人糞便處理技術(shù)的研究進(jìn)展

梁嘉麒，劉新媛，黃鋒光，高凱澤，周呈，吳楠

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

糞便是人類(lèi)生存活動(dòng)不可避免的產(chǎn)物。糞便中除含有氨、硫化氫等惡臭有害氣體，還含有致病菌、病毒和寄生蟲(chóng)卵。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界范圍內(nèi)仍有25億人無(wú)法使用適當(dāng)?shù)男l(wèi)生設(shè)施，約有60%人口的糞污未經(jīng)處理就排放到環(huán)境中[1]。未經(jīng)有效處理的人糞便已成為疾病傳播和影響環(huán)境衛(wèi)生的世界性難題，而我國(guó)人糞便無(wú)害化處理率僅為49.8%[2]。“廁所革命”是我國(guó)鄉(xiāng)村振興的一項(xiàng)重要工作，通過(guò)重新設(shè)計(jì)和改造廁所，最終將糞便轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍俅卫玫馁Y源。因此，如何運(yùn)用科學(xué)的方法資源化和無(wú)害化處理人糞便，是目前亟需解決的問(wèn)題。

人糞便處理方法主要包括農(nóng)業(yè)用肥、衛(wèi)生填埋、好氧堆肥和厭氧發(fā)酵等。人糞便用作肥料是一種傳統(tǒng)的廢棄物資源化方法，但未經(jīng)處理直接施用的人糞便，其往往含有病毒、寄生蟲(chóng)，會(huì)毒害作物、污染環(huán)境，最終危害人類(lèi)身體健康。同樣，人糞便直接填埋也容易造成二次污染。而通過(guò)好氧堆肥、厭氧發(fā)酵、昆蟲(chóng)轉(zhuǎn)化等方法可以有效解決人糞便資源化、無(wú)害化處理不足的問(wèn)題（圖1）。如何縮短人糞便堆肥時(shí)間以及提高堆肥效率成為學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)，許多切實(shí)有效的方法被相繼提出。例如，適宜外源物的添加對(duì)人糞便堆肥效果的提升及更好地推進(jìn)人糞便資源化利用及無(wú)害化處理進(jìn)程，本文就常見(jiàn)的人糞便處理方法進(jìn)行綜述和探討。

圖1 人糞便處理技術(shù)示意圖

1 人糞便的基本組成

人糞便富含多種有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)元素，不僅可以作為肥料，也能夠作為土壤改良劑使用。若使用未經(jīng)處理的人糞便，其中的有機(jī)物、氮、磷等物質(zhì)會(huì)造成水體污染，同時(shí)散發(fā)含有硫化氫、硫醇、硫醚等惡臭成分的有害氣體。此外，新鮮糞便含有多種腸道致病菌、寄生蟲(chóng)卵和病毒（如糞大腸桿菌、沙門(mén)氏菌、糞鏈球菌和蛔蟲(chóng)卵），是人類(lèi)某些疾病的傳播途徑。研究表明發(fā)展中國(guó)家70%的疾病與糞便的生物性傳染有關(guān)[3]。表1列出了人糞便的基本理化性質(zhì)。

表1 人糞便的基本理化性質(zhì)

2 人糞便處理技術(shù)

2.1 好氧堆肥工藝

好氧堆肥技術(shù)是將有機(jī)廢棄物資源化和無(wú)害化的重要手段。由于堆肥時(shí)有機(jī)物降解速率快且徹底、腐熟時(shí)間短、無(wú)害化程度高、無(wú)中間產(chǎn)物和臭味、環(huán)境條件好以及堆肥產(chǎn)品肥效高，因而得到了廣泛應(yīng)用。為有效提升人糞便好氧堆肥效率，避免營(yíng)養(yǎng)元素過(guò)多流失，許多學(xué)者在人糞便堆肥過(guò)程中加入不同外源添加物，或是將人糞便與其他有機(jī)廢棄物共堆肥，以實(shí)現(xiàn)廢棄物最大資源化的目標(biāo)。近年來(lái)，科研人員通過(guò)深入研究好氧堆肥的有機(jī)物生化降解機(jī)理、堆肥動(dòng)力學(xué)和堆肥過(guò)程相關(guān)微生物群落結(jié)構(gòu)組成及其演替特點(diǎn)等方面，使得人糞便好氧堆肥技術(shù)的應(yīng)用更加成熟與安全。

