人粪与不同废弃物混合厌氧发酵的效果

杜静，沈礼晨，奚永兰，孙恩惠，孔祥平，张应鹏，王莉，叶小梅*

(1.江苏省农业科学院循环农业研究中心 农业农村部种养结合重点实验室 农业农村部农村可再生能源开发利用华东科学观测实验站江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，江苏 南京 210014; 2.江苏大学 农业装备工程学院，江苏 镇江 212013)

一个成年人平均每天要排出约0.4 kg粪便和1.8 kg尿液，合计2.2 kg(每年约800 kg)粪尿。这些资源若不加以处理、利用即流入江河湖泊，会导致水体发黑发臭，不仅是对资源的浪费，还会给环境和生态带来严重破坏[1]。据统计，2014年，我国粪便清运量达1 552万t，其中13.9%来源于北京，无害化处理率仅为44.6%[2]。人粪便中含有多种肠道致病菌、寄生虫卵和病毒，是人类某些疾病的传播来源，发展中国家70%的疾病与粪便的生物性传染有关[3]。然而人粪便因富含多种有机物和植物营养元素(如氮、磷、钾等)，又是一种重要的肥料资源。因此，采用科学合理的方式处理并利用好人粪便，具有非常重要的现实意义。

传统的人粪处理方法主要包括农业利用、卫生填埋、好氧堆肥和厌氧发酵等[4]。粪便作为肥料来源和土壤调理剂在我国具有悠久历史，虽然这种方式能够实现废弃物的资源化利用，降低农业成本，但容易引发血吸虫病、蛔虫病、钩虫病、鞭虫病等数十种土源和食源性寄生虫病，危害民众健康[5]。卫生填埋是将人粪便脱水后的残渣铺于填埋场，其处理成本低，技术要求低，但占地大，且存在渗滤液和病原体二次污染的问题[6]。通过好氧堆肥方式将人粪便无害化处理后转化为肥料施用于农田，是研究人员关注的热点，该方式对含水率要求高，需添加大量辅料，虽然处理成本低，也可满足一定的卫生要求，但存在处理周期长、重金属富集等问题[7-8]。采用厌氧发酵技术对人粪便进行处理，不但具有重要的环保意义，同时可产生清洁能源和安全的有机肥料，可实现人粪便的高效利用。然而，现有的针对纯人粪开展的厌氧发酵研究效果不佳。冯书涛等[9]进行了纯人粪沼气发酵试验，发现纯人粪的碳氮比是2.9∶1，而沼气发酵的最适碳氮比是(25～30)∶1，所以纯人粪沼气发酵的产气率较低。张翠丽等[10]研究了20、25、30、40 ℃条件下单一人粪的发酵产气情况，指出人粪厌氧消化的最优温度是25.1 ℃，表明其适合用作低温地区的消化原料。

