低溫環境下生物炭對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

（天津農學院工程技術學院，天津 300392）

廁所革命是改善農村人居環境，提升村容村貌，推動鄉村振興的重要國策。廁所糞便的處理情況直接影響農村環境衛生，關乎廁所的改造效果。人糞便含有高濃度有機物和大量病原菌、寄生蟲卵等有害微生物，必須進行無害化處理[1]。同時，人糞便也富含農作物生長必需的氮、磷、鉀等養分，重金屬含量較低，是一種良好的糞肥原材料，合理開發人糞便資源將促進農業的可持續發展[2]。我國農村地區的自然條件、經濟發展水平、人文素養和廁所政策落實情況具有較大的區域差異[3]，廁所類型具有一定區域分布性特征。據2016年統計數據，水沖式衛生廁所是衛生廁所的主流類型，而糞尿分集式衛生廁所在甘肅、內蒙古、吉林等寒冷地區的使用率達到了10%～20%[3]。糞尿分集式廁所的耗水量小、糞污產量低、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固廢生物處理技術，人糞便堆肥處理可以殺滅病原微生物，實現無害化、資源化處理[4]。然而，在寒冷地區秋冬季低溫環境下，糞便好氧堆肥的生化反應速率低，難以有效發酵，影響后續資源化利用[5-6]。

自動化、一體化的堆肥反應器使堆肥過程更加衛生、高效、低污染，通過控溫、自動攪拌和強制通氣等工藝控制方法可加強低溫環境下糞便的堆肥效率[7-8]。生物炭是一種低成本、可持續的堆肥調理劑，其孔隙結構豐富、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境下（5～15℃）豬糞堆肥發酵的高溫階段，促進糞便的無害化處理[10]。當前，以生物炭作為堆肥調理劑的研究多針對翻堆式通氣下動物糞便堆肥過程，而對于反應器強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堆肥發酵的效果，并與玉米秸稈生物炭和椰殼生物炭調理下SHF堆肥的理化性質進行比較，以期為生物炭調理劑在人糞便堆肥領域的應用提供參考數據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗采用SHF代替實際人糞便，SHF以天津地區生產的大米、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%。使用天津農學院有機廢棄物資源化技術研發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，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?？萍忌a。

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

表1 堆肥物料的理化性質

1.2 試驗裝置

堆肥裝置為有效容積4 L的不銹鋼圓柱體，外設有30 mm厚保溫水套層，如圖1所示。裝置內部設置3組半徑為60 mm的攪拌槳，攪拌槳的工作頻率為5 min·h-1，轉速30～40 r·min-1。堆肥初期無水浴加熱，從運行第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，設定通氣頻率20 min·h-1。

圖1 堆肥裝置示意圖

1.3 試驗方法

設置3個試驗組研究不同類型生物炭對低溫環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，該混合物料的總質量為2.0 kg，SHF、木屑、蟲糞接種物3者濕質量比例為2.8∶2.1∶1，初始含水率為59%。對于椰殼炭組和秸稈炭組，生物炭的投加量為混合物料總質量的10%。各組物料混合均勻后放入堆肥裝置中，開始堆肥發酵。

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值和電導率（EC）等指標，堆肥起始和結束時測定有機質含量（OM），堆肥結束時測定發芽指數（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（三印，TP330）插入堆體內部中心點測量，日平均氣溫為當日8時、12時、20時氣溫值的平均值。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（上海雷磁，PHB-4）和電導率儀（上海雷磁，DDB303-A型）測定。OM、GI根據農業行業標準NY/T525—2021《有機肥料》測定[14]，GI測試使用白蘿卜種子。

1.5 數據分析

做圖采用Microsoft Excel和Origin軟件完成，統計分析采用SPSS 26.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 生物炭的添加對堆料顏色、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。隨著堆肥進行，各組堆肥顏色逐漸變暗加深，組織狀態也從粘塊狀逐漸轉化為團塊狀，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有較強的酸臭味，在第7天設置20℃水浴保溫后酸臭味逐漸減弱，至20 d時仍有腐敗氣味，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值基本穩定在6.5～8.5之間，符合NY/T 525—2021《有機肥料》的要求[14]。

圖2 各組堆料pH值的變化

2.2 添加生物炭對OM和GI的影響

有機質是異養微生物生存依賴的主要能量來源。經測定，椰殼炭組、秸稈炭組和空白組初期的OM為61.7%、61.3%、66.3%，結束時分別降低至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，有必要計算出有機物的實際降解量。由于生物炭不能被微生物利用[17]，假設其在堆肥過程中質量不變，并假設整個堆肥過程中干物質損失都是由有機質去除造成的，根據堆肥配料和初、終期的OM可計算出實際堆肥物料的有機物去除量。椰殼炭組、秸稈炭組和空白組的有機質去除量分別為0.27、0.28、0.26 kg，生物炭組略高于空白組，說明生物炭對低溫環境下SHF堆肥有機質的去除具有一定促進作用。

