调理剂对城市粪便垃圾堆肥的影响*

杜彦武，欧阳红，王秀蘅

（1.哈尔滨工业大学建筑设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150090；2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090）

调理剂对城市粪便垃圾堆肥的影响*

杜彦武1，欧阳红2，王秀蘅2

（1.哈尔滨工业大学建筑设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150090；2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090）

采用静态仓考察添加不同调理剂的粪便和垃圾混合堆肥过程的物理化学性质。结果表明：相对于锯末、干树叶和稻壳，玉米秸秆可以调节生活垃圾与粪便混合堆料孔隙率和堆料结构强度，是最合适的调理剂。主发酵期堆肥含水率降低较多，腐熟期变化较小。孔隙大的堆料结构和高温有利于含水率下降。堆肥初期有酸化现象，添加2%石灰调节pH可以避免严重酸化，保证堆肥顺利升温，缩短发酵期。混合堆肥中脱水粪便、生活垃圾、玉米秸秆、石灰配比的合理值为30%/60%/8%/2%。

粪便；垃圾；玉米秸秆；堆肥

粪便是一种高黏度、富含有机质、粒子细微、含水率高的复杂浑浊胶体。从氮磷等作物营养含量、原料来源和生产成本看，粪便堆肥优势明显。粪便脱水后上清液生物处理，将固体部分堆肥成为很多城市的粪便处理方法［1-2］。堆肥脱水后的粪便颗粒黏结性好、孔隙率低、容易结块［3］，堆肥过程中不利于通气供氧，但可采取添加调理剂的方法来缓解这种现象。调理剂可起到提供碳源、提高堆体的孔隙度、调节物料的湿度等作用［4］。研究表明，粪便堆肥生态卫生设备以锯末或玉米秸秆为基质，效果较好［5-6］。

由于粪便的碳氮比低，单独堆肥不利于微生物的生长，可以与生活垃圾混合。将生活垃圾分选后去除不可堆肥组分，与粪便混合堆肥，能充分利用垃圾来调节粪便的高含水率、低孔隙率、低碳氮比。同时利用粪便改善纯垃圾堆肥的营养元素不充足的问题，生产精堆肥。研究表明，腐熟粪便混合堆肥可加速堆肥过程，同时混合发酵的降温阶段堆肥密实，使堆肥具有较高的肥力［7-8］。

本研究采用静态仓考察添加不同调理剂的粪便和垃圾混合堆肥过程的理化性质，寻找最合适的调理剂及混合堆肥原料的合理配比。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

采用强制通风静态仓为堆肥试验系统，静态仓采用具有保温外层的UPVC圆柱筒，直径300 mm，高度1.2 m，有效容积84 L，下部设有渗沥液排放口，上部设有锥形集气罩。使用布气板和鼓风机进行正压鼓风，堆肥气体通过集气罩和排气管排向室外，如图1所示。

静态仓在距底部900、600、300 mm高处设有测温取样孔，放置3个温度传感器，测定堆料上、中、下层的温度。通风控制系统根据温度和时间进行通风控制，温度传感器易拆卸，拆下后即可取样。采用时间-温度反馈的通风控制方式，当堆体温度小于设定温度60℃时采用时间控制器控制风机，当堆体中心温度达到60℃时，采用温度控制器控制风机。

1.2 试验材料

堆肥用粪便取自哈尔滨市太平区露天公厕，采集的粪便样品基本性质：pH为7.9～8.1，COD为 23 193～41 039 mg/L，BOD5为 16 735～ 16 957 mg/L，TN为3 060～4 370 mg/L，含水率为91.36%～95.86%。脱水后的粪便含水率在80%左右。堆肥用垃圾取自校园附近居民区。经手工分选去除金属、塑料袋、玻璃瓶和石块等杂物，粒径破碎至2～3 cm。

1.3 调理剂的选择与原料配比

本试验选取3种调理剂：锯末（居民区装修废物）、玉米秸秆、稻壳（哈尔滨近郊农业废物）。调理剂的性质见表1。

表1 3种调理剂的性质

根据C/N，初步确定生活垃圾与粪便的比例；根据含水率进行物料衡算，初步确定粪便与调理剂的比例。在计算基础上选择表2所示的堆肥原料配比进行堆肥试验。粪便堆肥可能发生酸化现象，堆肥堆料中考虑加入石灰，调节pH［9］。将堆肥原料按比例混合后装入强制通风静态仓，用稻草在穿孔板上铺设一层厚度为10 cm的垫层，在堆体顶部铺设一层厚度为3 cm的熟堆肥，起到保温和除臭的作用。

表2 堆肥原料配比

1.4 采样与分析方法

采用温度控制器和温度传感器测定堆体温度，每天测定2次。在堆肥过程的不同时间，从中层测温取样口采集样品；堆肥结束时，在堆体的上、中、下层分别采集若干样品，除去石块等杂物，进行含水率、pH的测定；样品分成2个分试样分别测定，取平均值。

