水浴温度对模拟人粪便堆肥理化指标的影响

高凯泽，杨宇宇，周呈，梁嘉麒，刘新媛，吴楠

水浴温度对模拟人粪便堆肥理化指标的影响

高凯泽，杨宇宇，周呈，梁嘉麒，刘新媛通信作者，吴楠

（天津农学院 工程技术学院，天津 300392）

人粪便的高效处理能够促进农村地区有机废弃物的循环利用，助力美丽乡村的建设。本文研究低温环境下反应器堆肥过程中水浴温度（20 ℃和50 ℃）对模拟人粪便堆肥理化指标的影响。研究发现，水浴温度20 ℃和50 ℃可使堆体温度分别提高至约27 ℃和约40 ℃。发酵初期未进行水浴加热时酸化严重，而在发酵中后期水浴温度20 ℃的堆体pH值高于水浴温度50 ℃堆体的pH值。水浴温度50 ℃的加水量较高、堆肥含水率却较低，说明水分流失更严重。水浴温度50 ℃的电导率初期较高，中后期则低于水浴温度20 ℃的电导率。水浴温度20 ℃和50 ℃时有机质的去除率接近，分别为31.8%和32.1%。水浴温度50 ℃的种子发芽指数为72.8%，高于水浴温度20 ℃的68.7%，由于前者满足种子发芽指数≥70%的要求，故水浴温度50 ℃的堆肥产品达到腐熟。

水浴温度；模拟人粪便；堆肥；理化指标

我国人口众多造成人粪便产量巨大[1]。城市粪便可通过市政污水系统得到处理，而农村粪便则需要多样化的处理方案。党的十九届五中全会提出，要“因地制宜推进农村改厕、生活垃圾处理和污水治理”[2]。农村地区地形、经济、房屋布局等情况复杂，难以普遍采用水冲式厕所。对此，各类新型厕所不断被开发出来，如粪尿分离厕所、无水打包厕所、免水生物处理制肥厕所等，为厕所粪污收集提供了新的方案[3]。然而，新型厕所需要解决粪便的处理和最终处置的问题。人粪便营养丰富，在我国人粪便土地还田有很长的历史。直接还田前粪便先会经过堆积、晾晒等处理，这些粗放的处理过程会严重影响环境卫生、破坏农村环境，易造成病原菌和寄生虫危害。粪便直接还田已不适应美丽乡村的发展要求，亟需开发新的粪污处理方式。

人粪便是一种良好的资源，具有较好的可生化性，适合于好氧堆肥处理[4]。经过微生物在一定湿度、温度、pH值和通气量下的发酵，粪便可转化为一种类似腐殖质的物质，并可作肥料改善土壤理化性质。好氧堆肥是一种成熟安全的粪便处理方式，它能够分解粪便的有毒物质和有害气体，提高粪便的应用价值和效果[5]。好氧堆肥过程中，微生物分解有机物产生大量热量，所以堆体温度会随堆肥进程而持续变化。温度变化会导致微生物活性和种类的变化，对堆肥过程产生影响[6]。因此，堆体温度是堆肥工艺的重要指标和影响因素。反应器堆肥技术利用封闭式反应器避免了堆肥所产臭气的污染，也促进堆肥处理过程的自动化和一体化发展[5]。我国北方冬季气温较低，堆肥反应器外加保温水套有助于维持堆体温度。本研究选取华北地区冬季温度环境进行模拟人粪便堆肥试验，探索高温（50 ℃）和常温（20 ℃）两种水浴温度条件对人粪便堆肥的影响，分析理化特性的差异。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验采用的堆肥材料是模拟人粪便（SHF），其主要原料为大米、大豆和乙醇[7]。物料总配方（湿重质量比）为：39.8%的蒸馏水、37.7%的黄豆糊、20.7%的大米糊、1.8%的乙醇。将大米和黄豆分别浸泡在水中12 h以上，经过蒸煮、冷却和破碎后得到大米糊和大豆糊，测得大米糊和黄豆糊的含水率分别为36.84%和34.45%。

