張羽鑫　劉闖　黃殿男　趙超越　張立國　傅金祥

摘要：為了解決傳統(tǒng)堆肥存在的堆肥溫度低、堆肥周期長的問題，采用超高溫菌好氧堆肥技術(shù)對(duì)人糞便進(jìn)行處理，檢測超高溫菌好氧堆肥過程中溫度、含水率、有機(jī)質(zhì)含量、總氮含量、pH值、大腸菌群數(shù)、種子發(fā)芽指數(shù)、重金屬含量的變化情況。結(jié)果表明，超高溫菌好氧堆肥的堆肥周期為10d;在無外加熱源條件下，堆肥最高溫度達(dá)84℃，且80℃左右為常態(tài);其余各檢測指標(biāo)也均符合相關(guān)腐熟標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果證明超高溫菌好氧堆肥對(duì)人糞便具有良好處理效果。傳統(tǒng)堆肥的最高溫度一般只能達(dá)到50～70℃，甚至更低，堆肥周期一般為25～45d。相較于傳統(tǒng)好氧堆肥，超高溫菌好氧堆肥不僅提高了堆肥溫度、大幅縮短了堆肥周期，而且在無害化程度、堆肥產(chǎn)物品質(zhì)提升方面具有一定優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：人糞便;超高溫菌好氧堆肥;短周期;腐熟;重金屬

中圖分類號(hào)：S141.1;S141.4;X705文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）04-0179-06

作者簡介：張羽鑫（1995—），男，吉林德惠人，碩士研究生，主要從事有機(jī)固體廢棄物處理處置研究。E-mail：576902344@qq.com。

通信作者：劉闖，博士，講師，主要從事有機(jī)固體廢棄物處理處置研究。E-mail：liuchuang121@163.com。

“廁所革命”作為我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善民生的關(guān)鍵國策，正在全國范圍的城鄉(xiāng)進(jìn)行推廣。伴隨著廁所革命的快速開展，人類糞便的處理成為環(huán)保工作中面臨的一個(gè)新的課題。作為有機(jī)固體廢棄物，人類糞便的減量化、無害化、穩(wěn)定化、資源化也是有機(jī)固廢處理處置的發(fā)展方向。

人糞便含有大量有機(jī)物和營養(yǎng)物質(zhì)[1]，是生物有機(jī)肥的良好有機(jī)原料。但近期越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)處理的人類糞便不宜直接應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[2]。未經(jīng)處理的人類糞便不僅會(huì)產(chǎn)生多種有惡臭的有害氣體，糞便中還包含大量特有致病細(xì)菌等有害物質(zhì)，同時(shí)，糞便直接施用于土地也會(huì)使糞便中的重金屬對(duì)土壤產(chǎn)生污染。具體的醫(yī)學(xué)資料表明，人糞便中可攜帶炭疽桿菌、肝炎病毒、流感病毒及蠕蟲卵等數(shù)十種病原體，是多種疾病傳播的根源[3]。因此，找到高效合理的針對(duì)“廁所革命”所提出的分散存在的、具有特殊污染特性的同時(shí)也是資源性有機(jī)污染物的處理處置方法是環(huán)保工作者面臨的緊迫問題。

