低温环境下生物炭对模拟人粪便控温好氧堆肥的影响研究

马泽宇，艾力·阿布力米提，黄锋光，刘新媛，梁嘉麒，吴 楠

（天津农学院工程技术学院，天津 300392）

厕所革命是改善农村人居环境，提升村容村貌，推动乡村振兴的重要国策。厕所粪便的处理情况直接影响农村环境卫生，关乎厕所的改造效果。人粪便含有高浓度有机物和大量病原菌、寄生虫卵等有害微生物，必须进行无害化处理[1]。同时，人粪便也富含农作物生长必需的氮、磷、钾等养分，重金属含量较低，是一种良好的粪肥原材料，合理开发人粪便资源将促进农业的可持续发展[2]。我国农村地区的自然条件、经济发展水平、人文素养和厕所政策落实情况具有较大的区域差异[3]，厕所类型具有一定区域分布性特征。据2016年统计数据，水冲式卫生厕所是卫生厕所的主流类型，而粪尿分集式卫生厕所在甘肃、内蒙古、吉林等寒冷地区的使用率达到了10%～20%[3]。粪尿分集式厕所的耗水量小、粪污产量低、污染物浓度高，便于高含固粪便的收集、处理和综合利用。好氧堆肥是一种有机固废生物处理技术，人粪便堆肥处理可以杀灭病原微生物，实现无害化、资源化处理[4]。然而，在寒冷地区秋冬季低温环境下，粪便好氧堆肥的生化反应速率低，难以有效发酵，影响后续资源化利用[5-6]。

自动化、一体化的堆肥反应器使堆肥过程更加卫生、高效、低污染，通过控温、自动搅拌和强制通气等工艺控制方法可加强低温环境下粪便的堆肥效率[7-8]。生物炭是一种低成本、可持续的堆肥调理剂，其孔隙结构丰富、比表面积大，可有效提高鸡粪好氧堆肥持水、保氮的效果[9]，还能够延长较低温环境下（5～15℃）猪粪堆肥发酵的高温阶段，促进粪便的无害化处理[10]。当前，以生物炭作为堆肥调理剂的研究多针对翻堆式通气下动物粪便堆肥过程，而对于反应器强制通气下生物炭影响人粪便堆肥的研究仍较少。本研究以模拟人粪便（SHF）代替人粪便，研究低温条件下SHF堆肥发酵的效果，并与玉米秸秆生物炭和椰壳生物炭调理下SHF堆肥的理化性质进行比较，以期为生物炭调理剂在人粪便堆肥领域的应用提供参考数据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验采用SHF代替实际人粪便，SHF以天津地区生产的大米、大豆和乙醇为主要原料自制而成[11]。SHF制备过程：分别将大米和黄豆浸泡超过12 h，再蒸煮、冷却和破碎，得到大米糊和大豆糊，二者的含水率分别为36.84%±2.14%、34.45%±1.58%；大米糊和黄豆糊按比例混合后再加入乙醇和水，各成分的质量比分别为蒸馏水39.8%、黄豆糊37.7%、大米糊20.7%、乙醇1.8%。使用天津农学院有机废弃物资源化技术研发中心的黑水虻虫粪堆肥作为接种物[12]。选用木屑为堆肥基质，直径约1～2 mm，取自天津市某木材加工厂。椰壳生物炭（简称椰壳炭）和玉米秸秆生物炭（简称秸秆炭）均由立泽环保科技生产。

相关材料的性质列于表1。从表1可以看出，本研究配制的SHF与文献资料中真实人粪便的组成接近[13]，在堆肥研究中可以代替真实人粪便。

表1 堆肥物料的理化性质

1.2 试验装置

堆肥装置为有效容积4 L的不锈钢圆柱体，外设有30 mm厚保温水套层，如图1所示。装置内部设置3组半径为60 mm的搅拌桨，搅拌桨的工作频率为5 min·h-1，转速30～40 r·min-1。堆肥初期无水浴加热，从运行第7天开始将20℃恒温水箱连接保温水套，保温水套层外包裹泡沫材料以减少散热。该装置采用气泵强制通气，底部有20 mm高缓冲层使通气均匀，通气量315～336 mL·min-1，因堆料较少，为防止热量流失过快，设定通气频率20 min·h-1。

