農(nóng)村資源化公共廁所技術(shù)和實(shí)施的效益分析

時(shí)義磊，曹智，周律

（清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084）

目前，中國城鎮(zhèn)基本實(shí)現(xiàn)了污水的全收集，但農(nóng)村污水仍未得到較好的處理[1]，農(nóng)村廁所的排污是農(nóng)村污水的主要來源，已對(duì)農(nóng)村環(huán)境產(chǎn)生比較嚴(yán)重的負(fù)面影響。此外，為了應(yīng)對(duì)盲目過量施用化肥導(dǎo)致的耕地退化問題，2015 年農(nóng)業(yè)部也提出了2020 年化肥使用量零增長的目標(biāo)[2]。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要手段之一就是提高農(nóng)村污水中糞尿的資源化利用[3]。2017 年我國人均化肥消耗量可達(dá)氮肥（以N 計(jì)）每年每人15.98 kg、磷肥（以P 計(jì)）每年每人5.74 kg、鉀肥（以K 計(jì)）每年每人4.46 kg，而將人類糞尿中富含的氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)資源化處理后用作肥料在農(nóng)村地區(qū)具有重大現(xiàn)實(shí)意義[4-5]。

2015年，農(nóng)業(yè)部印發(fā)了《到2020年化肥使用量零增長行動(dòng)方案》，要求提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有機(jī)肥資源利用率。2020 年7 月14 日農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等三部委印發(fā)了《農(nóng)村廁所糞污無害化處理與資源化利用指南》和《農(nóng)村廁所糞污處理及資源化利用典型模式》等文件，進(jìn)一步指導(dǎo)農(nóng)村資源化廁所的建設(shè)與發(fā)展。本研究對(duì)農(nóng)村初步調(diào)查也表明，廣大村民對(duì)于建設(shè)和使用資源化廁所有極高的熱情。

近年來，糞尿資源化技術(shù)不斷取得突破，出現(xiàn)了各種新型的資源化廁所系統(tǒng)，但如何在不斷趨嚴(yán)的農(nóng)村環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)之下，將資源化廁所與農(nóng)村特點(diǎn)相結(jié)合，為不同農(nóng)村地區(qū)因地制宜地提供改廁技術(shù)方案仍然缺乏系統(tǒng)性的指導(dǎo)。因此，本研究在分析不同糞尿資源化技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)適合北京某農(nóng)村地區(qū)的資源化公廁系統(tǒng)，分析在不同情境下推廣資源化廁所可實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益，為我國農(nóng)村地區(qū)廁所資源化技術(shù)選用和農(nóng)村水污染控制提供建議。

1 材料與方法

1.1 資源化廁所系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為建設(shè)適用于農(nóng)村地區(qū)的資源化廁所系統(tǒng)，筆者按照下述研究步驟開展了調(diào)研、試驗(yàn)與設(shè)計(jì)等工作。

（1）首先通過文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)了糞尿資源化的常見技術(shù)，并通過實(shí)地調(diào)研、與專業(yè)人士交流、參觀展覽等方式，分析了目前資源化廁所系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。

（2）基于調(diào)研結(jié)果，對(duì)現(xiàn)有的黃水資源化技術(shù)（氨氮吹脫、鳥糞石結(jié)晶、正滲透膜）進(jìn)行集成，并通過小試試驗(yàn)驗(yàn)證其運(yùn)行效果，試驗(yàn)所需原料、試劑及材料見表1。試驗(yàn)步驟：取黃水500 mL 于瓶中，投加5 g Ca（OH）2，設(shè)置吹脫風(fēng)量為1 L·min-1，進(jìn)行連續(xù)1 600 min的吹脫，測定反應(yīng)過程中氨氮（NH3-N）濃度變化，NH3-N 濃度通過納氏試劑法檢測；吹脫試驗(yàn)完成后，使用抽濾瓶及分析濾紙對(duì)1 號(hào)瓶內(nèi)的黃水進(jìn)行過濾，對(duì)所得的固體樣品進(jìn)行干燥處理；將過濾后的黃水作為原料液進(jìn)行水通量（JW）測試，測試裝置見圖1，測試條件見表2。

表2 水通量測試條件Table 2 Water flux testing conditions

圖1 水通量測試裝置模型圖（a）及實(shí)物圖（b）Figure 1 The model（a）and photo show（b）of water flux testing device