好氧堆肥是人類歷史上傳統(tǒng)的有機(jī)固廢資源化方法，同時(shí)一直也是產(chǎn)業(yè)界目前處理畜禽糞便等有機(jī)固廢的常用方法[4]。好氧堆肥通過堆肥微生物對(duì)有機(jī)物的降解作用，將堆體中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)類等有益物質(zhì)。同時(shí)，在堆肥過程中，堆體溫度上升，較高的溫度能夠滅活病原細(xì)菌并分解有機(jī)污染物，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)糞便等有機(jī)廢棄物的無害化。經(jīng)堆肥處理后的腐熟產(chǎn)物由于有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定化和有效養(yǎng)分的良好配比，其產(chǎn)物可作為生物有機(jī)肥或有機(jī)肥料的基質(zhì)原料或土壤改良劑被應(yīng)用[5]。然而，眾多研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)好氧堆肥的最高堆肥溫度為50～70℃，堆肥周期一般長達(dá)25～45d[6-8]，即傳統(tǒng)堆肥存在堆肥溫度低、堆肥周期長的問題，這也是傳統(tǒng)堆肥得不到全面推廣和應(yīng)用的主要原因。超高溫菌好氧堆肥技術(shù)是在傳統(tǒng)好氧堆肥的基礎(chǔ)上，通過添加超高溫嗜熱菌劑，針對(duì)有機(jī)固廢進(jìn)行堆肥處理。在無外加熱源的條件下，該技術(shù)可使堆肥溫度超過并保持在80℃以上，具有處理周期短、有害物去除效率高等優(yōu)勢。由于超高溫菌好氧堆肥可有效解決上述傳統(tǒng)好氧堆肥存在的問題，具備很多傳統(tǒng)堆肥不具備的優(yōu)勢，因此該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

本試驗(yàn)以人糞便為研究對(duì)象，分別對(duì)其進(jìn)行傳統(tǒng)好氧堆肥和超高溫菌好氧堆肥處理，對(duì)比2種堆肥工藝的堆肥溫度、堆肥周期，突出超高溫菌好氧堆肥的工藝優(yōu)勢，并對(duì)超高溫菌好氧堆肥過程中典型有機(jī)無機(jī)物的遷移變化規(guī)律、有害物質(zhì)的無害化過程、重金屬含量變化等進(jìn)行進(jìn)一步研究。目前盡管超高溫菌好氧堆肥技術(shù)在國際上僅有少量研究報(bào)道，但是針對(duì)人類糞便的超高溫菌好氧堆肥研究尚未見報(bào)道。因此，本試驗(yàn)率先對(duì)人糞便進(jìn)行超高溫菌好氧堆肥試驗(yàn)。試驗(yàn)的各項(xiàng)研究成果可為找到高效的人類糞便無害化、資源化處理處置技術(shù)及深化超高溫菌好氧堆肥技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供基礎(chǔ)性的理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為中型好氧堆肥槽，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。堆肥槽外部尺寸為1m×1m×1m，內(nèi)部尺寸為0.92m×0.92m×0.92m，內(nèi)部有效容積為0.78m3。堆肥槽由5塊1m×1m的玻璃鋼板連接而成，試驗(yàn)通過拆卸前側(cè)玻璃鋼板完成進(jìn)料、翻堆、出料。堆肥槽內(nèi)設(shè)置3根曝氣管，以保證試驗(yàn)供氧充足。

1.2試驗(yàn)材料

人糞便取自沈陽建筑大學(xué)學(xué)生公寓樓化糞池，由清掏單位專業(yè)人員收集，人糞便經(jīng)過清掏并瀝水后，含水率達(dá)到80%。超高溫菌的初始菌劑由沈陽東源環(huán)境科技有限公司生產(chǎn)并提供，經(jīng)高通量測序，其菌屬結(jié)構(gòu)特征如表1所示。其中超高溫菌屬（Calditerricola）與嗜熱桿菌屬（Thermaerobacter）占總數(shù)的比例達(dá)到84.93%。堆肥所用腐熟干料為前期堆肥試驗(yàn)的產(chǎn)物，含水率為25%，試驗(yàn)使用該腐熟干料僅為達(dá)到調(diào)節(jié)堆體初始含水率的目的。試驗(yàn)所用人糞便、腐熟干料及菌劑的理化性質(zhì)見表2，重金屬含量見表3。

1.3試驗(yàn)方案

于2019年5月在沈陽建筑大學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行相關(guān)堆肥試驗(yàn)。

