低溫環(huán)境下生物炭對(duì)模擬人糞便控溫好氧堆肥的影響研究

馬澤宇，艾力·阿布力米提，黃鋒光，劉新媛，梁嘉麒，吳 楠

（天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300392）

廁所革命是改善農(nóng)村人居環(huán)境，提升村容村貌，推動(dòng)鄉(xiāng)村振興的重要國策。廁所糞便的處理情況直接影響農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生，關(guān)乎廁所的改造效果。人糞便含有高濃度有機(jī)物和大量病原菌、寄生蟲卵等有害微生物，必須進(jìn)行無害化處理[1]。同時(shí)，人糞便也富含農(nóng)作物生長必需的氮、磷、鉀等養(yǎng)分，重金屬含量較低，是一種良好的糞肥原材料，合理開發(fā)人糞便資源將促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。我國農(nóng)村地區(qū)的自然條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人文素養(yǎng)和廁所政策落實(shí)情況具有較大的區(qū)域差異[3]，廁所類型具有一定區(qū)域分布性特征。據(jù)2016年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，水沖式衛(wèi)生廁所是衛(wèi)生廁所的主流類型，而糞尿分集式衛(wèi)生廁所在甘肅、內(nèi)蒙古、吉林等寒冷地區(qū)的使用率達(dá)到了10%～20%[3]。糞尿分集式廁所的耗水量小、糞污產(chǎn)量低、污染物濃度高，便于高含固糞便的收集、處理和綜合利用。好氧堆肥是一種有機(jī)固廢生物處理技術(shù)，人糞便堆肥處理可以殺滅病原微生物，實(shí)現(xiàn)無害化、資源化處理[4]。然而，在寒冷地區(qū)秋冬季低溫環(huán)境下，糞便好氧堆肥的生化反應(yīng)速率低，難以有效發(fā)酵，影響后續(xù)資源化利用[5-6]。

自動(dòng)化、一體化的堆肥反應(yīng)器使堆肥過程更加衛(wèi)生、高效、低污染，通過控溫、自動(dòng)攪拌和強(qiáng)制通氣等工藝控制方法可加強(qiáng)低溫環(huán)境下糞便的堆肥效率[7-8]。生物炭是一種低成本、可持續(xù)的堆肥調(diào)理劑，其孔隙結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大，可有效提高雞糞好氧堆肥持水、保氮的效果[9]，還能夠延長較低溫環(huán)境下（5～15℃）豬糞堆肥發(fā)酵的高溫階段，促進(jìn)糞便的無害化處理[10]。當(dāng)前，以生物炭作為堆肥調(diào)理劑的研究多針對(duì)翻堆式通氣下動(dòng)物糞便堆肥過程，而對(duì)于反應(yīng)器強(qiáng)制通氣下生物炭影響人糞便堆肥的研究仍較少。本研究以模擬人糞便（SHF）代替人糞便，研究低溫條件下SHF堆肥發(fā)酵的效果，并與玉米秸稈生物炭和椰殼生物炭調(diào)理下SHF堆肥的理化性質(zhì)進(jìn)行比較，以期為生物炭調(diào)理劑在人糞便堆肥領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用SHF代替實(shí)際人糞便，SHF以天津地區(qū)生產(chǎn)的大米、大豆和乙醇為主要原料自制而成[11]。SHF制備過程：分別將大米和黃豆浸泡超過12 h，再蒸煮、冷卻和破碎，得到大米糊和大豆糊，二者的含水率分別為36.84%±2.14%、34.45%±1.58%；大米糊和黃豆糊按比例混合后再加入乙醇和水，各成分的質(zhì)量比分別為蒸餾水39.8%、黃豆糊37.7%、大米糊20.7%、乙醇1.8%。使用天津農(nóng)學(xué)院有機(jī)廢棄物資源化技術(shù)研發(fā)中心的黑水虻蟲糞堆肥作為接種物[12]。選用木屑為堆肥基質(zhì)，直徑約1～2 mm，取自天津市某木材加工廠。椰殼生物炭（簡稱椰殼炭）和玉米秸稈生物炭（簡稱秸稈炭）均由立澤環(huán)?？萍忌a(chǎn)。

