陳卓帛，李佳彬，李路瑤，劉雪，朱昌雄，羅良國(guó)，漆遠(yuǎn)義，田蘭，耿兵*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.張掖蘭標(biāo)生物科技有限公司，甘肅 張掖 734000）

“小廁所，大民生”。廁所革命事關(guān)我國(guó)農(nóng)村居民生活品質(zhì)的提升。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019年末中國(guó)鄉(xiāng)村常住人口約5.5 億人[1]，每年廁所糞便總產(chǎn)量約4 000萬(wàn)t。根據(jù)《2019 中國(guó)衛(wèi)生健康統(tǒng)計(jì)年鑒》，我國(guó)農(nóng)村廁所普及率已在80%以上，但是無(wú)害化衛(wèi)生廁所的普及率較低[2]。目前，在我國(guó)相對(duì)成熟并已大力推廣使用的無(wú)害化衛(wèi)生廁所主要有6 種技術(shù)類型：三格化糞池式、雙甕漏斗式、三聯(lián)沼氣池式、糞尿分集式、完整下水道式和雙坑交替式[3]。三格化糞池廁所適用范圍最廣，在我國(guó)大部分農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用[4]。雙甕漏斗和完整下水道廁所在平原水網(wǎng)地區(qū)有較大規(guī)模的推廣應(yīng)用[5]。雙坑交替和糞尿分集廁所多適用于山地丘陵地區(qū)，可以滿足水資源缺乏和經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)農(nóng)村改廁工作的需要[6]。三聯(lián)沼氣廁所可以實(shí)現(xiàn)廢棄物能源化，但是運(yùn)行過程容易受到低溫條件的限制。

我國(guó)甘肅、新疆和內(nèi)蒙古等省份屬于典型的干旱寒冷地區(qū)，具有水資源缺乏、晝夜溫差大和冬季干燥寒冷的特點(diǎn)，致使水沖式廁所在農(nóng)村的使用受到限制，改廁可選擇的技術(shù)類型較少。2021年12月，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《農(nóng)村人居環(huán)境整治提升五年行動(dòng)方案（2021—2025 年）》強(qiáng)調(diào)，加快研發(fā)干旱和寒冷地區(qū)衛(wèi)生廁所適用技術(shù)和產(chǎn)品。因此，亟需探索和研究適用于干旱寒冷地區(qū)的農(nóng)村改廁與糞污處理方式[7]。微生物原位發(fā)酵床養(yǎng)殖技術(shù)是將畜禽直接飼養(yǎng)在以谷殼、鋸末和米糠等組成的墊料上，利用微生物發(fā)酵原理，原地將畜禽糞尿降解轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)保無(wú)污染排放的畜禽養(yǎng)殖模式[8-9]。目前，關(guān)于微生物原位發(fā)酵床技術(shù)的研究主要集中于畜禽養(yǎng)殖污染控制與糞污資源化利用方面，包括生豬、家禽及奶牛養(yǎng)殖等[10]。發(fā)酵床廢棄墊料含有豐富的氮、磷、鉀等養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)，可作為有機(jī)肥加工的原料[11-12]。近年來(lái)，微生物原位發(fā)酵床技術(shù)在國(guó)內(nèi)外農(nóng)村廁所改造工作中得到了應(yīng)用，不僅節(jié)約了水資源，降低了環(huán)境污染，還實(shí)現(xiàn)了糞污的資源化利用[13-15]。但是，目前關(guān)于微生物原位發(fā)酵床處理干旱寒冷地區(qū)農(nóng)村廁所糞污效果及運(yùn)行參數(shù)的研究尚未見報(bào)道。

