人粪便处理技术的研究进展

梁嘉麒，刘新媛，黄锋光，高凯泽，周呈，吴楠

（天津农学院 工程技术学院，天津 300392）

粪便是人类生存活动不可避免的产物。粪便中除含有氨、硫化氢等恶臭有害气体，还含有致病菌、病毒和寄生虫卵。据统计，世界范围内仍有25亿人无法使用适当的卫生设施，约有60%人口的粪污未经处理就排放到环境中[1]。未经有效处理的人粪便已成为疾病传播和影响环境卫生的世界性难题，而我国人粪便无害化处理率仅为49.8%[2]。“厕所革命”是我国乡村振兴的一项重要工作，通过重新设计和改造厕所，最终将粪便转变为可再次利用的资源。因此，如何运用科学的方法资源化和无害化处理人粪便，是目前亟需解决的问题。

人粪便处理方法主要包括农业用肥、卫生填埋、好氧堆肥和厌氧发酵等。人粪便用作肥料是一种传统的废弃物资源化方法，但未经处理直接施用的人粪便，其往往含有病毒、寄生虫，会毒害作物、污染环境，最终危害人类身体健康。同样，人粪便直接填埋也容易造成二次污染。而通过好氧堆肥、厌氧发酵、昆虫转化等方法可以有效解决人粪便资源化、无害化处理不足的问题（图1）。如何缩短人粪便堆肥时间以及提高堆肥效率成为学者们关注的焦点，许多切实有效的方法被相继提出。例如，适宜外源物的添加对人粪便堆肥效果的提升及更好地推进人粪便资源化利用及无害化处理进程，本文就常见的人粪便处理方法进行综述和探讨。

图1 人粪便处理技术示意图

1 人粪便的基本组成

人粪便富含多种有机物和营养元素，不仅可以作为肥料，也能够作为土壤改良剂使用。若使用未经处理的人粪便，其中的有机物、氮、磷等物质会造成水体污染，同时散发含有硫化氢、硫醇、硫醚等恶臭成分的有害气体。此外，新鲜粪便含有多种肠道致病菌、寄生虫卵和病毒（如粪大肠杆菌、沙门氏菌、粪链球菌和蛔虫卵），是人类某些疾病的传播途径。研究表明发展中国家70%的疾病与粪便的生物性传染有关[3]。表1列出了人粪便的基本理化性质。

表1 人粪便的基本理化性质

2 人粪便处理技术

2.1 好氧堆肥工艺

好氧堆肥技术是将有机废弃物资源化和无害化的重要手段。由于堆肥时有机物降解速率快且彻底、腐熟时间短、无害化程度高、无中间产物和臭味、环境条件好以及堆肥产品肥效高，因而得到了广泛应用。为有效提升人粪便好氧堆肥效率，避免营养元素过多流失，许多学者在人粪便堆肥过程中加入不同外源添加物，或是将人粪便与其他有机废弃物共堆肥，以实现废弃物最大资源化的目标。近年来，科研人员通过深入研究好氧堆肥的有机物生化降解机理、堆肥动力学和堆肥过程相关微生物群落结构组成及其演替特点等方面，使得人粪便好氧堆肥技术的应用更加成熟与安全。

2.1.1 添加锯末

锯末作为堆肥底物，不易降解，可以维持C/N，为堆料提供良好的环境条件，并且被降解后的产物富含氮、磷、钾等营养元素。因此，锯末被认为是一种优质的外源添加物，常用于人粪便堆肥中。时红蕾等、王洪波等、白帆等、胡涛等[4，11-14]在对人粪便好氧堆肥的研究中都选择了添加锯末作为外源物，在不同温度条件下，堆肥过程中堆料反应稳定，堆料有机物去除率可达70%以上，且全部腐熟。表2中列出了使用锯末作为人粪便好氧堆肥添加物的更多实例。

2.1.2 添加秸秆

秸秆拥有与锯末相同的理化特性，而且我国每年会产出大量的秸秆废弃物，这些农业废弃物也是一种重要的生物资源。孙胜龙等[15]利用玉米秸秆作为生态厕所的反应基质来处理人粪便，能够有效降解人粪便，且粪便和玉米秸秆混合物总的干重减少率为37.3%，有机质减少了34.5%，堆肥产品的pH值和C/N分别为8.02和13.76，已达到腐熟标准，可以用作有机肥。刘歆瑜等[16]采用了两种不同粒径的玉米秸秆添加到人粪便堆肥中，两种粒径处理下，堆料的干重减少率分别为52.1%和 37.3%，最终堆料残余物的 pH值分别为 8.13和8.02，C/N分别为15.68和13.76，残余物中含有大量的 N、P、K等营养物质，基本达到腐熟。刘玉玲等[17]以豆秸杆为生态厕所基质处理人粪便，减量化效果很明显，累积减少率达95.23%，有机质含量减少了24.24%，混合物的氮、磷、钾含量分别达到3.72%、1.53%和4.71%，最终混合物pH值为7.2达到腐熟，是富含营养元素的高效有机肥。表2中也列出了使用秸秆作为人粪便好氧堆肥添加物的更多实例。