1.3.1超高溫菌好氧堆肥試驗(yàn)將155kg人糞、355kg腐熟干料和30kg超高溫嗜熱菌劑混合均勻，混合后的堆體含水率為45%左右。在堆肥槽內(nèi)進(jìn)行堆肥，試驗(yàn)須進(jìn)行持續(xù)曝氣和人工翻堆。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[9-10]及前期堆肥試驗(yàn)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)堆肥各階段的曝氣量分別控制在4、5、3、6m3/（m3·h）。當(dāng)堆體溫度出現(xiàn)下降趨勢后，進(jìn)行翻堆取樣。堆肥開始或翻堆后至下一次翻堆之間的堆肥過程記作1個(gè)堆肥階段。將本堆肥試驗(yàn)的堆體記為堆體A。

1.3.2傳統(tǒng)好氧堆肥試驗(yàn)將160kg人糞和380kg腐熟干料混合均勻，混合后的堆體含水率在45%左右，在堆肥槽內(nèi)堆肥并持續(xù)曝氣，曝氣量為3m3/（m3·h）。該試驗(yàn)起對(duì)照作用，故僅測定堆肥周期、堆肥溫度、大腸菌群數(shù)和種子發(fā)芽指數(shù)4項(xiàng)指標(biāo)。將本堆肥試驗(yàn)的堆體記為堆體B。

1.4檢測指標(biāo)及方法

溫度采用PT100熱電偶溫度探頭檢測;含水率采用質(zhì)量法測定;有機(jī)質(zhì)含量采用灼燒法測定;總氮含量采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定;大腸菌群數(shù)采用濾膜法測定。

pH值的測定：在50mL離心管中加入2g樣品和20mL蒸餾水，振蕩均勻后用SX-620型筆式pH計(jì)測定。

種子發(fā)芽指數(shù)的測定：按質(zhì)量比1∶10將堆肥樣品與蒸餾水混合，經(jīng)振蕩離心過濾，得到堆肥浸提液[11]，同時(shí)以蒸餾水作對(duì)照組。將濾紙放入無菌皿中，并將20株小白菜種子均勻放置在濾紙上，滴入5mL浸提液。每個(gè)處理（包括蒸餾水對(duì)照組）均設(shè)3個(gè)重復(fù)的平皿，在20℃避光條件下培養(yǎng)3d，測定種子發(fā)芽數(shù)及發(fā)芽種子根長，計(jì)算種子發(fā)芽指數(shù)[12]：

GI=（樣品發(fā)芽率×樣品平均根長）/（空白發(fā)芽率×空白平均根長）×100%。

重金屬含量采用HNO3-HClO4消煮、原子吸收分光光度計(jì)法測定[13]。

2結(jié)果與分析

2.12種堆肥堆體溫度的變化

如圖2所示，在未加熱源的情況下，超高溫菌堆肥試驗(yàn)的堆體最高溫度達(dá)到84℃。堆體A的溫度呈現(xiàn)各階段前期升高、達(dá)到超高溫后維持一段時(shí)間并在各階段后期下降的趨勢。由超高溫菌好氧堆肥溫度變化曲線可知，在堆肥初始階段，堆體A中嗜溫菌占主導(dǎo)地位，嗜熱菌及超高溫嗜熱菌在此時(shí)并未大量繁殖，這個(gè)階段堆體A溫度上升緩慢。隨著溫度逐漸升高，嗜熱菌及超高溫嗜熱菌的活性增強(qiáng)并大量繁殖，接替嗜溫菌占據(jù)微生物的主導(dǎo)地位，使堆體A的溫度進(jìn)一步升高并達(dá)到超高溫。在試驗(yàn)的各階段，堆體A的溫度稍有下降時(shí)便進(jìn)行翻堆，堆體A的溫度在翻堆后降至50℃以下，但超高溫嗜熱菌仍能保持很高的活性，使堆體溫度再次快速達(dá)到超高溫。