本研究將微生物原位發(fā)酵床技術(shù)用于干旱寒冷地區(qū)農(nóng)村改廁與糞污處理，首次系統(tǒng)分析了不同服務(wù)人數(shù)微生物發(fā)酵床墊料中的營(yíng)養(yǎng)成分含量、種子發(fā)芽指數(shù)，蛔蟲卵死亡率及糞大腸菌群數(shù)，并對(duì)腐熟后的墊料進(jìn)行肥效和安全性評(píng)價(jià)，從而為原位發(fā)酵床技術(shù)用于農(nóng)村改廁與糞污處理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在甘肅省張掖市甘州區(qū)上秦鎮(zhèn)農(nóng)戶使用的微生物原位發(fā)酵床廁所中進(jìn)行。所有處理使用的廁所坐便器尺寸為1.10 m×0.61 m×0.71 m，其中用于糞污發(fā)酵處理的發(fā)酵床體積約為66 L，墊料深度為0.50 m。發(fā)酵床由加厚泡沫塑料制成，具有保溫效果，并帶有自動(dòng)攪拌裝置，每次使用后自動(dòng)翻堆，保障物料混合均勻。將粉碎后的玉米秸稈和木屑按照1∶1（質(zhì)量比）混合，初始添加墊料為4 kg，約占生物處理槽體積的2/3，并添加300 g微生物發(fā)酵菌劑。微生物菌劑由中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所提供，5 株菌株編號(hào)分別為：BD-T-1，BD-T-3，BD-T-6，BD-TI-1 和BD-TI-2?；旌蠅|料初始基本理化性質(zhì)如下：pH 值為6.9，電導(dǎo)率（EC）為2.13mS·cm-1，含水率為15.27%，碳氮比（C/N）為70.01，有機(jī)質(zhì)含量為85.25%，總氮（TN）為0.82%，總磷（TP）為1.16%，總鉀（TK）為0.74%，總養(yǎng)分含量（總氮、氧化鉀和五氧化二磷的總百分含量）為4.90%，細(xì)菌總數(shù)為1.68×108CFU·g-1。

試驗(yàn)選取正常使用的微生物原位發(fā)酵床戶廁共8 處，表示為F1～F8。試驗(yàn)過程中每戶使用廁所的人數(shù)基本保持恒定，并統(tǒng)計(jì)每天廁所使用次數(shù)。按照一個(gè)成年人每次排便為0.14 kg[16]計(jì)算試驗(yàn)全過程糞便投入量，具體見表1。

表1 原位發(fā)酵床80 d日均糞便投入量Table 1 Daily manure input in in-situ microbial fermentation systems bed for 80 days

試驗(yàn)按照五點(diǎn)取樣法取樣，即先確定對(duì)角線的中點(diǎn)作為中心抽樣點(diǎn)，再在對(duì)角線上選擇4 個(gè)與中心樣點(diǎn)距離相等的點(diǎn)作為樣點(diǎn)，每次取樣共100 g，樣品混勻后裝入自封袋備用。于第0、10、20、30、40、50、60、70、80 天測(cè)定墊料的溫度、含水量、pH 值和EC；試驗(yàn)結(jié)束后（即第80 天）測(cè)定墊料中TN、TP 和TK。在試驗(yàn)進(jìn)行的第40 天和第80 天測(cè)定墊料中細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量。按照文獻(xiàn)[8-10]的方法測(cè)定墊料含水量和微生物數(shù)量。墊料有機(jī)質(zhì)、TN、TP 和TK 采用《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）中的相關(guān)方法測(cè)定。

1.2 指標(biāo)測(cè)定方法

TN 采用凱氏定氮法測(cè)定，TP 采用釩鉬黃顯色光度法測(cè)定，TK 采用原子吸收分光光度法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-硫酸法測(cè)定[10]。采用四分法取樣品5 g于100 mL錐形瓶?jī)?nèi)，加入50 mL去離子水，將錐形瓶放入振蕩器中以180 r·min-1的轉(zhuǎn)速振蕩30 min，靜置30 min 后，分別用pH 計(jì)和電導(dǎo)率儀測(cè)定上清液的pH 值和EC 值。采用平板計(jì)數(shù)法對(duì)墊料中的微生物數(shù)量進(jìn)行測(cè)定，其中細(xì)菌在37 ℃恒溫條件下，采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)1～2 d后計(jì)數(shù)；真菌在28 ℃恒溫條件下，采用馬丁培養(yǎng)基培養(yǎng)3～4 d 后計(jì)數(shù)；放線菌在28 ℃恒溫條件下，采用改良高氏一號(hào)培養(yǎng)基培養(yǎng)5～7 d后計(jì)數(shù)。根據(jù)3種微生物培養(yǎng)后菌落的生長(zhǎng)情況，選取30～300 之間菌落的平板進(jìn)行計(jì)數(shù)。按照《糞便無(wú)害化衛(wèi)生要求》（GB 7959—2012）的方法測(cè)定試驗(yàn)結(jié)束后墊料中的糞大腸菌群、蛔蟲卵死亡率和沙門氏菌，其中糞大腸菌群數(shù)采用多管發(fā)酵法測(cè)定，蛔蟲卵死亡率采用沉淀集卵法測(cè)定，沙門氏菌采用顯色培養(yǎng)基法測(cè)定。將新鮮墊料按1∶10（m∶V）與去離子水混合振蕩，取5 mL 浸提液置于墊有濾紙的培養(yǎng)皿中，將經(jīng)過預(yù)處理的甘藍(lán)種子放入恒溫培養(yǎng)箱（25 ℃，濕度70%）中培養(yǎng)48 h，測(cè)定其種子發(fā)芽率和根長(zhǎng)。每個(gè)樣品3 個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)10 粒種子，同時(shí)用去離子水做空白試驗(yàn)（對(duì)照）。按照以下公式計(jì)算種子發(fā)芽指數(shù)（GI），最后取平均值。

