超高温菌好氧堆肥技术对人粪便的处理效果

张羽鑫　刘闯　黄殿男　赵超越　张立国　傅金祥

摘要：为了解决传统堆肥存在的堆肥温度低、堆肥周期长的问题，采用超高温菌好氧堆肥技术对人粪便进行处理，检测超高温菌好氧堆肥过程中温度、含水率、有机质含量、总氮含量、pH值、大肠菌群数、种子发芽指数、重金属含量的变化情况。结果表明，超高温菌好氧堆肥的堆肥周期为10d;在无外加热源条件下，堆肥最高温度达84℃，且80℃左右为常态;其余各检测指标也均符合相关腐熟标准。试验结果证明超高温菌好氧堆肥对人粪便具有良好处理效果。传统堆肥的最高温度一般只能达到50～70℃，甚至更低，堆肥周期一般为25～45d。相较于传统好氧堆肥，超高温菌好氧堆肥不仅提高了堆肥温度、大幅缩短了堆肥周期，而且在无害化程度、堆肥产物品质提升方面具有一定优势。

关键词：人粪便;超高温菌好氧堆肥;短周期;腐熟;重金属

中图分类号：S141.1;S141.4;X705文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2021）04-0179-06

作者简介：张羽鑫（1995—），男，吉林德惠人，硕士研究生，主要从事有机固体废弃物处理处置研究。E-mail：576902344@qq.com。

通信作者：刘闯，博士，讲师，主要从事有机固体废弃物处理处置研究。E-mail：liuchuang121@163.com。

“厕所革命”作为我国国民经济发展、改善民生的关键国策，正在全国范围的城乡进行推广。伴随着厕所革命的快速开展，人类粪便的处理成为环保工作中面临的一个新的课题。作为有机固体废弃物，人类粪便的减量化、无害化、稳定化、资源化也是有机固废处理处置的发展方向。

人粪便含有大量有机物和营养物质[1]，是生物有机肥的良好有机原料。但近期越来越多的研究发现，未经处理的人类粪便不宜直接应用于农业生产中[2]。未经处理的人类粪便不仅会产生多种有恶臭的有害气体，粪便中还包含大量特有致病细菌等有害物质，同时，粪便直接施用于土地也会使粪便中的重金属对土壤产生污染。具体的医学资料表明，人粪便中可携带炭疽杆菌、肝炎病毒、流感病毒及蠕虫卵等数十种病原体，是多种疾病传播的根源[3]。因此，找到高效合理的针对“厕所革命”所提出的分散存在的、具有特殊污染特性的同时也是资源性有机污染物的处理处置方法是环保工作者面临的紧迫问题。

好氧堆肥是人类历史上传统的有机固废资源化方法，同时一直也是产业界目前处理畜禽粪便等有机固废的常用方法[4]。好氧堆肥通过堆肥微生物对有机物的降解作用，将堆体中的有机物转化为腐殖质类等有益物质。同时，在堆肥过程中，堆体温度上升，较高的温度能够灭活病原细菌并分解有机污染物，进而实现粪便等有机废弃物的无害化。经堆肥处理后的腐熟产物由于有机质的稳定化和有效养分的良好配比，其产物可作为生物有机肥或有机肥料的基质原料或土壤改良剂被应用[5]。然而，众多研究结果表明，传统好氧堆肥的最高堆肥温度为50～70℃，堆肥周期一般长达25～45d[6-8]，即传统堆肥存在堆肥温度低、堆肥周期长的问题，这也是传统堆肥得不到全面推广和应用的主要原因。超高温菌好氧堆肥技术是在传统好氧堆肥的基础上，通过添加超高温嗜热菌剂，针对有机固废进行堆肥处理。在无外加热源的条件下，该技术可使堆肥温度超过并保持在80℃以上，具有处理周期短、有害物去除效率高等优势。由于超高温菌好氧堆肥可有效解决上述传统好氧堆肥存在的问题，具备很多传统堆肥不具备的优势，因此该技术具有广阔的应用前景。

本试验以人粪便为研究对象，分别对其进行传统好氧堆肥和超高温菌好氧堆肥处理，对比2种堆肥工艺的堆肥温度、堆肥周期，突出超高温菌好氧堆肥的工艺优势，并对超高温菌好氧堆肥过程中典型有机无机物的迁移变化规律、有害物质的无害化过程、重金属含量变化等进行进一步研究。目前尽管超高温菌好氧堆肥技术在国际上仅有少量研究报道，但是针对人类粪便的超高温菌好氧堆肥研究尚未见报道。因此，本试验率先对人粪便进行超高温菌好氧堆肥试验。试验的各项研究成果可为找到高效的人类粪便无害化、资源化处理处置技术及深化超高温菌好氧堆肥技术的应用和推广提供基础性的理论依据。

