變廢為寶，打造“自運(yùn)行環(huán)保廁所”

本文圍繞2022年上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)項(xiàng)目“資源循環(huán)型生態(tài)廁所構(gòu)建及其低碳自持運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用”展開，該獎(jiǎng)項(xiàng)由上海理工大學(xué)劉洪波教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)獲得。

新陳代謝是所有生物的基本特征，生物吸收營養(yǎng)，排出廢物。如廁是人類社會(huì)的日常所需。印度河流域文明的考古證據(jù)顯示，沖水式馬桶從大約公元前3000年起便已存在。

今天，各種前沿技術(shù)被應(yīng)用到廁所中，出現(xiàn)了很多環(huán)保廁所，但在一些不發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，衛(wèi)生狀況還不是很理想。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：排泄物會(huì)污染食物和水源，引發(fā)腸道疾病，造成每年150萬未滿5歲的兒童喪生，比艾滋病和瘧疾共同造成的死亡人數(shù)還高。聯(lián)合國《2012年千年發(fā)展目標(biāo)報(bào)告》指出：“發(fā)展中國家和地區(qū)將近一半人口（25億）仍無法獲得改善的衛(wèi)生設(shè)施?！?/p>

20世紀(jì)80年代，中國推動(dòng)改水、改廁、健康教育“三位一體”愛國衛(wèi)生運(yùn)動(dòng)。以籌備亞運(yùn)會(huì)為契機(jī)，中國拉開“廁所革命”序幕。20世紀(jì)90年代，中國將農(nóng)村改廁工作納入《中國兒童發(fā)展規(guī)劃綱要》和中央《關(guān)于衛(wèi)生改革與發(fā)展的決定》，在農(nóng)村掀起了一場轟轟烈烈的“廁所革命”。在國家“十四五”規(guī)劃中再次強(qiáng)調(diào)了農(nóng)村廁所革命是鄉(xiāng)村振興的重要抓手。

上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院水污染控制與資源化創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)針對“廁所革命”中糞污收集運(yùn)輸困難、污染物超標(biāo)無序排放、資源化水平低下等難題，開拓性地打造中國微生物電化學(xué)驅(qū)動(dòng)環(huán)境污染物高效處理與資源化的技術(shù)體系，并將其應(yīng)用到資源循環(huán)型生態(tài)廁所構(gòu)建、畜禽糞污梯級資源化處理和污水深度處理中去，促進(jìn)幾百個(gè)環(huán)保項(xiàng)目在全球落地，產(chǎn)生了大量的經(jīng)濟(jì)效益，為中國和世界的環(huán)保事業(yè)作出了貢獻(xiàn)。

源起于比爾 · 蓋茨基金會(huì)“重新發(fā)明廁所”公益活動(dòng)

2012年，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人劉洪波教授入職上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院。在同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院獲得博士學(xué)位后，他曾前往德國美因茲大學(xué)進(jìn)行博士后工作，接觸了大量前沿的環(huán)保技術(shù)。

2014年，比爾 · 蓋茨基金會(huì)在全球開展了“重新發(fā)明廁所”公益活動(dòng)，向全球科研工作者征集科研方案，參賽者必須在沒有水、電力、化糞池的情況下讓廁所正常運(yùn)轉(zhuǎn)，每個(gè)人的使用成本不能超過5美分，完成的生態(tài)廁所要能給非洲等不發(fā)達(dá)地區(qū)進(jìn)行日常使用。

看到征集通知，劉洪波想起了自己在德國所學(xué)的微生物電化學(xué)環(huán)保技術(shù)，這個(gè)技術(shù)就是把整個(gè)污水處理廠看成是潛在的“電池”，水就類似電池中“電解質(zhì)”，微生物可源源不斷產(chǎn)生電能。曾有科學(xué)家認(rèn)為如果把所有污水處理廠的電能收集起來，將可能成為污水“核電站”。