2018年2月，中共中央办公厅、国务院印发了《农村人居环境整治三年行动方案》，提出要进行农村人居环境污染整治，开展厕所粪污治理，完善建设和管护机制，将农厕的改造与监管提到了新的高度[11]。随着近几年畜禽粪污资源化利用整县推进和“厕所革命”的不断深入，越来越多的县市将农村各类有机废弃物处理进行统筹布局，纳入集中处理体系。利用人粪与农村多种有机废弃物混合发酵产沼气既可以改善农村人居环境，又可以获得能源，调整农村用能结构。秦佳佳等[12]研究了人粪分别与牛粪、鸡粪和玉米秸秆以不同比例混合的厌氧发酵产气效率，在25 ℃，人粪与牛粪混合发酵的最优配比为3∶1，人粪与鸡粪混合发酵的最优配比为1∶1，人粪与玉米秆秸混合发酵的最优配比为3∶1。为了更好地将改厕后产生的人粪与其他农村有机废弃物纳入区域整体推进的无害化和资源化利用体系中，本文选取了3种农村有机废弃物(稻秸、尾菜和牛粪)，采用中温批式发酵方式，研究人粪与稻秸、尾菜、牛粪按不同比例混合发酵的产沼气效果和无害化处理效果(即粪大肠菌群和蛔虫卵杀灭率)，以期为人粪科学合理利用，和人粪与多元有机废弃物混合发酵工艺技术研发提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试人粪取自南京某公共厕所，由专人集中收集，去除杂物后混合均匀并分装冷藏于-20 ℃的冰箱中保存。供试稻秸系取自江苏省农业科学院试验田自然条件下风干后的水稻秸秆，经破碎处理成5 mm左右的粉末，备用；供试尾菜系取自南京某菜市场废弃的大白菜菜叶，经小型粉碎机粉碎后储存于4 ℃冰箱备用；供试牛粪系取自南京市六合区某奶牛养殖场经固液分离后的牛粪残渣，储存于4 ℃冰箱备用。各发酵原料基本性状(以干基计)如下：人粪，总固体(TS)(30.79±1.27)%，有机碳(50.02±0.73)g·kg-1，总氮(6.80±1.20)g·kg-1，C/N值7.36；稻秸，TS(91.82±0.82)%，有机碳(47.30±2.03)g·kg-1，总氮(0.91±0.03)g·kg-1，C/N值51.98；尾菜，TS(13.58±1.05)%，有机碳(21.56±1.15)g·kg-1，总氮(2.08±0.11)g·kg-1，C/N值10.37；牛粪，TS(41.88±3.24)%，有机碳(37.50±0.28)g·kg-1，总氮(1.50±0.06)g·kg-1，C/N值25.00。

接种物为本实验室污泥驯化罐排出液(发酵底物为新鲜猪粪)，经纱布过滤后于35 ℃保存待用。接种物的TS为(4.88±0.01)%，挥发性固体(VS)为(65.06±0.09)%，pH值为(7.62±0.07)。

1.2 处理设计

试验装置同文献[13]。试验装置中的发酵瓶、排水瓶和集水瓶均采用1 000 mL广口玻璃瓶，发酵料液的TS为8%，将人粪分别与稻秸(混合物记为HF/RS)、尾菜(混合物记为HF/VR)和牛粪(混合物记为HF/CM)3种农村有机废弃物按照干物质质量比1∶1、2∶1、3∶1分别混合，并设定纯人粪为对照组(记为HF)。各处理设置3个平行，发酵有效容积设定为700 mL，加入接种物352 g，其余采用蒸馏水补足，混合均匀后于(37±1)℃进行厌氧消化试验。试验过程中每天测定产气量，分别于发酵第2、4、6、8、12、16、20、25、30、35、40天各采集1次沼气组分并进行分析。发酵试验开始前和结束时分别采集各处理发酵液用于检测卫生学指标。

1.3 测试指标与方法

试验过程中取样测定以下指标：(1)以排水集气法收集气体，每日测定产气量。(2)采用GC-7890A气相色谱仪(美国Agilent)分析沼气甲烷含量[14]。检测器类型为热导检测器(TCD)，检测器温度120 ℃，进样器类型为平面流通阀，分析柱为TDC-01，柱温100 ℃，载气类型为H2，载气流量为50 mL·min-1，定量管1 mL。标准气体：N2(体积分数29.2%)、CH4(体积分数42.4%)、CO2(体积分数28.4%)组成的混合气体。分析方法：外标法。(3)干物质测定，105 ℃烘干24 h，差重法[15]。(4)粪大肠菌群数量，采用美国3 M Petrifilm大肠菌群测试片(含改良VRB培养基)测定。(5)蛔虫卵死亡率，按照GB 7959—2012《粪便无害化卫生要求》和改良加藤氏法测定。

