異位發(fā)酵床處理農(nóng)村廁所黑水的效果研究

李佳彬，李路瑤，劉雪，陳卓帛，宋婷婷，朱昌雄，耿兵

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國農(nóng)村每年產(chǎn)生生活污水超過90 億t，人糞尿約2.6 億t[1]。黑水指包括人類糞便、尿液和沖洗水的廁所污水[2]，是農(nóng)村生活污水的最主要來源之一。研究表明，生活污水中50%~60%的化學(xué)需氧量（COD）、80%~90%的氮、50%~57%的磷和大部分病原微生物來自于黑水[3-5]。未經(jīng)有效處理的廁所黑水若直接排放進(jìn)水體和土壤中，會(huì)對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，進(jìn)而影響食物及飲用水安全。另外，糞尿又是優(yōu)質(zhì)的肥料資源和土壤調(diào)節(jié)劑，在補(bǔ)充農(nóng)田氮、磷和鉀等營養(yǎng)元素方面具有很大的潛力[6-7]。

目前，國內(nèi)外對黑水處理的技術(shù)主要包括好氧生物處理技術(shù)[8-9]、厭氧生物處理技術(shù)[10-11]、電化學(xué)技術(shù)[12]、好氧-厭氧結(jié)合處理技術(shù)[13-14]等，但大多數(shù)黑水處理技術(shù)只是實(shí)現(xiàn)了降解有機(jī)物和脫氮除磷，而浪費(fèi)了大量的養(yǎng)分資源。通常情況下，我國農(nóng)村地區(qū)的廁所黑水在經(jīng)化糞池等預(yù)處理后，被運(yùn)送到附近的污水處理廠集中處理，最終達(dá)標(biāo)排放。黑水處理作為農(nóng)村生活污水處理的一個(gè)重要內(nèi)容，如果不與資源化利用相結(jié)合，則會(huì)出現(xiàn)綜合效益較低、處理模式不可持續(xù)等問題，因此，農(nóng)村廁所黑水的資源化利用成為目前研究的一個(gè)重點(diǎn)問題。SKJELHAUGEN等[15]建立了一種廚余垃圾和黑水的封閉中溫好氧處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)處理后的廢棄物氮損失較少，養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量較高，具有良好的農(nóng)用價(jià)值。謝欣妤等[16]利用穩(wěn)定化厭氧濾池-人工強(qiáng)化植物栽培系統(tǒng)資源化處理黑水，發(fā)現(xiàn)番茄、咖啡、黃葵、辣椒等經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物在該栽培系統(tǒng)中生長良好，且植物體內(nèi)重金屬含量沒有超過標(biāo)準(zhǔn)，從而能夠帶來經(jīng)濟(jì)效益。

微生物異位發(fā)酵床技術(shù)是基于微生物原位發(fā)酵床改進(jìn)的一種糞污廢棄物處理技術(shù)，該技術(shù)在連續(xù)動(dòng)態(tài)條件下，利用高溫好氧發(fā)酵的原理處理養(yǎng)殖廢棄物，并實(shí)現(xiàn)資源轉(zhuǎn)化[17]。目前，微生物異位發(fā)酵床技術(shù)已在畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理上得到了廣泛的研究和應(yīng)用，并取得了良好的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益。有學(xué)者研究了微生物異位發(fā)酵床技術(shù)處理生豬養(yǎng)殖廢棄物[17-18]、奶牛養(yǎng)殖廢水[19]和蛋雞養(yǎng)殖廢棄物[20]的基本參數(shù)變化及糞污吸納量，結(jié)果表明畜禽養(yǎng)殖廢棄物經(jīng)微生物好氧發(fā)酵后得到了有效降解，同時(shí)腐熟填料可作為有機(jī)肥料還田。與畜禽養(yǎng)殖糞污不同，農(nóng)村廁所糞污中重金屬和抗生素含量較低[21-22]，從而降低了其資源利用的生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。目前，未見微生物異位發(fā)酵床處理農(nóng)村廁所糞污的研究和應(yīng)用報(bào)道。因此，本研究采用微生物異位發(fā)酵床技術(shù)處理農(nóng)村廁所黑水，并對發(fā)酵床填料的基本理化性質(zhì)、微生物數(shù)量和營養(yǎng)成分的變化進(jìn)行分析，評價(jià)最終腐熟填料資源化利用價(jià)值，從而為微生物異位發(fā)酵床技術(shù)資源化處理農(nóng)村廁所黑水提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在北京市順義區(qū)某溫室大棚進(jìn)行。模擬液體發(fā)酵罐為塑料圓柱體發(fā)酵桶，內(nèi)徑45 cm，高73 cm，總體積為100 L。異位發(fā)酵床裝置采用45 cm×45 cm×45 cm 規(guī)格的泡沫發(fā)酵箱。本試驗(yàn)從2020 年12月 16 日開始，到 2021 年 1 月 25 日結(jié)束，共計(jì) 40 d，試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