表1 試驗(yàn)所需原料、試劑及材料Table 1 Experimental materials and reagents

1.2 資源化廁所系統(tǒng)效益評(píng)價(jià)

在完成技術(shù)驗(yàn)證后，筆者將集成技術(shù)和褐水厭氧發(fā)酵技術(shù)結(jié)合，考慮北京市某農(nóng)村地區(qū)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適用于該地區(qū)的全資源回收型廁所系統(tǒng)，研究資源回收型廁所系統(tǒng)在不同應(yīng)用情景下的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，并與傳統(tǒng)水沖廁所進(jìn)行對(duì)比。公廁前段，配置2 個(gè)男士小便器、2 個(gè)男士大便器、6 個(gè)女士大便器的公共廁所每日可服務(wù)780名女士和800名男士。假設(shè)公廁后端采用不同的排放或資源化技術(shù)，具體分為情景A、B1、B2、C1、C2、C3、C4七種系統(tǒng)。公廁的前端和后端組成了完整的公廁系統(tǒng)。

1.2.1 情景設(shè)置

所設(shè)置的研究情景如表3所示。

表3 資源化廁所系統(tǒng)應(yīng)用情景Table 3 Application scenarios of resource-oriented toilet system

情景A：完整下水道式水沖廁所，采用常規(guī)節(jié)水便器，利用自來水進(jìn)行沖廁，之后糞尿污水進(jìn)入儲(chǔ)糞池，進(jìn)而通過市政排水管網(wǎng)排至集中式污水處理廠進(jìn)行處理；情景B：部分資源回收型廁所系統(tǒng)，采用負(fù)壓源分離便器，利用自來水及正滲透（Forward osmosis，F(xiàn)O）-反滲透（Reverse osmosis，RO）系統(tǒng)回收所得的回用水進(jìn)行沖廁，對(duì)收集得到的黃水進(jìn)行資源化處理（先吹脫結(jié)晶回收硫酸銨固體，再沉淀過濾獲得緩釋肥，最后通過FO-RO 系統(tǒng)獲得再生水），而褐水則進(jìn)入化糞池，進(jìn)而通過市政排水管網(wǎng)排至集中式污水處理廠進(jìn)行處理，其中情景B1利用太陽能電池板進(jìn)行供電，而情景B2則利用市政電網(wǎng)進(jìn)行供電，此情景適用于有一定市政供排水管網(wǎng)的農(nóng)村地區(qū)；情景C：完全資源回收型廁所系統(tǒng)，采用負(fù)壓源分離便器，在完全利用FO-RO 系統(tǒng)回收所得的回用水的基礎(chǔ)上，情景C1和情景C2利用自來水補(bǔ)充缺少的沖廁水，情景C3和情景C4則利用FO-RO 系統(tǒng)處理其他地表水來補(bǔ)充缺少的沖廁水，在部分資源回收型廁所系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將褐水和其他廢棄物（畜禽糞便、餐廚垃圾、作物秸稈等）混合進(jìn)行厭氧發(fā)酵，其中情景C1、情景C3利用太陽能電池板進(jìn)行供電，而情景C2、情景C4利用市政電網(wǎng)進(jìn)行供電，情景C1、情景C2適用于有一定市政供排水管網(wǎng)的農(nóng)村地區(qū)，情景C3、情景C4適用于無供排水基礎(chǔ)設(shè)施的偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)。

1.2.2 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法

目前大多數(shù)政府部門和國際機(jī)構(gòu)都采用費(fèi)用-效益分析（Cost-benefit analysis，CBA）作為公益性項(xiàng)目的主要經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法。費(fèi)用-效益分析中需要剔出轉(zhuǎn)移支付的影響，并利用影子價(jià)格體系，確保分析中的價(jià)格能真實(shí)反映實(shí)際情況，同時(shí)將間接費(fèi)用或間接效益等外部效益內(nèi)部化，以便從整個(gè)國家或社會(huì)的角度全面分析項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，在費(fèi)用-效益分析中，經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值（Economic net present value，ENPV）可反映出項(xiàng)目運(yùn)行周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性，目前已被較多地用于評(píng)估廁所系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。本研究采用經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值法評(píng)估上述7 種不同廁所系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，其計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：n為項(xiàng)目計(jì)算年限，a，本研究中將各個(gè)廁所系統(tǒng)的使用年限統(tǒng)一為20 a；Bt為廁所系統(tǒng)在第t年的總效益，萬元；Ct為廁所系統(tǒng)在第t年總費(fèi)用，萬元；i為社會(huì)折現(xiàn)率，本研究中廁所系統(tǒng)的社會(huì)折現(xiàn)率取8%。

