不同旱廁滑道材料對糞便黏附特征影響

曹昊宇，楊波，柳博，鄭向群

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191）

國務(wù)院辦公廳2014 年5 月16 日發(fā)布的《關(guān)于改善農(nóng)村人居環(huán)境的指導(dǎo)意見》中明確指出“推動農(nóng)村家庭改廁，全面完成無害化衛(wèi)生廁所改造任務(wù)”，這是村莊環(huán)境整治的重要內(nèi)容。農(nóng)村人居環(huán)境整治提升，廁所革命是關(guān)鍵之一，要結(jié)合實際，宜水則水、宜旱則旱，將農(nóng)村舊廁所改造成衛(wèi)生廁所。因此，對于干旱寒冷、無法滿足水沖條件的地區(qū)，在農(nóng)村廁所建設(shè)改造過程中應(yīng)因地制宜推廣衛(wèi)生旱廁。旱廁作為我國農(nóng)村最常用的一種廁所類型，根據(jù)其排污口是否采用滑道可以分為直排式和滑道式兩種。對于沒有滑道的直排式旱廁而言，不用水沖使得固體糞肥易運輸和施用，但村民在使用時常存在“人糞見面”的現(xiàn)象，因此便后需要加灰或土進行覆蓋，既不衛(wèi)生，又嚴(yán)重影響如廁體驗。而使用有滑道廁所雖然減少了“人糞見面”的尷尬和難聞氣味的傳播，但由于滑道大多采用水泥板、石板等材料建造，導(dǎo)致糞便容易黏附在滑道表面，夏季氣味嚴(yán)重，冬季低溫上凍，難以清理[1]，且糞便在進糞滑道表面的黏附和堆積使得人糞尿中的病原體不能被及時殺滅，達不到《糞便無害化衛(wèi)生要求》（GB 7959—2012），增加了由糞便病原體引起腸道傳染病與寄生蟲病的風(fēng)險[2]，直接危害人體健康。

我國農(nóng)村改廁產(chǎn)品，如蹲坐便器，通常采用陶瓷、玻璃鋼或特塑材料[3]，在水沖的作用下較容易清潔糞便。而對于干旱缺水地區(qū)及寒冷地區(qū)的農(nóng)村來說，在沒有水沖設(shè)施的條件下，解決旱廁滑道的黏附問題是廁所改造和糞污無害化處理的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外對于不粘廁具材料的相關(guān)研究較少，因此對于旱廁滑道不粘材料的合理選擇顯得尤為迫切。2019年1月中央農(nóng)辦、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家衛(wèi)生健康委等8部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推進農(nóng)村“廁所革命”專項行動的指導(dǎo)意見》，指出要強化農(nóng)村廁所技術(shù)支撐，包括新技術(shù)、新材料、新設(shè)備引進推廣。農(nóng)村改廁中使用的整體式三格化糞池和雙甕化糞池，材質(zhì)通常以聚丙烯（Polypropylene，PP）、聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）和聚乙烯（Polyethylene，PE）為主，其具有很好的抗壓性和防滲性，且較容易獲得，價格不高；聚四氟乙烯[4]（Poly tetra fluoroethylene，PTFE）、超高分子量聚乙烯[5]（Ultrahigh molecular weight polyethylene，UPE）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile butadiene styrene copolymers，ABS）具有良好的耐摩擦性；聚對苯二甲酸乙二醇酯[6]（Polyethylene glycol terephthalate，PET）、聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）屬于價格適中的新型材料；不銹鋼板（SS）和水泥板（FS）是農(nóng)村較為常見的旱廁滑道材料。本研究充分考慮糞便類型、進糞管傾斜角度以及材料市場價格等因素，將上述材料作為變量進行試驗研究，篩選抗黏附性較好、價格合理的旱廁滑道材料，旨在為干旱地區(qū)農(nóng)村廁所革命各項工作的開展提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