傳統(tǒng)好氧堆肥的最高溫度一般只能達(dá)到50～70℃[14]。當(dāng)堆肥溫度高于70℃時(shí)，傳統(tǒng)堆肥的大量主要堆肥菌種被消滅或滅活。而石文軍的研究結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)堆肥，全程維持在較高溫度的堆肥可以大幅提高堆肥效率，加快腐熟進(jìn)程[15]。如圖3所示，采用傳統(tǒng)堆肥技術(shù)的堆體B的最高溫度為58℃，堆肥周期為55d。而堆體A的堆肥周期僅為10d，表明超高溫菌好氧堆肥相較傳統(tǒng)堆肥可大大加快腐熟進(jìn)程。堆體A的堆肥溫度也完全符合堆肥至少維持3d以上、55℃高溫[16]的相關(guān)要求。

2.2超高溫菌好氧堆肥堆體含水率的變化

堆體含水率的變化影響著堆肥的反應(yīng)進(jìn)度[17]。堆體中的水分為堆肥微生物的代謝活動(dòng)和溶解氧的運(yùn)輸提供了介質(zhì)[18]。如圖4所示，超高溫菌好氧堆肥結(jié)束時(shí)，堆體A的含水率由初始的45.02%下降至28.02%。堆肥的1～4階段中，堆體的含水率分別下降了7.00%、4.20%、2.78%、3.02%。堆體A中的水分主要通過堆肥過程中的高溫蒸發(fā)和翻堆時(shí)的蒸發(fā)作用得以去除。在堆肥的第1階段，嗜溫菌、嗜熱菌、超高溫嗜熱菌等多種微生物分別在不同時(shí)期對(duì)堆肥起主導(dǎo)作用，它們通過利用有機(jī)物和水分，使自身大量繁殖并依次釋放熱量，因此第1階段的堆肥時(shí)間較長，該階段的含水率降幅最大。在隨后的堆肥階段，微生物繁殖速率因有機(jī)質(zhì)含量的降低而減小，但是由于堆體始終維持在較高的溫度并持續(xù)曝氣，水分降低的速率并未減少。

研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)好氧堆肥的含水率控制在40%～60%對(duì)堆肥最為有利[19]。本試驗(yàn)考慮到高含水率將降低孔隙率，影響曝氣效果，因而將初始含水率調(diào)節(jié)至45.02%。從堆肥的第2階段開始，堆體A的含水率下降至40%以下，但是超高溫菌劑仍能保正常的代謝繁殖，使堆肥仍能順利進(jìn)行。在堆肥的第4階段，堆體A的含水率降至30%以下，在這種條件下，傳統(tǒng)堆肥的微生物易因含水率過低而失去活性。但是由于試驗(yàn)用菌種的特性，此階段堆肥溫度的提升效果雖不如前3個(gè)堆肥階段，但堆肥反應(yīng)仍能進(jìn)行。堆體A的含水率在堆肥結(jié)束時(shí)便已符合我國有機(jī)肥料執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)（NY525—2012《有機(jī)肥料》）[20]中肥料含水率須小于30%的規(guī)定。

2.3超高溫菌好氧堆肥堆體有機(jī)質(zhì)含量的變化

如圖5所示，超高溫菌好氧堆肥的有機(jī)質(zhì)含量呈逐漸降低的趨勢，有機(jī)質(zhì)降低速率逐漸減緩。堆肥結(jié)束時(shí)，堆體A的有機(jī)質(zhì)降解率為12.04%。在堆肥的第1、2階段，堆體A的有機(jī)質(zhì)含量充足，微生物發(fā)育環(huán)境良好并能充分利用有機(jī)物完成發(fā)育繁殖。因此，這2個(gè)階段的有機(jī)質(zhì)含量下降得最快。在堆肥的第3、4階段，堆體A的有機(jī)質(zhì)降解速率下降，意味著堆體能供給的營養(yǎng)物質(zhì)減少，微生物活性下降。在堆肥的第4階段，堆體A的有機(jī)質(zhì)含量只下降了0.48%，說明微生物能夠利用的有機(jī)質(zhì)已幾乎消耗完全，堆肥進(jìn)入尾聲階段。

