处气流速度增幅越大，这可以归结于随着导流板高度增加，出风气流形成的贴壁射流效果越明显，将出风气流引导至出风口上方的效果越好。
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图 2 不同导流板高度情况下截面X=0 m气流速度云图Figure 2. Airflow velocity contours of X=0 m with different deflector heights图3为不同导流板高度下Z=−0.2 m气流速度分布云图，由图3a可知，物料中心区域存在通风弱区，这主要是由于进风气流向风管轴线方向偏移导致的，加设0.75 cm导流板可一定程度提高物料内气流速度，但部分区域仍存在通风弱区（图3b），加设1 cm及1.5 cm导流板后通风弱区问题明显改善，物料中间区域气流速度显著增加（图3c～d），这主要是由于导流板改变了进风方向，向风管轴线方向倾斜的气流在导流板作用下，形成贴壁射流，出风方向偏向于出风口上方。相较于无导流板，导流板高度为0.75、1、1.25 cm时，气流平均速度分别提高10.8、34、34.2%。
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图 3 不同导流板高度下情况下截面Z=-0.2 m气流分布云图Figure 3. Airflow velocity contours of Z=-0.2 m with different heights of deflectors风速变异系数（coefficient of air speed variation, CASV）是评价气流分布均匀性主要指标之一，为各截面速度标准差与平均值之比，变异系数越小，表明气流分布越为均匀[23]。为探究近进风口区域气流分布均匀性，本研究取Z=−0.225、0、0.225 m，3个截面CASV进行平均（表3）。不同情况下风速变异系数分别为1.89(无导流板)，1.83(h=0.75 cm)，1.67(h=1 cm)，1.64(h=1.25 cm)。结果表明，与无导流板相比，导流板高度为0.75、1、1.25 cm时近进风口上方物料内气流分布均匀性均得到明显改善，分别提高了3.2%，12.1%，13.2%。因此，导流板可改善近进风口上方物料内通风弱区，促进了气流流量的提升，且气流分布均匀性的改善效果随着导流板高度增加而增加，但当导流板高度高于1 cm时，均匀性提高的幅度随着高度增加而降低。综上所述，由于导流板高度为1、1.25 cm时气流平均速度和均匀性提升程度相差较小，且考虑成本及生产过程中使用的便捷性，本研究选取的导流板高度为1 cm。
表 3 不同高度下滚筒堆肥反应器各截面的风速变异系数Table 3. Coefficient of variation of air speed at different heights of drum composting reactor in each section截面
Surface风速变异系数
Coefficient of air speed variation无导流板No deflector 0.75 cm 1 cm 1.25 cm Z=-0.225 m 0.97 0.76 0.65 0.62 Z=0 m 3.45 3.48 3.55 3.56 Z=0.225 m 1.25 1.26 0.79 0.75 2.2 导流板对物料腐熟的影响
温度可直接影响微生物活动强度[24]。由图4a可以看出处理和对照组温度均呈现先升高后减低的趋势，在第1天达到峰值，分别为65.37、63.25 ℃，处理组相较于对照组最高温度提高了2.1 ℃。处理组和对照组高温期超过50℃的时间均维持了5 d，可有效杀死病原体[25]。处理组平均温度高于对照组，前10 d内，温差可达3.47 ℃。这可能是因为加设导流板后近进风区域通风流量增加，提升了好氧反应速率。
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图 4 好氧发酵过程中理化指标变化注：不同小写字母表示处理组和对照组差异显著（P＜0.05），不同大写字母表示处理组和对照组差异极显著（P＜0.01），T代表处理组，CK代表对照组。Figure 4. Changes in physical and chemical indexes during aerobic fermentationNote: There are significant difference between treatment and control group with different lowercase (P＜0.05), and remarkable difference with different uppercase (P＜0.01),T represents the treatment group and CK represents the control group.含水率（moisture content）是影响堆肥过程中传质传热效率的重要指标之一[26]。由图4b可以看出MC在堆肥过程中均呈现先上升后下降的趋势，堆肥初期处理组和对照组的含水率分别由55.25%、55.48%上升至63.19%、62.16%，这可能由于堆肥初期微生物分解有机物同时产生了水。随着堆肥的进行，水分含量逐渐呈现下降趋势，最终降至40.35%、45.85%，处理组与对照组的水分含量降低幅度分别为14.9%、10.63%，处理组可满足《畜禽粪便堆肥技术规范：NY/T3442-2019》中含水率低于45%的要求。在堆肥结束时，处理相较于对照组的MC降低了5.5%，表明加设导流板可有效降低近进风口区域堆肥物料的含水率。
