超高溫菌好氧堆肥技術對人糞便的處理效果

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對人糞便進行處理，檢測超高溫菌好氧堆肥過程中溫度、含水率、有機質含量、總氮含量、pH值、大腸菌群數、種子發芽指數、重金屬含量的變化情況。結果表明，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84℃，且80℃左右為常態;其余各檢測指標也均符合相關腐熟標準。試驗結果證明超高溫菌好氧堆肥對人糞便具有良好處理效果。傳統堆肥的最高溫度一般只能達到50～70℃，甚至更低，堆肥周期一般為25～45d。相較于傳統好氧堆肥，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、堆肥產物品質提升方面具有一定優勢。

關鍵詞：人糞便;超高溫菌好氧堆肥;短周期;腐熟;重金屬

中圖分類號：S141.1;S141.4;X705文獻標志碼：A

文章編號：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”作為我國國民經濟發展、改善民生的關鍵國策，正在全國范圍的城鄉進行推廣。伴隨著廁所革命的快速開展，人類糞便的處理成為環保工作中面臨的一個新的課題。作為有機固體廢棄物，人類糞便的減量化、無害化、穩定化、資源化也是有機固廢處理處置的發展方向。

人糞便含有大量有機物和營養物質[1]，是生物有機肥的良好有機原料。但近期越來越多的研究發現，未經處理的人類糞便不宜直接應用于農業生產中[2]。未經處理的人類糞便不僅會產生多種有惡臭的有害氣體，糞便中還包含大量特有致病細菌等有害物質，同時，糞便直接施用于土地也會使糞便中的重金屬對土壤產生污染。具體的醫學資料表明，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“廁所革命”所提出的分散存在的、具有特殊污染特性的同時也是資源性有機污染物的處理處置方法是環保工作者面臨的緊迫問題。

好氧堆肥是人類歷史上傳統的有機固廢資源化方法，同時一直也是產業界目前處理畜禽糞便等有機固廢的常用方法[4]。好氧堆肥通過堆肥微生物對有機物的降解作用，將堆體中的有機物轉化為腐殖質類等有益物質。同時，在堆肥過程中，堆體溫度上升，較高的溫度能夠滅活病原細菌并分解有機污染物，進而實現糞便等有機廢棄物的無害化。經堆肥處理后的腐熟產物由于有機質的穩定化和有效養分的良好配比，其產物可作為生物有機肥或有機肥料的基質原料或土壤改良劑被應用[5]。然而，眾多研究結果表明，傳統好氧堆肥的最高堆肥溫度為50～70℃，堆肥周期一般長達25～45d[6-8]，即傳統堆肥存在堆肥溫度低、堆肥周期長的問題，這也是傳統堆肥得不到全面推廣和應用的主要原因。超高溫菌好氧堆肥技術是在傳統好氧堆肥的基礎上，通過添加超高溫嗜熱菌劑，針對有機固廢進行堆肥處理。在無外加熱源的條件下，該技術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勢。由于超高溫菌好氧堆肥可有效解決上述傳統好氧堆肥存在的問題，具備很多傳統堆肥不具備的優勢，因此該技術具有廣闊的應用前景。

本試驗以人糞便為研究對象，分別對其進行傳統好氧堆肥和超高溫菌好氧堆肥處理，對比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勢，并對超高溫菌好氧堆肥過程中典型有機無機物的遷移變化規律、有害物質的無害化過程、重金屬含量變化等進行進一步研究。目前盡管超高溫菌好氧堆肥技術在國際上僅有少量研究報道，但是針對人類糞便的超高溫菌好氧堆肥研究尚未見報道。因此，本試驗率先對人糞便進行超高溫菌好氧堆肥試驗。試驗的各項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及深化超高溫菌好氧堆肥技術的應用和推廣提供基礎性的理論依據。

1材料與方法

1.1試驗裝置

試驗裝置為中型好氧堆肥槽，其結構如圖1所示。堆肥槽外部尺寸為1m×1m×1m，內部尺寸為0.92m×0.92m×0.92m，內部有效容積為0.78m3。堆肥槽由5塊1m×1m的玻璃鋼板連接而成，試驗通過拆卸前側玻璃鋼板完成進料、翻堆、出料。堆肥槽內設置3根曝氣管，以保證試驗供氧充足。

