致力于生态环境保护的无水生态厕所研究与实践

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摘要：因为水资源越来越缺乏及环境保护的迫切需要，开发无水生态厕所及其资源化的生态卫生系统是更为符合人与自然和谐发展的需要，源分离无水生态厕所实现了完全无水、无臭、无污染及资源化。这种无水生态厕所的开发、应用是对目前水资源紧张、环境保护问题突出的矛盾的一种有益探索，也是解决缺水少水地区卫生问题非常有效的途径。

关键词：无水 生态 厕所 源分离 资源化

1 引言

据测算，冲厕用水约占生活用水量的20%，全国城镇人口每年冲厕用水不低于50亿吨，相当于25座中型城市的年供水量。水冲式厕所使缺水的城市供水更为紧张，同时生活污水中人体粪便是地表水富营养化的主要原因，显而易见，传统的水冲式厕所是浪费和污染水资源的主要根源。

当前，我国多数地区缺水的现实使传统的水冲厕所受到严重的质疑和挑战，无水生态型厕所将是适应这一形势的最佳选择。目前普遍认可的发展生态厕所的核心思想就是以达到保护和节约使用有限水资源，同时实现营养物质的资源化目的，以可持续发展为目标，以寻求人与环境协调发展的环境观念为基本理念［1］。

2 无水生态厕所的现状

目前较流行于市场上的无水或节水厕所新技术，从处理途径和基本原理来看大致可分为物理型、化学型、生物型三类，由于适用的环境和条件不同而各有局限性。

2.1 国内物理型、化学型环保厕所

物理型包括机械打包式、气水压力式、泡沫密封式、真空抽吸式、干燥粉碎式等；化学型包括各种加化学除臭剂式、小便冲大便式等。这类厕所主要是基本解决了人如厕的免水冲厕或微水冲厕问题，但其不足是不符合生态要求、需要二次清运、对环境的后续影响较大、不节能、臭味大、日常维护要求高等。

2.2 国内生态型厕所

我国生态厕所的研究应用刚起步，现主要以下几类：

尿液单独处理的循环水冲洗型生态厕所

它是通过专门设计的分离装置将尿液单独收集起来，自动加入专用药剂去除异味后，回用于冲洗厕所；粪便干燥后可制成农用肥料。它的优点是可以使粪便资源化，但在使用过程中需少量补充水，日常管理要求比较高，粪便外运会产生二次污染。

粪尿混合处理的循环水冲洗型生态厕所

它是采用好氧生物处理法或膜法等，利用微生物的新陈代谢作用，最终将粪便降解为CO2和H2O，过程中产生的水经处理后回用冲洗厕所，也可排入环境。它的优点是粪尿一并处理，并可以回用冲厕，但仍需定期补水和定期清污，且污染物浓度会随厕所的运行逐步增高，导致其处理难度大，长期运行的成本太高、处理效果普遍不理想。

免水微生物堆肥型生态厕所

它可分为厌氧型和好氧型两类，采用厌氧发酵或好氧堆肥工艺，粪便最终处理成有机肥或土壤改良剂。其优点是无残渣、无水，但其不足是处理时间长、臭味浓、卫生状况差、占用空间大。

免水生物降解型生态厕所

它采用专门培育的微生物菌种处理粪便，将大分子有机物降解为糖、脂肪酸和氨基酸等小分子有机物，粪便减量化时间短、效率高，目前在市场上推广较热，但该型厕所受到粪尿比例的限制，如尿液比例过高，影响菌群的生长活性和高效降解；另外其菌种需定期更换且成本高。

2.3 国外生态厕所

日本是最重视生态厕所研究开发的国家之一，TadaharuIshikawa教授最早发明了免水生态厕所，日本科学技术振兴机构JST推出了锯末堆肥型反应器；英国已研制成功名为“斜坡”的卫生系统，已在英国和爱尔兰投入市场，粪便在盛放木屑的塑料箱内分解为混合肥料；这两种厕所基本上不用水冲、不必使用除臭剂，也不需要有排污管道。

