不同類型鄉(xiāng)村廁所的特征特性及其在廁所改造中的應(yīng)用模式

孟 靜， 譚曉波*， 譚益民， 王 璐， 萬喜萍

(1.湖南工業(yè)大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院， 湖南 株洲 412007； 2.農(nóng)牧業(yè)廢棄物資源化綜合利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 株洲 412007； 3.城鎮(zhèn)水安全排放及資源化湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 株洲 412007)

改善農(nóng)村人居環(huán)境，建設(shè)美麗宜居鄉(xiāng)村，是實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的一項(xiàng)重要任務(wù)[1]。農(nóng)村廁所改革對(duì)改善農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生狀況及實(shí)現(xiàn)排泄物的資源化利用具有重大意義。2018年2月5日，中共中央辦公廳 國務(wù)院印發(fā)《農(nóng)村人居環(huán)境整治三年行動(dòng)方案》，明確指出“廁所改革”的行動(dòng)目標(biāo)，即到2020年，有基礎(chǔ)、有條件的地區(qū)，基本完成農(nóng)村戶用廁所無害化改造；有較好基礎(chǔ)及基本具備條件的地區(qū)，衛(wèi)生廁所普及率達(dá)85%左右[1]。2020年上半年，全國一二類縣共完成農(nóng)村改廁約300萬戶，全國農(nóng)村衛(wèi)生廁所普及率已超過60%。其中，海南省2020年上半年，完成農(nóng)村改廁15.27萬戶，農(nóng)村廁所覆蓋率達(dá)到98.4%。黑龍江省2019年，完成農(nóng)村改廁13.25萬戶；2020年上半年，完成農(nóng)村改廁1.4萬戶。

我國幅員遼闊，不同地區(qū)的自然條件、經(jīng)濟(jì)水平、村落特征等具有明顯差異,依據(jù)因地適宜的原則，不同地區(qū)所適用的廁所類型也顯著不同。為我國鄉(xiāng)村廁所改造合理選擇改造類型和模式提供參考，以廁所耗水量及末端處理模式作為分類依據(jù)，將鄉(xiāng)村廁所分為3大類(水沖式廁所、微水沖式廁所、免水沖式廁所)及5種應(yīng)用模式(水沖式廁所+直排、水沖式廁所+分散處理、水沖式廁所+集中處理、微水沖式廁所+資源化利用、免水沖式廁所+資源化利用)，歸納總結(jié)不同類型廁所系統(tǒng)的原理和適用特性，并結(jié)合不同地區(qū)的典型應(yīng)用示范，系統(tǒng)剖析其在廁所改造中的應(yīng)用模式及優(yōu)缺點(diǎn)。

1 水沖式廁所及其應(yīng)用模式

在水沖式廁所系統(tǒng)中，應(yīng)用最為廣泛的簡化處理構(gòu)筑物主要是三格化糞池和雙甕漏斗式2種類型。三格化糞池(圖1a)，主要由3個(gè)密閉的化糞單元格組成(第一、二、三池的容積比一般為2∶1∶3)。第一格主要利用重力和浮力，沉淀蟲卵及糞污懸浮物，形成浮渣層、中間層、沉渣層，同時(shí)利用厭氧發(fā)酵，使糞污中的病菌和寄生蟲卵得以高效滅活；第二格發(fā)酵處理，同時(shí)產(chǎn)生H2S、CH4、CO2等氣體；第三格完成糞污腐熟，形成以腐殖質(zhì)為主要成分的有機(jī)肥[2]。雙甕漏斗式(圖1b)，主要由2個(gè)甕形儲(chǔ)糞池組成，其基本原理是糞污在前甕進(jìn)行初步發(fā)酵(不少于30 d)，再進(jìn)入后甕進(jìn)行厭氧發(fā)酵，進(jìn)一步消殺糞污中的寄生蟲卵和病菌。2種水沖式廁所具有改建成本低、施工方便、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，是我國鄉(xiāng)村廁所改革應(yīng)用最為廣泛的廁所類型，但其需要定時(shí)清掏糞污，且耗水量巨大、抗凍性能差，不適宜于北方干旱缺水和高寒地區(qū)[3]。

圖 1 水沖式廁所系統(tǒng)中三格化糞池式(a)和雙甕漏斗式結(jié)構(gòu)(b)