电导率（electrical conductivity）可以反应堆肥过程中可溶性盐含量，是衡量物料腐熟度的关键指标之一[27]。如图4c所示，EC在堆肥过程中总体呈现先升高后下降的趋势，堆肥初期处理组和对照组的EC分别从3.2、3.18 mS/cm上升至3.88、3.61 mS/cm，这主要与有机物降解产生铵根、硝酸根、磷酸根等离子有关[28]。处理组和对照组的EC在第3天后呈现明显下降趋势，且主要发生在降温期，这可能是由于微生物作用，各种离子转化为稳定的腐殖质，从而导致EC下降。处理组和对照组相比，处理组在堆肥前期的电导率高于对照组，而后期低于对照组，这是由于加设导流板促进了近进风口处有机质降解，从而使离子浓度增高，后期由于气流速度的增加，加强了氨的挥发，使得铵态氮含量降低。堆肥结束时处理与对照组的EC分别降低至2.48、2.63 mS/cm，均小于4.0 mS/cm[29]，符合国家标准。
pH值是影响微生物活动的重要指标之一[30]。由图4 d可以看出，堆肥过程中pH值呈现先升高后降低趋势，最终趋于稳定。堆肥初期处理和对照组由于含氮物质的大量分解造成铵态氮积累，从而导致pH值分别从7.35、7.32上升至8.35、8.13。随着堆肥的进行，在第7～14天pH值呈现明显下降趋势，这可能是由降温期内硝化作用增强和NH3挥发共同导致的。处理组和对照组相比，处理组在高温期的pH值高于对照组，而降温期后低于对照组，这可能由于加设导流板促进了近进风口区域物料中含氮有机物的分解，从而使氨态氮的含量增加，降温期由于气流速度的提高，导致氨态氮的消耗与NH3的挥发增强。堆肥结束时两组的pH值分别为7.35、7.45，均维持在7.5−8之间，呈弱碱性，符合《有机肥料：NY/T525-2021》的腐熟标准。
碳氮比（C/N）可以反应堆肥过程中碳和氮的稳定性，还可作为评估堆肥成熟度的指标[31]。由图4e可以看出两组的C/N均呈现下降趋势，这是由于有机质的矿化作用高于氮素损失速率，这与CAO等[32]的结果相似。处理和对照组的C/N比分别从23.26、23.37降低至13.1、14.15，变化幅度为10.16、9.22，且各组C/N的下降主要发生在堆肥前7天，堆肥结束时处理相较于对照组的C/N在堆肥结束时降低了7.4%。表明加设导流板可加速碳的消耗，减缓氮的消耗。
铵态氮（NH4+-N）的变化能够反应堆肥过程中氮素转化的过程[33]。由图4f可以看出，各组的NH4+-N呈现先上升后下降的趋势，堆肥初期处理和对照组的NH4+-N分别从1.9、1.8 g/kg升高至2.3、2.2 g/kg，这可能由于升温期物料中的有机氮在氨化作用下进行转化，增加了NH4+-N的生成速率[33]。随着堆肥的进行，NH4+-N差异显著（P＜0.05），最终下降至0.36、0.39 g/kg，处理和对照组NH4+-N降低幅度分别为1.5、1.4 g/kg。堆肥结束时处理组的NH4+-N含量明显低于对照组，其中处理与对照组相比NH4+-N含量减少了0.036 g/kg，表明导流板的增加可以提高NH4+-N的转化效率。
挥发性固体含量（volatile solids content,VS）是反应堆肥过程中有机物降解的重要指标之一[34]。由图4 g可以看出，各组的VS含量均呈下降趋势。堆肥过程中处理和对照组的VS分别从86.24%和86.32%降至67.14%和69.57%，降幅分别为19.10%、16.75%，处理组和对照组在第0-10天的降幅明显，这可能由于高温期氨化作用和矿化作用的增强提高了有机质的降解速率[34]。堆肥结束时处理相较于对照组降解率提高了2.4%，这可能是由于导流板的增加提高了微生物的氧化还原反应以及矿化作用，加快有机物、糖类、纤维素、半纤维素等物质的降解引起的。
种子发芽指数（germination index，GI）综合反应了物料的植物毒性，是最常用的堆肥腐熟度评价指标之一[35]。由图4 h可以看出GI值均呈现上升趋势，在第10天达到70%，符合《有机肥料：NY/T525-2021》的腐熟标准。处理和对照组的GI差异极显著（P＜0.01），分别从38.56%、36.92%上升至105.26%、84.32%，处理和对照组相比GI提高了20.9%。堆肥过程中，处理组的GI整体略高于对照组，这是由于导流板改善了近进风口区域通风流量，促进了堆肥过程中有害物质转化，提高了物料腐熟效果。
2.3 导流板对微生物群落的影响
2.3.1 微生物群落多样性