1.2 試驗(yàn)材料

根據(jù)已有研究報(bào)道[17-18]，本研究選擇某公司生產(chǎn)的生物腐植酸（BFA）菌劑作為微生物菌劑，用量為每1 000 g 黑水添加5 g 菌劑。該菌劑以芽孢桿菌為主，有效活菌數(shù)>109個(gè)·g-1，腐植酸≥14%。玉米秸稈與稻殼按質(zhì)量比為1∶1 進(jìn)行混合后作為發(fā)酵床填料，每個(gè)發(fā)酵箱的用量為8 kg。玉米秸稈和稻殼均由某公司提供，其基本理化性質(zhì)：pH 值為6.20 和7.55，有機(jī)質(zhì)含量為78.35%和52.49%，碳氮比（C/N）為52.84 和41.85，全氮（TN）含量為0.86%和0.74%，全磷（TP）含量為0.098%和0.053%，全鉀（TK）含量為1.12%和0.85%。試驗(yàn)廁所黑水取自北京市順義區(qū)某村鎮(zhèn)農(nóng)戶化糞池廁所，其 COD 濃度為 1 624.33 mg·L-1，氨氮濃度為 668.56 mg·L-1，總氮濃度為 740.48 mg·L-1，總磷濃度為37.03 mg·L-1，固形物（TS）含量為9 900 mg·L-1，pH 值為9.24，電導(dǎo)率（EC）為11.61 mS·cm-1，細(xì)菌總數(shù)為1.28×105CFU·g-1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣品采集

將100 kg 廁所黑水裝入塑料發(fā)酵桶中，添加500 g BFA 菌劑，混合均勻，并采用增氧泵（功率105 W，曝氣量85 L·min-1）對黑水進(jìn)行間歇曝氣，其水力停留時(shí)間（HRT）為4 h，一方面為廁所黑水好氧發(fā)酵提供氧氣，另一方面推動(dòng)黑水在發(fā)酵桶內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，使其與菌劑維持完全混合的狀態(tài)。將混合BFA 菌劑的廁所黑水添加到發(fā)酵床填料中，攪拌均勻，調(diào)節(jié)初始含水量為55%左右。在試驗(yàn)過程中每7 d 向發(fā)酵床填料中添加一次廁所黑水，維持填料含水量在50%~60%[19]，每次添加量分別為 13.04、4.45、1.02、2.49、2.13 kg和1.99 kg，共計(jì)添加25.12 kg黑水。每日進(jìn)行一次人工翻攪，從發(fā)酵箱的底部由下到上充分翻攪3 min，以保證小型發(fā)酵箱發(fā)酵的持續(xù)進(jìn)行。在試驗(yàn)第14 d，向發(fā)酵床添加約2 kg 干燥的玉米秸稈和稻殼，并進(jìn)行翻堆處理。

分別在試驗(yàn)第0、2、7、14、21、28、35 d和40 d采集3 個(gè)重復(fù)組的發(fā)酵床上層（0~20 cm）、中層（20~30 cm）及下層（30~40 cm）各100 g 左右填料樣品，并混合均勻。新鮮樣品用于測定含水量、pH 值、EC 值和微生物數(shù)量，風(fēng)干樣品用于測定有機(jī)質(zhì)、TN、TP 和TK等。