2.1.1 添加鋸末

鋸末作為堆肥底物，不易降解，可以維持C/N，為堆料提供良好的環(huán)境條件，并且被降解后的產(chǎn)物富含氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素。因此，鋸末被認(rèn)為是一種優(yōu)質(zhì)的外源添加物，常用于人糞便堆肥中。時(shí)紅蕾等、王洪波等、白帆等、胡濤等[4，11-14]在對(duì)人糞便好氧堆肥的研究中都選擇了添加鋸末作為外源物，在不同溫度條件下，堆肥過(guò)程中堆料反應(yīng)穩(wěn)定，堆料有機(jī)物去除率可達(dá)70%以上，且全部腐熟。表2中列出了使用鋸末作為人糞便好氧堆肥添加物的更多實(shí)例。

2.1.2 添加秸稈

秸稈擁有與鋸末相同的理化特性，而且我國(guó)每年會(huì)產(chǎn)出大量的秸稈廢棄物，這些農(nóng)業(yè)廢棄物也是一種重要的生物資源。孫勝龍等[15]利用玉米秸稈作為生態(tài)廁所的反應(yīng)基質(zhì)來(lái)處理人糞便，能夠有效降解人糞便，且糞便和玉米秸稈混合物總的干重減少率為37.3%，有機(jī)質(zhì)減少了34.5%，堆肥產(chǎn)品的pH值和C/N分別為8.02和13.76，已達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，可以用作有機(jī)肥。劉歆瑜等[16]采用了兩種不同粒徑的玉米秸稈添加到人糞便堆肥中，兩種粒徑處理下，堆料的干重減少率分別為52.1%和 37.3%，最終堆料殘余物的 pH值分別為 8.13和8.02，C/N分別為15.68和13.76，殘余物中含有大量的 N、P、K等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，基本達(dá)到腐熟。劉玉玲等[17]以豆秸桿為生態(tài)廁所基質(zhì)處理人糞便，減量化效果很明顯，累積減少率達(dá)95.23%，有機(jī)質(zhì)含量減少了24.24%，混合物的氮、磷、鉀含量分別達(dá)到3.72%、1.53%和4.71%，最終混合物pH值為7.2達(dá)到腐熟，是富含營(yíng)養(yǎng)元素的高效有機(jī)肥。表2中也列出了使用秸稈作為人糞便好氧堆肥添加物的更多實(shí)例。

表2 外源添加農(nóng)業(yè)廢棄物對(duì)人糞便好氧堆肥過(guò)程的影響

續(xù)表

2.1.3 添加微生物菌劑

在人糞便中適當(dāng)接種有效微生物菌劑，能夠增加微生物個(gè)體和改善微生物群落結(jié)構(gòu)，加速堆體中有機(jī)質(zhì)的分解，提高堆肥效率和肥效。王建香[25]通過(guò)對(duì)與糞便分解有關(guān)的多種微生物進(jìn)行分離、純化和篩選，得到了一批高效人糞便堆肥菌劑。在人糞便堆肥過(guò)程中加入這些高效菌劑，堆料在隨后兩三天內(nèi)溫度快速升高，三個(gè)星期左右新鮮糞便基本熟化。有機(jī)質(zhì)的降解率達(dá)到47.1%，氨氮值降到0.5 mg/g，種子發(fā)芽率達(dá)到95%。陳威等[20]在人糞便堆肥反應(yīng)器中分別接種土著菌種、枯草芽孢桿菌與酵母菌。結(jié)果表明，接種微生物可以使堆肥快速進(jìn)入50 ℃以上的高溫期，并在連續(xù)投加條件下長(zhǎng)期維持高溫且使溫度變化較為均勻，顯著提高COD降解率，其中以接種土著菌種效果最為明顯。接種酵母菌可使堆肥過(guò)程中的氮素?fù)p失較小，為13.39%。接種微生物可以顯著提高人糞便堆肥的腐熟程度，其中接種土著菌種的種子發(fā)芽率于第 6天達(dá)到108.22%，完全可以作為有機(jī)肥料施用于土壤。葉海霞等[26]設(shè)計(jì)了一種新型生態(tài)環(huán)保廁所，通過(guò)與復(fù)合微生物菌劑的配合使用，在原位處理情況下使得人糞便固體部分的體積降解95%，剩余殘?jiān)鼉H為2.5%，且殘?jiān)鼘?duì)魚(yú)類(lèi)無(wú)急性毒性，對(duì)動(dòng)物皮膚無(wú)刺激性和遺傳毒性，對(duì)藻類(lèi)無(wú)毒性，對(duì)自然水體藻類(lèi)無(wú)明顯的生態(tài)影響。張羽鑫等[27]采用超高溫菌好氧堆肥技術(shù)對(duì)人糞便進(jìn)行處理，試驗(yàn)結(jié)果表明，超高溫菌好氧堆肥不僅明顯提高了堆肥溫度（平均溫度80 ℃），大幅縮短了堆肥周期（10 d），而且在無(wú)害化程度、堆肥產(chǎn)物品質(zhì)提升方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

