【廁所資訊】糞便造成84%氮磷汙染總負荷!糞便處理的問題、模式和思考

2021-02-22 中環協公廁建設管理專委會

來源 | 廁所之聲

作者 | 黃濤、田時雨、馬魯銘、毛雲峰、吳德禮

「中國要美,農村必須美」。中國地域廣闊,農村人口眾多,在近幾年的國家基礎設施建設中,農村建設的重要性逐漸突顯出來,中共中央提出了鄉村振興戰略和農村生態文明建設。廁所建設及廁所糞汙的科學處理是農村人居環境治理的重中之重,同時也是農村建設的重大短板。傳統中國農村旱廁由於搭建簡易,缺乏糞尿收集處理與防滲措施,容易導致腸道傳染病、寄生蟲病和血吸蟲病等疾病的流行。研究表明,農村地區80%的傳染病是由廁所糞便汙染和飲水不衛生引起的,廁所糞汙以及畜禽糞汙的不科學處理給農村居民的身體健康帶來巨大的威脅。與此同時,廁所糞汙對環境的汙染也不容忽視。據統計,廁所汙水中總氮、總磷的貢獻率佔農村生活汙水、汙染物總負荷的84%,大約有50%行政村的飲用水源被汙染。由此可見,農村廁所糞汙治理對農村生態環境改善、農村居民身體健康以及縮小城鄉差距都具有重要意義。人體糞便中含有大量的有機物以及營養元素,如氮、磷、鉀等,1個人1 d代謝出1g磷,其中80%在尿液中,因此尿液也被稱為液體黃金。全世界每年生產1.6億t合成氮磷鉀化肥,但卻通過水衝廁所損耗0.5億t肥料,糞汙的排放是對磷資源的巨大浪費。研究者指出,人類排洩物是資源,但是其經濟性仍然很低,未來需要研發市場化產品,實現糞尿肥料化利用。因此,糞汙資源化利用將是未來的趨勢,通過科學的方法處理廁所糞汙不但能消除環境汙染,還能帶來一定的經濟效益和影響深遠的社會效益。

「廁所革命」糞便處理現狀

我國對農村廁所的改造以及廁所糞汙的治理歷史久遠,從新中國成立初期倡導的農村「兩管五改」工作,再到現今的「廁所革命」,我國人民付出了巨大的努力,也取得了一定的成就。我國衛生廁所普及率在1996年為20.9%,2016年衛生廁所普及率達到 80.40%,2019年第十七屆中國國際農產品交易會人居環境治理展中提到,廣東、浙江、上海等地農村衛生廁所普及率可達98%以上,預計到2020年可達100%。

(市、區)

衛生廁所普及率糞尿分集式廁所佔比水衝式廁所佔比其他類型廁所佔比北京99.801000天津94.401000河北73.20.6570.8328.51山西58.80.346336.67內蒙古71.418.2423.9257.88遼寧76.90.7854.5544.68吉林80.618.24.9876.85黑龍江80.44.0817.1478.78上海99.1099.190.9江蘇97.40.9892.566.46浙江98.3097.942.06安徽68.95.1353.7441.12福建93.90.3497.771.91江西89.10.0577.7622.19山東92.19.464.3726.23河南79.63.7272.7323.55湖北830.0373.3926.58湖南79.50.1752.9946.83廣東93.70.0996.233.67廣西85.60.1992.037.78海南79.8098.321.77重慶67.90.399.70四川80.90.4677.8621.68貴州580.2167.2132.58雲南64.81.5958.3340.07陝西57.60.7480.1219.12甘肅75.810.1937.8451.94青海69.2028.5771.58寧夏68.53.4276.0620.38新疆64.63.0371.7225.15