1.4 測定指標(biāo)及方法

每日上午9∶00 用堆肥溫度計(jì)測定填料10、25、40 cm 深度處的溫度，同時(shí)記錄發(fā)酵箱附近的環(huán)境溫度。新鮮樣品按1∶10（m∶V）與離子水混合振蕩，取上清液，分別用S-3C 型pH 計(jì)和DDS-11A 型電導(dǎo)率儀測定填料pH 值和EC 值。按照文獻(xiàn)[18-20]的方法測定填料含水量、微生物數(shù)量和種子發(fā)芽指數(shù)（GI）。填料有機(jī)質(zhì)、TN、TP 和TK 采用《有機(jī)肥料》（NY 525—2012）中的相關(guān)方法測定。

定期記錄添加廁所黑水的質(zhì)量，計(jì)算廢水吸納系數(shù)，廢水吸納系數(shù)表示每千克填料在發(fā)酵過程中吸納黑水的能力，為黑水添加總量（kg）與填料初始質(zhì)量（kg）的比值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010 和SPSS 22.0 軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和繪圖，采用單因素方差和Duncan 檢驗(yàn)法分析顯著性差異；利用Pearson 相關(guān)系數(shù)分析顯著相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 異位發(fā)酵床填料溫度變化

圖1 為異位發(fā)酵床試驗(yàn)過程中不同深度填料的溫度變化趨勢。在試驗(yàn)開始時(shí)，發(fā)酵床3 處深度的填料平均溫度為10.6 ℃，從第2 d開始溫度迅速上升，在第5 d 時(shí)升高至57.0 ℃左右。之后第8 d 填料溫度下降較快，到14 d時(shí)的填料溫度降至最低為27.5 ℃。在第14 d，向發(fā)酵床內(nèi)添加干燥的玉米秸稈和稻殼，并進(jìn)行翻堆處理。在第18 d，填料溫度重新升高到40 ℃以上，發(fā)酵床填料內(nèi)的反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。試驗(yàn)第21 d 時(shí)，溫度逐漸下降，直至第40 d 降至環(huán)境溫度。試驗(yàn)階段處于冬季，環(huán)境溫度比較低，在3.0~12.0 ℃范圍內(nèi)變化。通過顯著性對比分析可以看出，填料內(nèi)不同深度處（10、25 cm 和40 cm）的溫度均呈現(xiàn)相同的變化趨勢，而且各層之間差異不顯著。本試驗(yàn)過程中，填料平均溫度維持在45 ℃左右，其中50 ℃以上的高溫持續(xù)了4 d左右。

2.2 異位發(fā)酵床填料pH值和EC值變化

異位發(fā)酵床填料pH 值和EC 值的變化情況如圖2所示。在試驗(yàn)過程中，填料的pH 值呈現(xiàn)先波動(dòng)上升后下降的趨勢。第0 d 的初始pH 值為7.88，之后pH 值波動(dòng)上升，在第21 d 達(dá)到最大值，為8.95。隨后填料的pH 值緩慢下降，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，pH 值為8.46，較試驗(yàn)初始值略有上升。在整個(gè)試驗(yàn)階段，填料pH值基本穩(wěn)定在8.0~9.0，呈弱堿性，比較適合微生物的生長和好氧發(fā)酵。與pH 值的變化趨勢不同，EC 值在試驗(yàn)過程中變化幅度不明顯，呈現(xiàn)先下降后微弱上升的趨勢，最后逐步趨于穩(wěn)定，總體處在1.25~1.98 mS·cm-1。

