不同类型乡村厕所的特征特性及其在厕所改造中的应用模式

2021-11-11谭晓波谭益民万喜萍

农技服务 2021年9期

孟静，谭晓波*，谭益民，王璐，万喜萍

(1.湖南工业大学城市与环境学院，湖南株洲 412007； 2.农牧业废弃物资源化综合利用湖南省重点实验室，湖南株洲 412007； 3.城镇水安全排放及资源化湖南省重点实验室，湖南株洲 412007)

改善农村人居环境，建设美丽宜居乡村，是实施乡村振兴战略的一项重要任务[1]。农村厕所改革对改善农村环境卫生状况及实现排泄物的资源化利用具有重大意义。2018年2月5日，中共中央办公厅国务院印发《农村人居环境整治三年行动方案》，明确指出“厕所改革”的行动目标，即到2020年，有基础、有条件的地区，基本完成农村户用厕所无害化改造；有较好基础及基本具备条件的地区，卫生厕所普及率达85%左右[1]。2020年上半年，全国一二类县共完成农村改厕约300万户，全国农村卫生厕所普及率已超过60%。其中，海南省2020年上半年，完成农村改厕15.27万户，农村厕所覆盖率达到98.4%。黑龙江省2019年，完成农村改厕13.25万户；2020年上半年，完成农村改厕1.4万户。

我国幅员辽阔，不同地区的自然条件、经济水平、村落特征等具有明显差异,依据因地适宜的原则，不同地区所适用的厕所类型也显著不同。为我国乡村厕所改造合理选择改造类型和模式提供参考，以厕所耗水量及末端处理模式作为分类依据，将乡村厕所分为3大类(水冲式厕所、微水冲式厕所、免水冲式厕所)及5种应用模式(水冲式厕所+直排、水冲式厕所+分散处理、水冲式厕所+集中处理、微水冲式厕所+资源化利用、免水冲式厕所+资源化利用)，归纳总结不同类型厕所系统的原理和适用特性，并结合不同地区的典型应用示范，系统剖析其在厕所改造中的应用模式及优缺点。

1 水冲式厕所及其应用模式

在水冲式厕所系统中，应用最为广泛的简化处理构筑物主要是三格化粪池和双瓮漏斗式2种类型。三格化粪池(图1a)，主要由3个密闭的化粪单元格组成(第一、二、三池的容积比一般为2∶1∶3)。第一格主要利用重力和浮力，沉淀虫卵及粪污悬浮物，形成浮渣层、中间层、沉渣层，同时利用厌氧发酵，使粪污中的病菌和寄生虫卵得以高效灭活；第二格发酵处理，同时产生H2S、CH4、CO2等气体；第三格完成粪污腐熟，形成以腐殖质为主要成分的有机肥[2]。双瓮漏斗式(图1b)，主要由2个瓮形储粪池组成，其基本原理是粪污在前瓮进行初步发酵(不少于30 d)，再进入后瓮进行厌氧发酵，进一步消杀粪污中的寄生虫卵和病菌。2种水冲式厕所具有改建成本低、施工方便、操作简单等优点，是我国乡村厕所改革应用最为广泛的厕所类型，但其需要定时清掏粪污，且耗水量巨大、抗冻性能差，不适宜于北方干旱缺水和高寒地区[3]。

图 1 水冲式厕所系统中三格化粪池式(a)和双瓮漏斗式结构(b)

1.1 “水冲式厕所+直排”模式

在“水冲式厕所+直排”系统中，粪污水仅经化粪池简单处理后排入附近受纳水体[4]。因其成本低廉、运行维护简单，是当前我国农村厕所改造中最主要的应用模式。据统计，我国96%的村庄没有系统的排污管网和污水处理设施，进行直排的村庄占绝大多数[5]。由于化粪池处理后的污水仍含有大量的有机物、氮磷、悬浮颗粒物等各类污染物质，其直接排放导致严重的环境污染问题，包括地表水体富营养化、地下水污染等[6]。据测算，全国农村每年生活污水排放总量达90亿t，其中粪污排放总量超2.6亿t，是我国农村水环境恶化的主要源头之一[7-8]。