2.1.4 添加化學(xué)試劑

添加合適的化學(xué)調(diào)理劑能夠調(diào)整堆料的碳氮比、pH、含水率和孔隙度等，使堆肥更加穩(wěn)定。由于糞便中有機(jī)物含量過(guò)高，在混合堆肥時(shí)，添加石灰可以避免嚴(yán)重酸化[28]。杜彥武等[29]發(fā)現(xiàn)在糞便混合堆肥過(guò)程中添加石灰不僅可以起到調(diào)節(jié)碳氮比的作用，還能夠確保氮素不會(huì)大量損失。

2.1.5 多組分混合堆肥

多種固體廢棄物共堆肥是一種集中處理廢棄物的有效方法，充分實(shí)現(xiàn)固廢的最大資源化利用。GAO等[30]通過(guò)建立響應(yīng)面模型，對(duì)不同組分混合堆肥（人糞、豬糞、稻草和廚余）的配比進(jìn)行優(yōu)化分析。根據(jù)模型預(yù)測(cè)結(jié)果，由13.7%的人糞便、41.4%的豬糞和44.9%的稻草組成的混合物，被認(rèn)為是混合堆肥的最佳組合比例。SUN等[31]將糞便和農(nóng)林廢棄物（樹(shù)葉、蘆葦和草）混合堆肥，發(fā)現(xiàn)最佳混合比例分別為3∶1、1∶3和4∶1。韓娟娟[32]對(duì)農(nóng)村家庭內(nèi)產(chǎn)生的糞便、廚余垃圾和秸稈一起協(xié)同堆肥，通過(guò)對(duì)生態(tài)廁所參數(shù)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)村固廢的就地處理和資源化，產(chǎn)出的堆肥產(chǎn)品滿足各標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，生活垃圾與糞便混合堆肥，通過(guò)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)、添加調(diào)理劑等手段，可以確保堆料無(wú)害化和減少氮素的流失[28-29]。于忠臣等[33]以生活垃圾和脫水后的糞便為原料進(jìn)行好氧堆肥，認(rèn)為初始含水率對(duì)堆體升溫影響較大，其值以53.5%～60.0%為宜。SCHR?DER等[34]在高溫條件下，用城市垃圾和人糞便堆肥獲得的堆肥產(chǎn)品具有較高含量的有效鈣、鎂、磷和鉀釋放率。

2.2 厭氧發(fā)酵工藝

厭氧發(fā)酵是實(shí)現(xiàn)有機(jī)固體廢棄物資源化利用的有效途徑，在減輕環(huán)境污染的同時(shí)，產(chǎn)生清潔能源和有機(jī)肥料，成為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣的處理方式。馮書(shū)濤等[35]進(jìn)行了純?nèi)思S沼氣發(fā)酵試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)純?nèi)思S的碳氮比是 2.9∶1，而沼氣發(fā)酵的最適碳氮比是（25～30）∶1，所以純?nèi)思S沼氣發(fā)酵的產(chǎn)氣率較低。張翠麗等[36]研究了20、25、30和40 ℃條件下單一人糞的發(fā)酵產(chǎn)氣情況，指出人糞厭氧消化的最優(yōu)溫度是25.1 ℃，表明其適合用作低溫地區(qū)的消化原料。郭四拜[37]研究發(fā)現(xiàn)單獨(dú)人糞尿厭氧發(fā)酵啟動(dòng)慢，產(chǎn)氣量低。秦佳佳等[38]的試驗(yàn)也表明人糞便作為單一物料進(jìn)行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)氣量為最少。上述研究表明人糞便作為單一原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵容易出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)成分不足等問(wèn)題，因此常加入其他有機(jī)物料開(kāi)展混合厭氧發(fā)酵。