相關(guān)材料的性質(zhì)列于表1。從表1可以看出，本研究配制的SHF與文獻(xiàn)資料中真實(shí)人糞便的組成接近[13]，在堆肥研究中可以代替真實(shí)人糞便。

表1 堆肥物料的理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)裝置

堆肥裝置為有效容積4 L的不銹鋼圓柱體，外設(shè)有30 mm厚保溫水套層，如圖1所示。裝置內(nèi)部設(shè)置3組半徑為60 mm的攪拌槳，攪拌槳的工作頻率為5 min·h-1，轉(zhuǎn)速30～40 r·min-1。堆肥初期無水浴加熱，從運(yùn)行第7天開始將20℃恒溫水箱連接保溫水套，保溫水套層外包裹泡沫材料以減少散熱。該裝置采用氣泵強(qiáng)制通氣，底部有20 mm高緩沖層使通氣均勻，通氣量315～336 mL·min-1，因堆料較少，為防止熱量流失過快，設(shè)定通氣頻率20 min·h-1。

圖1 堆肥裝置示意圖

1.3 試驗(yàn)方法

設(shè)置3個(gè)試驗(yàn)組研究不同類型生物炭對(duì)低溫環(huán)境下人糞便堆肥的影響。椰殼炭組：SHF+蟲糞接種物+木屑+椰殼生物炭；秸稈炭組：SHF+蟲糞接種物+木屑+秸稈生物炭；空白組：SHF+蟲糞接種物+木屑。按照C/N為27∶1配制堆肥物料，該混合物料的總質(zhì)量為2.0 kg，SHF、木屑、蟲糞接種物3者濕質(zhì)量比例為2.8∶2.1∶1，初始含水率為59%。對(duì)于椰殼炭組和秸稈炭組，生物炭的投加量為混合物料總質(zhì)量的10%。各組物料混合均勻后放入堆肥裝置中，開始堆肥發(fā)酵。

1.4 測定方法

堆肥的顏色和氣味通過4人以上人工感官判別進(jìn)行定性。定期取樣測定堆肥過程中堆料的含水率、pH值和電導(dǎo)率（EC）等指標(biāo)，堆肥起始和結(jié)束時(shí)測定有機(jī)質(zhì)含量（OM），堆肥結(jié)束時(shí)測定發(fā)芽指數(shù)（GI）。各物料的N%和C%采用元素分析儀（Vario MACRO Cube，Elementar，德國）分析。含水率使用烘干法測量。堆體溫度采用電子溫度計(jì)（三印，TP330）插入堆體內(nèi)部中心點(diǎn)測量，日平均氣溫為當(dāng)日8時(shí)、12時(shí)、20時(shí)氣溫值的平均值。pH值和EC測定前，先將1g待測樣品用蒸餾水稀釋10倍，再分別使用pH值計(jì)（上海雷磁，PHB-4）和電導(dǎo)率儀（上海雷磁，DDB303-A型）測定。OM、GI根據(jù)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T525—2021《有機(jī)肥料》測定[14]，GI測試使用白蘿卜種子。

1.5 數(shù)據(jù)分析

做圖采用Microsoft Excel和Origin軟件完成，統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 26.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭的添加對(duì)堆料顏色、氣味和pH值的影響

堆肥初期，由于生物炭的添加，椰殼炭組和秸稈炭組堆肥呈灰黑色，而空白組在木屑的影響下呈淺棕色。隨著堆肥進(jìn)行，各組堆肥顏色逐漸變暗加深，組織狀態(tài)也從粘塊狀逐漸轉(zhuǎn)化為團(tuán)塊狀，堆肥的腐熟度不斷提高[15]。椰殼炭組和秸稈炭組的臭味始終較小，堆料最終變成潮濕泥土氣味?？瞻捉M堆肥前7 d有較強(qiáng)的酸臭味，在第7天設(shè)置20℃水浴保溫后酸臭味逐漸減弱，至20 d時(shí)仍有腐敗氣味，40 d后臭味逐漸消失。