1.2 “水冲式厕所+分散处理”模式

该模式是将粪污水经粪池初步处理后就近分散式收集和处理的一种模式，包括单户系统和群集系统2种类型。单户系统是指单户连接机械处理装置或自然系统，完成污水的收集和处理；群集系统是指联户(2户及以上)的污水通过管道系统输送到小型集中处理站进行统一处理[9-10]。如表1所示，分散式处理主要采用人工湿地、稳定塘、膜生物反应器(MBR)等污水处理技术[11]。分散式处理系统具有占地面积小、灵活多样、管网建设与维护费用低等优点，适宜于聚集性低的农村地区[12]。如四川省某农村地区采用“单户系统+庭院式人工湿地处理”模式，单户排放的污水经化粪池初步处理之后，排入庭院式人工湿地[13]。湖北省襄阳市农村地区采用群集系统和“三水分流、两级处理、一片湿地”模式，共建设小三格化粪池3 882户、村级大三格化粪池35个、人工湿地35处，其厕所粪污水经“小三格化粪池”处理后，还田利用，其余生活污水通过管道进入村级“大三格化粪池”，无害化处理后排入人工湿地，取得了良好的环境效益[14]。

表1 常用的乡村分散式污水处理技术比较[15-18]

1.3 “水冲式厕所+集中处理”模式

该模式是将较大范围内的污水进行统一收集、统一输送、统一处理的一种模式。根据输送方式不同，可划分为直接输送(管道)、间接输送(抽粪车、打包转运)2种类型。该模式具有处理规模大、效率高的优点，但管网投资大、易发生渗漏(可达10%～20%)，同时造成资源损耗(高达20%的氮、5%的磷及90%的钾)。该模式适用条件比较严苛，仅适用于部分聚集程度高、经济水平高、基础设施完善的乡村[19]。如在江苏徐州市农村地区，常住人口625.81万，村庄分布集中，采用“SBR+人工湿地”工艺和“厌氧水解+微动力好氧+景观绿地技术”工艺，共建设集中式污水处理站67座，污水处理能力达531 591 m3/d。其污水首先经格栅，除去大颗粒杂质，后进入调节池，调节水质水量；再由水泵进入SBR池，进行生化处理；最后经人工湿地处理，达标后排放，整体工艺流程如图2所示[20]。

图 2 徐州市农村地区集中式污水处理流程

2 “微水冲厕所+资源化利用”模式

2.1 真空微水冲厕所

真空微水冲厕所的基本原理为真空负压原理，具体表现为真空座便器收集粪污后，利用真空设备使管道内产生一定气压梯度，借助空气输送介质，实现粪污的大流量、远距离运输。真空微水冲厕所主要由终端、管路、主机三大部分组成。终端主要是指各类便器及污水收集装置，包括真空坐便器、真空蹲便器、真空小便斗等类型(图3)；管路主要指从终端到主机之间的真空负压污水输送管道；主机是污水收集的负压动力源，也是真空排污系统的核心，主要是指各种原理及功率大小不同的真空产生源(真空工作站)[21]。

与传统厕所相比，其优势：1) 节水。每次耗水量仅为0.5～1 L，是传统厕所的1/12，节水率超90%。2) 节能。真空微水冲厕所每次冲洗的耗电量仅为0.003～0.005 kW·h。3) 除臭。利用负压原理，粪污的收集和转储在单向、密闭环境中进行，隔断臭源。4) 排导。通过真空管道运输，管径仅是重力管网的1/3～1/5，流速是重力管网的5～10倍，实现无重力排放且不易造成堵塞[22]。其弊端：1) 厕所改建成本高。厕内真空收集设备、真空排污管网的建设成本约为三格化粪池厕所建设成本的10倍。2) 运行条件严格。厕所真空运行，密闭性要求高，施工、安装要求严格[23]。

图 3 真空微水冲厕所结构

2.2 微水冲厕所粪污末端资源化利用

在该模式中，真空微水冲厕所收集的粪污浓度高，易于实现资源化利用。其末端资源化的实现，主要借助真空源分离技术，即通过真空集便器收集黑水(粪便、尿液)，实现黑水与灰水从源头的分离。从图4可知，黑水的总体积占比不到2%，但COD、TN、TP、TK指标的贡献分别高达59%、97%、90%、66%[24]。灰水的总体积虽然占生活污水总量的98%，但COD、TN、TP、TK的指标分别只占41%、34%、10%、3%。通过源分离技术，将黑水从生活污水中分离出来，即相应地控制了59%的COD、97%的TN、90%的TP和66%的TN。