如图5a所示，处理组和对照组细菌群落的Chao1呈现先下降后上升的趋势，这与堆肥温度的变化有关，随着温度上升，微生物活性受抑制，物种数量降低，随着堆肥进行，温度逐渐降低，其后微生物适应了环境的改变，这与葛勉慎等[36]的研究结果一致。此外，处理组在高温期的Chao1指数低于对照组，而在降温期与腐熟期高于对照组，这可能由于加设导流板促进了高温期粗有机质、糖类等水溶性有机物以及蛋白质的分解，加剧了微生物之间的竞争，随着堆肥的进行，微生物适应环境的能力提高[34]。图5b为Shannon指数变化趋势，从图中可知，Shannon指数在前10 d呈现上升趋势，可能归结于微生物活动加强导致有机物快速转化引起的，其后开始下降，这可能由于堆肥腐熟阶段微生物对有机物的分解减弱，同时经过前期的演替与竞争，导致部分微生物休眠或死亡，从而使多样性降低[37]。同时，堆肥过程中处理Shannon指数高于对照组，这可能由于加设导流板后，改善了近进风口处的通风弱区，使得好氧发酵更为充分，有利于有机质分解的好氧微生物菌群种类增加，提高了微生物的多样性。由于Chao1指数和Shannon指数可分别反映微生物群落的丰富度和多样性[34]，因此加设导流板可以显著改善微生物群落结构，提高降温和腐熟阶段微生物群落的多样性与丰富度。
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图 5 好氧发酵过程中细菌多样性的变化Figure 5. Changes in bacterial diversity during aerobic fermentation2.3.2 微生物群落结构
微生物群落演替是影响堆肥效果的主要因素之一。图6a为细菌在门水平上的相对丰度（前20菌门）。2个处理的优势菌门为厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）和变形菌门（Proteobacteria），其中Firmicutes占绝对优势，CK和T处理的平均相对丰度分别为40.6%和42.1%。Firmicutes可以促进大分子有机物的降解，其在升温期和高温期相对丰度逐渐升高，这可能是由于Firmicutes适应高温、高NH4+-N的生存环境。此后，Firmicutes的相对丰度逐渐减少，这主要是由于温度降低后，嗜温微生物占据主导，嗜热微生物活性降低。高温期处理组的相对丰度达到76.7%，比对照组高8.4%。Proteobacteria中包括大量碳氮循环代谢菌门，是降解木质纤维素的主要菌群之一[38]，Proteobacteria在降温期升高，其后趋于稳定。在第10天处理组和对照组相对丰度差异最大，分别为20.7%和17.1%。Actinobacteria可一定程度表征堆肥的腐熟程度，是促进腐殖质形成的菌群之一[39]，Actinobacteria在降温期升高，其后趋于稳定，这主要由于其能够产生木质纤维素水解酶，促进了腐殖质的形成。在第7天处理组与对照组相对丰度差异最大，分别为20.6%、17.3%，拟杆菌门（Bacteroidota）可促进堆肥过程中代谢，提供物料养分含量，Bacteroidota在降温期升高，其后趋于稳定，这可能由于其可利用一系列酶促进复杂的有机物质分解。在第10天处理组和对照组相对丰度差异最大，分别为9.9%和6.9%。
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图 6 堆肥过程中门水平和属水平主要细菌群落的相对丰度注：T0～T28分别代表处理组第0、3、7、10、14、21、28天样本；CK0～CK28分别代表对照组第0、3、7、10、14、21、28天样本。Figure 6. Relative abundance of major bacterial communities at the phylum and genus levels during the composting processNote: T0～T28 represent the samples from the treatment group on days 0, 3, 7,10, 14, 21, and 28; CK0～CK28 represent the samples from the control group ondays 0, 3, 7, 10, 14, 21, and 28.图6b是细菌在属水平上的相对丰度（前20菌属）。各组的优势菌属为糖单胞菌属（Saccharomonospora）、高温双岐菌属（Thermobifida）、假黄色单胞菌属（Pseudoxanthomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）。堆肥初期，各组的优势菌属为厚壁菌门（Firmicutes）中Romboutsia，作为牛肠道中特有的菌属，可分解有机物、糖类以及蛋白质等物质。与对照组相比，处理组Romboutsia相对丰度高0.9%。堆肥高温期，厚壁菌门（Firmicutes）中芽孢杆菌属（Bacillus）与放线菌门（Actinobacteria）中高温双岐菌属（Thermobifida）占据优势，可耐受高温环境，参与有机生物降解。与对照组相比，处理组Bacillus与Thermobifida相对丰度分别高2.4%、5.7%，堆肥降温期与腐熟期，变形菌门（Proteobacteria）中假单胞杆菌属（Pseudomonas)、放线菌门（Actinobacteria）中糖单胞菌属（Saccharomonospora）以及拟杆菌门(Bacteroidota)中副土地杆菌属（Parapedobacter）占据优势，可分解纤维素、半纤维素、木质素等物质。处理组与对照组相比，处理组Pseudomonas、Saccharomonospora以及Parapedobacter相对丰度较高。