1.2.3 環(huán)境效益分析方法

本研究采用生命周期評(píng)價(jià)（Life cycle assessment，LCA）來分析資源化廁所應(yīng)用后的環(huán)境效益。LCA 是一種評(píng)價(jià)產(chǎn)品（或服務(wù)）生命周期內(nèi)環(huán)境影響的方法。由于可以同時(shí)考慮建造、使用、廢棄等各個(gè)階段，該方法目前廣泛應(yīng)用于市政基礎(chǔ)設(shè)施的可持續(xù)性評(píng)估中。假設(shè)廁所使用年限為20 年。建設(shè)階段、使用階段、糞尿處理階段、資源回收階段、報(bào)廢階段的輸入輸出均納入研究的系統(tǒng)邊界內(nèi)。LCA 計(jì)算過程在Gabi 8.0軟件中實(shí)現(xiàn)，背景數(shù)據(jù)來自軟件自帶的數(shù)據(jù)庫。本研究選取的環(huán)境影響類別有：化石燃料類非生物資源消耗潛勢（Abiotic depletion potential-fossil，ADP-f）、元素類非生物資源消耗潛勢（Abiotic depletion potentialelements，ADP-e）、酸化潛勢（Acidification potential，AP）、富營養(yǎng)化潛勢（Eutrophication potential，EP）、淡水水生生態(tài)毒性潛勢（Freshwater aquatic ecotoxicity potential，F(xiàn)AETP）、100年全球變暖潛勢（Global warming potential，GWP100）、人類毒性潛勢（Human toxicity potential，HTP）、海洋水生生態(tài)毒性潛勢（Marine aquatic ecotoxicity potential，MAETP）、臭氧層破壞潛勢（Ozone layer depletion potential，ODP）、光化學(xué)物質(zhì)生成潛勢（Photochemical oxidation potential，PCOP）、土壤生態(tài)毒性潛勢（Terrestrial ecotoxicity potential，TETP），各類環(huán)境影響均通過CML-IA方法計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 資源化廁所系統(tǒng)設(shè)計(jì)

糞尿資源化技術(shù)的處理對(duì)象根據(jù)糞尿收集、貯存、轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的不同而有所區(qū)別，主要可分為三類：①黃水，即尿液或含少量沖廁水的尿液；②褐水，即不含尿液的糞便污水；③黑水，即糞便、尿液和沖廁水的混合物。其中黃水的氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)含量較高，而褐水、黑水的干物質(zhì)含量較高[6]。故對(duì)黃水的資源化處理目標(biāo)主要是從黃水中回收氮、磷、鉀、水等物質(zhì)，對(duì)褐水、黑水的資源化處理目標(biāo)主要是獲得有機(jī)肥、沼氣等資源或能源。

目前黃水資源化的趨勢為先利用濃縮減量技術(shù)對(duì)尿液進(jìn)行富集濃縮，之后搭配產(chǎn)氫、產(chǎn)電、鳥糞石結(jié)晶、氨氮吹脫等技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源的回收[7-9]，相關(guān)的資源化技術(shù)可分為氮回收技術(shù)、磷回收技術(shù)、電化學(xué)技術(shù)和膜技術(shù)四類，技術(shù)原理和采取的方法詳見表4。

表4 黃水資源化技術(shù)總結(jié)Table 4 Summary of resource recovery techniques of yellow water

褐水和黑水資源化的主要思路是創(chuàng)造厭氧、高溫等不適于糞大腸菌群等病原體生存的環(huán)境，在實(shí)現(xiàn)糞便無害化、減量化的同時(shí)，回收產(chǎn)生的沼氣以及其他富含腐植酸類有機(jī)物的肥料，主要的技術(shù)包括堆肥、厭氧消化、干化焚燒等。表5 總結(jié)了目前常見的褐水和黑水資源化技術(shù)，對(duì)技術(shù)的成熟度、糞污減量化效果、資源回收效果以及操作條件和成本進(jìn)行了總結(jié)，并歸納了目前技術(shù)存在的問題。

表5 褐水和黑水資源化技術(shù)總結(jié)Table 5 Summary of resource recovery techniques of brown water and black water