發(fā)芽指數(shù)＝（濾液組種子發(fā)芽率×濾液組種子發(fā)芽根長(zhǎng)）/（對(duì)照組種子發(fā)芽率×對(duì)照組種子發(fā)芽根長(zhǎng)）×100%。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Origin 2019和SPSS 22.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并繪圖，采用單因素方差和Duncan檢驗(yàn)法分析顯著性差異；利用Pearson相關(guān)系數(shù)分析顯著相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵床墊料的溫度變化

由圖1 可見，微生物原位發(fā)酵床戶廁環(huán)境溫度（SW）在3～13 ℃之間波動(dòng)，而F8～F2 發(fā)酵床墊料的溫度明顯高于SW，在試驗(yàn)開始后的第40～50 天分別達(dá)到高峰，之后溫度下降，到第80天溫度降至15 ℃以下接近室溫，發(fā)酵結(jié)束。其中，F(xiàn)8 號(hào)發(fā)酵床墊料溫度最高達(dá)到了44.33 ℃；F6和F7號(hào)發(fā)酵床墊料溫度最高分別達(dá)到了51.66 ℃和50.24 ℃，且在35 ℃以上維持了10 d 左右；F3、F4 和F5 號(hào)發(fā)酵床墊料溫度最高為37.46～44.33 ℃；F1 和F2 號(hào)發(fā)酵床墊料溫度最高分別達(dá)到了30.67 ℃和34.33 ℃。

圖1 試驗(yàn)過程中發(fā)酵床墊料的溫度變化Figure 1 Changes of temperature in the padding during fermentation

2.2 發(fā)酵床墊料的pH值和EC值變化

如圖2所示，所有發(fā)酵床墊料的pH值總體隨試驗(yàn)進(jìn)行呈先上升后下降的趨勢(shì)，最后穩(wěn)定在8 左右。在試驗(yàn)開始后，所有發(fā)酵床墊料的pH 值在0～20 d 均快速升高，在20～30 d除F6號(hào)發(fā)酵床以外，其他發(fā)酵床墊料pH值均緩慢升高，在30～60 d，除F1和F7號(hào)發(fā)酵床以外，其他發(fā)酵床墊料pH值上升到8.5以上，在70～80 d，所有發(fā)酵床墊料pH值逐漸穩(wěn)定在7.36～8.49之間。

圖2 試驗(yàn)過程中發(fā)酵床墊料的pH值變化Figure 2 Changes of pH value in the padding during fermentation

圖3 是試驗(yàn)過程中發(fā)酵床墊料EC 值隨時(shí)間的變化情況。所有發(fā)酵床墊料的EC值在前10 d內(nèi)均呈上升趨勢(shì)，從初始?jí)|料的2.13 mS·cm-1上升到2.22～3.52 mS·cm-1之間，在10～20 d EC 值總體下降到1.98～3.08 mS·cm-1之間，在20～60 d，EC 值在1.48～3.27 mS·cm-1之間波動(dòng)，最后在第80 天時(shí)穩(wěn)定在1.96～2.48 mS·cm-1之間。EC 值在試驗(yàn)過程中變化幅度較小，總體呈先上升后下降，最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，所有發(fā)酵床墊料的EC值均在2.48以下。