許智等[5]將稻秸與人糞尿混合物共同發(fā)酵，與單一物料相比，產(chǎn)氣效率提高。杜靜等[9]研究發(fā)現(xiàn)在人糞便中添加稻秸、尾菜和牛糞，提高了物料的發(fā)酵產(chǎn)氣效率。郭四拜[37]在發(fā)酵過(guò)程中添加秸稈混合后，有效縮短了啟動(dòng)時(shí)間，提高了產(chǎn)氣量。秦佳佳等[38]分別將人類(lèi)糞便與牛糞、雞糞和玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵，得出混合物料的最優(yōu)配比以提高產(chǎn)沼氣潛力。李文哲等[39]將廚余垃圾、糞便和玉米秸桿按一定比例混合，每天產(chǎn)氣1.5 m3以上，可供3～4人家庭日常做飯用。高燕等[40]研究表明在生活垃圾厭氧發(fā)酵過(guò)程中添加人糞便，有利于厭氧消化過(guò)程的進(jìn)行，增加厭氧消化產(chǎn)氣量，提高體系運(yùn)行的穩(wěn)定性。另外，尹福斌[41]采用一些無(wú)害化處理技術(shù)對(duì)人糞便進(jìn)行預(yù)處理之后，發(fā)現(xiàn)不僅可以去除指示性致病微生物，且對(duì)人糞便厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣能力無(wú)明顯影響。KHANTO等[42]在餐廚垃圾與人糞便的質(zhì)量比為 3∶7的條件下，累計(jì)產(chǎn)沼氣量2 184 L，COD提高了135%。DAHUNSI[43]研究表明廚余垃圾與人糞便組合是一對(duì)良好的厭氧發(fā)酵基質(zhì)，產(chǎn)生了較為可觀的沼氣量。SINGH等[8]比較了在厭氧條件下人類(lèi)糞便與家禽糞便和牛糞共消化產(chǎn)生沼氣的速率和數(shù)量，結(jié)果表明與牛糞共消化的效果最好，產(chǎn)氣量最高可達(dá)到12.96 × 103mL。羅鳳彬等[44]在人糞便發(fā)酵過(guò)程中加入了木醋液和 EM菌，發(fā)酵后的糞肥施用到土壤中，可以明顯降低土壤pH，并增強(qiáng)土壤酶活性。DHAKED等[45]發(fā)現(xiàn)在糞便厭氧消化過(guò)程中添加橡膠椰殼可以起到固定厭氧菌的作用，從而提高糞便的生物降解能力。KIM等[46]對(duì)廚余垃圾、人糞便和如廁廢紙進(jìn)行了厭氧消化，測(cè)定這些廢棄物及其混合物的生化甲烷潛力，發(fā)現(xiàn)廚余垃圾、人糞便和如廁廢紙可以在不影響整體甲烷產(chǎn)量的情況下共同消化（即沒(méi)有拮抗作用），這使得共同厭氧消化在該領(lǐng)域的應(yīng)用更加靈活。

2.3 昆蟲(chóng)轉(zhuǎn)化處理

此外，還有一些學(xué)者使用蚯蚓、蠅蛆、黑水虻等資源型昆蟲(chóng)對(duì)人糞便及其他有機(jī)廢棄物進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理。生物處理方法不僅可以有效處理廢棄物，還可以得到高附加值產(chǎn)物，如有機(jī)肥料、土壤改良劑、蟲(chóng)體蛋白優(yōu)質(zhì)飼料等，是一種綠色可持續(xù)的技術(shù)手段。例如，ANDREEV等[47]研究了乳酸發(fā)酵結(jié)合蚯蚓堆肥對(duì)人糞便中病原菌的去除效果以及堆肥產(chǎn)品對(duì)番茄、蘿卜種子的生長(zhǎng)情況，發(fā)現(xiàn)效果都好于對(duì)照。LALANDER等[48]發(fā)現(xiàn)黑水虻幼蟲(chóng)可以大大減少人糞便的干質(zhì)量，并且可顯著減少人糞便中的病原菌。經(jīng)黑水虻轉(zhuǎn)化的人糞便中的沙門(mén)氏菌在8天內(nèi)減少了6×log10，而對(duì)照組中沙門(mén)氏菌減少量低于2×log10。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

快速的城市化和人口增長(zhǎng)產(chǎn)生了大量的人糞便，經(jīng)過(guò)處理的人糞便不僅可以解決衛(wèi)生問(wèn)題，保護(hù)環(huán)境，也可以產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。本文綜述了好氧堆肥、厭氧發(fā)酵等工藝對(duì)人糞便的資源化、無(wú)害化處理效果。單一人糞便的處理效果并不好，而一些外源物的添加和運(yùn)行條件的調(diào)控等方法既可以提升人糞便的處理效率，又能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄物的最大資源化利用。

未來(lái)可以圍繞以下方面開(kāi)展進(jìn)一步研究：

（1）加強(qiáng)人糞便資源化利用（減少氮素流失，提高堆肥效率），人糞便無(wú)害化處理（減少病原菌、抗生素等污染物）、以及人糞便與農(nóng)業(yè)農(nóng)村廢棄物綜合利用的相關(guān)研究。

（2）根據(jù)農(nóng)村不同地區(qū)情況，因地制宜的開(kāi)發(fā)便器（如針對(duì)農(nóng)村缺水地區(qū)開(kāi)發(fā)高效、環(huán)保的無(wú)水沖式廁所）及改造現(xiàn)有便器，這也是提高人糞便處理效率、控制污染源及推進(jìn)農(nóng)村“廁所革命”進(jìn)一步發(fā)展的重要基礎(chǔ)。