2.4超高溫菌好氧堆肥堆體總氮含量變化情況

如圖6所示，超高溫菌堆肥的總氮含量在堆肥的第1、2階段明顯降低，在堆肥的第3、4階段，盡管總氮含量有小幅度波動(dòng)，但是在這2個(gè)階段總體仍呈降低趨勢?？偟康慕档椭饕蒒H3揮發(fā)導(dǎo)致，在堆肥的第1、2階段，堆體A的微生物大量繁殖，使堆體溫度升高，有機(jī)氮快速分解并生成大量NH3，導(dǎo)致pH值升高。在高溫及pH值升高的條件下，NH3大量揮發(fā)[21]，使堆肥前2個(gè)階段的總氮含量明顯降低。在堆肥的第3、4階段，微生物活性減弱，pH值也有小幅度降低，NH3的揮發(fā)量逐漸減少，同時(shí)堆肥使堆體的體積有所減小，導(dǎo)致部分時(shí)期的總氮含量因“濃縮效應(yīng)”而小幅度增加[22-23]，但在堆肥第3、4階段，總氮含量總體仍呈下降趨勢。

2.5超高溫菌好氧堆肥堆體pH值的變化

pH值也是堆肥腐熟的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一，有研究發(fā)現(xiàn)，pH值為7.80～8.50的環(huán)境更有利于堆肥進(jìn)程[24]。如圖7所示，超高溫菌堆肥堆體的pH值從6.62上升至最高值8.40后下降至7.61。有機(jī)肥料執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)（NY525—2012《有機(jī)肥料》）[20]中規(guī)定，堆肥產(chǎn)物的pH值應(yīng)在5.5～8.5之間，堆體A的堆肥產(chǎn)物符合上述規(guī)定。在堆肥過程中，蛋白質(zhì)類大分子物質(zhì)分解，NH3等堿性物質(zhì)不斷生成并積累[25]，使pH值升高并維持在7.5之上。在堆肥后期，NH3的生成速率減慢并已大量揮發(fā)，導(dǎo)致pH值有小幅度下降。總體而言，在超高溫菌好氧堆肥的過程中，pH值始終保持在中性和弱堿性之間。

2.62種堆肥堆體大腸菌群數(shù)、種子發(fā)芽指數(shù)的變化

如圖8所示，超高溫菌好氧堆肥開始時(shí)，堆體A的大腸菌群數(shù)為2.34×104個(gè)/g。經(jīng)過8d的堆肥處理，堆體A堆肥產(chǎn)物的大腸菌群數(shù)為50個(gè)/g。大腸菌群數(shù)是評(píng)價(jià)好氧堆肥對(duì)人體健康產(chǎn)生危害風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)[26]。堆體中的大腸菌群由人糞便引入，隨著堆體溫度的升高，導(dǎo)致不能適應(yīng)高溫的大腸菌群大量死亡，堆體的大腸菌群數(shù)逐漸減少。堆體A中絕大多數(shù)的大腸菌群在堆肥前2個(gè)階段便已滅活。在堆肥第2階段，堆體A的大腸菌群數(shù)便已符合有機(jī)肥料執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)（NY525—2012《有機(jī)肥料》）的規(guī)定[20]，可認(rèn)為不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害。

由圖8還可以看出，超高溫好氧堆肥開始時(shí)，堆體A的種子發(fā)芽指數(shù)為58.79%，在試驗(yàn)完成后提高至91.13%。種子發(fā)芽指數(shù)可以判斷好氧堆肥產(chǎn)物的腐熟程度和植物毒性[27]，檢測堆肥的種子發(fā)芽指數(shù)也是證明堆肥產(chǎn)物腐熟程度的最佳方法。Zucconi等的研究結(jié)果表明，當(dāng)GI超過80%時(shí)，堆肥已經(jīng)完全腐熟[28]。由此可見，經(jīng)過8d的超高溫菌堆肥，堆體A的堆肥產(chǎn)物已經(jīng)達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