圖3 試驗(yàn)過程中發(fā)酵床墊料的EC值變化Figure 3 Changes of EC value in the padding during fermentation

2.3 發(fā)酵床墊料的含水率變化

發(fā)酵床墊料的含水率變化情況如圖4 所示。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，所有發(fā)酵床墊料的含水率呈現(xiàn)波動(dòng)上升再下降的趨勢(shì)，其中在50～60 d 達(dá)到最高值。F6 和F7號(hào)發(fā)酵床及F3、F4和F5號(hào)發(fā)酵床墊料的含水率在40～60 d 時(shí)始終保持在32.24%～58.81%之間，在70～80 d 時(shí)逐漸穩(wěn)定在35.23%～52.34%之間；F1 和F2 號(hào)發(fā)酵床墊料的含水率在40～60 d 時(shí)處于14.20%～32.29%之間，在第70～80 d 時(shí)保持在30.25%～32.10%之間；F8 號(hào)發(fā)酵床墊料的含水率在第30 天達(dá)到55.55%后逐漸上升至第50 天的71.67%，然后逐漸下降，在70～80 d時(shí)維持在60.24%左右。

圖4 試驗(yàn)過程中發(fā)酵床墊料的含水率變化Figure 4 Changes of moisture content in the padding during fermentation

2.4 發(fā)酵床墊料的營(yíng)養(yǎng)成分變化

如表2 所示，與初始?jí)|料相比，試驗(yàn)結(jié)束后所有發(fā)酵床墊料的TN 含量均有所提高，其中F8、F6、F7和F5 號(hào)發(fā)酵床墊料的TN 含量提高幅度較大，由初始的0.82%分別提高到3.13%、2.99%、3.06%和3.38%；除F8、F1 和F2 號(hào)發(fā)酵床墊料TP 含量提高不顯著外，其余發(fā)酵床墊料TP 含量與初始?jí)|料相比均顯著提高；所有發(fā)酵床墊料的TK 含量在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)均有所提高，其中F3、F6、F7 和F5 號(hào)發(fā)酵床墊料的TK 含量提高幅度較大，由初始的0.74%分別提高到1.67%、1.51%、1.40%和1.55%。所有發(fā)酵床墊料的C/N 均有顯著降低，降低幅度排序?yàn)镕5＞F7＞F6＞F3＞F1＞F8＞F4＞F2。與初始?jí)|料相比，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)F1～F8 號(hào)發(fā)酵床墊料的總養(yǎng)分含量分別增加了3.07、2.21、5.41、4.88、6.16、5.19、5.70、3.28個(gè)百分點(diǎn)，其中F3、F4、F5、F6、F7號(hào)發(fā)酵床墊料的總養(yǎng)分含量較高，而F8、F1 和F2 號(hào)發(fā)酵床墊料的總養(yǎng)分含量較低。

表2 試驗(yàn)前后發(fā)酵床墊料的營(yíng)養(yǎng)成分含量Table 2 Content of nutrient components in the padding before and after the experiment

2.5 發(fā)酵床墊料的微生物數(shù)量變化

試驗(yàn)初始、第40 天及第80 天墊料中微生物（細(xì)菌、真菌和放線菌）的數(shù)量情況見圖5。從圖5可以看出，初始?jí)|料的微生物數(shù)量較低，隨著發(fā)酵床內(nèi)不斷添加糞污，墊料內(nèi)微生物大量繁殖，數(shù)量均有所提升。其中真菌的數(shù)量始終在較低水平，維持在105～106數(shù)量級(jí)，細(xì)菌的數(shù)量在109～1010數(shù)量級(jí)，放線菌的數(shù)量則維持在108～109數(shù)量級(jí)。除F8和F3號(hào)發(fā)酵床外，其余發(fā)酵床墊料真菌數(shù)量呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)；在第40天，F(xiàn)7和F4號(hào)發(fā)酵床墊料的細(xì)菌數(shù)量分別為5.80×109、1.63×1010CFU·g-1，顯著高于其他發(fā)酵床；除F8和F1 號(hào)發(fā)酵床外，其余發(fā)酵床墊料放線菌的數(shù)量呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，其中，F(xiàn)1和F2號(hào)發(fā)酵床墊料放線菌總數(shù)較高。