1.1 “水沖式廁所+直排”模式

在“水沖式廁所+直排”系統(tǒng)中，糞污水僅經(jīng)化糞池簡單處理后排入附近受納水體[4]。因其成本低廉、運(yùn)行維護(hù)簡單，是當(dāng)前我國農(nóng)村廁所改造中最主要的應(yīng)用模式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國96%的村莊沒有系統(tǒng)的排污管網(wǎng)和污水處理設(shè)施，進(jìn)行直排的村莊占絕大多數(shù)[5]。由于化糞池處理后的污水仍含有大量的有機(jī)物、氮磷、懸浮顆粒物等各類污染物質(zhì)，其直接排放導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，包括地表水體富營養(yǎng)化、地下水污染等[6]。據(jù)測(cè)算，全國農(nóng)村每年生活污水排放總量達(dá)90億t，其中糞污排放總量超2.6億t，是我國農(nóng)村水環(huán)境惡化的主要源頭之一[7-8]。

1.2 “水沖式廁所+分散處理”模式

該模式是將糞污水經(jīng)糞池初步處理后就近分散式收集和處理的一種模式，包括單戶系統(tǒng)和群集系統(tǒng)2種類型。單戶系統(tǒng)是指單戶連接機(jī)械處理裝置或自然系統(tǒng)，完成污水的收集和處理；群集系統(tǒng)是指聯(lián)戶(2戶及以上)的污水通過管道系統(tǒng)輸送到小型集中處理站進(jìn)行統(tǒng)一處理[9-10]。如表1所示，分散式處理主要采用人工濕地、穩(wěn)定塘、膜生物反應(yīng)器(MBR)等污水處理技術(shù)[11]。分散式處理系統(tǒng)具有占地面積小、靈活多樣、管網(wǎng)建設(shè)與維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，適宜于聚集性低的農(nóng)村地區(qū)[12]。如四川省某農(nóng)村地區(qū)采用“單戶系統(tǒng)+庭院式人工濕地處理”模式，單戶排放的污水經(jīng)化糞池初步處理之后，排入庭院式人工濕地[13]。湖北省襄陽市農(nóng)村地區(qū)采用群集系統(tǒng)和“三水分流、兩級(jí)處理、一片濕地”模式，共建設(shè)小三格化糞池3 882戶、村級(jí)大三格化糞池35個(gè)、人工濕地35處，其廁所糞污水經(jīng)“小三格化糞池”處理后，還田利用，其余生活污水通過管道進(jìn)入村級(jí)“大三格化糞池”，無害化處理后排入人工濕地，取得了良好的環(huán)境效益[14]。

表1 常用的鄉(xiāng)村分散式污水處理技術(shù)比較[15-18]

1.3 “水沖式廁所+集中處理”模式

該模式是將較大范圍內(nèi)的污水進(jìn)行統(tǒng)一收集、統(tǒng)一輸送、統(tǒng)一處理的一種模式。根據(jù)輸送方式不同，可劃分為直接輸送(管道)、間接輸送(抽糞車、打包轉(zhuǎn)運(yùn))2種類型。該模式具有處理規(guī)模大、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但管網(wǎng)投資大、易發(fā)生滲漏(可達(dá)10%～20%)，同時(shí)造成資源損耗(高達(dá)20%的氮、5%的磷及90%的鉀)。該模式適用條件比較嚴(yán)苛，僅適用于部分聚集程度高、經(jīng)濟(jì)水平高、基礎(chǔ)設(shè)施完善的鄉(xiāng)村[19]。如在江蘇徐州市農(nóng)村地區(qū)，常住人口625.81萬，村莊分布集中，采用“SBR+人工濕地”工藝和“厭氧水解+微動(dòng)力好氧+景觀綠地技術(shù)”工藝，共建設(shè)集中式污水處理站67座，污水處理能力達(dá)531 591 m3/d。其污水首先經(jīng)格柵，除去大顆粒雜質(zhì)，后進(jìn)入調(diào)節(jié)池，調(diào)節(jié)水質(zhì)水量；再由水泵進(jìn)入SBR池，進(jìn)行生化處理；最后經(jīng)人工濕地處理，達(dá)標(biāo)后排放，整體工藝流程如圖2所示[20]。