2.3.3 微生物与理化指标的相关性分析
微生物群落结构是影响理化指标的关键因素之一[40]。本研究通过冗余分析探究了理化指标（pH值、EC、MC、VS、GI、C/N、NH4+-N、温度）与细菌微生物群落间的相关关系，由图7a可知，横坐标解释了98.39%，纵坐标解释了1.33%的理化指标和微生物群落的关系。其中，EC解释了97.37%的细菌群落变化，在理化指标中占比最大。Actinobacteria、Proteobacteria、Bacteroidota与EC呈负相关，与GI呈现正相关，说明以上微生物促进了堆体腐熟。温度解释了73.99%的细菌群落变化，Firmicutes与温度呈现正相关，说明其耐高温，为堆肥过程中有机质分解起到重要作用。Actinobacteria、Proteobacteria、Bacteroidota与pH值呈负相关，说明了Actinobacteria、Proteobacteria、Bacteroidota适宜在中性条件下生存，尤其在堆肥初期和腐熟期较为活跃。此外Actinobacteria、Proteobacteria、Bacteroidota还与VS、C/N、NH4+-N呈负相关,而与GI呈正相关，可以再次说明Actinobacteria、Proteobacteria、Bacteroidota相对丰度越高，可以提高纤维素、半纤维素、木质素等物质的降解，有利于腐殖质生成，促进堆肥腐熟效果，因此加设导流板可通过改变Actinobacteria、Proteobacteria等微生物群落结构影响堆肥效果。
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图 7 门水平与属水平上理化指标与微生物群落的冗余分析注：T0～T28分别代表处理组第0、3、7、10、14、21、28天样本；CK0～CK28分别代表对照组第0、3、7、10、14、21、28天样本。Figure 7. Redundancy analysis of physicochemical indicators and microbial communities at the phylum and genus levelsNote: T0～T28 represent the samples from the treatment group on days 0, 3, 7, 10, 14, 21, and 28; CK0～CK28 represent the samples from the control group on days 0, 3, 7, 10, 14, 21, and 28.由图7b可知，横坐标解释了56.17%，纵坐标解释了29.30%的理化指标和微生物群落的关系。其中，温度解释了94.3%的细菌群落变化，在理化指标中占比最大。高温双岐菌属（Thermobifida）、芽孢杆菌属（Bacillus）与温度呈正相关，说明其在高温情况下可促进纤维素等复杂有机物降解。此外糖单胞菌属（Saccharomonospora）、高温双岐菌属（Thermobifida）、芽孢杆菌属（Bacillus）还与pH值呈正相关，说明Thermobifida、Bacillus适宜在碱性条件下生存，尤其在高温期最为活跃。糖单胞菌属（Saccharomonospora）和副土地杆菌属（Parapedobacter）与GI呈正相关，与VS、C/N、NH4+-N呈负相关，说明Saccharomonospora、Parapedobacter相对丰度提升可促进降温期和腐熟期堆肥物料降解，提高堆肥效果。因此加设导流板可通过改变Saccharomonospora、Parapedobacter等微生物群落结构影响堆肥效果。
3. 讨 论
导流板可提升近进风口区域的通风流量，提高好氧微生物菌群相对丰度，促进堆肥物料腐熟。从微生物门水平看，升温期Firmicutes相对丰度提升，促进速效碳源物质等大分子有机物降解，剧烈的微生物活动促使堆体温度升高，此外，降温期及腐熟期Proteobacteria的相对丰度提升，提高了纤维素和木质素等物质降解[38]，而Actinobacteria菌门相对丰度增加，也可促进剩余纤维素、半纤维素、木质素等物质降解[39]。与此同时，Bacteroidota相对丰度的提升，加速了堆肥中养分的释放和转化[12]。从微生物属水平看，升温期Bacillus与Thermobifida菌属的相对丰度提高，加剧了有机物中碳的消耗和热量释放，导致C/N下降以及堆体温度的升高[34]，降温期Pseudomonas菌属作为与氮有关的菌属，其相对丰度提升，可促进铵态氮向硝态氮转化的速率和氨气释放[40]。此外，腐熟期Pseudomonas、Saccharomonospora、Parapedobacter菌属的丰度提升，可促进氧化还原反应以及矿化作用，加快复杂有机物质降解为简单的糖类、氨基酸等小分子物质，导致VS含量降低。同时还可促进有害物质转化和腐殖质的形成，导致GI值升高，从而满足物料腐熟要求。