本試驗在天津市農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所鄉(xiāng)村環(huán)境建設(shè)創(chuàng)新團隊實驗室內(nèi)進行，試驗周期為7 d，于2020 年8 月28 日開始，2020 年9 月3 日結(jié)束。試驗環(huán)境溫度設(shè)置為20～24 ℃。

1.1 滑道材料選擇

PTFE 板材選自九江聚邦分子有限公司，PP、PVC、PE、ABS 板材選自廣東東莞源程有限公司，PET板材選自廣東東莞粵隆有限公司，PC 板材選自廣東東莞正佳有限公司，UPE 板材選自德州鑫碩有限公司，以上板材規(guī)格尺寸均為500 mm×500 mm×5 mm；SS 板材選自山西太原太鋼有限公司，F(xiàn)S 板材選自浙江君工喜建有限公司，以上板材規(guī)格尺寸均為500 mm×500 mm×2 mm。選材依據(jù)見表1。

表1 滑道所選材料及特點Table 1 Selected materials and characteristics of the slide

1.2 模擬糞便原料

固體類原料組成：大米、紅薯、安徽燕子牌面包酵母粉、浙江諾一牌酵母提取物、印度綠派益康牌洋車前子殼、山東煙臺欣牌味噌、天津方正致遠牌油酸、馬來西亞泰柯KLK 牌丙三醇（食用級）、河南萬邦實業(yè)牌微晶纖維素、河南新良牌食用玉米淀粉和去離子水。

液體類原料組成：廣西玉林南方牌黑芝麻粉和去離子水。

1.3 黏度設(shè)置方法與依據(jù)

依據(jù)布里斯托大便分類法（BSFS，表2），以糞便的含水量和流變性為前提，在盡量滿足糞便物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和微生物含量的基礎(chǔ)上同時考慮密度和黏度，進而設(shè)定三類模擬物量[7]。分別將三類模擬物以兩種不同角度在10 種材料表面進行試驗，每個變量設(shè)置5 次重復(fù)。在滑道材料表面標(biāo)記模擬物下滑的起始位置和終止位置，保證其在所有材料表面的滑行距離相等（30 cm）。

表2 布里斯托大便分類法Table 2 Bristol stool form scale

1.3.1 第一類

BSFS 大便類型3 型＆4 型制備：紅薯383.40 g、玉米淀粉41.21 g、酵母提取物60 g、纖維素20 g、洋車前子殼35 g、味噌35 g、NaCl 4 g、KCl 4 g、CaCl22 g、海天老抽2 mL、油酸20 mL、去離子水220 mL。于2 000 mL 燒杯中將所有材料攪拌均勻，使其充分混合。用保鮮膜蓋住燒杯，室溫靜置1.5 h。加入水后，該混合物立即呈液體狀態(tài)，1.5 h 后混合物完全變成糊狀和凝膠狀。

1.3.2 第二類

BSFS 大便類型5 型＆6 型制備：大豆醬100 g、鹽20 g、大米600 g。將所制備的材料裝袋進行碾壓，使其完全融合，放置0.5 h。

1.3.3 第三類

BSFS大便類型7型制備：黑芝麻粉200 g、去離子水850 mL。將黑芝麻粉放入2 000 mL 的燒杯，加入去離子水進行攪拌，使黑芝麻粉混合均勻。

1.4 試驗設(shè)置與方法

首先在10 種不同滑道材料表面標(biāo)記糞便模擬物下滑的起始位置，以材料底邊為其終止位置，保證糞便模擬物在所有材料表面的滑行距離相等（30 cm）。根據(jù)《農(nóng)村三格式戶廁建設(shè)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 38836—2020）中三格化糞池建造的基本要求，將進糞管（滑道）的角度調(diào)至45°以上90°以下，以便在沒有水沖或微水處理的情況下有利于糞便進入化糞池，本研究確定滑道傾斜角度為50°和75°[8-9]。第一類模擬物每次試驗時間為3 min，第二類模擬物每次試驗時間為5 min，第三類模擬物每次試驗時間為7 min。