1.2試驗材料

人糞便取自沈陽建筑大學學生公寓樓化糞池，由清掏單位專業人員收集，人糞便經過清掏并瀝水后，含水率達到80%。超高溫菌的初始菌劑由沈陽東源環境科技有限公司生產并提供，經高通量測序，其菌屬結構特征如表1所示。其中超高溫菌屬（Calditerricola）與嗜熱桿菌屬（Thermaerobacter）占總數的比例達到84.93%。堆肥所用腐熟干料為前期堆肥試驗的產物，含水率為25%，試驗使用該腐熟干料僅為達到調節堆體初始含水率的目的。試驗所用人糞便、腐熟干料及菌劑的理化性質見表2，重金屬含量見表3。

1.3試驗方案

于2019年5月在沈陽建筑大學實驗室內進行相關堆肥試驗。

1.3.1超高溫菌好氧堆肥試驗將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。在堆肥槽內進行堆肥，試驗須進行持續曝氣和人工翻堆。結合相關文獻[9-10]及前期堆肥試驗總結的經驗，試驗堆肥各階段的曝氣量分別控制在4、5、3、6m3/（m3·h）。當堆體溫度出現下降趨勢后，進行翻堆取樣。堆肥開始或翻堆后至下一次翻堆之間的堆肥過程記作1個堆肥階段。將本堆肥試驗的堆體記為堆體A。

1.3.2傳統好氧堆肥試驗將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，在堆肥槽內堆肥并持續曝氣，曝氣量為3m3/（m3·h）。該試驗起對照作用，故僅測定堆肥周期、堆肥溫度、大腸菌群數和種子發芽指數4項指標。將本堆肥試驗的堆體記為堆體B。

1.4檢測指標及方法

溫度采用PT100熱電偶溫度探頭檢測;含水率采用質量法測定;有機質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計測定。

種子發芽指數的測定：按質量比1∶10將堆肥樣品與蒸餾水混合，經振蕩離心過濾，得到堆肥浸提液[11]，同時以蒸餾水作對照組。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。每個處理（包括蒸餾水對照組）均設3個重復的平皿，在20℃避光條件下培養3d，測定種子發芽數及發芽種子根長，計算種子發芽指數[12]：

GI=（樣品發芽率×樣品平均根長）/（空白發芽率×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法測定[13]。

2結果與分析

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，超高溫菌堆肥試驗的堆體最高溫度達到84℃。堆體A的溫度呈現各階段前期升高、達到超高溫后維持一段時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中嗜溫菌占主導地位，嗜熱菌及超高溫嗜熱菌在此時并未大量繁殖，這個階段堆體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并大量繁殖，接替嗜溫菌占據微生物的主導地位，使堆體A的溫度進一步升高并達到超高溫。在試驗的各階段，堆體A的溫度稍有下降時便進行翻堆，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到超高溫。

傳統好氧堆肥的最高溫度一般只能達到50～70℃[14]。當堆肥溫度高于70℃時，傳統堆肥的大量主要堆肥菌種被消滅或滅活。而石文軍的研究結果表明，相較于傳統堆肥，全程維持在較高溫度的堆肥可以大幅提高堆肥效率，加快腐熟進程[15]。如圖3所示，采用傳統堆肥技術的堆體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堆肥可大大加快腐熟進程。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進度[17]。堆體中的水分為堆肥微生物的代謝活動和溶解氧的運輸提供了介質[18]。如圖4所示，超高溫菌好氧堆肥結束時，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和翻堆時的蒸發作用得以去除。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期對堆肥起主導作用，它們通過利用有機物和水分，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質含量的降低而減小，但是由于堆體始終維持在較高的溫度并持續曝氣，水分降低的速率并未減少。

研究發現，傳統好氧堆肥的含水率控制在40%～60%對堆肥最為有利[19]。本試驗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節至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，傳統堆肥的微生物易因含水率過低而失去活性。但是由于試驗用菌種的特性，此階段堆肥溫度的提升效果雖不如前3個堆肥階段，但堆肥反應仍能進行。堆體A的含水率在堆肥結束時便已符合我國有機肥料執行標準（NY525—2012《有機肥料》）[20]中肥料含水率須小于30%的規定。