图1 堆肥装置示意图

1.3 试验方法

设置3个试验组研究不同类型生物炭对低温环境下人粪便堆肥的影响。椰壳炭组：SHF+虫粪接种物+木屑+椰壳生物炭；秸秆炭组：SHF+虫粪接种物+木屑+秸秆生物炭；空白组：SHF+虫粪接种物+木屑。按照C/N为27∶1配制堆肥物料，该混合物料的总质量为2.0 kg，SHF、木屑、虫粪接种物3者湿质量比例为2.8∶2.1∶1，初始含水率为59%。对于椰壳炭组和秸秆炭组，生物炭的投加量为混合物料总质量的10%。各组物料混合均匀后放入堆肥装置中，开始堆肥发酵。

1.4 测定方法

堆肥的颜色和气味通过4人以上人工感官判别进行定性。定期取样测定堆肥过程中堆料的含水率、pH值和电导率（EC）等指标，堆肥起始和结束时测定有机质含量（OM），堆肥结束时测定发芽指数（GI）。各物料的N%和C%采用元素分析仪（Vario MACRO Cube，Elementar，德国）分析。含水率使用烘干法测量。堆体温度采用电子温度计（三印，TP330）插入堆体内部中心点测量，日平均气温为当日8时、12时、20时气温值的平均值。pH值和EC测定前，先将1g待测样品用蒸馏水稀释10倍，再分别使用pH值计（上海雷磁，PHB-4）和电导率仪（上海雷磁，DDB303-A型）测定。OM、GI根据农业行业标准NY/T525—2021《有机肥料》测定[14]，GI测试使用白萝卜种子。

1.5 数据分析

做图采用Microsoft Excel和Origin软件完成，统计分析采用SPSS 26.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 生物炭的添加对堆料颜色、气味和pH值的影响

堆肥初期，由于生物炭的添加，椰壳炭组和秸秆炭组堆肥呈灰黑色，而空白组在木屑的影响下呈浅棕色。随着堆肥进行，各组堆肥颜色逐渐变暗加深，组织状态也从粘块状逐渐转化为团块状，堆肥的腐熟度不断提高[15]。椰壳炭组和秸秆炭组的臭味始终较小，堆料最终变成潮湿泥土气味。空白组堆肥前7 d有较强的酸臭味，在第7天设置20℃水浴保温后酸臭味逐渐减弱，至20 d时仍有腐败气味，40 d后臭味逐渐消失。

由图2可知，各组堆肥初始pH值均呈碱性，椰壳炭组和秸秆炭组的初始pH值略高于空白组，是由于生物炭本身呈弱碱性[16]。堆肥前15 d，空白组的pH值明显小于生物炭组，至9～15 d逐渐与生物炭组趋同。在27～42 d，2个生物炭组的pH值下降显著且小于空白组pH值。3组最终pH值基本稳定在6.5～8.5之间，符合NY/T 525—2021《有机肥料》的要求[14]。

图2 各组堆料pH值的变化

2.2 添加生物炭对OM和GI的影响

有机质是异养微生物生存依赖的主要能量来源。经测定，椰壳炭组、秸秆炭组和空白组初期的OM为61.7%、61.3%、66.3%，结束时分别降低至42.6%、41.3%、45.2%。生物炭的添加使堆肥物料的总质量高于空白组，以百分比表征OM含量难以直观地比较，有必要计算出有机物的实际降解量。由于生物炭不能被微生物利用[17]，假设其在堆肥过程中质量不变，并假设整个堆肥过程中干物质损失都是由有机质去除造成的，根据堆肥配料和初、终期的OM可计算出实际堆肥物料的有机物去除量。椰壳炭组、秸秆炭组和空白组的有机质去除量分别为0.27、0.28、0.26 kg，生物炭组略高于空白组，说明生物炭对低温环境下SHF堆肥有机质的去除具有一定促进作用。