由圖2可知，各組堆肥初始pH值均呈堿性，椰殼炭組和秸稈炭組的初始pH值略高于空白組，是由于生物炭本身呈弱堿性[16]。堆肥前15 d，空白組的pH值明顯小于生物炭組，至9～15 d逐漸與生物炭組趨同。在27～42 d，2個(gè)生物炭組的pH值下降顯著且小于空白組pH值。3組最終pH值基本穩(wěn)定在6.5～8.5之間，符合NY/T 525—2021《有機(jī)肥料》的要求[14]。

圖2 各組堆料pH值的變化

2.2 添加生物炭對(duì)OM和GI的影響

有機(jī)質(zhì)是異養(yǎng)微生物生存依賴的主要能量來源。經(jīng)測定，椰殼炭組、秸稈炭組和空白組初期的OM為61.7%、61.3%、66.3%，結(jié)束時(shí)分別降低至42.6%、41.3%、45.2%。生物炭的添加使堆肥物料的總質(zhì)量高于空白組，以百分比表征OM含量難以直觀地比較，有必要計(jì)算出有機(jī)物的實(shí)際降解量。由于生物炭不能被微生物利用[17]，假設(shè)其在堆肥過程中質(zhì)量不變，并假設(shè)整個(gè)堆肥過程中干物質(zhì)損失都是由有機(jī)質(zhì)去除造成的，根據(jù)堆肥配料和初、終期的OM可計(jì)算出實(shí)際堆肥物料的有機(jī)物去除量。椰殼炭組、秸稈炭組和空白組的有機(jī)質(zhì)去除量分別為0.27、0.28、0.26 kg，生物炭組略高于空白組，說明生物炭對(duì)低溫環(huán)境下SHF堆肥有機(jī)質(zhì)的去除具有一定促進(jìn)作用。

GI是判定堆肥腐熟和植物毒性最敏感指標(biāo)，一般GI≥80%認(rèn)為堆肥腐熟或無植物毒性[18]。經(jīng)測定，堆肥結(jié)束后椰殼炭組、秸稈炭組和空白組的白蘿卜種子GI分別為101.5%、86.6%、68.7%，椰殼炭組和秸稈炭組達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，而空白組未達(dá)到。

2.3 生物炭的添加對(duì)堆肥含水率的影響

堆肥含水率會(huì)影響氧氣運(yùn)輸量和物料孔隙率，改變微生物菌群的結(jié)構(gòu)和活性，進(jìn)而影響堆肥進(jìn)程和有機(jī)質(zhì)降解情況[18]。從圖3可知，各組含水率基本控制在40%～70%之間，處于較適宜的范圍[19]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，椰殼炭組和秸稈炭組的堆料含水量無顯著差異，但二者與空白組差異顯著（P＜0.05），分別比空白組低了17.4%和16.1%。另一方面，堆料含水率的變化受到外加水量、有機(jī)物降解產(chǎn)水量和失水量的共同影響[20]。由圖3可知，各組在堆肥過程中的加水情況，椰殼炭組和秸稈炭組總加水量分別為2600、2150 mL，顯著高于空白組的1210 mL。值得注意的是，堆肥過程的外加水量很高，生物炭組的加水量甚至高于初始堆肥物料質(zhì)量（2.0 kg），所以外加水量對(duì)含水率的影響巨大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有機(jī)物降解產(chǎn)水量（約0.16 kg）。根據(jù)堆料量和堆料平均含水率可估算出各組堆料的平均含水量約為1.2～1.3 kg。根據(jù)系統(tǒng)的水平衡可以推算出，大部分外加水量從堆料中流失，并且生物炭組的失水量高于空白組。