1材料与方法

1.1试验装置

试验装置为中型好氧堆肥槽，其结构如图1所示。堆肥槽外部尺寸为1m×1m×1m，内部尺寸为0.92m×0.92m×0.92m，内部有效容积为0.78m3。堆肥槽由5块1m×1m的玻璃钢板连接而成，试验通过拆卸前侧玻璃钢板完成进料、翻堆、出料。堆肥槽内设置3根曝气管，以保证试验供氧充足。

1.2试验材料

人粪便取自沈阳建筑大学学生公寓楼化粪池，由清掏单位专业人员收集，人粪便经过清掏并沥水后，含水率达到80%。超高温菌的初始菌劑由沈阳东源环境科技有限公司生产并提供，经高通量测序，其菌属结构特征如表1所示。其中超高温菌属（Calditerricola）与嗜热杆菌属（Thermaerobacter）占总数的比例达到84.93%。堆肥所用腐熟干料为前期堆肥试验的产物，含水率为25%，试验使用该腐熟干料仅为达到调节堆体初始含水率的目的。试验所用人粪便、腐熟干料及菌剂的理化性质见表2，重金属含量见表3。

1.3试验方案

于2019年5月在沈阳建筑大学实验室内进行相关堆肥试验。

1.3.1超高温菌好氧堆肥试验将155kg人粪、355kg腐熟干料和30kg超高温嗜热菌剂混合均匀，混合后的堆体含水率为45%左右。在堆肥槽内进行堆肥，试验须进行持续曝气和人工翻堆。结合相关文献[9-10]及前期堆肥试验总结的经验，试验堆肥各阶段的曝气量分别控制在4、5、3、6m3/（m3·h）。当堆体温度出现下降趋势后，进行翻堆取样。堆肥开始或翻堆后至下一次翻堆之间的堆肥过程记作1个堆肥阶段。将本堆肥试验的堆体记为堆体A。

1.3.2传统好氧堆肥试验将160kg人粪和380kg腐熟干料混合均匀，混合后的堆体含水率在45%左右，在堆肥槽内堆肥并持续曝气，曝气量为3m3/（m3·h）。该试验起对照作用，故仅测定堆肥周期、堆肥温度、大肠菌群数和种子发芽指数4项指标。将本堆肥试验的堆体记为堆体B。

1.4检测指标及方法

温度采用PT100热电偶温度探头检测;含水率采用质量法测定;有机质含量采用灼烧法测定;总氮含量采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定;大肠菌群数采用滤膜法测定。

pH值的测定：在50mL离心管中加入2g樣品和20mL蒸馏水，振荡均匀后用SX-620型笔式pH计测定。

种子发芽指数的测定：按质量比1∶10将堆肥样品与蒸馏水混合，经振荡离心过滤，得到堆肥浸提液[11]，同时以蒸馏水作对照组。将滤纸放入无菌皿中，并将20株小白菜种子均匀放置在滤纸上，滴入5mL浸提液。每个处理（包括蒸馏水对照组）均设3个重复的平皿，在20℃避光条件下培养3d，测定种子发芽数及发芽种子根长，计算种子发芽指数[12]：

GI=（样品发芽率×样品平均根长）/（空白发芽率×空白平均根长）×100%。

重金属含量采用HNO3-HClO4消煮、原子吸收分光光度计法测定[13]。

2结果与分析

2.12种堆肥堆体温度的变化

如图2所示，在未加热源的情况下，超高温菌堆肥试验的堆体最高温度达到84℃。堆体A的温度呈现各阶段前期升高、达到超高温后维持一段时间并在各阶段后期下降的趋势。由超高温菌好氧堆肥温度变化曲线可知，在堆肥初始阶段，堆体A中嗜温菌占主导地位，嗜热菌及超高温嗜热菌在此时并未大量繁殖，这个阶段堆体A温度上升缓慢。随着温度逐渐升高，嗜热菌及超高温嗜热菌的活性增强并大量繁殖，接替嗜温菌占据微生物的主导地位，使堆体A的温度进一步升高并达到超高温。在试验的各阶段，堆体A的温度稍有下降时便进行翻堆，堆体A的温度在翻堆后降至50℃以下，但超高温嗜热菌仍能保持很高的活性，使堆体温度再次快速达到超高温。