圖5 試驗(yàn)過程中發(fā)酵床墊料微生物（細(xì)菌，真菌和放線菌）的數(shù)量變化Figure 5 Changes of the number of microorganisms（bacteria，fungi and actinomycetes）in the padding during fermentation

2.6 發(fā)酵床墊料的安全性評(píng)價(jià)

2.6.1 種子發(fā)芽指數(shù)

從圖6可以看出，初始?jí)|料（W0）的GI值為68.43%，第80天，除F1號(hào)發(fā)酵床墊料的GI值為42.77%外，其余各發(fā)酵床墊料的GI值均高于60%，其中F8、F3、F6、F7 號(hào)發(fā)酵床墊料的GI 值均高于80%，分別為87.51%、80.93%、85.54%、88.17%。

圖6 發(fā)酵床墊料的種子發(fā)芽指數(shù)Figure 6 The germination index of the padding

2.6.2 發(fā)酵床墊料的糞大腸菌數(shù)，蛔蟲卵死亡率和沙門氏菌

從表3可以看出，除F1號(hào)發(fā)酵床墊料的糞大腸菌數(shù)大于100 個(gè)·g-1外，其余各發(fā)酵床墊料的糞大腸菌數(shù)均小于100 個(gè)·g-1；除F1 號(hào)發(fā)酵床墊料的蛔蟲卵死亡率小于95%外，其余各發(fā)酵床墊料的蛔蟲卵死亡率均大于95%；所有發(fā)酵床墊料均未檢出沙門氏菌。

表3 發(fā)酵床墊料的病原微生物及其標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Contents and standards of pathogen parameters in the padding

3 討論

3.1 發(fā)酵床填料溫度變化分析

在好氧發(fā)酵過程中，溫度是判斷發(fā)酵床發(fā)酵效果和腐熟度的重要指標(biāo)，也是影響微生物活性的重要因素[17-18]。有研究表明在好氧堆肥過程中，溫度對(duì)糞便中有機(jī)物的生化降解速率有顯著影響，高溫下有機(jī)物的殘留量小于中溫下有機(jī)物的殘留量[19-20]。堆肥過程一般包括3個(gè)階段：升溫階段（＜45 ℃）、高溫階段（＞45 ℃）和腐熟階段[21]。李佳彬等[20]的研究表明在利用微生物異位發(fā)酵床處理農(nóng)村廁所糞污過程中墊料溫度從第2天開始迅速上升，在第5天時(shí)達(dá)到最高值。與微生物異位發(fā)酵床不同，不同服務(wù)人數(shù)的原位發(fā)酵床墊料溫度升高趨勢(shì)較為緩慢，在第40～50 天時(shí)達(dá)到最高值。本研究發(fā)現(xiàn)不同服務(wù)人數(shù)發(fā)酵床墊料的溫度升高趨勢(shì)和最高溫度有所不同，其中，服務(wù)人數(shù)在7 人·d-1的F8 號(hào)發(fā)酵床墊料最高溫度可達(dá)44.33 ℃，服務(wù)人數(shù)在4 人·d-1的F6 和F7 號(hào)發(fā)酵床墊料最高溫度分別可達(dá)51.66 ℃和50.24 ℃，低于微生物異位發(fā)酵床墊料的最高溫度[22]；服務(wù)人數(shù)在2 人·d-1的F3、F4和F5 號(hào)發(fā)酵床墊料最高溫度為37.46～44.33 ℃；服務(wù)人數(shù)在1 人·d-1的F1 和F2 號(hào)發(fā)酵床墊料最高溫度僅為30.67 ℃和34.33 ℃。適當(dāng)?shù)姆?wù)人數(shù)及糞便投加量對(duì)維持發(fā)酵床墊料合適的含水率和C/N，以及促進(jìn)微生物活動(dòng)具有重要作用。有研究表明，物料含水率在45%～65%時(shí)最有利于微生物發(fā)酵[23]。通過分析發(fā)酵床墊料的含水率和C/N 發(fā)現(xiàn)，第50 天，F(xiàn)8 號(hào)發(fā)酵床墊料的C/N 為17.11，含水率高達(dá)71.67%，不利于微生物發(fā)酵；F3、F4 和F5 號(hào)發(fā)酵床墊料含水率分別為46.44%、47.06%和42.77%，基本適宜微生物發(fā)酵，但墊料的C/N 分別為35.86、37.39 和30.44，不利于微生物發(fā)酵；F6和F7號(hào)發(fā)酵床墊料的C/N 分別為24.46和26.96，含水率分別為51.50%和59.94%，較有利于微生物發(fā)酵；而F1和F2號(hào)發(fā)酵床墊料C/N 分別為36.86和40.16，含水率分別為28.89%和19.89%，也不利于微生物發(fā)酵。