测定方法［10］：含水率取约100 g鲜样在105℃下烘24 h。有机质取烘干后的样品在550℃下灼烧4 h。密度测定用一定容积的小口烧杯盛满样品，稍微压实以免有大的孔隙，称质量，然后根据容积算得所测样品的密度；初始密度按总质量与总体积之比计算。pH测定，称取2～5 g鲜样，按照1/3（鲜质量/体积）的比例用去离子水浸提，振荡0.5 h，用pH计测试上清液。

2 结果与讨论

2.1 堆肥过程的温度变化及控制

温度是堆肥过程最好的控制参数，具有简易性和可信赖性。4组堆肥的温度变化如表3所示，除以稻壳为调理剂的3号外，其他3组不同堆料配比的最高仓温都超过了50℃，并保持了6 d以上，达到了粪便无害化卫生标准的要求。通常认为，堆体温度在50℃以上保持5～7 d，是杀灭堆料中所含的致病微生物，保证堆肥的卫生学指标合格和堆肥腐熟的重要条件。

表3 堆体中层温度特性

当调理剂不同时，堆料结构不同，堆肥效果不同。1号以锯末和干树叶为调理剂，堆肥升温比较顺利，但树叶的结构强度不够，随着堆肥的进行，自由空域减小，堆料获得的氧量不足，堆温最高达到51℃，通风带走的热量少，降温也缓慢，堆肥温度持续在35℃以上30 d才下降。这与王洪波的研究结论相吻合：锯末作为微生物载体的人粪便堆肥生物反应器随着运行时间延长，密度增大，孔隙度减小，通风性能下降，反应器工作周期受到限制［11］。

2号以玉米秸秆为调理剂，3号以稻壳为调理剂，密度有差别，分别是469、562 kg/m3。3号堆肥升温阶段出现了温度到达中温又下降的情况，翻仓后始终未达到高温阶段，最高温度41℃。分析其原因，玉米秸秆粒径较大，长3 cm，与稻壳相比，具有较大的结构强度和自由空域；当堆料压实时，可通过翻堆或搅拌的方法，使堆物松散，相对地增加自由空域，改善通气的效果。以稻壳为调理剂的堆肥翻仓后，随着温度上升含水率增加，本身缺少可提供结构强度和孔隙率的物质，堆料又塌陷压实，通风不畅，效果不好。

2.2 堆肥的物理状态变化

通过微生物的作用，有机物分解和转化，堆肥原料产生了较大的变化，如图2所示。堆肥碳素的分解和转化使堆肥体积和质量减少。堆肥经过主发酵阶段后，添加玉米秸秆的2号和4号堆料体积分别减少了25.3%和34.3%。在堆肥5～15 d时，堆肥体积减少最快，此时正处于堆肥过程的升温阶段的后期和高温阶段。降温期间，体积变化较小。

从外观上看，2号和4号堆料较好腐熟：成品颜色呈暗褐色，有轻微的臭味，但也有较明显的腐殖气息；不吸引蚊蝇；表观较疏松，手感较细。1号堆料基本腐熟：成品颜色呈褐色，略有臭味，略有轻微的腐殖气息；不吸引蚊蝇；表观较疏松，但有部分结块，手感稍粗。3号未腐熟：明显有臭味，无腐殖气息。

2.3 堆肥过程中含水率的变化

堆肥中有机物的分解和微生物的生长繁殖，水是不可缺少的条件。堆肥过程的含水率一方面由于有机物的氧化分解产生水分而增加，另一方面由于通风作用以水蒸气的形式挥发而降低，含水率的变化是这2方面因素迭加的结果。表4是堆肥起始和结束时含水率的变化。

1号堆肥起始含水率较低，但主发酵结束后含水率上升了3.15个百分点。分析其原因，主要与堆料结构和温度过程有关。由于以锯末和干树叶为调理剂，堆料密度较大，孔隙率低，通风效果差。通风所能携带的水蒸气量随温度而变化，随着空气温度的上升，饱和空气的含水率按指数规律增加。从堆肥化的潮湿物料中逸出的空气近乎饱和，温度与堆料温度相同。1号在整个堆肥过程中，中层最高仅达到51℃，因此通风能携带的水分也少。堆肥初期由于有机物的氧化分解形成的水分不能通过通风带走，在堆料中累积，进一步降低孔隙率，减弱通风效果，所以在堆肥结束后含水率上升。2号堆肥结束后含水率降低了22.13个百分点，4号堆肥结束后含水率降低了27.92个百分点；3号堆肥结束时含水率下降了20.44个百分点。由于3号未经历高温期，始终未达到50℃。可以说明，通风所能携带的水蒸气量随堆肥温度而变化，水分在高温期散发比较多。

表4 不同堆料配比的堆肥含水率的变化%

2.4 堆肥过程pH的变化与控制

在堆肥过程中，pH是一个重要的因素。一般来讲，pH在3～12都可以进行堆肥。适宜的pH可使微生物有效地发挥作用，保留堆料中有效的氮成分，pH太高和太低都会影响堆肥的效率。图3是本试验堆肥pH的变化曲线。可看出，1～3号堆肥的初期有明显的酸化现象。Nakasaki［12］实验证明pH在5以下时，葡萄糖和蛋白质的降解停止，堆肥反应延缓会造成臭味问题。