圣萨尔瓦多有一种适合农村地区使用的太阳能厕所，利用太阳能集热板干燥粪便，最后作为肥料外运；南太平洋岛国广泛使用堆肥型厕所，它带有温室和蒸发床，将粪便制成堆肥。［2］

3 无水生态厕所的发展方向

我国要用世界7％的水资源和7％的耕地资源养活世界21％的人口，因此，现有水冲厕所的卫生体系并不适合我国这个有着广大农村地区的国家。无水型生态厕所作为传统集中处理卫生系统的替代品是我国在建设卫生系统时的一个非常合适的模式，其理念则正好符合我国的国情。如何推出更符合卫生习惯、更生态、更环保、更节水的新型厕所，我们认为具备“四无”、“三低”、“一化”的厕所将是其发展方向。“四无”即“无水、无臭、无污染、无排放”，“三低”即“投资成本低、运行成本低、维护要求低”，“一化”是指资源化。

做到“无水”即达到完全节水的要求，将具有极好的市场推广价值；“无臭”才能让老百姓愿意使用；“无污染、无排放”则意味着对环境的污染为零，且必须要做到资源化才能达到无排放的目的。“投资成本低、运行费用低、维护要求低”，则能让政府、企业、社会等能接受并建设和投入使用。

4 新型无水生态厕所的关键技术研究

为要做到“四无”“三低”“一化”，首先必须研究新型便器以做到如厕无水，通过研发新型无水自洁全自动便器，实现了无水洁厕；经过三年多的反复研究、试验开发出干式好氧生物反应器、尿液资源化处理系统和生物除臭技术，实现了粪便的无害化、资源化处理，将尿液收集进行尿激酶和乌司它丁的生产以及氮、磷回收及中水的生产。

4.1 生态厕所工艺流程

4.2 无水除便技术的研究、开发

为了克服现有节水、无水便器使用中感观不适、不能做到完全无水、不能有效除臭等的不足，湖南海尚用5年的时间研发了无水自洁全自动便器，不仅感观舒适，而且能做到完全无水免冲，自保持清洁。该便器由集便槽、固液分离装置、清渍装置以及动力系统等组成，其上部为传统的集便区即便盆,中部为隔便区,两端为除便区。

人进入厕所后，无水自洁全自动便器经感应装置自动开启运行，人小便经导流板自流至尿液收集与处理系统，大便落经传动板进入粪便干式反应器，在人如厕过程中即时完成便污的清除，保持便器的干净清洁。

4.3 粪便干式生物处理的研究

粪便的无害化处理，我们采用新型好氧堆肥生物技术进行研究。堆肥化 ( comopsitgn)依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物对有机物进行降解，从而使有机物转化为类似腐殖质物质，堆肥最终产物富含N、P、K营养元素，是优良的土壤调理剂和有机肥料。堆肥过程中的污染物降解和氮素固定是影响堆肥效果的主要因素，粪便的C/N(质量比)较低，在好氧堆肥过程中的氮损失严重，其气态形式的N20和NH3，对环境产生危害［3］。为减少氮的损失并提高肥效，我们重点研究了以下方面：1)改变通风方式，对通风进行有效控制，使堆体内的氧含量始终保持在较高水平，可抑制反硝化，从而减少硝态氮的损失；2)在干式生物堆肥过程中加入谷壳、秸杆、锯末、米糠等添加剂，通过增加C/N减少氮素损失等；3）堆肥过程设置缺氧区，形成厌氧状态的高固体消化，以扩大处理效率。最终试验表明：在有效的控氧（通风量）、控温、控湿（水分）、控碳氮比的四控条件下，粪便可连续处理，填料补充周期可稳定在180d以上，其营养成份保留较好。

4.4 尿液资源化处理技术的研究

尿液中含有丰富的氮磷等营养元素，如果能加以资源化处理既能减少对环境的污染，又能产生一部分附加效益。目前对尿液的资源化主要有提炼用于溶血栓的如尿激酶等药品的技术、采用沸石吸附的提氮技术、采用磷酸氨镁工艺的固磷技术等。再辅以厌氧、好氧生物技术将尿液处理达标。在针对单台厕所或区域内总数量较少的厕一般就地处理尿液，采用厌氧+电子活化与生物酶+湿地土壤的联合技术实现尿液的净化和就地消化处理。