3.2 發(fā)酵床墊料的pH值和EC值變化分析

通常認(rèn)為pH 值6.5～8.5 為微生物好氧發(fā)酵適宜的pH 值范圍[23]。本研究中，在30～60 d時(shí)部分發(fā)酵床墊料的pH值上升到8.5以上，這說(shuō)明在發(fā)酵過程中微生物代謝可能產(chǎn)生了堿性物質(zhì)，但是隨著試驗(yàn)的進(jìn)行所有發(fā)酵床墊料的pH 值最終穩(wěn)定在7.36～8.49 之間。根據(jù)《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）規(guī)定，pH 值為5.5～8.5 的有機(jī)肥料可施用于農(nóng)田，本試驗(yàn)結(jié)束時(shí)所有發(fā)酵床填料的pH 值均符合該標(biāo)準(zhǔn)。EC 值表示發(fā)酵床墊料的可溶性鹽含量，EC 值越高，表明墊料中可溶性鹽含量越高[21]。在本研究過程中墊料的EC 值變化幅度較小，總體呈先上升后下降，最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。這是由于試驗(yàn)初期微生物代謝活躍，有機(jī)物礦化溶解作用劇烈，產(chǎn)生無(wú)機(jī)鹽及各種離子（如磷酸鹽和銨離子），引起EC 值升高，而氨揮發(fā)和無(wú)機(jī)鹽的析出可能是試驗(yàn)后期EC值下降的原因。一般認(rèn)為墊料EC 值小于9.0 mS·cm-1時(shí)不會(huì)對(duì)種子發(fā)芽產(chǎn)生抑制[24]。本試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，所有發(fā)酵床墊料的EC 值均在2.48 mS·cm-1以下，說(shuō)明鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)較小。

3.3 發(fā)酵床墊料的含水率變化分析

在好氧發(fā)酵過程中，物料的含水率是影響發(fā)酵進(jìn)程及有機(jī)質(zhì)降解率的主要因素[25]，它不僅會(huì)影響物料堆體的氧氣運(yùn)輸量，還可以調(diào)節(jié)發(fā)酵溫度、物料孔隙率以及微生物活性等[26]。研究表明，物料的含水率維持在55%～60%的范圍內(nèi)，才能夠保證好氧堆肥的正常進(jìn)行[23]。在本研究中，不同服務(wù)人數(shù)的發(fā)酵床墊料的含水率變化情況各不相同，但總體上呈現(xiàn)波動(dòng)上升后下降的趨勢(shì)，其中服務(wù)人數(shù)為4 人的F6 和F7 號(hào)發(fā)酵床和服務(wù)人數(shù)為2人的F4和F5號(hào)發(fā)酵床在試驗(yàn)開始后的30～40 d 時(shí)墊料的含水率始終保持在40%以上，基本滿足微生物的生長(zhǎng)條件；服務(wù)人數(shù)為1人的2個(gè)發(fā)酵床在試驗(yàn)開始的40 d 后含水率僅在14.20%～32.29%，表明使用頻率低、糞便投入量不足會(huì)導(dǎo)致墊料含水率不足，從而影響微生物活性和墊料的腐熟度[27]。值得注意的是，F(xiàn)8 號(hào)發(fā)酵床墊料含水率在第50天時(shí)高達(dá)71.67%，超出微生物發(fā)酵的適宜范圍，這種情況容易造成墊料局部厭（缺）氧環(huán)境，同時(shí)不利于發(fā)酵床內(nèi)空氣擴(kuò)散，從而產(chǎn)生大量CH4、N2O 和H2S 等污染氣體[28]。