2.3 異位發(fā)酵床填料含水量變化

在試驗(yàn)初期，填料含水量為57.83%，為發(fā)酵床發(fā)酵的適宜含水量。在試驗(yàn)過程中，由于廁所黑水的持續(xù)添加和發(fā)酵床的好氧發(fā)酵，填料含水量呈現(xiàn)上下波動(dòng)的變化趨勢，第14 d 含水量最高，為66.80%。填料含水量在試驗(yàn)過程中基本保持在50%~65%，有利于微生物的生長繁殖。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，填料含水量為51.57%，低于填料初始含水量。

2.4 異位發(fā)酵床填料微生物數(shù)量變化

圖3 為異位發(fā)酵床微生物數(shù)量變化趨勢圖。試驗(yàn)初始第0 d 的微生物數(shù)量普遍較低，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，微生物大量繁殖，填料的細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量分別從開始的1.14×107、8.47×104CFU·g-1和6.93×106CFU·g-1增加到最大值4.58×108、2.93×105CFU·g-1和2.37×107CFU·g-1。隨著填料溫度的升高，微生物數(shù)量尤其是真菌數(shù)量開始下降，隨著溫度的降低，在第14 d真菌數(shù)量開始上升，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)真菌數(shù)量為9.7×104CFU·g-1。試驗(yàn)全過程放線菌和細(xì)菌都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，細(xì)菌和放線菌的數(shù)量分別為1.27×108CFU·g-1和4.43×105CFU·g-1。在本研究中，發(fā)酵床填料中的細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量級分別為108、105CFU·g-1和106CFU·g-1，可見異位發(fā)酵床中參與降解黑水中有機(jī)物的主要微生物為細(xì)菌。

2.5 異位發(fā)酵床填料營養(yǎng)成分含量變化

圖4和圖5為異位發(fā)酵床試驗(yàn)初始與結(jié)束時(shí)填料中營養(yǎng)成分（TN、TP、TK、有機(jī)質(zhì)和C/N）的變化情況。從圖4 中可以看出，與試驗(yàn)初始相比，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)填料中的TN、TP 和TK 顯著增加。填料中TN、TP、TK 含量分別由試驗(yàn)初始的0.84%、0.23%和1.28%增加為結(jié)束時(shí)的1.88%、0.68%和2.01%，分別增加了1.04、0.45、0.73 個(gè)百分點(diǎn)。如圖5 所示，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)填料中有機(jī)質(zhì)含量和C/N顯著降低，分別由試驗(yàn)初始的94.77%和62.20降低為結(jié)束時(shí)的76.82%和24.09，有機(jī)質(zhì)含量下降了17.95個(gè)百分點(diǎn)，C/N下降了61.28%。

2.6 異位發(fā)酵床填料種子發(fā)芽指數(shù)變化

試驗(yàn)開始第0 d的GI值為83.48%，表明初始填料對植物有較低的毒害作用。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，GI 值明顯降低，在第7 d 達(dá)到最小值，為43.17%。之后GI值逐漸上升，在第28 d 超過80%，至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到118.05%，表明填料已腐熟，對植物無毒害作用，并起到了促進(jìn)植物種子發(fā)芽和根伸長的作用。

2.7 異位發(fā)酵過程中理化指標(biāo)間相關(guān)性分析

試驗(yàn)過程中異位發(fā)酵床各理化指標(biāo)間的相關(guān)性如圖6 所示。從圖中可以看出，填料溫度與細(xì)菌數(shù)量、放線菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)，pH 值與細(xì)菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)。填料有機(jī)質(zhì)含量與pH、EC、GI、TN均呈負(fù)相關(guān)性，其中與EC 和TN 的相關(guān)性極顯著。相反，填料TN含量與pH、EC和GI有較強(qiáng)的正相關(guān)性。