圖3 不同試驗(yàn)組含水率和加水量變化

2.4 生物炭的添加對(duì)堆料溫度的影響

從圖4可知，空白組的堆料溫度始終處于18.8～28.8℃，秸稈炭組在18.1～28.9℃之間，椰殼炭組在18.2～28.7℃之間。組間比較發(fā)現(xiàn)，椰殼炭組和秸稈炭組之間無顯著差異，而空白組的堆料溫度比秸稈炭組高1.1℃（P＜0.05），比椰殼炭組高1.3℃（P＜0.05）。在無外控溫度時(shí)（1～7 d），各組堆料溫度都先升高，而后隨著日均氣溫的驟降而大幅下降。采用保溫水套提高反應(yīng)器外部環(huán)境溫度至20℃后（8 d后），堆料溫度升高至28℃，并基本維持在23～29℃。通過各組堆料溫度和環(huán)境溫度的波動(dòng)規(guī)律可以看出，在環(huán)境溫度不高于20℃的條件下氣溫對(duì)堆料溫度影響較大。此外，椰殼炭組和秸稈炭組的均方差分別為2.7℃和2.6℃，顯著高于空白組的2.2℃，說明空白組堆料溫度更穩(wěn)定。整個(gè)堆肥過程中，各組均未出現(xiàn)明顯的升溫期和高溫期，最高溫度均低于29℃，未達(dá)到機(jī)械堆肥下應(yīng)保持在≥50℃至少2 d的糞便無害化衛(wèi)生要求[21]。

圖4 堆料溫度和當(dāng)天平均氣溫

2.5 生物炭的添加對(duì)EC的影響

電導(dǎo)率能夠反映堆肥中鹽離子的含量[9]，從圖5可以看出，堆肥初期空白組EC值達(dá)到3.0 ms·cm-1左右，比椰殼炭組和秸稈炭組分別高了0.7、1.3 ms·cm-1，這可能與生物炭對(duì)水溶性鹽的吸附固定作用有關(guān)[9]。此外，該階段空白組供氧不足，導(dǎo)致有機(jī)物降解產(chǎn)生的有機(jī)酸電離出大量H+、弱酸根離子，并促進(jìn)NH3·H2O的電離而產(chǎn)生NH4+，導(dǎo)致電導(dǎo)率的升高。3～6 d時(shí)，空白組的pH值仍處于酸性條件，但EC卻大幅降低，這可能與高通氣量下氨氣逸出和微生物利用等作用有關(guān)[20]。從第9天起，3組堆料的EC值無顯著差異（P＞0.05），平均值為1.9～2.0 ms·cm-1，說明生物炭的添加已無法改變堆料的EC值。各組堆肥結(jié)束后的EC值均低于農(nóng)用堆肥EC最高限值2.5 ms·cm-1[22]，不會(huì)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生負(fù)面作用。

圖5 堆料電導(dǎo)率變化

2.6 生物炭添加對(duì)堆肥理化指標(biāo)相關(guān)性的影響

圖6-A、6-B和6-C顯示，空白組的電導(dǎo)率與含水率間呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），該規(guī)律未在椰殼炭組和秸稈炭組中發(fā)現(xiàn)?？瞻捉M的溫度和電導(dǎo)率也呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），可能是由于二者均受到供風(fēng)通氧的影響。椰殼炭組和秸稈炭組的溫度和電導(dǎo)率無顯著相關(guān)性，說明生物炭降低了堆料溫度和電導(dǎo)率之間的關(guān)聯(lián)程度。