4号堆肥石灰添加量为2%，其起始pH为8.25，堆肥初期由于有机酸的产生，pH下降至6.3，随着通风和微生物对底物的利用，第4天pH回升至7，第8天高温期时，pH已超过8，此时由于氨的释放，降温期pH则略有下降，但仍呈碱性。陈广银等用石灰预处理后的树叶堆肥，结果表明其有利于堆肥有机质的降解，有利于堆肥碳氮比的降低，其降低幅度与石灰用量成正比；有利于减少堆肥过程中氮素的损失［13］。因此，采用粪便和垃圾混合堆肥，为了保证堆肥顺利升温，缩短发酵期，建议添加石灰调节pH，添加量为2%以避免严重酸化。

3 结论

1）由于粪便有机质含量高，黏度大，无结构强度，与垃圾混合堆肥时，应考虑选择合适的调理剂调节孔隙率和堆料结构，玉米秸秆是粪便和城市垃圾混合堆肥最合适的调理剂。

2）堆肥过程的含水率都呈下降，但变化量不同。主发酵期堆肥含水率降低较多，腐熟期变化较小。含水率的变化和堆料结构、堆肥温度有关，孔隙大的堆料结构和高温有利于含水率下降。

3）由于粪便的有机物含量高，与垃圾混合堆肥时，堆肥的初期有明显的酸化现象。为了保证堆肥顺利升温，缩短发酵期，建议添加石灰调节pH，添加量为2%以避免严重酸化。

4） 混合堆肥的原料配比的合理值为脱水粪便/生活垃圾/玉米秸秆/石灰：30%/60%/8%/2%。

［1］昝文安，张轶玲.天津市粪便无害化处理设施规划方案探讨［J］.环境卫生工程，2009，17（6）：12-13.

［2］崔宁.铜川市粪便处理厂工艺设计［J］.环境卫生工程，2007，15（2）：42-43，46.

［3］杜彦武，王秀蘅，吕炳南.粪便脱水设备的技术经济分析［J］.中国给水排水，2003，19（10）：64-65.

［4］ Jackson M，LineM.Assessmentof Periodic Turningasan Aeration Mechanism for Pulp and Paper Mill Sludge Composting［J］.Waste Manage Res，1998，16（4）：312-319.

［5］ Lopez Zavala M A，Funamizu N，Takakuwa T.Biological Activity in the Composting Reactor of the Bio-toilet System［J］.Bioresour Technol，2005，96（7）：805-812.

［6］孙胜龙，刘歆瑜，李雪飞，等.玉米秸秆作为生态厕所基质处理人粪便的实验研究［J］.环境科学学报，2006，26（1）：50-54.

［7］贾随堂，周水华，王淑霞，等.粪便混合堆肥在垃圾处理中的应用［J］.环境科学与技术，2004，27（3）：65-67.

［8］杨天学，席北斗，魏自民，等.生活垃圾与畜禽粪便联合好氧堆肥［J］.环境科学研究，2009，22（10）：1187-1192.

［9］王秀蘅，杜彦武.粪便与生活垃圾混合堆肥过程控制［J］.环境污染与防治，2010，32（3）：9-13.

［10］南京农业大学.土壤农化分析［M］.3版.北京：中国农业出版社，2005.［11］王洪波，王晓昌.粪便堆肥反应器载体性质变化及其对微生物影响［J］.环境科学与技术，2009，32（3）：122-125.

［12］ Nakasaki K，Yaguchi H，Sasaki Y，et al.Effects of pH Control on Composting of Garbage［J］.Waste Manage Res，1993 （11）：117-125.

［13］ 陈广银，王德汉，吴艳，等.石灰预处理对树叶堆肥过程中养分转化的影响［J］.生态环境，2007，16（1）：77-82.

Influence of Amendments on Night-soil/Domestic Waste Composting

Du Yanwu1,Ouyang Hong2,Wang Xiuheng2
（1.The Architectural Design and Research Institute,Harbin Institute of Technology,Harbin Heilongjiang 150090;2.School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin Heilongjiang 150090）

Composting static vessel was set to investigate physico-chemical properties in night-soil/waste composting with different amendments.The results showed that maize straw was the best amendment that could adjust porosity and structural strength of the compost materials in comparison with sawdust,dry leaves and rice hull.Moisture contents decreased sharply in thermophilic stage,gradually in maturity stage.Higher porosity and high temperature showed positive effects to moisture volatilization.Acidification at start-up stage could be reduced by adding lime at dosage of 2%,leading to rapid rising of temperature and shorting composting period.Rational mixing rates of dewatering night-soil,domestic waste,maize straw and lime stayed at 30%/60%/8%/2%.

night-soil；waste；maize straw；composting

X705；S141.4

A

1005－8206（2011） 02－0023－04

国家创新研究群体基金项目（50821002）

2011-01-04

杜彦武（1970—），高级工程师，博士后，主要从事水处理和固体废物处理研究与工程设计。

E-mail：Xiuheng@hit.edu.cn。

（责任编辑：刘冬梅）