堆肥过程中，添加木屑用于保留水分、增加比表面积、促进热量循环、为好氧微生物的生长和繁殖提供适宜的场所。由于堆体微生物不足，添加黑水虻虫粪堆肥产物作为接种物。黑水虻虫粪是一种新型生物有机肥，含有丰富的有机质、氮磷钾和有益微生物菌群，有利于堆肥的进行[8]。堆肥物料的特性见表1。可以看出，本研究制备的SHF的特性与文献报道的人粪便特性接近[9]。

表1 堆肥物料的理化特性

试验组含水率/%C/%N/% SHF81.2647.914.75 木屑26.9645.67<0.3 接种物62.9622.152.47 文献中实际人粪便特征[9]82.350.66（总有机碳）6.51

1.2 试验装置

堆肥发酵装置如图1所示。反应器由不锈钢制成，有效容积4 L，顶部密封。反应器顶部设有搅拌电机，自动控制堆体搅拌。反应器外部水套层连接恒温水槽，采用水浴加热提高反应器温度，用保温材料包裹反应器以减少热量损失。反应器底部有进气口，连接气泵将空气输送到堆体中。

图1 堆肥反应装置图

1.3 试验方法

运行2组模拟人粪堆肥发酵试验装置，反应器外部保温槽的水浴温度分别为20 ℃和50 ℃。其中，水浴温度为20 ℃的试验组，在发酵的前6天未加水浴保温，从第7天开始维持水浴温度20 ℃。按照碳氮比（C/N）为27∶1配制发酵原料，将0.95 kg SHF、0.71 kg木屑与0.34 kg虫粪混合均匀，加入到反应器中。堆体搅拌频率为5 min/h，转速为30～40 r/min。将气泵的供气量调整为360～370 mL/min，每小时通气20 min。堆肥过程中，含水率维持在40%～70%之间。定期测定堆体理化性质。

1.4 测试方法

堆体温度采用温度计直接插入堆体中央进行测试。含水率采用常压干燥减量称重法测定。发酵物料的C含量和N含量采用元素分析仪测定（Vario MACRO Cube，Elementar，德国）。堆肥电导率和pH测量前，先将1 g待测物加到10 g蒸馏水中得到稀释样品，分别采用电导率仪（上海雷磁，DDB303-A型）和pH计（上海雷磁，PHB-4型）测定。堆肥物料的有机质含量根据农业行业标准《有机肥料（NY/T 525—2021）》测定[10]。种子发芽指数（GI）测量方法为在培养皿中放置1张定性滤纸，然后在滤纸上均匀放入20粒大小基本一致、饱满的白萝卜种子，加入供试样浸提液10 mL，盖上培养皿盖，在23～27 ℃的培养箱中避光培养 48 h，统计发芽率和测量平均根长[11]。每个样品重复3次，并以蒸馏水为对照组。按照式（1）计算的数值。

2 结果与分析

2.1 不同水浴温度下堆体的温度特征

水浴温度在50 ℃和20 ℃时堆体的内部温度变化如图2所示。水浴温度为20 ℃时，在发酵前6天未进行水浴加热，当时气温为14 ℃左右。从图2可以看出，反应器不做水浴加热处理时，初期堆体温度较低，在20 ℃左右。从7 d起，加设20 ℃水浴加热，可以看到从第8天开始堆体温度逐渐上升并基本稳定在27 ℃左右。水浴温度为50 ℃时，经过了初期短暂降温，到第10天堆体温度达到了45 ℃，但始终未达到50 ℃。从图2还可以看到，水浴温度50 ℃的堆体内部温度显著高于20 ℃水浴温度。以上的结果都说明了反应器外部温度控制是调控堆体温度的重要手段，并且较高水浴温度（50 ℃）有助于维持较高的堆体温度条件。试验中堆肥温度未出现升温、高温、降温的显著温度变化过程，可能是由于本试验堆体内可降解模拟人粪便含量较低、堆体较小、反应热不足，而通气量过高加速了热量流失，致使无法保留足够的热量提高堆体温度。比较堆体温度和水浴温度，可以发现水浴温度为20 ℃时，堆体温度（约27 ℃）仍高于水浴温度，而水浴温度为50 ℃时，堆体温度（约40 ℃）却低于水浴温度。这个结果说明高温条件下堆肥散热量高于发酵产热量，而中温条件的散热量低于发酵产热。因此，对于高温水浴的堆肥体系，采取有效的热量保留措施更有必要。