將滑道材料采用可調(diào)式角度規(guī)墊起，調(diào)整傾斜度，分別保持50°、75°不變，使其終止位置離開地面并在底部放置一個已知質(zhì)量mp的培養(yǎng)皿進行承接。對第一類和第二類模擬物進行試驗時，將模擬物裝入塑封袋測定質(zhì)量得m0，后用剪刀開口并模擬糞便擠壓過程，從起點開始滴落于10 種材料板上進行試驗。對擠壓過后的塑封袋再次測定質(zhì)量得m1，最終稱量培養(yǎng)皿及所承接的模擬糞便質(zhì)量之和m2。對于第一類和第二類模擬物從起點到終點的等待時間分別為3 min 和5 min。對第三類模擬物進行試驗時，將模擬物倒入50 mL 燒杯中測定質(zhì)量得m0，在起點處快速傾倒。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

運用Excel 2020 整理原始數(shù)據(jù)，通過公式（1）～（4）計算最終結(jié)果和均值，采用方差分析檢驗不同處理數(shù)據(jù)間的差異顯著性（P＜0.05），采用SPSS 進行數(shù)據(jù)分析，用Origin 2020做圖。

計算公式為：

式中：mG為理論滑動質(zhì)量，g；m0為原始質(zhì)量，g；m1為原始剩余質(zhì)量，g；m2為培養(yǎng)皿及承接質(zhì)量，g；m3為實際滑動質(zhì)量，g；mp為培養(yǎng)皿質(zhì)量，g；m為黏附質(zhì)量，g；W為黏附率。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同材料對第一類糞便模擬物的黏附作用

第一類BSFS 大便類型3 型＆4 型試驗結(jié)果見圖1。在第一類糞便模擬物中，材料UPE、PE 和PET 的黏附率相對較小，當(dāng)滑道材料傾斜至50°時（圖1a），UPE 和PET 材料的黏附率最小，分別為0.25%和0.18%，與其他各組差異明顯；不銹鋼和水泥板的黏附率為100.00%，糞便在這兩種材料板上無法滑動。當(dāng)滑道材料傾斜至75°時（圖1b），PE和UPE材料的黏附率較小，分別為0.03%和0.06%，PE 與其他各組差異明顯；水泥板的黏附率仍為100.00%，與其他各組差異顯著（P＜0.05）。結(jié)果表明，在糞便類型為3 型＆4 型且滑道傾斜角度為75°時，選擇PE 和UPE 作為旱廁滑道材料，糞便的黏附性較小。

圖1 傾斜角度50°和75°時不同材料對第一類BSFS大便類型的黏附率Figure 1 Adhesion rate of different materials to the first type of BSFS feces at the inclination angle of 50°and 75°

2.2 不同材料對第二類糞便模擬物的黏附作用

第二類BSFS大便類型5型＆6型試驗結(jié)果如圖2所示。在第二類糞便模擬物中，當(dāng)滑道傾斜角度為50°時（圖2a），所選10 種材料中，UPE 和PP 的黏附率相對較小，其中UPE 的平均黏附率最小，僅為12.56%；PVC、不銹鋼和水泥板的黏附率均為100.00%。當(dāng)滑道傾斜至75°時（圖2b），黏附率相對較小的材料為PE、PC、ABS，其中PE 黏附率最小，為10.22%，UPE 黏附率為17.64%，水泥板在該試驗中黏附率為100.00%。以上結(jié)果表明當(dāng)糞便類型為5型＆6 型且滑道傾斜角度為75°時，選擇PE 作為旱廁滑道材料可以有效減少糞便黏附。

圖2 傾斜角度50°和75°時不同材料對第二類BSFS大便類型的黏附率Figure 2 Adhesion rate of different materials to the second type of BSFS feces at the inclination angle of 50°and 75°