表1 2016年衛生廁所普及率及廁所類型佔比

根據2016年《中國衛生和計劃生育統計年鑑》數據以及王永生等的研究可以發現,在我國衛生廁所中水衝式廁所佔比(表1)最高,10個省(市)應用比例達到90%以上,15個省(市、區)應用比例在50%~90%之間,僅有內蒙古、吉林、黑龍江、甘肅、青海這5個地區水衝式廁所佔比低於30%。對於廣大的農村地區,由於面積廣不易鋪設管道、地勢等原因,在水衝式衛生廁所中,三格化糞池式衛生廁所所佔比例最高。東北地區由於氣候寒冷原因較少選擇水衝式衛生廁所,轉而選擇糞尿分集式衛生廁所以及其他類型廁所。

「廁所革命」進程中糞便處理存在的問題

近幾年的「廁所革命」以及農村生態建設雖然取得了比較大的成效,但是對於較貧困的西北地區,衛生戶廁普及率依然較低。對於經濟較發達、衛生廁所普及率較高的區域還存在以下幾個問題。

1 廁所糞汙治理問題 

在當前政策高壓狀態下,地方政府將「廁所革命」重點放在「改」上,一味強調衛生廁所數量以及衛生廁所普及率,忽視廁所糞汙的「治」。

將「廁所革命」與早期的「改廁運動」混淆,這樣不僅沒有從根本上解決農村廁所糞汙汙染問題,反而浪費大量人力財力。以農村地區應用範圍最廣的三格化糞池為例,任麗華等通過對浙江省農村衛生廁所無害化效果調研發現,三格化糞池數量所佔比例為94.19%,而在化糞池出口的排放方式中,僅約50%納入汙水管道,其餘則直接滲入土壤或排放入水體;同時僅有36.5%的農戶使用化糞池第三格出水作為液肥。

然而王玉華等通過對農村三格化糞池汙水處理效果進行調研(表2)發現,三格化糞池對總氮和總磷去除率較低,對化學需氧量(COD)的去除率也僅為48%左右,即便這樣,化糞池出水中的COD濃度仍有 890 mg/L,通過對比GB 8978—1996《汙水綜合排放標準》(二級)、GB 18918—2002《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》(二級)、GB 5084—1992《農田灌溉水質標準》(旱作)這3種標準後發現,均未能達到標準值,並且具有較大差距[12],因此可以認為,三格化糞池不是一種糞汙處理設施,僅可以作為一種臨時儲存裝置和無害化功能措施,廁所糞汙還需要進行進一步處理。

汙染指標進口濃度
(mg/L)出口濃度
(mg/L)去除率
(%)
總氮76.170.96.83
總磷17.613.423.92

化學需氧量

1730.3890.948.51

表2 江蘇省三格式化糞池進出口水樣總氮、總磷、COD濃度 及去除率平均值

2.農村居民「廁所革命」意識薄弱 

農村地區居民由於平均文化水平不高,且近年農村空巢老人比例越來越高,對廁所衛生的重要性不夠重視,再加上長期以來的生活習慣不易改變,在許多農村地區存在「一戶兩廁」現象,即政府部門協助修建了衛生廁所,但是原有旱廁未拆除或不願意拆除,居民認為水衝式廁所浪費水電,對於某些收入不高地區,會增加居民支出,所以仍然選擇使用傳統旱廁。這樣一來不僅沒有達到「廁所革命」的目的,還增加了政府人力財力的支出,並且極可能導致「二次廁所革命」,引起農村居民的反感。

3 缺乏高效管理保障機制 

當前我國衛生廁所普及率只重視數量,對質量重視程度較低。對於不同地區適用衛生廁所的選擇,是否可以做到因地制宜;對於實地衛生廁所的設計,是否有進行專業設計;對於衛生廁所建設工程的質量標準,是否可以做到嚴格把控,這些問題都影響了衛生廁所的普及效果以及使用效率,但是目前多數衛生廁所的建設都不能解決這些問題,大部分建造人員都缺乏系統學習,管理鬆散。