搭配前端的糞尿收集裝置，可將上述多種資源化技術(shù)集成用于設(shè)計(jì)廁所系統(tǒng)，表6 總結(jié)了已有的不同技術(shù)成熟度的資源化廁所系統(tǒng)。

表6 資源化廁所系統(tǒng)總結(jié)Table 6 Summary of resource-oriented toilet systems

筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)在充分調(diào)研目前資源化廁所系統(tǒng)開發(fā)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，在滿足用戶舒適度體驗(yàn)和公共廁所衛(wèi)生規(guī)范（GB/T 17217—1998）條件下，綜合考慮了各種糞尿資源化技術(shù)的特點(diǎn)，將吹脫回收氨、結(jié)晶回收磷、正滲透膜回收水等黃水資源化技術(shù)進(jìn)行集成。集成技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。結(jié)果表明：在黃水資源化過程中，該系統(tǒng)可以固態(tài)肥料（氮肥和緩釋復(fù)合肥）的形式高效回收黃水中的氮、磷、鉀，回收率分別可達(dá)97.43%、99.44%、31.95%；營養(yǎng)物質(zhì)的回收使得黃水中氨氮濃度大幅降低，試驗(yàn)進(jìn)行1 000 min 后，黃水中氨氮濃度從1 400 mg·L-1降低至50mg·L-1；當(dāng)使用3 mol·L-1NaCl溶液作為汲取液時(shí)，4 h連續(xù)運(yùn)行正滲透膜水通量平均可達(dá)3.58 L·h-1·m-2，水回收率可達(dá)74.67%。以上結(jié)果表明，氨氮吹脫-鳥糞石結(jié)晶-正滲透膜集成技術(shù)可有效地對(duì)黃水進(jìn)行資源化處理。

圖2 全資源回收型廁所系統(tǒng)的運(yùn)行效果Figure 2 The performance of the resource-oriented toilet system

最后，筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)將集成黃水資源化技術(shù)和褐水厭氧發(fā)酵技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了全資源化回收型廁所系統(tǒng)，為了更好地在農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)利用草木灰中和氨氮吸收過程中過量的酸，并將農(nóng)作物秸稈用于混合厭氧發(fā)酵過程，最終形成了適用于農(nóng)村地區(qū)的全資源回收型廁所系統(tǒng)，見圖3。

圖3 全資源回收型廁所系統(tǒng)模式圖Figure 3 Diagram of the resource-oriented toilet system

2.2 資源化廁所技術(shù)效益分析

各個(gè)系統(tǒng)的費(fèi)用-效益流量表如表7 所示，ENPV結(jié)果如圖4所示。

圖4 各廁所系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益Figure 4 The ENPV of different toilet systems

表7 各系統(tǒng)費(fèi)用-效益流量表（萬元）Table 7 Cost-benefit analysis results of the different toilet systems（104yuan）

由圖4 可知，盡管所有廁所系統(tǒng)的ENPV 均小于0，但情景B1、情景B2與完整下水道水沖式廁所系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益接近，而情景C1～C4的效益則優(yōu)于完整下水道水沖式廁所，其ENPV 相對(duì)情景A 的ENPV 分別提高了72.96、49.65、52.28、24.05 萬元，增幅分別為81.74%、55.62%、58.57%、26.94%。對(duì)糞尿均進(jìn)行無害化、資源化處理的廁所系統(tǒng)（情景C1～C4）的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于僅對(duì)尿液進(jìn)行資源化處理的廁所系統(tǒng)（情景B1～B2），這主要是因?yàn)榍榫癇1～B2對(duì)黃水進(jìn)行資源化處理后剩下的高濃度黃水和褐水的處理成本過高，而資源化獲得的產(chǎn)品帶來的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償較低。使用太陽能電池可以較好地提高資源回收型廁所系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，情景B1相對(duì)于情景B2提高了37.46 萬元，情景C1相對(duì)于情景C2提高了23.31 萬元，情景C3相對(duì)于情景C4提高了28.23 萬元，這主要是因?yàn)樘柲茈姵匕宓氖褂秒m然增加了廁所系統(tǒng)的建設(shè)成本，但相對(duì)電網(wǎng)供電的環(huán)境效益，其環(huán)境成本（間接效益中減少環(huán)境退化成本）大幅降低，故而提升了情景B1、情景C1、情景C3的經(jīng)濟(jì)效益。獨(dú)立于市政供排水管網(wǎng)的廁所系統(tǒng)（情景C3、情景C4）相對(duì)于依靠市政給水管網(wǎng)的廁所系統(tǒng)（情景C1、情景C2）而言，經(jīng)濟(jì)效益更差，情景C3相對(duì)于情景C1下降了20.68 萬元，情景C4相對(duì)于情景C2下降了25.61萬元，這主要是因?yàn)榕c情景C3、情景C4依靠FO-RO 膜系統(tǒng)處理地表水相比，自來水廠生產(chǎn)清潔水具有規(guī)模效應(yīng)故而經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境成本均更低。此外，RO出水的水質(zhì)高于自來水廠，處理過程的大量電耗帶來了額外的環(huán)境成本，在實(shí)際應(yīng)用過程中，可考慮將地表水進(jìn)行簡單地絮凝、沉淀、過濾處理，之后用作沖廁水以降低這部分成本。