2.3超高溫菌好氧堆肥堆體有機質含量的變化

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

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，但是在這2個階段總體仍呈降低趨勢。總氮含量的降低主要由NH3揮發導致，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，有機氮快速分解并生成大量NH3，導致pH值升高。在高溫及pH值升高的條件下，NH3大量揮發[21]，使堆肥前2個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的揮發量逐漸減少，同時堆肥使堆體的體積有所減小，導致部分時期的總氮含量因“濃縮效應”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價標準之一，有研究發現，pH值為7.80～8.50的環境更有利于堆肥進程[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。有機肥料執行標準（NY525—2012《有機肥料》）[20]中規定，堆肥產物的pH值應在5.5～8.5之間，堆體A的堆肥產物符合上述規定。在堆肥過程中，蛋白質類大分子物質分解，NH3等堿性物質不斷生成并積累[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，導致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、種子發芽指數的變化

如圖8所示，超高溫菌好氧堆肥開始時，堆體A的大腸菌群數為2.34×104個/g。經過8d的堆肥處理，堆體A堆肥產物的大腸菌群數為50個/g。大腸菌群數是評價好氧堆肥對人體健康產生危害風險的重要指標[26]。堆體中的大腸菌群由人糞便引入，隨著堆體溫度的升高，導致不能適應高溫的大腸菌群大量死亡，堆體的大腸菌群數逐漸減少。堆體A中絕大多數的大腸菌群在堆肥前2個階段便已滅活。在堆肥第2階段，堆體A的大腸菌群數便已符合有機肥料執行標準（NY525—2012《有機肥料》）的規定[20]，可認為不會對人體產生危害。

由圖8還可以看出，超高溫好氧堆肥開始時，堆體A的種子發芽指數為58.79%，在試驗完成后提高至91.13%。種子發芽指數可以判斷好氧堆肥產物的腐熟程度和植物毒性[27]，檢測堆肥的種子發芽指數也是證明堆肥產物腐熟程度的最佳方法。Zucconi等的研究結果表明，當GI超過80%時，堆肥已經完全腐熟[28]。由此可見，經過8d的超高溫菌堆肥，堆體A的堆肥產物已經達到腐熟標準。

如圖9所示，經過55d的傳統堆肥處理，堆體B堆肥產物的大腸菌群數為[KG*8]55個/g，種子發芽指數為81.78%。在2項指標滿足上述腐熟標準的背景下[20，28]，結束該堆肥試驗。

2.7超高溫菌好氧堆肥重金屬含量的變化

堆肥產物的重金屬含量是堆肥無害化評價指標之一。肥料中過高的重金屬含量會導致植物產量降低、質量下降[29]。如圖10所示，堆體A堆肥結束時，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。這種現象是由于重金屬具有不可降解性，堆肥微生物很難對其降解[30]。同時因堆體體積的減少，重金屬產生“濃縮效應”[31]，使各種重金屬的相對含量呈現增加趨勢。

理論上，各類重金屬含量的增加倍數應該相同。但在實際堆肥中，各類重金屬含量的增加倍數卻不一致[32]，此前眾多學者堆肥試驗重金屬含量的增加倍數也均有差異[33-34]。本試驗中堆體A的各類重金屬含量的增加量均不超過原含量的25%。有機肥料執行標準（NY525—2012）[20]規定肥料的Cd、Pb含量不應超過3、50mg/kg，堆體A的堆肥產物符合上述規定。

3結論

堆體A采用超高溫菌好氧堆肥工藝對人糞便進行堆肥處理，檢測了溫度、含水率、有機質含量、總氮含量、pH值、大腸菌群數、種子發芽指數、重金屬含量及其形態的變化情況。證明試驗堆肥產物滿足相關的腐熟指標，可作為原料制成有機肥料應用于農業生產中。從堆肥中大腸菌群數的變化可知，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物松散均勻，種子發芽指數也達到完全腐熟標準，表明超高溫菌好氧堆肥技術可實現人糞便無害化、資源化處理。

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

傳統好氧堆肥的周期多為30～45d及以上，在本試驗中，采用傳統好氧堆肥技術的堆體B的堆肥周期為55d，而采用超高溫菌好氧堆肥技術的堆體A的堆肥周期僅為10d。相較于一般的傳統堆肥，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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