本研究基于CFD方法改善了管道近进风口区域物料进风气流供给不足的问题，增设导流板后气流均匀程度提升10%左右，可为反应器堆肥、槽式堆肥、条垛式堆肥等通风管道优化提供技术参考。但出流速度和角度影响射流初始段和主体段长度及射流轴心速率的衰减。管道设计过程中，建议的管内流速为2～8 m/s，鼓风机的风压，即系统提供的总压为10～100 kPa，管内流速和总压的变化使出风速度和方向随之改变。而导流板高度显著影响导流效果，为保证气流形成完全贴附，避免在初始段或主体段气流脱落回转，应保证导流板有足够的高度[41]，因此可对不同管内流速和总压情况下导流板的高度进行讨论。此外，不同粪污进行堆肥时所需通风量会随着物料理化性质变化而改变。本研究中选用的堆肥物料为牛粪，在采用其他畜禽粪污，如猪粪进行好氧堆肥时，物料通风量会发生变化，导流板对通风弱区的影响程度亦随之改变，所以在物料发生变化时导流板对堆肥的腐熟影响效果需要进一步探究。
除此以外，当牛粪处理体量由实验室规模扩大到工厂规模时，需要增加通风量来满足物料好氧发酵需求，通风量的改变使得管内动压及静压同时发生变化，因此导流板高度也会随之改变，导流板对腐熟效果的影响需进一步验证。
4. 结 论
1） 通风孔后加设导流板可改善近进风口区域通风弱区。与无导流板相比，导流板高度为0.75 cm、1 cm、1.25 cm时，气流平均速度分别提高了10.8%、34.0%、34.2%。考虑使用便捷性，本研究中选取导流板高度为1 cm。
2） 与无导流板相比，加设导流板后物料高温期温度提高了2.1 ℃，堆肥结束时MC降低5.5%，EC降低至2.5 mS/cm，C/N降低7.4%，pH降低至7.35，NH4+-N降低0.036 g.kg−1，VS降解率提高2.4%，GI提高了20.9%。
3） 导流板可显著提升高温期细菌属Thermobifida、Bacillus以及降温期与腐熟期细菌属Saccharomonospora、Parapedobacter的相对丰度，促进有机质降解。
4） 细菌属Thermobifida、Bacillus与温度呈正相关，与C/N呈负相关，细菌属Saccharomonospora、Parapedobacter与种子发芽指数呈正相关,与挥发性固体含量呈负相关,表明导流板可促进物料有机降解质，提高堆肥腐熟效果。
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图 1 滚筒式好氧堆肥反应器结构及通风管道结构简化图
1.固体采样口 2.密封盖3.抄板 4.渗滤液收集口5.通风管道 6.气体收集口7.第一出风小孔 8.导流板
Figure 1. Simplified diagram of aerobic composting reactor and ventilation duct
1.Solid sampling port 2.Sealing cover 3.Mixed pile plate 4.Leachate collection port 5.Ventilation duct 6.Gas collection port 7.The first perforated hole 8.Deflector
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图 2 不同导流板高度情况下截面X=0 m气流速度云图
Figure 2. Airflow velocity contours of X=0 m with different deflector heights
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图 3 不同导流板高度下情况下截面Z=-0.2 m气流分布云图
Figure 3. Airflow velocity contours of Z=-0.2 m with different heights of deflectors
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图 4 好氧发酵过程中理化指标变化
注：不同小写字母表示处理组和对照组差异显著（P＜0.05），不同大写字母表示处理组和对照组差异极显著（P＜0.01），T代表处理组，CK代表对照组。
Figure 4. Changes in physical and chemical indexes during aerobic fermentation
Note: There are significant difference between treatment and control group with different lowercase (P＜0.05), and remarkable difference with different uppercase (P＜0.01),T represents the treatment group and CK represents the control group.