圖 2 徐州市農(nóng)村地區(qū)集中式污水處理流程

2 “微水沖廁所+資源化利用”模式

2.1 真空微水沖廁所

真空微水沖廁所的基本原理為真空負(fù)壓原理，具體表現(xiàn)為真空座便器收集糞污后，利用真空設(shè)備使管道內(nèi)產(chǎn)生一定氣壓梯度，借助空氣輸送介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)糞污的大流量、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。真空微水沖廁所主要由終端、管路、主機(jī)三大部分組成。終端主要是指各類便器及污水收集裝置，包括真空坐便器、真空蹲便器、真空小便斗等類型(圖3)；管路主要指從終端到主機(jī)之間的真空負(fù)壓污水輸送管道；主機(jī)是污水收集的負(fù)壓動(dòng)力源，也是真空排污系統(tǒng)的核心，主要是指各種原理及功率大小不同的真空產(chǎn)生源(真空工作站)[21]。

與傳統(tǒng)廁所相比，其優(yōu)勢(shì)：1) 節(jié)水。每次耗水量僅為0.5～1 L，是傳統(tǒng)廁所的1/12，節(jié)水率超90%。2) 節(jié)能。真空微水沖廁所每次沖洗的耗電量僅為0.003～0.005 kW·h。3) 除臭。利用負(fù)壓原理，糞污的收集和轉(zhuǎn)儲(chǔ)在單向、密閉環(huán)境中進(jìn)行，隔斷臭源。4) 排導(dǎo)。通過真空管道運(yùn)輸，管徑僅是重力管網(wǎng)的1/3～1/5，流速是重力管網(wǎng)的5～10倍，實(shí)現(xiàn)無重力排放且不易造成堵塞[22]。其弊端：1) 廁所改建成本高。廁內(nèi)真空收集設(shè)備、真空排污管網(wǎng)的建設(shè)成本約為三格化糞池廁所建設(shè)成本的10倍。2) 運(yùn)行條件嚴(yán)格。廁所真空運(yùn)行，密閉性要求高，施工、安裝要求嚴(yán)格[23]。

圖 3 真空微水沖廁所結(jié)構(gòu)

2.2 微水沖廁所糞污末端資源化利用

在該模式中，真空微水沖廁所收集的糞污濃度高，易于實(shí)現(xiàn)資源化利用。其末端資源化的實(shí)現(xiàn)，主要借助真空源分離技術(shù)，即通過真空集便器收集黑水(糞便、尿液)，實(shí)現(xiàn)黑水與灰水從源頭的分離。從圖4可知，黑水的總體積占比不到2%，但COD、TN、TP、TK指標(biāo)的貢獻(xiàn)分別高達(dá)59%、97%、90%、66%[24]?；宜目傮w積雖然占生活污水總量的98%，但COD、TN、TP、TK的指標(biāo)分別只占41%、34%、10%、3%。通過源分離技術(shù)，將黑水從生活污水中分離出來，即相應(yīng)地控制了59%的COD、97%的TN、90%的TP和66%的TN。

圖 4 生活污水中尿液、糞便、灰水在污水總量、化學(xué)需氧量、總鉀、總磷、總氮中的占比

將源分離后收集的高濃度黑水就近資源化利用，包括厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷、生產(chǎn)有機(jī)肥等。分離的灰水由于氮磷含量低，處理難度降低，通過生物處理(人工濕地、生態(tài)塘等)，出水滿足污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)或農(nóng)田灌溉水標(biāo)準(zhǔn)，既可以排入室外雨水管道，也可進(jìn)行農(nóng)田灌溉或用于景觀綠化[25-26]。在北京市大興區(qū)李家場(chǎng)村，采用真空微水沖廁所進(jìn)行鄉(xiāng)村廁所改造，同時(shí)利用真空源分離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)黑水與灰水的分離式資源化利用。通過引導(dǎo)村民實(shí)行垃圾分類，將黑水與有機(jī)垃圾混合發(fā)酵，生產(chǎn)液態(tài)肥，還田利用；灰水排入村級(jí)污水處理站，進(jìn)行無害化處理，最終處理效果達(dá)到《北京市農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/1612-2019)二級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)，形成一個(gè)“糞污不出村”的生態(tài)閉環(huán)。