2 结果与分析

2.1 人粪与不同废弃物混合发酵对产甲烷效果的影响

2.1.1 容积产气率

容积产气率是沼气发酵的重要性能指标[16]。人粪与不同废弃物混合发酵下容积产气率的变化如图1所示。可以看出，除HF/VR组(即包含3种添加比例的HF/VR)发酵第1天达到产气最高峰外，HF/RS和HF/CM组的容积产气率变化趋势相似，均在发酵第2天出现第1个峰值。其中，HF/VR以1∶1配比(简记为HF/VR 1∶1，其他依此类推)的容积产气率最高，达1.46 L·L-1·d-1；HF/RS以3∶1配比的容积产气率最高，达0.76 L·L-1·d-1，HF/CM以1∶1配比的容积产气率最高，达0.68 L·L-1·d-1。各处理维持短暂的高容积产气率后逐渐降低，并于第6天同时达到产气谷值，随后，除HF/RS组的容积产气率逐渐升高并达到第2个产气峰值外，其余各处理的容积产气率均逐渐降低。HF在发酵第2天容积产气率达到峰值(0.55 L·L-1·d-1)后逐渐降低。

图1 不同处理的沼气发酵容积产气率变化

从平均容积产气率看，HF发酵20 d的平均容积产气率仅0.29 L·L-1·d-1，而添加稻秸、尾菜和牛粪处理的分别为0.49～0.53、0.34～0.38、0.31～0.41 L·L-1·d-1。可见，通过添加有机废弃物，可以不同限度地提高人粪单独发酵的产气效果。从各组的各处理平均容积产气率来看，HF/RS 3∶1>HF/RS 2∶1>HF/RS 1∶1，HF/VR 3∶1>HF/VR 2∶1>HF/VR 1∶1，HF/CM 1∶1>HF/CM 2∶1>HF/CM 3∶1。

2.1.2 累积TS产气率和原料产气率

累积TS产气率是指发酵物料中单位总固体或有机物在发酵过程中的产气量。由于采用的发酵原料、温度、滞留时间等条件不同，其产气率也存在较大差异。发酵物料整个发酵周期内的累积TS产气率即为原料产气率，研究原料产气率情况，对于掌握发酵原料一定时期内物料的能源转化效率具有重要意义[17]。

图2是人粪与不同废弃物混合发酵下累积TS产气率和原料产气率的变化情况。从累积TS产气率变化规律来看，混合发酵的产气效果均优于纯人粪发酵，且HF/RS组优于HF/VR和HF/CM组。发酵前5 d，除HF/VR 1∶1产气率增加较快外，其余处理变化较一致；随后，HF和HF/CM 3∶1处理的产气率以较小增幅上升，直至发酵第25天趋于平缓，而HF/VR 1∶1处理的增幅有所降低，第8天后才至较高增幅并一直稳定增加，直至第35天后趋于平缓，HF/VR 2∶1、HF/CM 1∶1 和HF/CM 2∶1的产气率增幅先快速增加，直至发酵第25天趋于平缓，HF/RS 3∶1、HF/RS 2∶1和HF/RS 1∶1处理从第6天开始产气率即以最高增幅升高，至发酵第25天增幅有所减缓。从发酵过程中20 d和40 d的原料产气率对比来看，混合发酵20 d的产气率均高于HF，而40 d时，除HF/VR 1∶1和HF/CM 3∶1的产气率与HF相当外，其余处理组的产气率均明显优于HF。添加相同废弃物的各组中，HF/RS 3∶1、HF/VR 3∶1和HF/CM 1∶1的效果分别最优，40 d的原料产气率分别达251.04、169.82、167.14 mL·g-1(以TS计)，较HF分别增加78.50%、20.75%和18.84%。可见，通过添加有机废弃物与人粪混合发酵能较好地提高发酵原料产气效率，且以添加稻秸的效果最优。

图2 发酵过程中不同处理的累积TS产气率和原料产气率

2.1.3 沼气中甲烷含量

从厌氧发酵产沼气中甲烷含量变化规律(图3)来看，各处理的变化趋势基本相同，随发酵进程先迅速增加，经小幅下降后又迅速升高，最后基本稳定于40%～50%。发酵第2天，除HF/RS 1∶1、HF/VR 2∶1和HF/VR 1∶1外，其余处理的甲烷含量均高于50%，且以HF最高，达64.25%，表明人粪厌氧发酵产气质量较高，属于很好的沼气发酵原料。但随后HF的甲烷含量经短暂升高后逐渐降低，至发酵第16天时已开始低于50%。结合图1和图2中产气状况分析，人粪单独发酵的产气潜力并不高，这与冯书涛等[9]研究结果一致。混合发酵的各处理中，除HF/VR 1∶1发酵第4天的甲烷含量仍略低于50%(而甲烷含量峰值出现于发酵第16天)外，其余处理发酵第4天的甲烷含量均高于60%，且峰值大多出现于发酵第6天或第12天，结合图1中发酵第5天容积产气率为0分析，可能是由于尾菜原料中易降解成分较多，导致发酵体系快速酸化，从而对产甲烷阶段产生抑制，但随着尾菜添加比例的减小，该抑制作用明显减轻。