GI是判定堆肥腐熟和植物毒性最敏感指标，一般GI≥80%认为堆肥腐熟或无植物毒性[18]。经测定，堆肥结束后椰壳炭组、秸秆炭组和空白组的白萝卜种子GI分别为101.5%、86.6%、68.7%，椰壳炭组和秸秆炭组达到腐熟标准，而空白组未达到。

2.3 生物炭的添加对堆肥含水率的影响

堆肥含水率会影响氧气运输量和物料孔隙率，改变微生物菌群的结构和活性，进而影响堆肥进程和有机质降解情况[18]。从图3可知，各组含水率基本控制在40%～70%之间，处于较适宜的范围[19]。经统计分析，椰壳炭组和秸秆炭组的堆料含水量无显著差异，但二者与空白组差异显著（P＜0.05），分别比空白组低了17.4%和16.1%。另一方面，堆料含水率的变化受到外加水量、有机物降解产水量和失水量的共同影响[20]。由图3可知，各组在堆肥过程中的加水情况，椰壳炭组和秸秆炭组总加水量分别为2600、2150 mL，显著高于空白组的1210 mL。值得注意的是，堆肥过程的外加水量很高，生物炭组的加水量甚至高于初始堆肥物料质量（2.0 kg），所以外加水量对含水率的影响巨大，远远大于有机物降解产水量（约0.16 kg）。根据堆料量和堆料平均含水率可估算出各组堆料的平均含水量约为1.2～1.3 kg。根据系统的水平衡可以推算出，大部分外加水量从堆料中流失，并且生物炭组的失水量高于空白组。

图3 不同试验组含水率和加水量变化

2.4 生物炭的添加对堆料温度的影响

从图4可知，空白组的堆料温度始终处于18.8～28.8℃，秸秆炭组在18.1～28.9℃之间，椰壳炭组在18.2～28.7℃之间。组间比较发现，椰壳炭组和秸秆炭组之间无显著差异，而空白组的堆料温度比秸秆炭组高1.1℃（P＜0.05），比椰壳炭组高1.3℃（P＜0.05）。在无外控温度时（1～7 d），各组堆料温度都先升高，而后随着日均气温的骤降而大幅下降。采用保温水套提高反应器外部环境温度至20℃后（8 d后），堆料温度升高至28℃，并基本维持在23～29℃。通过各组堆料温度和环境温度的波动规律可以看出，在环境温度不高于20℃的条件下气温对堆料温度影响较大。此外，椰壳炭组和秸秆炭组的均方差分别为2.7℃和2.6℃，显著高于空白组的2.2℃，说明空白组堆料温度更稳定。整个堆肥过程中，各组均未出现明显的升温期和高温期，最高温度均低于29℃，未达到机械堆肥下应保持在≥50℃至少2 d的粪便无害化卫生要求[21]。

图4 堆料温度和当天平均气温

2.5 生物炭的添加对EC的影响

电导率能够反映堆肥中盐离子的含量[9]，从图5可以看出，堆肥初期空白组EC值达到3.0 ms·cm-1左右，比椰壳炭组和秸秆炭组分别高了0.7、1.3 ms·cm-1，这可能与生物炭对水溶性盐的吸附固定作用有关[9]。此外，该阶段空白组供氧不足，导致有机物降解产生的有机酸电离出大量H+、弱酸根离子，并促进NH3·H2O的电离而产生NH4+，导致电导率的升高。3～6 d时，空白组的pH值仍处于酸性条件，但EC却大幅降低，这可能与高通气量下氨气逸出和微生物利用等作用有关[20]。从第9天起，3组堆料的EC值无显著差异（P＞0.05），平均值为1.9～2.0 ms·cm-1，说明生物炭的添加已无法改变堆料的EC值。各组堆肥结束后的EC值均低于农用堆肥EC最高限值2.5 ms·cm-1[22]，不会对农作物产生负面作用。

