水浴溫度對模擬人糞便堆肥理化指標的影響

高凱澤，楊宇宇，周呈，梁嘉麒，劉新媛，吳楠

水浴溫度對模擬人糞便堆肥理化指標的影響

高凱澤，楊宇宇，周呈，梁嘉麒，劉新媛通信作者，吳楠

（天津農學院 工程技術學院，天津 300392）

人糞便的高效處理能夠促進農村地區(qū)有機廢棄物的循環(huán)利用，助力美麗鄉(xiāng)村的建設。本文研究低溫環(huán)境下反應器堆肥過程中水浴溫度（20 ℃和50 ℃）對模擬人糞便堆肥理化指標的影響。研究發(fā)現，水浴溫度20 ℃和50 ℃可使堆體溫度分別提高至約27 ℃和約40 ℃。發(fā)酵初期未進行水浴加熱時酸化嚴重，而在發(fā)酵中后期水浴溫度20 ℃的堆體pH值高于水浴溫度50 ℃堆體的pH值。水浴溫度50 ℃的加水量較高、堆肥含水率卻較低，說明水分流失更嚴重。水浴溫度50 ℃的電導率初期較高，中后期則低于水浴溫度20 ℃的電導率。水浴溫度20 ℃和50 ℃時有機質的去除率接近，分別為31.8%和32.1%。水浴溫度50 ℃的種子發(fā)芽指數為72.8%，高于水浴溫度20 ℃的68.7%，由于前者滿足種子發(fā)芽指數≥70%的要求，故水浴溫度50 ℃的堆肥產品達到腐熟。

水浴溫度；模擬人糞便；堆肥；理化指標

我國人口眾多造成人糞便產量巨大[1]。城市糞便可通過市政污水系統(tǒng)得到處理，而農村糞便則需要多樣化的處理方案。黨的十九屆五中全會提出，要“因地制宜推進農村改廁、生活垃圾處理和污水治理”[2]。農村地區(qū)地形、經濟、房屋布局等情況復雜，難以普遍采用水沖式廁所。對此，各類新型廁所不斷被開發(fā)出來，如糞尿分離廁所、無水打包廁所、免水生物處理制肥廁所等，為廁所糞污收集提供了新的方案[3]。然而，新型廁所需要解決糞便的處理和最終處置的問題。人糞便營養(yǎng)豐富，在我國人糞便土地還田有很長的歷史。直接還田前糞便先會經過堆積、晾曬等處理，這些粗放的處理過程會嚴重影響環(huán)境衛(wèi)生、破壞農村環(huán)境，易造成病原菌和寄生蟲危害。糞便直接還田已不適應美麗鄉(xiāng)村的發(fā)展要求，亟需開發(fā)新的糞污處理方式。

人糞便是一種良好的資源，具有較好的可生化性，適合于好氧堆肥處理[4]。經過微生物在一定濕度、溫度、pH值和通氣量下的發(fā)酵，糞便可轉化為一種類似腐殖質的物質，并可作肥料改善土壤理化性質。好氧堆肥是一種成熟安全的糞便處理方式，它能夠分解糞便的有毒物質和有害氣體，提高糞便的應用價值和效果[5]。好氧堆肥過程中，微生物分解有機物產生大量熱量，所以堆體溫度會隨堆肥進程而持續(xù)變化。溫度變化會導致微生物活性和種類的變化，對堆肥過程產生影響[6]。因此，堆體溫度是堆肥工藝的重要指標和影響因素。反應器堆肥技術利用封閉式反應器避免了堆肥所產臭氣的污染，也促進堆肥處理過程的自動化和一體化發(fā)展[5]。我國北方冬季氣溫較低，堆肥反應器外加保溫水套有助于維持堆體溫度。本研究選取華北地區(qū)冬季溫度環(huán)境進行模擬人糞便堆肥試驗，探索高溫（50 ℃）和常溫（20 ℃）兩種水浴溫度條件對人糞便堆肥的影響，分析理化特性的差異。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗采用的堆肥材料是模擬人糞便（SHF），其主要原料為大米、大豆和乙醇[7]。物料總配方（濕重質量比）為：39.8%的蒸餾水、37.7%的黃豆糊、20.7%的大米糊、1.8%的乙醇。將大米和黃豆分別浸泡在水中12 h以上，經過蒸煮、冷卻和破碎后得到大米糊和大豆糊，測得大米糊和黃豆糊的含水率分別為36.84%和34.45%。

堆肥過程中，添加木屑用于保留水分、增加比表面積、促進熱量循環(huán)、為好氧微生物的生長和繁殖提供適宜的場所。由于堆體微生物不足，添加黑水虻蟲糞堆肥產物作為接種物。黑水虻蟲糞是一種新型生物有機肥，含有豐富的有機質、氮磷鉀和有益微生物菌群，有利于堆肥的進行[8]。堆肥物料的特性見表1。可以看出，本研究制備的SHF的特性與文獻報道的人糞便特性接近[9]。