表2 外源添加农业废弃物对人粪便好氧堆肥过程的影响

续表

2.1.3 添加微生物菌剂

在人粪便中适当接种有效微生物菌剂，能够增加微生物个体和改善微生物群落结构，加速堆体中有机质的分解，提高堆肥效率和肥效。王建香[25]通过对与粪便分解有关的多种微生物进行分离、纯化和筛选，得到了一批高效人粪便堆肥菌剂。在人粪便堆肥过程中加入这些高效菌剂，堆料在随后两三天内温度快速升高，三个星期左右新鲜粪便基本熟化。有机质的降解率达到47.1%，氨氮值降到0.5 mg/g，种子发芽率达到95%。陈威等[20]在人粪便堆肥反应器中分别接种土著菌种、枯草芽孢杆菌与酵母菌。结果表明，接种微生物可以使堆肥快速进入50 ℃以上的高温期，并在连续投加条件下长期维持高温且使温度变化较为均匀，显著提高COD降解率，其中以接种土著菌种效果最为明显。接种酵母菌可使堆肥过程中的氮素损失较小，为13.39%。接种微生物可以显著提高人粪便堆肥的腐熟程度，其中接种土著菌种的种子发芽率于第 6天达到108.22%，完全可以作为有机肥料施用于土壤。叶海霞等[26]设计了一种新型生态环保厕所，通过与复合微生物菌剂的配合使用，在原位处理情况下使得人粪便固体部分的体积降解95%，剩余残渣仅为2.5%，且残渣对鱼类无急性毒性，对动物皮肤无刺激性和遗传毒性，对藻类无毒性，对自然水体藻类无明显的生态影响。张羽鑫等[27]采用超高温菌好氧堆肥技术对人粪便进行处理，试验结果表明，超高温菌好氧堆肥不仅明显提高了堆肥温度（平均温度80 ℃），大幅缩短了堆肥周期（10 d），而且在无害化程度、堆肥产物品质提升方面具有一定优势。

2.1.4 添加化学试剂

添加合适的化学调理剂能够调整堆料的碳氮比、pH、含水率和孔隙度等，使堆肥更加稳定。由于粪便中有机物含量过高，在混合堆肥时，添加石灰可以避免严重酸化[28]。杜彦武等[29]发现在粪便混合堆肥过程中添加石灰不仅可以起到调节碳氮比的作用，还能够确保氮素不会大量损失。

2.1.5 多组分混合堆肥

多种固体废弃物共堆肥是一种集中处理废弃物的有效方法，充分实现固废的最大资源化利用。GAO等[30]通过建立响应面模型，对不同组分混合堆肥（人粪、猪粪、稻草和厨余）的配比进行优化分析。根据模型预测结果，由13.7%的人粪便、41.4%的猪粪和44.9%的稻草组成的混合物，被认为是混合堆肥的最佳组合比例。SUN等[31]将粪便和农林废弃物（树叶、芦苇和草）混合堆肥，发现最佳混合比例分别为3∶1、1∶3和4∶1。韩娟娟[32]对农村家庭内产生的粪便、厨余垃圾和秸秆一起协同堆肥，通过对生态厕所参数的优化，实现了对农村固废的就地处理和资源化，产出的堆肥产品满足各标准。研究表明，生活垃圾与粪便混合堆肥，通过调整运行参数、添加调理剂等手段，可以确保堆料无害化和减少氮素的流失[28-29]。于忠臣等[33]以生活垃圾和脱水后的粪便为原料进行好氧堆肥，认为初始含水率对堆体升温影响较大，其值以53.5%～60.0%为宜。SCHRÖDER等[34]在高温条件下，用城市垃圾和人粪便堆肥获得的堆肥产品具有较高含量的有效钙、镁、磷和钾释放率。