图5 堆料电导率变化

2.6 生物炭添加对堆肥理化指标相关性的影响

图6-A、6-B和6-C显示，空白组的电导率与含水率间呈显著负相关（P＜0.05），该规律未在椰壳炭组和秸秆炭组中发现。空白组的温度和电导率也呈现显著负相关（P＜0.05），可能是由于二者均受到供风通氧的影响。椰壳炭组和秸秆炭组的温度和电导率无显著相关性，说明生物炭降低了堆料温度和电导率之间的关联程度。

图6 各指标相关性热图

3 结论与讨论

生物炭结构疏松多孔，比表面积大，作为堆肥调理剂能改变堆料内部物理结构，进而影响堆肥理化指标和腐熟特性[9]。本研究证明，投加生物炭可避免SHF堆肥初期酸化，减少恶臭气体排放，提高有机物降解量，并使GI提高到80%以上，提高堆肥腐熟度，降低堆料植物毒性。由此可见，生物炭对寒冷地区SHF控温好氧堆肥有部分积极作用。黄霞等[23]研究发现，在堆肥过程中生物炭可通过吸附作用和内部环境改善降低氨气的排放，通过改善堆肥通风供氧条件降低厌氧代谢产物硫化氢和挥发性脂肪酸的产生，这与本研究中生物炭组恶臭气体较少的结果一致。此外，生物炭降低了堆肥电导率与含水率的负相关关系。通常，高含量的水分会稀释盐离子而导致电导率降低，而生物炭对自由离子的吸附和解吸作用对盐浓度变化起到缓冲作用，降低了水分稀释作用对盐浓度的影响。

本研究发现，生物炭投加使堆肥含水率降低（比空白组低16.1%～17.4%，P＜0.05），失水量增加（图3），即添加生物炭降低了堆肥的持水保水性能，该结论与文献不同[23]。文献资料报道了花生壳质生物炭的吸水率可达215%[5]，鼓风和翻堆结合通风下添加生物炭可使鸡粪静态堆肥的含水率提高2%左右[9]。然而，本研究的堆肥装置和工艺条件与文献不同，试验在小堆体、高通气量下进行，生物炭的添加改善了堆肥内部环境和通风供氧条件，加强了水分蒸发作用而造成水分快速大量流失，而生物炭的保水性则不再占主导。

此外，本研究中各试验组在为期60 d的堆肥过程始终未出现高温期，所以杀灭病原菌和寄生虫卵的无害化效果不足。本研究的反应器体积仅4 L，有机物发酵产热不足，在低温、高通气量下热量散失过大，因此未能达到高温条件[24]。生物炭组的平均堆料温度低于空白组（低1.1～1.3℃，P＜0.05），且波动程度更高（图4）。这是由于添加生物炭使堆体内部孔隙增多，在低温环境、高通气量下较强的对流和蒸发作用带走大量热量而降低了堆肥温度[25]。若扩大堆肥规模，生物炭对堆肥温度的影响仍需进一步研究。

椰壳炭和秸秆炭作用效果接近，二者对堆肥过程的气味、EC值、含水率和温度的影响无显著差别，说明生物炭的共性特征改变了堆肥理化特性，而生物炭种类的影响较小。椰壳炭组堆肥产物的GI、pH值和失水程度更高，说明椰壳炭释放碱性物质、吸附酸性物质和有害物质的能力更强，这可能与椰壳炭的比表面积、孔隙结构、表面官能团和元素组成等有关。

生物炭是生物质碳封存的有效形式，在“双碳”目标驱动下生物炭在粪便堆肥中减少臭气排放、提高堆肥品质的性能具有重要意义。本研究中生物炭的多孔结构和强吸附性能改善了大部分模拟人粪便堆肥理化指标，但在北方冬季低温环境下小型堆肥反应器保水保温的工艺控制技术仍需进一步研究。