传统好氧堆肥的最高温度一般只能达到50～70℃[14]。当堆肥温度高于70℃时，传统堆肥的大量主要堆肥菌种被消灭或灭活。而石文军的研究结果表明，相较于传统堆肥，全程维持在较高温度的堆肥可以大幅提高堆肥效率，加快腐熟进程[15]。如图3所示，采用传统堆肥技术的堆体B的最高温度为58℃，堆肥周期为55d。而堆体A的堆肥周期仅为10d，表明超高温菌好氧堆肥相较传统堆肥可大大加快腐熟进程。堆体A的堆肥温度也完全符合堆肥至少维持3d以上、55℃高温[16]的相关要求。

2.2超高温菌好氧堆肥堆体含水率的变化

堆体含水率的变化影响着堆肥的反应进度[17]。堆体中的水分为堆肥微生物的代谢活动和溶解氧的运输提供了介质[18]。如图4所示，超高温菌好氧堆肥结束时，堆体A的含水率由初始的45.02%下降至28.02%。堆肥的1～4阶段中，堆体的含水率分别下降了7.00%、4.20%、2.78%、3.02%。堆体A中的水分主要通过堆肥过程中的高温蒸发和翻堆时的蒸发作用得以去除。在堆肥的第1阶段，嗜温菌、嗜热菌、超高温嗜热菌等多种微生物分别在不同时期对堆肥起主导作用，它们通过利用有机物和水分，使自身大量繁殖并依次释放热量，因此第1阶段的堆肥时间较长，该阶段的含水率降幅最大。在随后的堆肥阶段，微生物繁殖速率因有机质含量的降低而减小，但是由于堆体始终维持在较高的温度并持续曝气，水分降低的速率并未减少。

研究发现，传统好氧堆肥的含水率控制在40%～60%对堆肥最为有利[19]。本试验考虑到高含水率将降低孔隙率，影响曝气效果，因而将初始含水率调节至45.02%。从堆肥的第2阶段开始，堆体A的含水率下降至40%以下，但是超高温菌剂仍能保正常的代谢繁殖，使堆肥仍能顺利进行。在堆肥的第4阶段，堆体A的含水率降至30%以下，在这种条件下，传统堆肥的微生物易因含水率过低而失去活性。但是由于试验用菌种的特性，此阶段堆肥温度的提升效果虽不如前3个堆肥阶段，但堆肥反应仍能进行。堆体A的含水率在堆肥结束时便已符合我国有机肥料执行标准（NY525—2012《有机肥料》）[20]中肥料含水率须小于30%的规定。

2.3超高温菌好氧堆肥堆体有机质含量的变化

如图5所示，超高温菌好氧堆肥的有机质含量呈逐渐降低的趋势，有机质降低速率逐渐减缓。堆肥结束时，堆体A的有机质降解率为12.04%。在堆肥的第1、2阶段，堆体A的有机质含量充足，微生物发育环境良好并能充分利用有机物完成发育繁殖。因此，这2个阶段的有机质含量下降得最快。在堆肥的第3、4阶段，堆体A的有机质降解速率下降，意味着堆体能供给的营养物质减少，微生物活性下降。在堆肥的第4阶段，堆体A的有机质含量只下降了0.48%，说明微生物能够利用的有机质已几乎消耗完全，堆肥进入尾声阶段。

2.4超高温菌好氧堆肥堆体总氮含量变化情况

如图6所示，超高温菌堆肥的总氮含量在堆肥的第1、2阶段明显降低，在堆肥的第3、4阶段，尽管总氮含量有小幅度波动，但是在这2个阶段总体仍呈降低趋势。总氮含量的降低主要由NH3挥发导致，在堆肥的第1、2阶段，堆体A的微生物大量繁殖，使堆体温度升高，有机氮快速分解并生成大量NH3，导致pH值升高。在高温及pH值升高的条件下，NH3大量挥发[21]，使堆肥前2个阶段的总氮含量明显降低。在堆肥的第3、4阶段，微生物活性减弱，pH值也有小幅度降低，NH3的挥发量逐渐减少，同时堆肥使堆体的体积有所减小，导致部分时期的总氮含量因“浓缩效应”而小幅度增加[22-23]，但在堆肥第3、4阶段，总氮含量总体仍呈下降趋势。