表1 堆肥物料的理化特性

試驗組含水率/%C/%N/% SHF81.2647.914.75 木屑26.9645.67<0.3 接種物62.9622.152.47 文獻中實際人糞便特征[9]82.350.66（總有機碳）6.51

1.2 試驗裝置

堆肥發(fā)酵裝置如圖1所示。反應器由不銹鋼制成，有效容積4 L，頂部密封。反應器頂部設有攪拌電機，自動控制堆體攪拌。反應器外部水套層連接恒溫水槽，采用水浴加熱提高反應器溫度，用保溫材料包裹反應器以減少熱量損失。反應器底部有進氣口，連接氣泵將空氣輸送到堆體中。

圖1 堆肥反應裝置圖

1.3 試驗方法

運行2組模擬人糞堆肥發(fā)酵試驗裝置，反應器外部保溫槽的水浴溫度分別為20 ℃和50 ℃。其中，水浴溫度為20 ℃的試驗組，在發(fā)酵的前6天未加水浴保溫，從第7天開始維持水浴溫度20 ℃。按照碳氮比（C/N）為27∶1配制發(fā)酵原料，將0.95 kg SHF、0.71 kg木屑與0.34 kg蟲糞混合均勻，加入到反應器中。堆體攪拌頻率為5 min/h，轉速為30～40 r/min。將氣泵的供氣量調整為360～370 mL/min，每小時通氣20 min。堆肥過程中，含水率維持在40%～70%之間。定期測定堆體理化性質。

1.4 測試方法

堆體溫度采用溫度計直接插入堆體中央進行測試。含水率采用常壓干燥減量稱重法測定。發(fā)酵物料的C含量和N含量采用元素分析儀測定（Vario MACRO Cube，Elementar，德國）。堆肥電導率和pH測量前，先將1 g待測物加到10 g蒸餾水中得到稀釋樣品，分別采用電導率儀（上海雷磁，DDB303-A型）和pH計（上海雷磁，PHB-4型）測定。堆肥物料的有機質含量根據農業(yè)行業(yè)標準《有機肥料（NY/T 525—2021）》測定[10]。種子發(fā)芽指數（GI）測量方法為在培養(yǎng)皿中放置1張定性濾紙，然后在濾紙上均勻放入20粒大小基本一致、飽滿的白蘿卜種子，加入供試樣浸提液10 mL，蓋上培養(yǎng)皿蓋，在23～27 ℃的培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng) 48 h，統(tǒng)計發(fā)芽率和測量平均根長[11]。每個樣品重復3次，并以蒸餾水為對照組。按照式（1）計算的數值。

2 結果與分析

2.1 不同水浴溫度下堆體的溫度特征

水浴溫度在50 ℃和20 ℃時堆體的內部溫度變化如圖2所示。水浴溫度為20 ℃時，在發(fā)酵前6天未進行水浴加熱，當時氣溫為14 ℃左右。從圖2可以看出，反應器不做水浴加熱處理時，初期堆體溫度較低，在20 ℃左右。從7 d起，加設20 ℃水浴加熱，可以看到從第8天開始堆體溫度逐漸上升并基本穩(wěn)定在27 ℃左右。水浴溫度為50 ℃時，經過了初期短暫降溫，到第10天堆體溫度達到了45 ℃，但始終未達到50 ℃。從圖2還可以看到，水浴溫度50 ℃的堆體內部溫度顯著高于20 ℃水浴溫度。以上的結果都說明了反應器外部溫度控制是調控堆體溫度的重要手段，并且較高水浴溫度（50 ℃）有助于維持較高的堆體溫度條件。試驗中堆肥溫度未出現升溫、高溫、降溫的顯著溫度變化過程，可能是由于本試驗堆體內可降解模擬人糞便含量較低、堆體較小、反應熱不足，而通氣量過高加速了熱量流失，致使無法保留足夠的熱量提高堆體溫度。比較堆體溫度和水浴溫度，可以發(fā)現水浴溫度為20 ℃時，堆體溫度（約27 ℃）仍高于水浴溫度，而水浴溫度為50 ℃時，堆體溫度（約40 ℃）卻低于水浴溫度。這個結果說明高溫條件下堆肥散熱量高于發(fā)酵產熱量，而中溫條件的散熱量低于發(fā)酵產熱。因此，對于高溫水浴的堆肥體系，采取有效的熱量保留措施更有必要。

圖2 水浴溫度50 ℃和20 ℃下堆體內部溫度的變化

2.2 不同水浴溫度下堆體pH值特征

水浴溫度在50 ℃和20 ℃下堆體內部pH值變化如圖3所示。在堆肥的初始階段兩組的pH均出現降低，水浴溫度20 ℃時發(fā)酵初期未進行溫控，堆料pH由8.92快速降低到6.38，水浴溫度50 ℃的堆料pH由8.77降低至7.17。在堆肥中期，兩組的pH都回升至堿性環(huán)境。水浴溫度為20 ℃時堆肥后期溫度始終維持在中性、堿性條件，而水浴溫度50 ℃下堆肥后期再次出現酸化。文獻報道中，人糞便高溫堆肥后期的pH值低于中溫堆肥pH值[12]，與本研究的結果一致。