图2 水浴温度50 ℃和20 ℃下堆体内部温度的变化

2.2 不同水浴温度下堆体pH值特征

水浴温度在50 ℃和20 ℃下堆体内部pH值变化如图3所示。在堆肥的初始阶段两组的pH均出现降低，水浴温度20 ℃时发酵初期未进行温控，堆料pH由8.92快速降低到6.38，水浴温度50 ℃的堆料pH由8.77降低至7.17。在堆肥中期，两组的pH都回升至碱性环境。水浴温度为20 ℃时堆肥后期温度始终维持在中性、碱性条件，而水浴温度50 ℃下堆肥后期再次出现酸化。文献报道中，人粪便高温堆肥后期的pH值低于中温堆肥pH值[12]，与本研究的结果一致。

图3 水浴温度50 ℃和20 ℃下堆肥pH值的变化

2.3 不同水浴温度下堆体含水率特征

微生物的新陈代谢离不开水，好氧堆肥水分流失较大，需要不定期地向反应器补充适量水，确保堆料处于适宜的含水率范围。图4和图5分别为不同水浴温度下堆料含水率和加水量随时间的变化。由图4可知，各组含水率均基本控制在30%～70%，处于较适宜的条件[3]。从图4中看到，水浴温度50 ℃的含水率低于水浴温度20 ℃，且波动更为强烈。从图5可以看出，水浴温度50 ℃时加水次数更多，总加水量（3 702 mL）也显著高于水浴温度20 ℃时的1 210 mL。经过比较可以看出，水浴温度50 ℃的堆肥体系水分流失更多，水分调节更为困难。对此，可以考虑对高温堆肥排放的水蒸气采取冷却处理、再回流补充堆体失水，以达到节水、减排的效果。

图4 水浴温度50 ℃和20 ℃下堆肥含水率的变化

图5 水浴温度50 ℃和20 ℃下的加水量

2.4 不同水浴温度下堆体电导率特征

电导率能够反映出堆料的含盐量。由图6可以看出，水浴温度20 ℃与50 ℃堆料电导率初始值分别为3.06和2.32 ms/cm，分别在堆肥开始的第3天和第9天达到最高。堆肥初期堆料中有机质的大量分解、矿化产生大量的小分子物质，如低碳脂肪酸、碳酸盐、铵离子、磷酸盐、氢离子等，造成堆肥初期电导率的升高。堆肥中后期，堆肥电导率基本维持在较低的水平，水浴温度20 ℃的堆料电导率高于水浴温度50 ℃的试验组。水浴温度50 ℃的电导率更低，可能是由于高温条件的无机氮形式的含盐量更低[12]。电导率在较长时间内维持稳定，可能是由于盐离子的增加量和降低量达到动态平衡。降低盐离子的过程包括氨气的挥发、各种矿物盐离子的沉淀及微生物吸收作用[13-14]。

图6 水浴温度50 ℃和20 ℃下堆肥电导率的变化

2.5 堆体有机质去除率和发芽指数

60 d发酵结束后，水浴温度20 ℃和50 ℃时有机质的去除率分别为31.8%（由66.3%降低至45.2%）和32.1%（66.3%下降至45.0%）。比较可知，不同水浴温度的有机质去除率差别很小。在堆肥系统组成中锯末占比较高，其中的纤维素和半纤维素均为难降解物质，难以有效去除[15]。长时间的堆肥发酵，使堆体中其他有机质的降解较充分，导致不同水浴温度得到近似的有机质去除效果。