設(shè)想是很好，但存在成果落地的工程困難?！笆聦?shí)上水的電阻很大，很難收集到足夠的電能，只停留在理想化的理論層面?！比梭w少量獻(xiàn)血會(huì)促進(jìn)新陳代謝，那么有沒有辦法讓微生物的活動(dòng)更活躍一點(diǎn)，劉洪波想到“電刺激”模式，他把微生物產(chǎn)生的弱電又重新返回到污水中去，這樣簡單的操作居然產(chǎn)生了神奇效果，微生物降解糞便效率大大增強(qiáng)，產(chǎn)生了更多的電能，只要有源源不斷的糞便進(jìn)入廁所，處理裝置就可成為不斷產(chǎn)能的“永動(dòng)機(jī)”。項(xiàng)目在提交后立刻獲得比爾 · 蓋茨基金會(huì)的肯定。上海理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)成為“重新發(fā)明廁所”公益活動(dòng)中國賽區(qū)優(yōu)勝的四支隊(duì)伍之一，共同獲得500萬美金資助。

“永動(dòng)機(jī)”模式開啟，糞尿作為能源的環(huán)保廁所

環(huán)保廁所的產(chǎn)業(yè)化工作也由此拉開帷幕，為了能讓成果成功落地，劉洪波和團(tuán)隊(duì)成員研發(fā)了大量的應(yīng)用型技術(shù)。

首先是實(shí)現(xiàn)了“糞尿”的分離，兩者混合一起不便于高效處理，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了源分離節(jié)水負(fù)壓收集技術(shù)，打造了混排負(fù)壓坐便器和蹲便器，可以實(shí)現(xiàn)糞便和尿液的分開處理。

糞便中的液體被稱為“黑水”，而尿液被稱為“黃水”，糞便和尿液所含的物質(zhì)是不一樣的。另外，在收集糞便和尿液的時(shí)候，負(fù)壓收集技術(shù)和新型液位氣控閥門可以在不耗電的情況下實(shí)現(xiàn)糞便的高效收集，其中負(fù)壓排水驅(qū)動(dòng)力可以達(dá)到常規(guī)便器靜壓排水動(dòng)力的40～50倍，單次沖廁水的水量從6升降低到2升，分離收集系統(tǒng)還充分考慮到在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中隔絕和消除臭味。

其次是改變傳統(tǒng)思維，發(fā)明了基于微生物弱電調(diào)控的廁所污染物全譜資源化反應(yīng)器及配套設(shè)備，可以“自維持”的同時(shí)完成微生物發(fā)電和糞尿資源化工作，還能將糞便中的污水深度凈化為沖廁所的回用水。

“我們可以采用微生物電化學(xué)耦合技術(shù)回收糞尿中的氮磷鉀物質(zhì)，可以獲得人工鳥糞石和菱鎂礦等高價(jià)值肥料。鳥糞石俗稱磷酸銨鎂，其在水中的溶解度極低，可作為一種磷肥生產(chǎn)的原材料或緩釋肥料，用于農(nóng)作物生長。菱鎂礦的化學(xué)成分是碳酸鎂，菱鎂礦除提煉金屬鎂外，還可用作耐火材料和制取鎂的化合物。過去糞便中鉀鹽的提取是一個(gè)難點(diǎn)，存在技術(shù)挑戰(zhàn)，我們也解決了這個(gè)難題，將其采用電化學(xué)的方法定向轉(zhuǎn)變成磷酸鎂鉀肥料。我們測算過在電流密度為每立方厘米3.5毫安的情況下，系統(tǒng)對糞尿中磷的回收率可以達(dá)到88.5%，對鉀的回收率也可以達(dá)到35.4%?！眲⒑椴ń榻B說。因?yàn)槭褂昧伺涮讓Ｓ玫木鷦┖臀⑸锶蹼姶碳し椒?，從某種程度上說，整個(gè)系統(tǒng)就是一個(gè)可以不斷接納和處理的“永動(dòng)機(jī)”，只要有糞尿進(jìn)來，系統(tǒng)就可以不斷地自我運(yùn)轉(zhuǎn)，可以把糞尿看成該套系統(tǒng)的“能源”，如廁就意味著讓系統(tǒng)開始“無人管理自動(dòng)運(yùn)行”，環(huán)保廁所的人均如廁耗電每天不到0.05度。