圖6 各指標(biāo)相關(guān)性熱圖

3 結(jié)論與討論

生物炭結(jié)構(gòu)疏松多孔，比表面積大，作為堆肥調(diào)理劑能改變堆料內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響堆肥理化指標(biāo)和腐熟特性[9]。本研究證明，投加生物炭可避免SHF堆肥初期酸化，減少惡臭氣體排放，提高有機(jī)物降解量，并使GI提高到80%以上，提高堆肥腐熟度，降低堆料植物毒性。由此可見，生物炭對(duì)寒冷地區(qū)SHF控溫好氧堆肥有部分積極作用。黃霞等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在堆肥過程中生物炭可通過吸附作用和內(nèi)部環(huán)境改善降低氨氣的排放，通過改善堆肥通風(fēng)供氧條件降低厭氧代謝產(chǎn)物硫化氫和揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)生，這與本研究中生物炭組惡臭氣體較少的結(jié)果一致。此外，生物炭降低了堆肥電導(dǎo)率與含水率的負(fù)相關(guān)關(guān)系。通常，高含量的水分會(huì)稀釋鹽離子而導(dǎo)致電導(dǎo)率降低，而生物炭對(duì)自由離子的吸附和解吸作用對(duì)鹽濃度變化起到緩沖作用，降低了水分稀釋作用對(duì)鹽濃度的影響。

本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭投加使堆肥含水率降低（比空白組低16.1%～17.4%，P＜0.05），失水量增加（圖3），即添加生物炭降低了堆肥的持水保水性能，該結(jié)論與文獻(xiàn)不同[23]。文獻(xiàn)資料報(bào)道了花生殼質(zhì)生物炭的吸水率可達(dá)215%[5]，鼓風(fēng)和翻堆結(jié)合通風(fēng)下添加生物炭可使雞糞靜態(tài)堆肥的含水率提高2%左右[9]。然而，本研究的堆肥裝置和工藝條件與文獻(xiàn)不同，試驗(yàn)在小堆體、高通氣量下進(jìn)行，生物炭的添加改善了堆肥內(nèi)部環(huán)境和通風(fēng)供氧條件，加強(qiáng)了水分蒸發(fā)作用而造成水分快速大量流失，而生物炭的保水性則不再占主導(dǎo)。

此外，本研究中各試驗(yàn)組在為期60 d的堆肥過程始終未出現(xiàn)高溫期，所以殺滅病原菌和寄生蟲卵的無害化效果不足。本研究的反應(yīng)器體積僅4 L，有機(jī)物發(fā)酵產(chǎn)熱不足，在低溫、高通氣量下熱量散失過大，因此未能達(dá)到高溫條件[24]。生物炭組的平均堆料溫度低于空白組（低1.1～1.3℃，P＜0.05），且波動(dòng)程度更高（圖4）。這是由于添加生物炭使堆體內(nèi)部孔隙增多，在低溫環(huán)境、高通氣量下較強(qiáng)的對(duì)流和蒸發(fā)作用帶走大量熱量而降低了堆肥溫度[25]。若擴(kuò)大堆肥規(guī)模，生物炭對(duì)堆肥溫度的影響仍需進(jìn)一步研究。

椰殼炭和秸稈炭作用效果接近，二者對(duì)堆肥過程的氣味、EC值、含水率和溫度的影響無顯著差別，說明生物炭的共性特征改變了堆肥理化特性，而生物炭種類的影響較小。椰殼炭組堆肥產(chǎn)物的GI、pH值和失水程度更高，說明椰殼炭釋放堿性物質(zhì)、吸附酸性物質(zhì)和有害物質(zhì)的能力更強(qiáng)，這可能與椰殼炭的比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)、表面官能團(tuán)和元素組成等有關(guān)。

生物炭是生物質(zhì)碳封存的有效形式，在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下生物炭在糞便堆肥中減少臭氣排放、提高堆肥品質(zhì)的性能具有重要意義。本研究中生物炭的多孔結(jié)構(gòu)和強(qiáng)吸附性能改善了大部分模擬人糞便堆肥理化指標(biāo)，但在北方冬季低溫環(huán)境下小型堆肥反應(yīng)器保水保溫的工藝控制技術(shù)仍需進(jìn)一步研究。