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协同堆肥提升有机质降解与氮素稳定机制研究。通过UV-Vis光谱、EEM荧光及PARAFAC结合多元统计模型，分析BR-LF协同堆肥中DOM组分演变与氮形态转化关系。研究发现3:1（BR:LF）配比最佳，显著提高堆温至65.6℃、红氧化电位205.33mV，降低铵态氮/硝态氮比至16.63，蛋白类DOM向腐殖酸类转化率达82.3%。
吴小龙|崔光宇|曲玉欣|林泽翰|徐俊杰|徐启勇
北京大学深圳研究生院环境与能源学院生态高效回收材料工程实验室，中国深圳市南山區518055
摘要
沼气残渣（BR）和黑水虻幼虫粪便（LF）是食物废弃物处理过程中产生的富含营养的副产品，但直接使用这些副产品往往会导致氮损失、有机物不稳定以及植物毒性。本研究通过共堆肥技术探讨了BR和LF对溶解有机物（DOM）转化及养分稳定的协同效应。研究结合了紫外-可见光谱、激发-发射矩阵荧光技术和多元统计分析方法，揭示了DOM转化的光谱特征及其与碳氮动态之间的关系。结果表明，与单一基质堆肥相比，共堆肥显著加速了有机物降解，减少了铵的积累，并增强了硝化作用。光谱分析显示，物质从蛋白质类结构向腐殖质和富里酸类结构发生了明显转变。当BR与LF的混合比例为3:1（其中LF占25%）时，堆肥效果最佳，表现为更高的嗜热温度、更高的氧化还原电位（205.33 mV）以及更好的硝酸盐氮保留能力。多元排序分析和envfit分析表明，在共堆肥过程中，DOM浓度、DOM组成特性及铵氮的变化是影响样品聚类和成分差异的主要因素。本研究为BR-LF共堆肥过程中DOM的转化提供了光谱和统计上的见解，并提出了一种将光谱技术与多元建模相结合的方法框架，以评估堆肥质量，从而推动食物废弃物回收的可持续发展策略。
引言
食物废弃物的产生量迅速增加，这激发了人们对可持续利用策略的关注，这些策略既能减轻环境风险又能回收资源[40]。厌氧消化（AD）和黑水虻幼虫生物转化（BSFL）是应用最广泛的技术，因为它们可以将食物废弃物转化为可再生能源或昆虫生物质[17][26]。然而，这两种过程都会产生大量的副产品：AD产生的沼气残渣（BR）和BSFL饲养过程中产生的幼虫粪便（LF）。这些副产品虽然营养价值高，但在农业系统中的安全再利用方面存在显著挑战，主要问题在于其高水分含量、高铵浓度以及植物毒性化合物[12][23][25][47]。因此，人们广泛采用好氧堆肥来稳定这些副产品，降低其植物毒性并提高其农用价值[4]。然而，堆肥效果很大程度上取决于基质特性。BR通常碳含量较低，且好氧微生物数量有限，单独堆肥时难以维持微生物活性和强烈的嗜热阶段[42]。相比之下，LF在较短时间内产生，富含有机物，但缺乏足够的腐殖化前体，导致堆肥过程中腐殖化不完全、腐殖化程度低以及氮损失严重[36]。为了改善有机物稳定性和氮保留效果，人们提出了多种改良策略，如添加生物炭、粘土矿物或微生物接种剂[28][37]。尽管这些方法可以提高堆肥质量，但对外部添加剂的依赖性增加了操作复杂性和成本，限制了其在大规模废弃物处理中的实际应用[28][37]。在这种情况下，共堆肥作为一种低成本且具有潜在协同效应的替代方案应运而生，因为它可以利用互补的基质来弥补各自的物理化学局限性，促进更平衡的生物降解和腐殖化过程[18][20]。然而，关于BR-LF共堆肥的关键知识仍有许多空白。首先，现有的共堆肥研究主要集中在异质废弃物组合上，而专门针对食物废弃物衍生的BR和LF作为连续处理过程中的同质副产品的研究较少，因此其协同稳定性和资源回收的可行性尚未得到系统评估[20][36]。