3 討論

3.1 異位發(fā)酵床填料理化性質(zhì)變化

在好氧發(fā)酵過程中，溫度是判斷發(fā)酵床發(fā)酵效果和腐熟度的重要指標(biāo)，也是影響微生物活性和還原過程的重要因素[23-24]。本試驗(yàn)初期，填料溫度迅速上升，這是由于廁所黑水及填料中含有大量易分解的可溶性有機(jī)物質(zhì)，微生物快速分解這些物質(zhì)，同時(shí)釋放出大量的熱能[25]。有研究表明，只有當(dāng)填料溫度保持在55 ℃以上且不少于3 d 時(shí)，填料中的病原微生物和蛔蟲卵才能被有效殺滅，達(dá)到《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的要求[26]。VINNER?S[27]的研究發(fā)現(xiàn)黑水好氧堆肥溫度高于50 ℃時(shí)，可以確保減少105CFU·g-1的病原體。本試驗(yàn)中，填料溫度呈現(xiàn)上下波動(dòng)的趨勢，這與前人研究中畜禽養(yǎng)殖廢棄物異位發(fā)酵床填料溫度變化情況相似[28-29]。這主要是因?yàn)閹谒牟粩嗵砑蛹懊咳杖斯し咽沟锰盍蠝囟壬?；隨著填料中碳源和能量的減少，微生物活性減弱，溫度逐漸降低。第14 d 時(shí)填料溫度降至最低，一方面是由于發(fā)酵床體積較小，散熱較快，另一方面也與填料的含水量高于65%有關(guān)。在實(shí)際生產(chǎn)中可適當(dāng)擴(kuò)大發(fā)酵床規(guī)?；蚣皶r(shí)補(bǔ)充新鮮填料，維持發(fā)酵床的高溫發(fā)酵。

發(fā)酵過程中pH值的變化可以反映出微生物的活性和有機(jī)物的代謝過程[30]。HAUG[31]的研究表明，微生物在pH 值為6.0~8.5 時(shí)可以保持較高的生物活性，從而達(dá)到理想的發(fā)酵效果。本試驗(yàn)過程中填料的pH值呈先升高后降低的變化趨勢，這與填料溫度的變化規(guī)律較為相似，可能是NH3在高溫下易揮發(fā)造成的。試驗(yàn)初期填料的pH 值迅速升高，甚至在部分時(shí)間超過8.5，這主要是由于微生物的大量繁殖，持續(xù)分解廁所黑水中的含氮有機(jī)物，產(chǎn)生的有機(jī)酸迅速揮發(fā)，且大量生成 NH3，使得 pH 值上升[29]；之后填料 pH 值緩慢下降，可能是有機(jī)物降解產(chǎn)生氫離子和小分子有機(jī)酸以及NH3揮發(fā)造成的[32]。本研究中，pH值與有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)，與TN含量呈正相關(guān)，這與一些研究結(jié)果相似，通常有機(jī)物降解、氨化作用及硝化作用等過程會(huì)影響pH值的變化[33]。

EC 值表示發(fā)酵床的可溶性鹽含量，EC 值越高，表明溶液中的可溶性鹽含量越高。研究表明，高電導(dǎo)率肥料容易造成土壤鹽漬化，并對植物生長產(chǎn)生毒害作用。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在整個(gè)發(fā)酵過程中，填料EC 值變化不太明顯，總體呈現(xiàn)先降低后略有升高的趨勢。試驗(yàn)初期，微生物代謝旺盛，在有機(jī)物礦化和溶解作用下，產(chǎn)生大量小分子有機(jī)鹽及各種離子，沉積在填料中，造成 EC 值升高[34]；CO2、NH3的揮發(fā)和礦物鹽的沉淀作用可能是發(fā)酵后期EC 值下降的原因[35]。隨著填料中有機(jī)物降解以及溫度下降，微生物活性減弱，不能利用的鹽分逐漸增多，并以水溶態(tài)積累[36]，因此填料EC 值逐步趨于穩(wěn)定。一般認(rèn)為堆料電導(dǎo)率小于9.0 mS·cm-1時(shí)，不會(huì)對種子發(fā)芽產(chǎn)生抑制[37]。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)填料 EC 值為 1.98 mS·cm-1，說明發(fā)酵床發(fā)酵后的填料質(zhì)量較好。