3.4 發(fā)酵床墊料的營(yíng)養(yǎng)成分變化分析

通常來(lái)說(shuō)，TN、TP、TK、有機(jī)質(zhì)含量及C/N 是評(píng)價(jià)堆肥腐熟程度的指標(biāo)[29]。一般認(rèn)為，微生物生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖的最適C/N 為20～30[30]。本研究中，F(xiàn)8 號(hào)發(fā)酵床墊料的C/N 在第50 天時(shí)為17.11，在第80 天時(shí)為12.85，并且試驗(yàn)結(jié)束時(shí)TN 顯著提高，而TP 和TK 提高不顯著，這可能是由于F8 號(hào)發(fā)酵床戶廁使用人數(shù)較多，為墊料提供了較多的氮源，導(dǎo)致C/N 較低。另外，在第50天時(shí)F8號(hào)發(fā)酵床墊料的含水率達(dá)到72%，含水率過高會(huì)導(dǎo)致好氧菌數(shù)量和氨揮發(fā)量的大幅度減少[31]。F6和F7號(hào)發(fā)酵床墊料的C/N 在第50天時(shí)分別為24.46和26.96，在第80天時(shí)降至10.26和9.89，并且試驗(yàn)結(jié)束時(shí)TN、TP 和TK 均顯著提高。另外，在第50 天時(shí)F6 和F7 號(hào)發(fā)酵床墊料的含水率分別為51.50%和59.94%，較適宜發(fā)酵。F3、F4和F5號(hào)發(fā)酵床墊料的C/N在第50天時(shí)分別為35.86、37.39 和30.44，在第80 天時(shí)分別降至12.22、13.10 和9.11，并且試驗(yàn)結(jié)束時(shí)TN 顯著提高，這可能是由于使用人數(shù)較少，為墊料提供的氮源不足，導(dǎo)致C/N 較高。F1 和F2 號(hào)發(fā)酵床墊料的C/N 在第50 天時(shí)分別為36.86 和40.16，在第80天時(shí)分別降至12.59和16.30，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)TN 顯著提高，TP 提高不顯著，這可能是由于使用人數(shù)太少，為墊料提供的氮源嚴(yán)重不足，導(dǎo)致C/N 較高。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)所有發(fā)酵床墊料的總養(yǎng)分含量和有機(jī)質(zhì)含量均符合《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）的相關(guān)規(guī)定。

3.5 發(fā)酵床墊料的微生物數(shù)量變化分析

微生物發(fā)酵床功能的發(fā)揮緊緊依賴于本土微生物及菌劑微生物的協(xié)同作用，而微生物的數(shù)量變化可以反映出發(fā)酵床的運(yùn)行情況[32]。本研究中發(fā)酵床墊料的微生物以細(xì)菌為主，其數(shù)量在109～1010數(shù)量級(jí)，高于微生物異位發(fā)酵床墊料的細(xì)菌數(shù)量（107～108）[21]，并且隨著原位發(fā)酵床戶廁的使用，細(xì)菌數(shù)量呈不斷上升趨勢(shì)。在第40 天時(shí)，F(xiàn)7 和F4 號(hào)發(fā)酵床墊料的細(xì)菌數(shù)量遠(yuǎn)高于F1 和F2 號(hào)，這是由于F7 和F4 號(hào)發(fā)酵床的糞污投加量保障了墊料更適宜的C/N，有利于細(xì)菌生長(zhǎng)；同時(shí)，F(xiàn)7 和F4 號(hào)發(fā)酵床墊料的pH 值分別為8.24和8.19，較適合細(xì)菌的生長(zhǎng)。其中，F(xiàn)4號(hào)發(fā)酵床墊料在第40天時(shí)達(dá)到44.67 ℃，高溫可能與耐熱氨化細(xì)菌的大量繁殖與抑制有關(guān)[33]，而在發(fā)酵床運(yùn)行后期（60～70 d），較高的墊料pH值（＞8.5）抑制了氨化細(xì)菌繁殖，導(dǎo)致細(xì)菌數(shù)量下降。另外，在第40 天時(shí)，F(xiàn)8、F3、F6 和F5 號(hào)發(fā)酵床墊料的pH 值分別為8.99、8.93、9.17 和9.11，pH 值過高可能抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)[34]。除F8 和F3號(hào)發(fā)酵床外，其余發(fā)酵床墊料的真菌數(shù)量呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，這說(shuō)明試驗(yàn)進(jìn)行到40 d左右時(shí)的墊料環(huán)境更適宜真菌繁殖，而試驗(yàn)后期真菌被其他微生物替代，總體始終維持在105～106數(shù)量級(jí)的較低水平[20]。放線菌的數(shù)量在試驗(yàn)過程中呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵诟邷仉A段（＞45 ℃）放線菌和其他嗜熱菌大量繁殖，進(jìn)入腐熟階段后中溫微生物繁殖并分解剩余糖類，導(dǎo)致放線菌和其他嗜熱菌數(shù)量下降[35]。由于墊料pH 值過高（＞8.5）抑制了放線菌的繁殖，導(dǎo)致F8、F3 和F6 號(hào)發(fā)酵床墊料放線菌數(shù)量整體較低。放線菌數(shù)量總體維持在108～109的數(shù)量級(jí)。