十分驚艷的是該系統(tǒng)可以“無人自動(dòng)運(yùn)行”2年才需清掏一次殘?jiān)陀倌?。而普通的環(huán)保廁所運(yùn)行一年就需要進(jìn)行清理，糞污清掏周期延長一倍。

最后是將資源化結(jié)束后的污泥同時(shí)“吃干榨盡”，也讓其產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益?！拔覀兛梢詫?jiān)臀勰鄡?yōu)先進(jìn)行就地資源化，比如可將富氮污泥與農(nóng)作物秸稈等進(jìn)行合理配比，通過智能發(fā)酵設(shè)備生產(chǎn)有機(jī)肥料，也可以根據(jù)規(guī)模統(tǒng)一清運(yùn)到污泥資源化中心進(jìn)行集中穩(wěn)定化處理和資源化利用?！?/p>

廣受好評，環(huán)保廁所已經(jīng)揚(yáng)名海內(nèi)外

在國內(nèi)某個(gè)火箭海上發(fā)射平臺上，上海理工大學(xué)的“環(huán)保廁所”成果已經(jīng)變成了現(xiàn)實(shí)，白色的廁所中，2/3空間是如廁區(qū)域，1/3空間放置了“自運(yùn)行處理裝置”，不需要使用外部電源，整個(gè)廁所十分干凈衛(wèi)生，這里每天最多可接待1000多人如廁。

像這樣的環(huán)保廁所在國內(nèi)已經(jīng)有100多個(gè)，在北京、上海、江蘇、浙江、河南、內(nèi)蒙古、青海等省市得到了應(yīng)用。應(yīng)用單位有方艙醫(yī)院、石油公司、物流公司等，環(huán)保廁所還隨著一些央企漂洋過海在位于非洲的中國援建工程中得到應(yīng)用，受到了廣泛好評。

“我們測算下來，已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的環(huán)保廁所每年服務(wù)超過千萬人，減少有機(jī)污染物5000噸左右，回收1000余噸氮肥，節(jié)約沖廁用水200多萬噸，近三年新增產(chǎn)值超過2億元?！眲⒑椴ㄕf。

項(xiàng)目授權(quán)專利17項(xiàng)，其中發(fā)明專利有10項(xiàng)，共發(fā)表論文28篇（其中SCI論文有23篇）。團(tuán)隊(duì)成員主編或參與編制《城市公共廁所系統(tǒng)衛(wèi)生安全發(fā)展報(bào)告》《鄉(xiāng)村廁所革命實(shí)踐與指導(dǎo)》《農(nóng)村公共廁所運(yùn)行管護(hù)技術(shù)規(guī)范》 等國家及行業(yè)報(bào)告/標(biāo)準(zhǔn)/專業(yè)指導(dǎo)書。

在此基礎(chǔ)上，劉洪波帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成了“微生物弱電驅(qū)動(dòng)畜禽糞污梯級資源化關(guān)鍵技術(shù)與裝備”和“微生物電化學(xué)輔助低C/N污水深度脫氮理論與技術(shù)”等項(xiàng)目。前者將微生物弱電技術(shù)應(yīng)用到畜禽類的糞便資源化管理中，后者利用該技術(shù)進(jìn)行污水深度處理。微生物弱電環(huán)保技術(shù)也成為國內(nèi)外備受關(guān)注的新型環(huán)保技術(shù)。

團(tuán)隊(duì)成員徐蘇云副教授說，目前大家還在全力對微生物弱電技術(shù)的機(jī)理進(jìn)行更加細(xì)致和深入的研究。

“我們希望繼續(xù)深入探究微生物資源化處理背后的弱電釋放機(jī)理，更好地對其進(jìn)行調(diào)控，希望其能釋放更多的電能，未來能對環(huán)保廁所進(jìn)行系統(tǒng)的技術(shù)升級，滿足更多用戶的需求?！眲⒑椴ㄕf。

本文作者吳苡婷為上?？萍紙?bào)主任記者，中國科技新聞學(xué)會(huì)科技傳播理論研究專委會(huì)理事，中國科學(xué)技術(shù)出版社特聘科普專家，上海市科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員