GI是判定堆肥腐熟和植物毒性最敏感指標，一般GI≥80%認為堆肥腐熟或無植物毒性[18]。經測定，堆肥結束后椰殼炭組、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到腐熟標準，而空白組未達到。

2.3 生物炭的添加對堆肥含水率的影響

堆肥含水率會影響氧氣運輸量和物料孔隙率，改變微生物菌群的結構和活性，進而影響堆肥進程和有機質降解情況[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]。經統計分析，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、有機物降解產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量（2.0 kg），所以外加水量對含水率的影響巨大，遠遠大于有機物降解產水量（約0.16 kg）。根據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。根據系統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 不同試驗組含水率和加水量變化

2.4 生物炭的添加對堆料溫度的影響

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。組間比較發現，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（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器外部環境溫度至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境溫度的波動規律可以看出，在環境溫度不高于20℃的條件下氣溫對堆料溫度影響較大。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定。整個堆肥過程中，各組均未出現明顯的升溫期和高溫期，最高溫度均低于29℃，未達到機械堆肥下應保持在≥50℃至少2 d的糞便無害化衛生要求[21]。

圖4 堆料溫度和當天平均氣溫

2.5 生物炭的添加對EC的影響

電導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，這可能與生物炭對水溶性鹽的吸附固定作用有關[9]。此外，該階段空白組供氧不足，導致有機物降解產生的有機酸電離出大量H+、弱酸根離子，并促進NH3·H2O的電離而產生NH4+，導致電導率的升高。3～6 d時，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[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。各組堆肥結束后的EC值均低于農用堆肥EC最高限值2.5 ms·cm-1[22]，不會對農作物產生負面作用。

圖5 堆料電導率變化

2.6 生物炭添加對堆肥理化指標相關性的影響

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

圖6 各指標相關性熱圖

3 結論與討論

生物炭結構疏松多孔，比表面積大，作為堆肥調理劑能改變堆料內部物理結構，進而影響堆肥理化指標和腐熟特性[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，生物炭對寒冷地區SHF控溫好氧堆肥有部分積極作用。黃霞等[23]研究發現，在堆肥過程中生物炭可通過吸附作用和內部環境改善降低氨氣的排放，通過改善堆肥通風供氧條件降低厭氧代謝產物硫化氫和揮發性脂肪酸的產生，這與本研究中生物炭組惡臭氣體較少的結果一致。此外，生物炭降低了堆肥電導率與含水率的負相關關系。通常，高含量的水分會稀釋鹽離子而導致電導率降低，而生物炭對自由離子的吸附和解吸作用對鹽濃度變化起到緩沖作用，降低了水分稀釋作用對鹽濃度的影響。

本研究發現，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，該結論與文獻不同[23]。文獻資料報道了花生殼質生物炭的吸水率可達215%[5]，鼓風和翻堆結合通風下添加生物炭可使雞糞靜態堆肥的含水率提高2%左右[9]。然而，本研究的堆肥裝置和工藝條件與文獻不同，試驗在小堆體、高通氣量下進行，生物炭的添加改善了堆肥內部環境和通風供氧條件，加強了水分蒸發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。

此外，本研究中各試驗組在為期60 d的堆肥過程始終未出現高溫期，所以殺滅病原菌和寄生蟲卵的無害化效果不足。本研究的反應器體積僅4 L，有機物發酵產熱不足，在低溫、高通氣量下熱量散失過大，因此未能達到高溫條件[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），且波動程度更高（圖4）。這是由于添加生物炭使堆體內部孔隙增多，在低溫環境、高通氣量下較強的對流和蒸發作用帶走大量熱量而降低了堆肥溫度[25]。若擴大堆肥規模，生物炭對堆肥溫度的影響仍需進一步研究。

椰殼炭和秸稈炭作用效果接近，二者對堆肥過程的氣味、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。椰殼炭組堆肥產物的GI、pH值和失水程度更高，說明椰殼炭釋放堿性物質、吸附酸性物質和有害物質的能力更強，這可能與椰殼炭的比表面積、孔隙結構、表面官能團和元素組成等有關。

生物炭是生物質碳封存的有效形式，在“雙碳”目標驅動下生物炭在糞便堆肥中減少臭氣排放、提高堆肥品質的性能具有重要意義。本研究中生物炭的多孔結構和強吸附性能改善了大部分模擬人糞便堆肥理化指標，但在北方冬季低溫環境下小型堆肥反應器保水保溫的工藝控制技術仍需進一步研究。