堆肥结束后，水浴温度50 ℃的种子发芽指数为72.8%，高于水浴温度20 ℃的68.7%。根据农业行业标准《畜禽粪便堆肥技术规范NY/T 3442—2019》，堆肥产物的种子发芽指数超过70%达到堆肥产品质量标准[11]。因此，水浴温度50 ℃下模拟人粪便经过60 d的堆肥达到了安全使用标准，而本试验中水浴温度20 ℃的堆肥过程尚未达到堆肥腐蚀标准。

3 结论

本研究探索了不同水浴温度（20 ℃和50 ℃）下模拟人粪便在反应器内堆肥的特性。反应器内温度特征说明低温环境下反应器外部温度控制对提高堆肥温度十分重要。当反应器不进行温度控制时，堆肥初期酸化较严重。在堆肥中后期，水浴温度20 ℃的堆体pH值高于水浴温度50 ℃的堆体。从总加水量和堆体含水率可以看出，50 ℃水浴条件的堆体水分流失更为严重，导致堆体含水率更低。经过60 d的堆肥处理，水浴温度20 ℃和50 ℃的堆肥有机质去除率均接近32%。50 ℃水浴条件的种子发芽指数高于70%，满足堆肥产品腐熟标准，而20 ℃水浴条件的种子发芽指数略低于70%，尚未达到堆肥腐熟标准。

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Effects of water bath temperature on physicochemical indexes during simulated human feces composting

Gao Kaize, Yang Yuyu, Zhou Cheng, Liang Jiaqi, Liu XinyuanCorresponding Author, Wu Nan

（College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300392, China）

The effective treatment of rural human feces would improve the recycling of organic wastes in rural area and promote the construction of beautiful countryside. In this study, the effects of water bath temperatures（20 ℃and 50 ℃）of the composting reactors on the physicochemical indexes of simulated human feces compost were investigated under the low-temperature environment. Results showed that the composting temperature increased to about 27 ℃and 40 ℃ due to the heating effects of the water bath under the temperatures of 20 ℃and 50 ℃, respectively. The serious acidification was found in the initial period of human feces composting without water bath, and the pH was higher in the middle and latter periods of composting with water bath temperature of 20 ℃than those with water bath temperature of 50 ℃. The compost with the water bath temperature of 50 ℃obtained lower water content under higher external water dosage compared to the compost with water bath temperature of 20 ℃, indicating higher water loss for the compost with water bath temperature of 50 ℃. The electrical conductivities of the compost with water bath temperature of 50 ℃ was higher in the initial period of composting process but lower in the other periods of composting process than those with water bath temperature of 20 ℃. The organic removal efficiencies were similar, and the respective values were 31.8% and 32.1% for the compost with water bath temperatures of 20 ℃and 50 ℃. The seed germination indexes（GI）were 68.7% and 72.8% for the compost with water bath temperatures of 20 ℃and 50 ℃, but only the latter one achieved the maturity standard（GI≥70%）for fertilizer products.

bath temperature; simulated human feces; composting; physicochemical indexes

1008-5394（2023）02-0058-04

10.19640/j.cnki.jtau.2023.02.012

X71

A

2022-04-02

国家重点研发计划子课题（2018YFD1100503）；天津市级大学生创新创业训练计划项目（202210061062）

高凯泽（2002—），男，本科在读，主要从事农村有机废弃物堆肥发酵方面的研究。E-mail：553728587@qq.com。

刘新媛（1987—），女，讲师，博士，主要从事有机废弃物生物处理方面的研究。E-mail：liuxinyuan11@163.com。

责任编辑：杨霞