與此同時,對於農村衛生廁所後續的運行管理、農村居民的宣傳教育等方面都沒有健全的機制,如何能夠保障農村衛生廁所可以長期高效運行也是當下人們必須考慮的問題之一。

農村廁所糞汙治理模式

針對當前人們大多只重視廁所內部使用環境的改善,忽視廁所糞汙的治理,對農村生態環境以及人居環境「治標不治本」的問題,總結當下所研究的或已經試行的廁所糞汙治理模式,以期面對不同的自然條件以及發展水平,因地制宜地選擇不同的糞汙治理模式。

三格式化糞池改造

傳統三格式化糞池對汙染物降解率低,出水達不到排放標準,隨意排放後對農村土壤以及水體仍有較大危害,因此國內外許多學者研究如何通過對三格式化糞池進行改造,以簡單的方式提升汙染物降解水平,從而減小汙染物對環境的負面作用。

Luostarine等在低溫時使用升流式厭氧汙泥層化糞池(UASB-septic tanks)處理廁所糞汙以及廁所糞汙與廚餘垃圾的混合物,結果發現,95%的總懸浮固體(TSS)和90%的總化學需氧量被去除;另外,最終出水中汙泥的溶解性化學需氧量幾乎為零;但是總氮的去除率不高,在10 ℃時去除率為18%左右。升流式厭氧汙泥層式化糞池是常規化糞池的改良版(圖1),其區別在於它的升流操作模式,降低了厭氧汙泥與廢水中有機物之間的接觸程度,從而增強了對懸浮固體的物理去除能力和對溶解有機物的生物去除能力。

圖1 升流式厭氧汙泥層式化糞池

另外,升流式厭氧汙泥層式化糞池還可以存儲和(部分)穩定產生的汙泥,由此獲得了較長的汙泥保留時間,改善了活性汙泥的保留情況,提高了低溫條件下的糞汙處理效率。同時,多相系統可以通過進一步提高汙泥的保留率來增強低溫處理能力,在第1階段中,固體的去除和非酸化有機物質的轉化也得到了增強,在隨後的第2階段中,溶解的化合物則被去除。

關華濱設計的厭氧折流板反應器(ABR)化糞池、韋昆設計的新型填料化糞池對汙染物的去除率較傳統化糞池都有30%~40%的提升,該新型填料化糞池對動植物油以及表面活性劑(LAS)有71%~90%、35%~45%的去除效果,去除後出水可達到灌溉用水標準,裝置如圖2所示。

圖2  新型填料化糞池

傳統的三格式化糞池流態為水平流,內部容易形成短流和死區,該設計通過對反應器內部流態進行優化,來提高汙染物去除效率,提升出水水質。主要原理為在第一格室設置多層孔板,以形成擾流使流場均勻分布,從而促進汙染物的降解;在第二格室設置折流板,延長水力停留時間;在第三格室設置陶粒填料層起到過濾作用;在第四格室收集出水,用於農田灌溉。

通過對三格式化糞池的改造,雖然可以提升出水水質,但是仍未達到國家汙水二級排放標準,因此僅適用於農業灌溉等低品質用水要求,如果要進一步提升水質,還需要外接人工溼地等進一步處理設施;另外,廁所底泥未進行進一步處理,對廁所糞汙資源化利用率低,未能實現資源和能量的循環流動。對三格式化糞池的改造適用於水系發達且對灌溉用水等低品質用水有需求的農村地區,由於在低溫條件下處理效率不高,因此不適用於北方寒冷地區。

農村水衝式廁所的糞汙綜合治理模式

根據2016年《中國衛生和計劃生育統計年鑑》數據,我國水衝式廁所佔比最大,許多學者針對水衝式廁所糞汙如何實現無害化、減量化、資源化作出探討。河南省商丘市大劉莊村化糞池式廁所改造項目,提出了基於全生態鏈的農村糞汙治理綜合模式,如圖3所示。