图 4 生活污水中尿液、粪便、灰水在污水总量、化学需氧量、总钾、总磷、总氮中的占比

将源分离后收集的高浓度黑水就近资源化利用，包括厌氧发酵产甲烷、生产有机肥等。分离的灰水由于氮磷含量低，处理难度降低，通过生物处理(人工湿地、生态塘等)，出水满足污水处理排放标准或农田灌溉水标准，既可以排入室外雨水管道，也可进行农田灌溉或用于景观绿化[25-26]。在北京市大兴区李家场村，采用真空微水冲厕所进行乡村厕所改造，同时利用真空源分离技术，实现黑水与灰水的分离式资源化利用。通过引导村民实行垃圾分类，将黑水与有机垃圾混合发酵，生产液态肥，还田利用；灰水排入村级污水处理站，进行无害化处理，最终处理效果达到《北京市农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 11/1612-2019)二级B排放标准，形成一个“粪污不出村”的生态闭环。

3 “免水冲式厕所+资源化利用”模式

3.1 免水冲式厕所

免水冲式厕所主要包括循环式生态旱厕和源分离生态旱厕。循环式生态旱厕主要应用内循环发酵技术，厕所底部装配有生化反应器，粪污与反应器内菌种混合发酵，制作有机肥。源分离生态旱厕同时应用内循环发酵技术和源分离技术，主要由基座、便池、固液源分离装置、尿液收集处理装置、粪便干式反应器等部分组成，利用厕所底部的固液分离器，分离粪便与尿液，尿液进入尿液收集处理装置，粪便排入粪便干式反应器，实现分离式资源化利用。免水冲式厕所的主要优势：1) 抗冻。发酵产生一定的热能，并且免水冲避免了管道冻裂的风险，在环境温度-30℃以上均可运行。2) 除臭。发酵菌种具有除臭功能且有效杀死粪污中的病原体、虫卵，实现无蝇无臭。3) 改厕成本低。建设低(无需建设下水道、化粪池等)和运行使用成本低(重力开合无需水冲)。

3.2 免水冲式厕所粪污末端资源化利用

免水冲式厕所收集的粪污浓度最高，可资源化利用的程度也最高，其资源化利用方式主要包括粪尿混合式利用和分离式利用2种类型。粪尿混合式利用模式主要将粪污与微生物、秸秆、蔬菜碎叶等进行混合发酵，制作有机肥。粪污混合式利用可进一步分为原位发酵和异位发酵。其中原位发酵具体表现为粪污就地收集与发酵处理一体化；异位发酵则通过转运(抽粪车或打包)的方式，将粪污收集进行统一发酵处理。湖南海尚环境生物科技股份有限公司研发的“户用循环式生态旱厕”，主要包括座便器和干式发酵反应器2个部分(图5)。收集的粪污进入底部收集箱，与箱内菌种进行混合进行初步发酵；之后统一收集和运输至有机肥厂进行深度加工处理，生产有机肥[27]。

图5 户用循环式生态旱厕结构

粪尿分离式利用模式主要是采用对粪尿进行分离和收集处置的旱厕系统。分离的尿液利用磷酸铵镁结晶法、离子交换吸附法(NH4+、K+离子，回收率>90%)、氨氮吹脱法等技术，生产N、P、K等液态肥。分离的粪便借助化粪池、沼气池、堆肥池等处理工艺，将粪便中的N、P、K及有机质进行资源化利用，最终产出甲烷或有机肥，实现能量的回收与利用[28]。湖南海尚环境生物科技股份有限公司研发的粪尿分离与处理一体化反应器，该设备分为3个部分，上部为源分离器，中部为干式生物反应器，底部为出料装置(图6)。该设备利用干式发酵技术，以木质粗纤维作为主要生物载体，干式好氧菌和兼氧生物菌种为优势菌种，进行高效干式发酵，粪大肠菌、蛔虫卵的灭活率达99.5%，出料可用于室内盆景植物肥料。