4.5 生物除臭技术的研究

生物除臭法是利用微生物来分解、转化臭气成分以达到除臭目的，目前我们经过反复试验，确定锯末加谷壳粉、秸杆粉、米糠等的混合后作为生物载体应用效果很好。在脱臭材料中起作用的微生物主要有硝化细菌、亚硝酸菌、反硝化细菌、硫细菌等，在生物除臭法中，我们重点控制好分解能力和充分的供氧，可以维持良好的除臭效果

5 新型无水生态厕所的应用情况

按照上述的研究思路我们进行了产品的开发，经过两年时间的反复设计、制作后，进行小批量生产，并在湖南省农业厅所属百果园农庄进行了共计8厕位设备的安装、试用。自2010年四月投运至2011年3月底使用一年的情况看，运行情况正常，处理效果满意，尤其是其间经历了2010年五一、国庆、2011年春节等的大流量游客的高负荷使用，最高使用时有的厕位一天的使用人数超过400人次。现场无臭，粪便出料周期约半年一次，出料为干燥的初级有机肥。

5.1 粪便处理

现场一年的运行情况表明，温度对整个处理、反应的过程影响不大。其主要原因是全套设备采用室内布置，受外界的温度影响较小。现场测试情况来看，在环境温度低于0℃时，干式反应器内温度最低维持在21℃以上，便器工作正常，尿处理系统未冻化，整个处理过程无臭。 在干式反应器内设置有通风口，每天30人次大便（约150人次）发酵处理的通风量有20m3间歇运行即可满足要求。

通过现场运行调试与测试结果，粪便处理的微生物生长及有机物质分解的适宜水分含水率控制在40%-50%效果较佳，经特殊设计的源分离型便器有微量尿液补充进来，基本上能维持含水率在45%左右，并能保持稳定。含水率过高或过低，不利于好氧微生物生长，好氧分解速率缓慢。［5］

现场运行情况测试结果表明，在发酵反应过程中，各堆体C/N 略呈下降，相对平缓。初始C/N较高，经过一个周期后C/N达到25～30左右即可出料。

5.2 尿液处理

尿液收集后进行了尿激酶的提取，其提取的时间段控制在12小时内，约6吨新鲜尿液可提取1公斤尿激酶，采用改性沸石进行尿液固氮其吸附氨氮率可达到24mg/g，采用鸟粪石工艺可以将磷回收80%以上。

人尿液中COD高、氨氮高，其处理采用厌氧发酵+电子活化好氧生物酶技术处理，有场地的地方设计湿地型生物滤池进行现场净化处理土壤吸收。从现有厕所运行情况来看，一厕位一天产尿液约0.05m3,经上述工艺处理后尿液无色无臭，达到国家污水综合排放一级标准要求，可就地作绿化等用途。如果有场地采用湿地滤池的话，可完全被土壤吸收。

5.3 固液分离与卫生情况

新型无水自洁便器内设固液分离单元和自洁装置，现场运行情况表明，源分离便器内部清洁、干净、无臭，厕所间无异味、无蚊蝇。固液（粪尿）分离率达95%以上。

6 新型无水生态厕所的应用是一种发展趋势

源分离型无水生态厕所在取得中试成功后，至2011年初，先后在湖南、山西、广东、上海等地进行了推广，共计有50台设备投入使用并连续运行。在使用中得到了用户的高度赞扬和评价，认为完全解决了无水冲厕的难题，真正实现了无水除便、免冲卫生的要求；认为真正做到了生态环保，实现了对粪便零污染、零排放和无害化、资源化的要求。

随着试点工作的深入，生态厕所的优点将越来越赢得人们的认同。在风景名胜区、在无上下水设施的场所、在交通工具中的使用已显示其不可替代性。生态厕所在公共场所的普遍应用可以改善局部的生态环境，而当生态厕所走进每个家庭，厕所革命就会真正到来，这将是21世纪最重要的事件之一。

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