發(fā)酵床的水分含量是微生物生長繁殖和有機(jī)物降解的關(guān)鍵條件，會(huì)影響好氧發(fā)酵的效率和腐熟時(shí)間。適宜的水分含量是保持微生物最佳活性的必要條件，水分含量過低可能會(huì)抑制微生物的新陳代謝，而水分含量太高可能會(huì)減小填料的孔隙率，引起厭氧發(fā)酵[38]。大量研究表明，含水量在45%~65%時(shí)，最有利于微生物的正常代謝活動(dòng)[39]。在本試驗(yàn)中，微生物活動(dòng)升溫和翻堆使得填料中的水分揮發(fā)，同時(shí)由于持續(xù)添加廁所黑水，填料含水量在45%~67%范圍內(nèi)上下波動(dòng)變化。第14 d 時(shí)，由于填料含水量高于65%，造成床體溫度驟然下降[40]。這也說明隨著發(fā)酵的進(jìn)行，發(fā)酵床吸納廢水的能力也逐漸下降。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，對填料適當(dāng)補(bǔ)充水分，并及時(shí)翻堆通風(fēng)，可以保證發(fā)酵反應(yīng)的正常進(jìn)行，但同時(shí)要避免補(bǔ)水過多造成填料結(jié)塊，發(fā)酵終止。經(jīng)計(jì)算，本研究中異位發(fā)酵床填料對廁所黑水的吸納系數(shù)為2.51，低于對生豬養(yǎng)殖廢水的吸納系數(shù)[18]，但高于對奶牛和蛋雞養(yǎng)殖廢水的吸納系數(shù)[19-20]。

3.2 異位發(fā)酵床填料微生物數(shù)量變化

微生物作為好氧發(fā)酵的主體，其種類和數(shù)量直接影響發(fā)酵床的發(fā)酵速率[41]。研究表明，細(xì)菌、真菌和放線菌是參與好氧發(fā)酵過程的主要微生物[38]，菌劑的添加增加了填料中微生物的豐度，從而加快發(fā)酵床的發(fā)酵過程。本試驗(yàn)表明，微生物數(shù)量與填料溫度和pH 值呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性，這主要是由于在好氧發(fā)酵初期，填料中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，使得微生物迅速生長和繁殖，促進(jìn)了溫度升高；隨著試驗(yàn)進(jìn)行，填料的高溫和堿性環(huán)境殺死了部分微生物，導(dǎo)致微生物數(shù)量減少。本研究中發(fā)酵床填料微生物以細(xì)菌為主，其分布量達(dá)到了107~108數(shù)量級，高出真菌和放線菌數(shù)量2~3 個(gè)數(shù)量級。與生豬發(fā)酵床填料中的微生物數(shù)量相比，本研究中細(xì)菌和真菌的數(shù)量與其相近，而放線菌數(shù)量比其高1~2 個(gè)數(shù)量級[42]。研究表明，放線菌是高溫階段降解木質(zhì)素和纖維素的優(yōu)勢菌群，能夠分解結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)[43]。

3.3 異位發(fā)酵床填料營養(yǎng)成分變化

一般來說，TN、TP、TK、有機(jī)質(zhì)含量和C/N 常被認(rèn)為是反映發(fā)酵床填料質(zhì)量和腐熟度的重要指標(biāo)[44]。在填料中，碳素是細(xì)胞的組成物質(zhì)和能源物質(zhì)，氮素是構(gòu)成蛋白質(zhì)、核酸、酶等重要細(xì)胞成分的物質(zhì)[45]。有研究表明，微生物在填料C/N 為25~30 時(shí)能保持最佳活性，有利于糞便快速發(fā)酵分解[35]。本研究中，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，填料的有機(jī)質(zhì)含量和C/N 呈現(xiàn)降低的趨勢，這主要是由于微生物分解轉(zhuǎn)化有機(jī)物，釋放出大量CO2和NH3，其中碳素以CO2形式不斷損失，而氮素?fù)p失較少，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量和C/N 降低[46-47]。相關(guān)分析表明，pH 值和EC 值是有機(jī)質(zhì)含量變化的主要因素，進(jìn)而也影響填料TN 含量和GI 值。本試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，填料TN、TP 和TK 含量較試驗(yàn)初始有顯著增加，雖然發(fā)酵過程中由于礦化作用及持續(xù)性的NH3揮發(fā)造成氮素有一定的損失，但填料總干質(zhì)量的下降幅度明顯大于TN 下降幅度，因此最終的TN 含量有所提高；填料中磷和鉀不會(huì)以揮發(fā)的形式損失，但是由于填料中的有機(jī)物不斷分解，填料體積和質(zhì)量會(huì)因水分的大量蒸發(fā)而明顯減少，因此TP 和TK 的相對含量會(huì)隨發(fā)酵過程的完成而逐漸增加[48]。試驗(yàn)結(jié)束后填料的總養(yǎng)分含量為5.85%，有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76.82%，滿足《有機(jī)肥料》（NY 525—2012）的標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 異位發(fā)酵床填料腐熟度評價(jià)