其次，尽管有研究表明BR-LF共堆肥可以加速有机物降解和促进腐殖化，但这些评估主要依赖于宏观的物理化学指标。溶解有机物（DOM）组成和氮组分之间的耦合转化过程（这对堆肥成熟度和植物毒性降低至关重要）仍知之甚少[38][44]。第三，利用综合多元统计方法研究BR-LF系统中的堆肥机制的研究较少，限制了识别控制腐殖化效率和氮稳定性的关键因素的能力[37][9]。DOM是堆肥过程的核心调控因素，既是微生物代谢的易利用底物，也是有机物转化和堆肥成熟度的敏感指标。传统的指标（如溶解有机碳浓度）难以全面反映DOM的组成质量。相比之下，结合紫外-可见光谱（UV-Vis）吸收和激发-发射矩阵（EEM）荧光技术以及多元因子分析（PARAFAC）的光谱方法能够区分蛋白质类、富里酸类和腐殖质类组分，从而详细解析堆肥过程中DOM的演变过程[14]。然而，这些技术在BR-LF共堆肥系统中的应用仍有限，且与氮转化途径的整合研究较少。此外，先进的多元统计工具（如非度量多维缩放（NMDS）、排列组合多元方差分析（PERMANOVA）和环境拟合（envfit）等，能够统一分析多维物理化学、DOM和氮相关变量，但在BR-LF系统中的应用较少。
因此，本研究旨在探讨BR-LF共堆肥作为食物废弃物衍生副产品稳定化的协同策略。具体目标包括：（i）系统评估BR-LF共堆肥与单一基质堆肥系统的性能和成熟度差异；（ii）利用光谱技术揭示DOM组成和氮组分的耦合转化过程；（iii）在多元统计框架（NMDS、PERMANOVA和envfit）中整合宏观物理化学变量、光谱DOM特性和氮组分，以确定控制腐殖化和稳定的关键因素。通过明确关联DOM组成演变与氮转化过程，本研究旨在填补当前BR-LF共堆肥研究中的关键机制空白，并提供一种可推广的统计工作流程，以优化混合废弃物堆肥策略。
原材料和堆肥设计
LF来自中国广东省惠州市的一家食物废弃物生物处理厂，该厂采用黑水虻幼虫（BSFL）生物转化工艺，日处理能力为10吨食物废弃物，处理周期为10天。BR则来自中国广东省深圳市的一家食物废弃物厌氧消化公司，该公司采用两阶段厌氧生物处理工艺，日处理能力为300吨。
堆肥动态和成熟度进展
所有处理过程均遵循典型的四阶段堆肥流程，包括加热阶段（HP）、嗜热阶段（TP）、冷却阶段（CP）和成熟阶段（MP），这与现有的堆肥模型一致[41]。不过，不同处理方法之间的温度变化存在差异（见图1）。堆肥Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ在第一天内迅速达到50–60°C，而堆肥Ⅰ的温度上升较慢。含LF的处理组温度快速上升的原因在于...
结论
本研究表明，将BR与LF共堆肥可显著提高堆肥的稳定性。在测试的不同比例中，BR:LF比例为3:1（LF占25%）时，堆肥效果最佳，表现为最高的嗜热温度（65.6°C）、最强的铵减少效果、成熟的氧化还原电位（205.33 mV）、最低的最终NH??-N/NO??-N比值（16.63）以及最高的NO??-N浓度（42.64 mg·kg?1）。
作者贡献声明
林泽翰：资源获取、资金筹集。徐俊杰：资源获取、资金筹集。徐启勇：撰写-审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。吴小龙：撰写-初稿撰写、可视化、方法设计、实验研究、数据分析。崔光宇：撰写-审稿与编辑、方法设计、实验研究、概念构思。曲玉欣：方法设计。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者感谢深圳市中兴恒熙环保有限公司对本研究的部分资金支持，以及刘新然先生在样品收集和准备方面的协助。