2.2 厌氧发酵工艺

厌氧发酵是实现有机固体废弃物资源化利用的有效途径，在减轻环境污染的同时，产生清洁能源和有机肥料，成为国内外应用较广的处理方式。冯书涛等[35]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[36]研究了20、25、30和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。郭四拜[37]研究发现单独人粪尿厌氧发酵启动慢，产气量低。秦佳佳等[38]的试验也表明人粪便作为单一物料进行厌氧发酵，产气量为最少。上述研究表明人粪便作为单一原料进行厌氧发酵容易出现营养成分不足等问题，因此常加入其他有机物料开展混合厌氧发酵。

许智等[5]将稻秸与人粪尿混合物共同发酵，与单一物料相比，产气效率提高。杜静等[9]研究发现在人粪便中添加稻秸、尾菜和牛粪，提高了物料的发酵产气效率。郭四拜[37]在发酵过程中添加秸秆混合后，有效缩短了启动时间，提高了产气量。秦佳佳等[38]分别将人类粪便与牛粪、鸡粪和玉米秸秆混合厌氧发酵，得出混合物料的最优配比以提高产沼气潜力。李文哲等[39]将厨余垃圾、粪便和玉米秸杆按一定比例混合，每天产气1.5 m3以上，可供3～4人家庭日常做饭用。高燕等[40]研究表明在生活垃圾厌氧发酵过程中添加人粪便，有利于厌氧消化过程的进行，增加厌氧消化产气量，提高体系运行的稳定性。另外，尹福斌[41]采用一些无害化处理技术对人粪便进行预处理之后，发现不仅可以去除指示性致病微生物，且对人粪便厌氧发酵的产气能力无明显影响。KHANTO等[42]在餐厨垃圾与人粪便的质量比为 3∶7的条件下，累计产沼气量2 184 L，COD提高了135%。DAHUNSI[43]研究表明厨余垃圾与人粪便组合是一对良好的厌氧发酵基质，产生了较为可观的沼气量。SINGH等[8]比较了在厌氧条件下人类粪便与家禽粪便和牛粪共消化产生沼气的速率和数量，结果表明与牛粪共消化的效果最好，产气量最高可达到12.96 × 103mL。罗凤彬等[44]在人粪便发酵过程中加入了木醋液和 EM菌，发酵后的粪肥施用到土壤中，可以明显降低土壤pH，并增强土壤酶活性。DHAKED等[45]发现在粪便厌氧消化过程中添加橡胶椰壳可以起到固定厌氧菌的作用，从而提高粪便的生物降解能力。KIM等[46]对厨余垃圾、人粪便和如厕废纸进行了厌氧消化，测定这些废弃物及其混合物的生化甲烷潜力，发现厨余垃圾、人粪便和如厕废纸可以在不影响整体甲烷产量的情况下共同消化（即没有拮抗作用），这使得共同厌氧消化在该领域的应用更加灵活。

2.3 昆虫转化处理

此外，还有一些学者使用蚯蚓、蝇蛆、黑水虻等资源型昆虫对人粪便及其他有机废弃物进行转化处理。生物处理方法不仅可以有效处理废弃物，还可以得到高附加值产物，如有机肥料、土壤改良剂、虫体蛋白优质饲料等，是一种绿色可持续的技术手段。例如，ANDREEV等[47]研究了乳酸发酵结合蚯蚓堆肥对人粪便中病原菌的去除效果以及堆肥产品对番茄、萝卜种子的生长情况，发现效果都好于对照。LALANDER等[48]发现黑水虻幼虫可以大大减少人粪便的干质量，并且可显著减少人粪便中的病原菌。经黑水虻转化的人粪便中的沙门氏菌在8天内减少了6×log10，而对照组中沙门氏菌减少量低于2×log10。

3 结语与展望

快速的城市化和人口增长产生了大量的人粪便，经过处理的人粪便不仅可以解决卫生问题，保护环境，也可以产生一定的经济效益。本文综述了好氧堆肥、厌氧发酵等工艺对人粪便的资源化、无害化处理效果。单一人粪便的处理效果并不好，而一些外源物的添加和运行条件的调控等方法既可以提升人粪便的处理效率，又能够实现废弃物的最大资源化利用。

未来可以围绕以下方面开展进一步研究：

（1）加强人粪便资源化利用（减少氮素流失，提高堆肥效率），人粪便无害化处理（减少病原菌、抗生素等污染物）、以及人粪便与农业农村废弃物综合利用的相关研究。

（2）根据农村不同地区情况，因地制宜的开发便器（如针对农村缺水地区开发高效、环保的无水冲式厕所）及改造现有便器，这也是提高人粪便处理效率、控制污染源及推进农村“厕所革命”进一步发展的重要基础。