3.6 不同服務(wù)人數(shù)發(fā)酵床墊料的安全性評(píng)價(jià)

種子發(fā)芽試驗(yàn)是檢測(cè)腐熟墊料對(duì)植物是否具有毒性的直接方法[23]。研究表明，當(dāng)GI＞50%時(shí)，認(rèn)為填料對(duì)植物已基本沒有毒性，當(dāng)GI＞80%時(shí)，認(rèn)為物料已完全腐熟[36]。本研究中，初始?jí)|料的GI 值為68.43%，說(shuō)明初始?jí)|料并未腐熟。第80 天，僅F8、F3、F6 和F7 號(hào)發(fā)酵床墊料的GI 值在80%以上，其余發(fā)酵床墊料的GI 值在42.77%～73.69%之間，這說(shuō)明僅有4 個(gè)戶廁的墊料在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到了腐熟的要求。其中F1 號(hào)發(fā)酵床墊料的GI 值為42.77%，這可能是由于墊料發(fā)酵腐熟不完全，產(chǎn)生一定量的有機(jī)酸[37]和NH+4-N[38]，對(duì)種子萌發(fā)起到抑制作用。除F1 號(hào)發(fā)酵床墊料外，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)其他發(fā)酵床墊料的糞大腸桿菌數(shù)和蛔蟲卵死亡率均符合《糞便無(wú)害化衛(wèi)生要求》（GB 7959—2012）中的限定值，這說(shuō)明經(jīng)微生物發(fā)酵床充分發(fā)酵腐熟處理后農(nóng)村廁所糞污具有較高的生物安全性，可實(shí)現(xiàn)無(wú)害化目標(biāo)。對(duì)于F1 號(hào)發(fā)酵床墊料需要進(jìn)一步發(fā)酵腐熟處理，否則無(wú)法對(duì)墊料進(jìn)行資源化利用。

4 結(jié)論

（1）在體積大小約66 L 的發(fā)酵床中，適當(dāng)?shù)姆?wù)人數(shù)及糞便投加量對(duì)維持發(fā)酵床墊料合適的C/N、促進(jìn)微生物活動(dòng)具有重要作用。服務(wù)人數(shù)為4 人的發(fā)酵床墊料最高溫度在50 ℃以上，確保了墊料的腐熟。

（2）發(fā)酵床墊料中的微生物以細(xì)菌為主，其數(shù)量在109～1010數(shù)量級(jí)，并始終保持較高水平。不同服務(wù)人數(shù)的發(fā)酵床墊料的含水率總體上呈先波動(dòng)上升后下降的趨勢(shì)。服務(wù)人數(shù)為1 人時(shí)墊料含水率過低及服務(wù)人數(shù)為7 人時(shí)墊料含水率過高均不利于發(fā)酵床運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)所有發(fā)酵床墊料的總養(yǎng)分含量和有機(jī)質(zhì)含量均符合《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）的相關(guān)規(guī)定，并且電導(dǎo)率均在2.48 mS·cm-1以下，鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)較小。

（3）試驗(yàn)結(jié)束時(shí)F8、F3、F6 和F7 號(hào)發(fā)酵床墊料的GI 值在80%以上，達(dá)到了腐熟的要求。除F1 號(hào)發(fā)酵床墊料外，其他發(fā)酵床墊料的糞大腸桿菌數(shù)和蛔蟲卵死亡率均符合《糞便無(wú)害化衛(wèi)生要求》（GB 7959—2012）中的限定值。