從表7 可以看出，情景B1～B2和C1～C4的固定成本遠(yuǎn)高于情景A，但在運(yùn)行期間的凈收益則優(yōu)于情景A。各個(gè)廁所系統(tǒng)的ENPV 仍為負(fù)值（表明經(jīng)濟(jì)上項(xiàng)目不可行），主要是因?yàn)樗捎玫拇得?、結(jié)晶、正滲透等設(shè)備為自制設(shè)備，成本和運(yùn)維、折舊費(fèi)用較高，但隨著相關(guān)技術(shù)的不斷革新，以及資源回收型廁所系統(tǒng)大規(guī)模推廣建設(shè)后帶來的設(shè)備和產(chǎn)品的規(guī)?；⒁?guī)范化生產(chǎn)效應(yīng)，相關(guān)設(shè)備的價(jià)格會(huì)逐漸下降，從而提升廁所系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，最終使得資源回收型廁所項(xiàng)目達(dá)到經(jīng)濟(jì)可行。各廁所系統(tǒng)的ENPV 結(jié)果變化情況如圖5 所示。LCA 結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可以看出，將糞尿中的碳、氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)全部回收的情景C1～C4，其環(huán)境效益最優(yōu)，相對(duì)于情景A，情景C1～C4在除TETP 之外的所有環(huán)境影響類型上均具有更優(yōu)的環(huán)境效益，具體的降幅如表8所示。

表8 情景C1～C4相對(duì)于情景A環(huán)境影響的降幅（%）Table 8 The degree of declining of the impact of scenario C1～C4 relative to scenario A（%）

圖5 糞尿資源化設(shè)備價(jià)格變化對(duì)廁所系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的影響Figure 5 The impact of resource recovery equipment price changes on ENPV of the different toilet systems

圖6 資源化廁所系統(tǒng)的環(huán)境影響Figure 6 The environmental impacts of different toilet systems

將資源回收型廁所系統(tǒng)的ENPV 和環(huán)境效益結(jié)合起來分析可知，相對(duì)于完整下水道水沖式廁所（情景A），情景C1～C4在經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益上均更具優(yōu)勢。在有供排水管網(wǎng)的農(nóng)村地區(qū)，應(yīng)優(yōu)先利用市政供水管網(wǎng)，選擇情景C1或者情景C2，情景B1也可作為替代完整下水道水沖式廁所的選擇，而情景B2在目前階段則不適于應(yīng)用；在無供排水管網(wǎng)的農(nóng)村地區(qū)可選擇情景C3或情景C4。在能源利用方面，資源回收型廁所系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)充分利用太陽能等清潔能源以取得更好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

3 結(jié)論

（1）將吹脫回收氮、結(jié)晶回收磷、正滲透膜回收清潔水、厭氧發(fā)酵回收沼氣等技術(shù)集成用于農(nóng)村地區(qū)，實(shí)現(xiàn)糞尿污染物的無害化、減量化、資源化，具有較好的運(yùn)行效果。

（2）在本研究的公廁規(guī)模條件下，對(duì)糞尿均進(jìn)行無害化、資源化處理的廁所系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益均優(yōu)于僅對(duì)尿液進(jìn)行資源化處理的廁所系統(tǒng)和傳統(tǒng)水沖廁所。

（3）在進(jìn)行農(nóng)村資源化廁所技術(shù)比選時(shí)，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐墓┧╇姉l件，在缺乏供排水管網(wǎng)、供電網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的農(nóng)村地區(qū)，建設(shè)對(duì)糞尿均進(jìn)行無害化、資源化處理的廁所系統(tǒng)綜合效益最大。