未腐熟的填料中有分解性有機(jī)物的存在，當(dāng)被施用至土壤中時(shí)，其通過微生物的降解作用生成丁酸、戊酸和多酚類物質(zhì)等中間產(chǎn)物[49]，從而抑制和損害作物的生長。因此，需要對最終填料進(jìn)行腐熟度評價(jià)，其中GI值是衡量發(fā)酵床填料腐熟度以及植物毒性的有效且直接的生物性指標(biāo)[50]。有研究表明，當(dāng)GI>50%時(shí)，可以認(rèn)為填料對植物已基本沒有毒性，當(dāng)GI>80%時(shí)，表明填料已完全腐熟[51-52]。本研究中，初始填料的GI 值較高，這是因?yàn)樘盍现刑砑拥膸谒写罅康臓I養(yǎng)物質(zhì)。在試驗(yàn)初始階段，由于水解作用導(dǎo)致氨、乙酸等其他低分子物質(zhì)的累積，抑制了種子的生根發(fā)芽，使得GI 值呈下降趨勢。隨著有害物質(zhì)被降解，GI 值從第7 d 開始快速上升，在第28 d 時(shí)上升至83.41%，滿足腐熟的標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，GI值超過100%，這是因?yàn)楫?dāng)填料腐熟到一定程度時(shí)，不但對植物不產(chǎn)生毒性，同時(shí)還能為植物生長提供豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)種子生根發(fā)芽，可見異位發(fā)酵床處理后的填料可作為有機(jī)肥料資源化利用。相比TIQUIA 等[53]的畜禽發(fā)酵床試驗(yàn)結(jié)果，本試驗(yàn)的發(fā)酵床填料的GI值更高，這可能是由于人體排泄物中的重金屬含量少于畜禽糞污[22]，而重金屬的大量積累會(huì)使發(fā)酵床填料產(chǎn)生植物毒性。

4 結(jié)論

（1）異位發(fā)酵床填料不同深度的溫度差異不顯著，并且平均溫度基本維持在45 ℃左右，50 ℃高溫持續(xù)約4 d，確保了發(fā)酵填料的生物安全性。試驗(yàn)過程中填料含水量在50%~65%波動(dòng)變化，pH 值由7.80 上升至8.46，而電導(dǎo)率變化不明顯。

（2）異位發(fā)酵床填料對廁所黑水具有一定的吸納能力，其吸納系數(shù)為2.51，為農(nóng)村廁所黑水的資源化利用提供了新的技術(shù)措施。在異位發(fā)酵床處理黑水過程中填料中的微生物以細(xì)菌為主，分布數(shù)量達(dá)到108CFU·g-1，高出真菌和放線菌數(shù)量2~3個(gè)數(shù)量級。

（3）由于有機(jī)質(zhì)的不斷分解，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)填料的C/N顯著降低，而TN、TP和TK含量顯著增加。填料總養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量分別為5.85%和76.82%，達(dá)到《有機(jī)肥料》（NY 525—2012）的要求。腐熟填料的種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到118.05%，可作為有機(jī)肥使用。