圖3 水浴溫度50 ℃和20 ℃下堆肥pH值的變化

2.3 不同水浴溫度下堆體含水率特征

微生物的新陳代謝離不開水，好氧堆肥水分流失較大，需要不定期地向反應器補充適量水，確保堆料處于適宜的含水率范圍。圖4和圖5分別為不同水浴溫度下堆料含水率和加水量隨時間的變化。由圖4可知，各組含水率均基本控制在30%～70%，處于較適宜的條件[3]。從圖4中看到，水浴溫度50 ℃的含水率低于水浴溫度20 ℃，且波動更為強烈。從圖5可以看出，水浴溫度50 ℃時加水次數更多，總加水量（3 702 mL）也顯著高于水浴溫度20 ℃時的1 210 mL。經過比較可以看出，水浴溫度50 ℃的堆肥體系水分流失更多，水分調節(jié)更為困難。對此，可以考慮對高溫堆肥排放的水蒸氣采取冷卻處理、再回流補充堆體失水，以達到節(jié)水、減排的效果。

圖4 水浴溫度50 ℃和20 ℃下堆肥含水率的變化

圖5 水浴溫度50 ℃和20 ℃下的加水量

2.4 不同水浴溫度下堆體電導率特征

電導率能夠反映出堆料的含鹽量。由圖6可以看出，水浴溫度20 ℃與50 ℃堆料電導率初始值分別為3.06和2.32 ms/cm，分別在堆肥開始的第3天和第9天達到最高。堆肥初期堆料中有機質的大量分解、礦化產生大量的小分子物質，如低碳脂肪酸、碳酸鹽、銨離子、磷酸鹽、氫離子等，造成堆肥初期電導率的升高。堆肥中后期，堆肥電導率基本維持在較低的水平，水浴溫度20 ℃的堆料電導率高于水浴溫度50 ℃的試驗組。水浴溫度50 ℃的電導率更低，可能是由于高溫條件的無機氮形式的含鹽量更低[12]。電導率在較長時間內維持穩(wěn)定，可能是由于鹽離子的增加量和降低量達到動態(tài)平衡。降低鹽離子的過程包括氨氣的揮發(fā)、各種礦物鹽離子的沉淀及微生物吸收作用[13-14]。

圖6 水浴溫度50 ℃和20 ℃下堆肥電導率的變化

2.5 堆體有機質去除率和發(fā)芽指數

60 d發(fā)酵結束后，水浴溫度20 ℃和50 ℃時有機質的去除率分別為31.8%（由66.3%降低至45.2%）和32.1%（66.3%下降至45.0%）。比較可知，不同水浴溫度的有機質去除率差別很小。在堆肥系統(tǒng)組成中鋸末占比較高，其中的纖維素和半纖維素均為難降解物質，難以有效去除[15]。長時間的堆肥發(fā)酵，使堆體中其他有機質的降解較充分，導致不同水浴溫度得到近似的有機質去除效果。

堆肥結束后，水浴溫度50 ℃的種子發(fā)芽指數為72.8%，高于水浴溫度20 ℃的68.7%。根據農業(yè)行業(yè)標準《畜禽糞便堆肥技術規(guī)范NY/T 3442—2019》，堆肥產物的種子發(fā)芽指數超過70%達到堆肥產品質量標準[11]。因此，水浴溫度50 ℃下模擬人糞便經過60 d的堆肥達到了安全使用標準，而本試驗中水浴溫度20 ℃的堆肥過程尚未達到堆肥腐蝕標準。

3 結論

本研究探索了不同水浴溫度（20 ℃和50 ℃）下模擬人糞便在反應器內堆肥的特性。反應器內溫度特征說明低溫環(huán)境下反應器外部溫度控制對提高堆肥溫度十分重要。當反應器不進行溫度控制時，堆肥初期酸化較嚴重。在堆肥中后期，水浴溫度20 ℃的堆體pH值高于水浴溫度50 ℃的堆體。從總加水量和堆體含水率可以看出，50 ℃水浴條件的堆體水分流失更為嚴重，導致堆體含水率更低。經過60 d的堆肥處理，水浴溫度20 ℃和50 ℃的堆肥有機質去除率均接近32%。50 ℃水浴條件的種子發(fā)芽指數高于70%，滿足堆肥產品腐熟標準，而20 ℃水浴條件的種子發(fā)芽指數略低于70%，尚未達到堆肥腐熟標準。

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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

國家重點研發(fā)計劃子課題（2018YFD1100503）；天津市級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（202210061062）

高凱澤（2002—），男，本科在讀，主要從事農村有機廢棄物堆肥發(fā)酵方面的研究。E-mail：553728587@qq.com。

劉新媛（1987—），女，講師，博士，主要從事有機廢棄物生物處理方面的研究。E-mail：liuxinyuan11@163.com。

責任編輯：楊霞