从各处理发酵40 d的平均甲烷含量分析，HF/RS、HF/VR和HF/CM组分别为51.67%～55.83%、52.87%～57.07%和52.78%～54.56%，均高于HF(51.11%)。可见，人粪与供试的3种有机废弃物混合发酵有利于提高沼气品质。

2.2 人粪与不同废弃物混合发酵对无害化处理效果的影响

粪便中寄生虫虫卵状态是反映人群寄生虫疫情的重要指标，也是评估卫生粪便无害化处理效果的主要指标[18]。许智[19]研究了温度对人粪尿与厨余垃圾混合发酵产沼气效果的影响，发现在35 ℃条件下初始混合发酵物中粪大肠菌群数高达106数量级，且经过96 h发酵后其数量还有所增长，而45 ℃和55 ℃处理下分别下降了1个和2个数量级，有较好的杀灭效果。本研究同样考查了纯人粪和混合物料厌氧发酵前后对粪大肠菌群和蛔虫卵的杀灭效果(表1)，可以看出：37 ℃发酵40 d后，HF的粪大肠菌群和蛔虫卵杀灭率分别达98.18%和100%，表明采用中温批式发酵40 d对人粪无害化处理效果较好；对于混合发酵的各处理，粪大肠菌群杀灭率均高于98.90%，明显优于HF，且蛔虫卵死亡率均为100%，表明混合发酵有利于提高人粪无害化处理效果。

图3 发酵过程中不同处理的甲烷含量变化

表1 不同处理组厌氧发酵前后无害化处理效果

3 小结与讨论

通过中温批式发酵试验发现，纯人粪是一种快速产气效果好但产气潜力不佳的沼气发酵原料，通过添加其他有机废弃物进行混合发酵能较好地提高其产气效率，且添加不同有机废弃物的提升效果整体表现为稻秸>牛粪≈尾菜，各混合发酵体系下获得的最大原料产气率可较HF分别增加78.50%、20.75%和18.84%。纯人粪37 ℃发酵40 d后对粪大肠菌群和蛔虫卵的杀灭率分别达98.18%和100%，混合发酵有利于进一步提高无害化处理效果，但发酵结束后的粪大肠菌群数值接近于NY/T 2596—2014《沼肥》的限值要求。

虽然试验各处理组粪大肠菌群杀灭率高达98%以上，但是从发酵结束后的粪大肠菌群数值来看，部分处理仍有一定的超限风险；因此，在人粪病原微生物杀灭效果方面仍待提高。

热处理消毒技术凭借其消毒效果好、对水质要求低、无消毒副产物、工艺相对简单的优势可作为强化沼气工程后处理阶段的消毒方式，弥补中/常温厌氧发酵处理对沼液病原微生物处理不彻底的不足[20]。欧盟通过立法规定经处理的粪肥和粪肥产品上市销售，必须来自根据本条例经主管当局批准的设有巴氏消毒/卫生装置的技术工厂、沼气工厂或堆肥工厂进行处理，且须经过70 ℃以上加热至少60 min的热处理[21]。然而，许多研究证明，采用低于70 ℃的热处理30～60 min足以使大多数病原微生物失活[22-24]。陈腾等[20]优化了沼液热处理消毒的参数，得出沼液加热温度60 ℃，持续加热15 min，可满足SL 368—2006《可再生水水质标准》中关于再生水回用于农业病原微生物杀灭的要求。可见，为了进一步提高人粪处理过程中的无害化效果，有必要开展强化热处理关键参数研究。