2.3 不同材料對第三類糞便模擬物的黏附作用

第三類BSFS大便類型7型試驗結(jié)果如圖3所示。7 型糞便模擬物含水率最高，呈水樣狀態(tài)。在該類糞便模擬物中，滑道材料傾斜至50°時（圖3a），UPE 對糞便的黏附率最小，為38.92%，水泥板的糞便黏附率為100.00%?；纼A斜至75°時（圖3b），黏附率最小的材料為UPE，其對模擬糞便的黏附率為38.75%。上述結(jié)果表明對于水樣糞便而言，選擇UPE 作為旱廁滑道材料，在滑道角度為75°時能夠盡可能減少糞便黏附于滑道的現(xiàn)象。

圖3 傾斜角度50°和75°時不同材料對第三類BSFS大便類型的黏附率Figure 3 Adhesion rate of different materials to the third type of BSFS feces at the inclination angle of 50°and 75°

2.4 10種材料對糞便模擬物黏附性的比較

將試驗結(jié)果經(jīng)過LSD 進行分析，對不同角度下10種材料的抗黏附性進行比較。如圖4所示，水泥板作為黏附率最高的材料，在傾斜50°條件下，其平均黏附率為100.00%，而在傾斜角度為75°條件下平均黏附率為93.10%。在兩個傾斜角度下UPE均為糞便黏附率最小的材料。當(dāng)滑道傾斜角度為50°時，PTFE、UPE、PE、PET 和PP 之間無顯著差異（P＞0.05），不銹鋼材料在該角度黏附性較大。在傾斜75°時，除水泥板外，其他9 種材料對糞便黏附性差異均不顯著（P＞0.05）。兩個傾斜角度下，水泥板作為滑道材料的抗黏附性均最差，且與除PVC 和SS 外的其他材料具有顯著差異（P＜0.05）。如圖5 所示，試驗所設(shè)置的兩個傾斜角度之間，材料的黏附率無顯著差異，綜合考慮認為將滑道角度設(shè)置為75°更有利于糞便通過。結(jié)果表明，10 種材料中抗黏附性最強的材料為UPE，抗黏附性最差的材料是水泥板。水泥板不適合用作旱廁滑道材料，不銹鋼材料則僅適合在糞便類型相對固定的特定條件下使用。

圖4 傾斜角度50°和75°時10種試驗材料的平均黏附率Figure 4 Average adhesion rate of ten test materials to feces at the inclination angle of 50°and 75°

圖5 兩種傾斜角度下糞便的黏附率Figure 5 Feces adhesion rate at two angles

3 討論

廁所是文明和發(fā)展水平的重要衡量標(biāo)志之一，我國在進行農(nóng)村人居環(huán)境整治過程中，應(yīng)因地制宜選擇合適的改廁模式。旱廁作為缺水地區(qū)的首要選擇，在農(nóng)村改廁過程中，其滑道材料的選擇對于環(huán)境衛(wèi)生、糞污后續(xù)處理及資源化利用意義非凡。與直排式旱廁相比，滑道式旱廁是減少“人糞見面”和臭味傳播的重要途徑，也是避免糞便暴露、減少疾病傳播和蚊蠅滋生的有效方式。因此除了對糞污進行無害化資源化處理以外，滑道材料的合理選擇也是推進農(nóng)村人居環(huán)境整治、提高改廁效果的關(guān)鍵手段之一。