2.5超高温菌好氧堆肥堆体pH值的变化

pH值也是堆肥腐熟的评价标准之一，有研究发现，pH值为7.80～8.50的环境更有利于堆肥进程[24]。如图7所示，超高温菌堆肥堆体的pH值从6.62上升至最高值8.40后下降至7.61。有机肥料执行标准（NY525—2012《有机肥料》）[20]中规定，堆肥产物的pH值应在5.5～8.5之间，堆体A的堆肥产物符合上述规定。在堆肥过程中，蛋白质类大分子物质分解，NH3等碱性物质不断生成并积累[25]，使pH值升高并维持在7.5之上。在堆肥后期，NH3的生成速率减慢并已大量挥发，导致pH值有小幅度下降。总体而言，在超高温菌好氧堆肥的过程中，pH值始终保持在中性和弱碱性之间。

2.62种堆肥堆体大肠菌群数、种子发芽指数的变化

如图8所示，超高温菌好氧堆肥开始时，堆体A的大肠菌群数为2.34×104个/g。经过8d的堆肥处理，堆体A堆肥产物的大肠菌群数为50个/g。大肠菌群数是评价好氧堆肥对人体健康产生危害风险的重要指标[26]。堆体中的大肠菌群由人粪便引入，随着堆体温度的升高，导致不能适应高温的大肠菌群大量死亡，堆体的大肠菌群数逐渐减少。堆体A中绝大多数的大肠菌群在堆肥前2个阶段便已灭活。在堆肥第2阶段，堆体A的大肠菌群数便已符合有机肥料执行标准（NY525—2012《有机肥料》）的规定[20]，可认为不会对人体产生危害。

由图8还可以看出，超高温好氧堆肥开始时，堆体A的种子发芽指数为58.79%，在试验完成后提高至91.13%。种子发芽指数可以判断好氧堆肥产物的腐熟程度和植物毒性[27]，检测堆肥的种子发芽指数也是证明堆肥产物腐熟程度的最佳方法。Zucconi等的研究结果表明，当GI超过80%时，堆肥已经完全腐熟[28]。由此可见，经过8d的超高温菌堆肥，堆体A的堆肥产物已经达到腐熟标准。

如图9所示，经过55d的传统堆肥处理，堆体B堆肥产物的大肠菌群数为[KG*8]55个/g，種子发芽指数为81.78%。在2项指标满足上述腐熟标准的背景下[20，28]，结束该堆肥试验。

2.7超高温菌好氧堆肥重金属含量的变化

堆肥产物的重金属含量是堆肥无害化评价指标之一。肥料中过高的重金属含量会导致植物产量降低、质量下降[29]。如图10所示，堆体A堆肥结束时，4种重金属含量均有增加。其中，堆体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。这种现象是由于重金属具有不可降解性，堆肥微生物很难对其降解[30]。同时因堆体体积的减少，重金属产生“浓缩效应”[31]，使各种重金属的相对含量呈现增加趋势。

理论上，各类重金属含量的增加倍数应该相同。但在实际堆肥中，各类重金属含量的增加倍数却不一致[32]，此前众多学者堆肥试验重金属含量的增加倍数也均有差异[33-34]。本试验中堆体A的各类重金属含量的增加量均不超过原含量的25%。有机肥料执行标准（NY525—2012）[20]规定肥料的Cd、Pb含量不应超过3、50mg/kg，堆体A的堆肥产物符合上述规定。

3结论

堆体A采用超高温菌好氧堆肥工艺对人粪便进行堆肥处理，检测了温度、含水率、有机质含量、总氮含量、pH值、大肠菌群数、种子发芽指数、重金属含量及其形态的变化情况。证明试验堆肥产物满足相关的腐熟指标，可作为原料制成有机肥料应用于农业生产中。从堆肥中大肠菌群数的变化可知，超高温菌好氧堆肥工艺可快速杀死堆体中的大肠菌群。并且超高温菌好氧堆肥产物松散均匀，种子发芽指数也达到完全腐熟标准，表明超高温菌好氧堆肥技术可实现人粪便无害化、资源化处理。

传统堆肥的最高温度通常只能维持在50～70℃，在本试验中，采用传统好氧堆肥技术的堆体B的最高温度为58℃。而堆肥达到超高温更有利于加快堆肥腐熟进程和堆体中病原微生物的灭活。本试验在没有添加任何外加热源的条件下，堆肥温度便可达到超高温状态，最高堆肥温度达到84℃。

传统好氧堆肥的周期多为30～45d及以上，在本试验中，采用传统好氧堆肥技术的堆体B的堆肥周期为55d，而采用超高温菌好氧堆肥技术的堆体A的堆肥周期仅为10d。相较于一般的传统堆肥，超高温菌好氧堆肥的堆肥周期可缩短20d以上，极大地提高了堆肥效率。

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