3 “免水沖式廁所+資源化利用”模式

3.1 免水沖式廁所

免水沖式廁所主要包括循環(huán)式生態(tài)旱廁和源分離生態(tài)旱廁。循環(huán)式生態(tài)旱廁主要應(yīng)用內(nèi)循環(huán)發(fā)酵技術(shù)，廁所底部裝配有生化反應(yīng)器，糞污與反應(yīng)器內(nèi)菌種混合發(fā)酵，制作有機(jī)肥。源分離生態(tài)旱廁同時(shí)應(yīng)用內(nèi)循環(huán)發(fā)酵技術(shù)和源分離技術(shù)，主要由基座、便池、固液源分離裝置、尿液收集處理裝置、糞便干式反應(yīng)器等部分組成，利用廁所底部的固液分離器，分離糞便與尿液，尿液進(jìn)入尿液收集處理裝置，糞便排入糞便干式反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)分離式資源化利用。免水沖式廁所的主要優(yōu)勢(shì)：1) 抗凍。發(fā)酵產(chǎn)生一定的熱能，并且免水沖避免了管道凍裂的風(fēng)險(xiǎn)，在環(huán)境溫度-30℃以上均可運(yùn)行。2) 除臭。發(fā)酵菌種具有除臭功能且有效殺死糞污中的病原體、蟲卵，實(shí)現(xiàn)無蠅無臭。3) 改廁成本低。建設(shè)低(無需建設(shè)下水道、化糞池等)和運(yùn)行使用成本低(重力開合無需水沖)。

3.2 免水沖式廁所糞污末端資源化利用

免水沖式廁所收集的糞污濃度最高，可資源化利用的程度也最高，其資源化利用方式主要包括糞尿混合式利用和分離式利用2種類型。糞尿混合式利用模式主要將糞污與微生物、秸稈、蔬菜碎葉等進(jìn)行混合發(fā)酵，制作有機(jī)肥。糞污混合式利用可進(jìn)一步分為原位發(fā)酵和異位發(fā)酵。其中原位發(fā)酵具體表現(xiàn)為糞污就地收集與發(fā)酵處理一體化；異位發(fā)酵則通過轉(zhuǎn)運(yùn)(抽糞車或打包)的方式，將糞污收集進(jìn)行統(tǒng)一發(fā)酵處理。湖南海尚環(huán)境生物科技股份有限公司研發(fā)的“戶用循環(huán)式生態(tài)旱廁”，主要包括座便器和干式發(fā)酵反應(yīng)器2個(gè)部分(圖5)。收集的糞污進(jìn)入底部收集箱，與箱內(nèi)菌種進(jìn)行混合進(jìn)行初步發(fā)酵；之后統(tǒng)一收集和運(yùn)輸至有機(jī)肥廠進(jìn)行深度加工處理，生產(chǎn)有機(jī)肥[27]。

圖5 戶用循環(huán)式生態(tài)旱廁結(jié)構(gòu)

糞尿分離式利用模式主要是采用對(duì)糞尿進(jìn)行分離和收集處置的旱廁系統(tǒng)。分離的尿液利用磷酸銨鎂結(jié)晶法、離子交換吸附法(NH4+、K+離子，回收率>90%)、氨氮吹脫法等技術(shù)，生產(chǎn)N、P、K等液態(tài)肥。分離的糞便借助化糞池、沼氣池、堆肥池等處理工藝，將糞便中的N、P、K及有機(jī)質(zhì)進(jìn)行資源化利用，最終產(chǎn)出甲烷或有機(jī)肥，實(shí)現(xiàn)能量的回收與利用[28]。湖南海尚環(huán)境生物科技股份有限公司研發(fā)的糞尿分離與處理一體化反應(yīng)器，該設(shè)備分為3個(gè)部分，上部為源分離器，中部為干式生物反應(yīng)器，底部為出料裝置(圖6)。該設(shè)備利用干式發(fā)酵技術(shù)，以木質(zhì)粗纖維作為主要生物載體，干式好氧菌和兼氧生物菌種為優(yōu)勢(shì)菌種，進(jìn)行高效干式發(fā)酵，糞大腸菌、蛔蟲卵的滅活率達(dá)99.5%，出料可用于室內(nèi)盆景植物肥料。

圖6 糞尿分離與處理一體化反應(yīng)器

4 結(jié)語

鄉(xiāng)村廁所改造是農(nóng)村環(huán)境整治的核心內(nèi)容，是改善農(nóng)村人居環(huán)境、實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的關(guān)鍵前提。我國鄉(xiāng)村廁所類型及應(yīng)用模式多樣，在廁所類型及應(yīng)用模式選擇時(shí)，需因地制宜，綜合考慮不同地區(qū)的差異特性，包括氣候特點(diǎn)、水資源、地形特征、經(jīng)濟(jì)條件等，在改造實(shí)踐中科學(xué)選擇，更好保障應(yīng)用效果，節(jié)約改造投入。