本研究表明，在無潤滑條件下材料處于干滑動狀態(tài)時，材料表面的特性在很大程度上影響粘滑作用。摩擦可以隨極性表面能的增加而增加，即PVC、PC 和PTFE 三者相比，PVC 摩擦振蕩的平均振幅最大，其次是PC 和PTFE。通過對PTFE、PVC 和PC 三者進行彈性模量和抗拉強度測試，得出其力學(xué)性能（彈性性能、塑性性能）大小依次為PC、PVC 和PTFE。研究表明，使用表面能低極性組分和高模量的聚合物可以實現(xiàn)無明顯粘滑的平滑滑動[10]，比較PVC、PC 和PTFE 三者摩擦系數(shù)的平均振幅，得到PTFE 的表面能極性最低，聚合物的模量最高，隨后依次為PC、PVC[11]。而本次滑道試驗結(jié)果表明，在不同條件下，PTFE、PC 和PVC 三者黏附性能差異不明顯，且PETF 相較于其他兩者的抗黏附率最強，與上述研究結(jié)論一致。由此推斷UPE 在所選的10種材料中，其表面能極性最低、模量最高，相反，水泥板擁有最高的表面能極性。因此，在選擇滑道材料時，需要充分考慮表面能低極性組分和高模量的聚合物。聚合物的摩擦和磨損主要是由表面粗糙度決定。有研究顯示改性的ABS 材料動靜摩擦系數(shù)差值為0.03，而ABS材料的動靜摩擦系數(shù)差值是0.08，使得改性ABS 粘滑傾向變低，最終得出粘滑作用隨著載荷和摩擦速度降低而減弱[12]。

以目前農(nóng)村廁所改造使用的三格化糞池和雙甕化糞池為例，其材質(zhì)以PE、PP 和玻璃鋼為主[3]。以化糞池所用材料作為滑道（進糞管）連接廁具和化糞池能使糞便更容易進入化糞池。就目前市場價格來說，所選用的10 種材料中，PTFE 板的價格最高，水泥板的市場價格最低（表3）。

表3 10種材料的市場價格（元·m-2）Table 3 Current market prices of the ten materials（yuan·m-2）

根據(jù)本試驗結(jié)果，盡管水泥板的價格最低，但其不滿足清潔衛(wèi)生要求，因此仍是最不適宜作為滑道的材料。PTFE 材料雖對糞便的黏附性較低，但其市場價格高，不符合《農(nóng)村三格式戶廁建設(shè)技術(shù)規(guī)范》中要求的安全、環(huán)保、經(jīng)濟、適用的原則。以不銹鋼作為進糞管的材料時，其對角度和糞便類型的要求比較高，需要將滑道角度固定在75°，且糞便類型滿足BSFS分類的6型以下時才能體現(xiàn)其抗黏附作用。但是糞便類型通常不可控，且不銹鋼的市場價格相對較高，因此不適宜將不銹鋼作為滑道材料使用。綜上，UPE對糞便的黏附率最小，其次是PE和PP，在綜合考慮研究結(jié)果與經(jīng)濟因素的情況下，UPE是旱廁滑道材料的最佳選擇。

4 結(jié)論

在我國改善農(nóng)村人居環(huán)境、推進“廁所革命”的時代大背景下，選擇合適的改廁產(chǎn)品可以滿足不同地區(qū)的改廁需求，將前端使用與后端處理有效銜接。旱廁滑道材料的選擇主要以減少糞便在滑道上黏附為首要條件。本研究選用10 種常見材料在兩種傾斜角度的對比下，發(fā)現(xiàn)目前使用最多的水泥板無法很好地解決糞便黏附問題（黏附率＞75%），而相較于水泥板，其他材料均可不同程度地減少糞便黏附。本研究得出如下結(jié)論：

（1）在滑道傾斜角度為50°時，超高分子量聚乙烯（UPE）對三類糞便模擬物的抗黏附性優(yōu)勢大于其他材料，其對糞便的黏附率最低，僅為17.24%；在滑道角度為75°時，UPE、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚乙烯（PE）三種材料的黏附率差異不顯著，抗黏附性能皆較為突出。在綜合考慮抗黏附性和市場價格的情況下，UPE是旱廁滑道材料的最佳選擇。

（2）相比于傾斜角度為50°的滑道，75°的傾斜角度對于材料的抗黏附性有較好的輔助作用，傾斜角度75°使糞便能夠較為順暢地通過滑道。但就廁所結(jié)構(gòu)而言，傾斜角度的設(shè)置還需綜合考慮使用地區(qū)、廁屋廁具以及使用體驗等。