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图 5 好氧发酵过程中细菌多样性的变化
Figure 5. Changes in bacterial diversity during aerobic fermentation
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图 6 堆肥过程中门水平和属水平主要细菌群落的相对丰度
注：T0～T28分别代表处理组第0、3、7、10、14、21、28天样本；CK0～CK28分别代表对照组第0、3、7、10、14、21、28天样本。
Figure 6. Relative abundance of major bacterial communities at the phylum and genus levels during the composting process
Note: T0～T28 represent the samples from the treatment group on days 0, 3, 7,10, 14, 21, and 28; CK0～CK28 represent the samples from the control group ondays 0, 3, 7, 10, 14, 21, and 28.
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图 7 门水平与属水平上理化指标与微生物群落的冗余分析
注：T0～T28分别代表处理组第0、3、7、10、14、21、28天样本；CK0～CK28分别代表对照组第0、3、7、10、14、21、28天样本。
Figure 7. Redundancy analysis of physicochemical indicators and microbial communities at the phylum and genus levels
Note: T0～T28 represent the samples from the treatment group on days 0, 3, 7, 10, 14, 21, and 28; CK0～CK28 represent the samples from the control group on days 0, 3, 7, 10, 14, 21, and 28.
表 1 初始物料的理化性质
Table 1 Physical and chemical properties of the initial pile
物料
Material总碳
Total
carbon/%总氮
Total
nitrogen/%碳氮比
C/N ratio含水率
Moisture
content/%pH值
pH value牛粪
Cow manures
玉米秸秆
Maize stover
混合物料 Mixed pile38.70±0.05
39.63±0.02
39.23±0.062.91±0.05
1.31±0.02
1.73±0.0513.32
30.33
22.7484.25±0.03
7.92±0.06
55.16±1.77.48±0.08
6.52±0.05
7.28±0.09
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表 2 控制方程中广义源$\varphi $、${I_\varphi }$和${S_\varphi }$
Table 2 Values of general source $\varphi $、${I_\varphi }$ and ${S_\varphi }$ in the control equation
方程 Equation $\varphi $ ${I_\varphi }$ ${S_\varphi }$ 连续方程 Continuity equation 1 0 0 动量方程 Momentum equation ${u_i}$ $\mu $ $ - \dfrac{{\partial p}}{{\partial {x_i}}}$ 能量方程 Energy equation $T$ $\dfrac{k}{{{c_p}}}$ ${S_T}$ 组分方程 Species equation ${C_s}$ ${D_s}\rho $ 0 注：${u_i}$为$x$、$y$、$z$方向速度分量，m·s−1；$\mu $为流体黏度系数，kg·（m·s）−1；$p$为压力，Pa；${x_i}$为$x$、$y$、$z$方向长度，m；$T$为温度，K；$k$为流体导热系数W·（m·K）−1；${c_p}$为流体比热容，J·（kg·K）−1；${S_T}$为㓿性耗散项，W；${C_s}$为组分$s$的浓度，kg·kg−1；${D_s}$为组分$s$的扩散系数，m2·s−1；ρ为密度，kg·m-3。 Note: ${u_i}$ is the velocity component along $x$、$y$、$z$ axis, m·s−1; $\mu $ is the viscosity coefficient, kg·(m·s)−1; $p$ is the pressure, Pa; ${x_i}$ is the length along $x$、$y$、$z$ axis, m; $T$ is the temperature, K; $k$ is the thermal conductivity, W·(m·K)−1; ${c_p}$ is the specific heat capacity, J·(kg·K)−1; ${S_T}$ is the viscous dissipation term, W; ${C_s}$ is the concentration of s, kg·kg−1; ${D_s}$ is the diffusion coefficient of s, m2·s−1;ρ is the density, kg·m−3.
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表 3 不同高度下滚筒堆肥反应器各截面的风速变异系数
Table 3 Coefficient of variation of air speed at different heights of drum composting reactor in each section
截面
Surface风速变异系数
Coefficient of air speed variation无导流板No deflector 0.75 cm 1 cm 1.25 cm Z=-0.225 m 0.97 0.76 0.65 0.62 Z=0 m 3.45 3.48 3.55 3.56 Z=0.225 m 1.25 1.26 0.79 0.75
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