如圖9所示，經(jīng)過55d的傳統(tǒng)堆肥處理，堆體B堆肥產(chǎn)物的大腸菌群數(shù)為[KG*8]55個(gè)/g，種子發(fā)芽指數(shù)為81.78%。在2項(xiàng)指標(biāo)滿足上述腐熟標(biāo)準(zhǔn)的背景下[20，28]，結(jié)束該堆肥試驗(yàn)。

2.7超高溫菌好氧堆肥重金屬含量的變化

堆肥產(chǎn)物的重金屬含量是堆肥無害化評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。肥料中過高的重金屬含量會(huì)導(dǎo)致植物產(chǎn)量降低、質(zhì)量下降[29]。如圖10所示，堆體A堆肥結(jié)束時(shí)，4種重金屬含量均有增加。其中，堆體A中的Zn含量由198.2mg/kg增加至247.1mg/kg，Cu含量由60.02mg/kg增加至75.21mg/kg，Cd含量由1.44mg/kg增加至1.79mg/kg，Pb含量由7.11mg/kg增加至7.21mg/kg。這種現(xiàn)象是由于重金屬具有不可降解性，堆肥微生物很難對(duì)其降解[30]。同時(shí)因堆體體積的減少，重金屬產(chǎn)生“濃縮效應(yīng)”[31]，使各種重金屬的相對(duì)含量呈現(xiàn)增加趨勢。

理論上，各類重金屬含量的增加倍數(shù)應(yīng)該相同。但在實(shí)際堆肥中，各類重金屬含量的增加倍數(shù)卻不一致[32]，此前眾多學(xué)者堆肥試驗(yàn)重金屬含量的增加倍數(shù)也均有差異[33-34]。本試驗(yàn)中堆體A的各類重金屬含量的增加量均不超過原含量的25%。有機(jī)肥料執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)（NY525—2012）[20]規(guī)定肥料的Cd、Pb含量不應(yīng)超過3、50mg/kg，堆體A的堆肥產(chǎn)物符合上述規(guī)定。

3結(jié)論

堆體A采用超高溫菌好氧堆肥工藝對(duì)人糞便進(jìn)行堆肥處理，檢測了溫度、含水率、有機(jī)質(zhì)含量、總氮含量、pH值、大腸菌群數(shù)、種子發(fā)芽指數(shù)、重金屬含量及其形態(tài)的變化情況。證明試驗(yàn)堆肥產(chǎn)物滿足相關(guān)的腐熟指標(biāo)，可作為原料制成有機(jī)肥料應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。從堆肥中大腸菌群數(shù)的變化可知，超高溫菌好氧堆肥工藝可快速殺死堆體中的大腸菌群。并且超高溫菌好氧堆肥產(chǎn)物松散均勻，種子發(fā)芽指數(shù)也達(dá)到完全腐熟標(biāo)準(zhǔn)，表明超高溫菌好氧堆肥技術(shù)可實(shí)現(xiàn)人糞便無害化、資源化處理。

傳統(tǒng)堆肥的最高溫度通常只能維持在50～70℃，在本試驗(yàn)中，采用傳統(tǒng)好氧堆肥技術(shù)的堆體B的最高溫度為58℃。而堆肥達(dá)到超高溫更有利于加快堆肥腐熟進(jìn)程和堆體中病原微生物的滅活。本試驗(yàn)在沒有添加任何外加熱源的條件下，堆肥溫度便可達(dá)到超高溫狀態(tài)，最高堆肥溫度達(dá)到84℃。

傳統(tǒng)好氧堆肥的周期多為30～45d及以上，在本試驗(yàn)中，采用傳統(tǒng)好氧堆肥技術(shù)的堆體B的堆肥周期為55d，而采用超高溫菌好氧堆肥技術(shù)的堆體A的堆肥周期僅為10d。相較于一般的傳統(tǒng)堆肥，超高溫菌好氧堆肥的堆肥周期可縮短20d以上，極大地提高了堆肥效率。

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