圖3 基於全生態鏈的農村糞汙治理綜合模式

該模式基於生態系統物質循環與能量流動原理,將農村化糞池式廁所系統作為鄉村區域生態循環的子系統進行研究。在該研究系統中,首先使用微水衝廁所,以降低對三格式化糞池的體積要求和後續清掏次數要求;人體排洩物經過三格式化糞池初步腐熟後,產生的糞渣可以經過乾燥脫水後摻合農作物秸稈共同堆肥形成固體肥料,並用於農業生產;糞液可以直接施入土地中,但是要注意其中有害微生物濃度,防止對人體健康產生危害,也可以通過管道輸送經村級二級處理後作為灌溉水。經過上述過程形成一條循環的閉路生態鏈條,實現三格式化糞池式廁所產物的無害化、零排放和再循環。

上述糞汙處理模式適用面較廣,不管是居住較集中的城鎮或者村莊,還是居住分散的散戶都可以有較好的治理效果,並且在此基礎上可以實現多元有機固廢協同處理的綜合處理模式,但是這種模式同樣存在一些缺陷,在管理、維護方面比較複雜,成本較高,受農村經濟條件的限制,許多高新技術不適宜在農村地區推廣。同時存在對於乾旱少雨和冬季高寒區域水衝式廁所不適用等缺陷。

糞尿分集式廁所糞汙資源化處理

我國幅員遼闊,在西北地區由於乾旱少雨,沒有足夠的水資源來修建水衝式廁所,而在東北等高寒地帶,由於冬季氣溫極低,三格式化糞池會形成冰凍,因此也不適用於水衝式廁所。為了解決這些地區農村衛生廁所建造問題,研究人員設計出糞尿分集式衛生廁所。這種廁所的核心技術是在前端如廁部分安裝一種經過專業設計的糞尿分集式便器;與傳統便器相比,糞尿分集式便器由2個排出口組成,分別收集尿液和固體糞便。將無害的尿液部分通過前面的尿液排出口導尿管流入廁所下方的尿桶單獨收集,糞便部分則通過糞尿分集式便器後方的排出口進入下方的糞池內單獨收集處理。

源分離尿液本身所含病原微生物量極少,並且尿液中的營養成分能被農作物直接吸收利用,雖然尿液中會含有微量的重金屬物質,但這些重金屬含量有限,基本可以忽略不計。因此可以將源分離尿液稀釋後直接灌溉土地,實現氮磷資源的再利用。同時,也有研究通過一定的技術回收尿液中的氮磷資源,其中工藝較為成熟的是沉澱結晶技術。沉澱結晶技術利用磷酸銨鎂(Mg NH4PO4·6H2O,MAP)或磷酸鎂鉀(KMgPO4·6H2O,MPP)沉澱法使尿液中的氮磷鉀以晶體形式析出,然後回收。這種方法可以同時回收多種元素,且生成的尿糞石自身就是一種低釋放型優質肥料,可直接用於農田生產中。

通過覆蓋秸稈粉末可以促進糞便幹化脫水,同時抑制其中微生物的生長,減少臭味散發。幹化覆蓋後的糞便可以集中進行發酵堆肥處理,以有機肥料的形式還田,從而實現碳氮磷硫多種元素的資源化利用。趙偉提出的糞尿分集式廁所糞汙資源化處理模式(圖4)就是基於上述原理。

圖4 糞尿分集式廁所糞汙資源化處理模式

糞尿分集式廁所糞汙資源化處理模式由於其不需水衝、耐嚴寒等優點,適用於乾旱少雨地區如我國甘肅、寧夏北部、青海西北部、西藏北部等地區以及冬季嚴寒如吉林、黑龍江等地區。但同時存在著若處理不當會造成糞便無害化效果不好等缺陷。

太陽能微動力一體化單戶處理模式

太陽能微動力組合式一體化處理模式[3]主要採用厭氧-好氧活性汙泥法來處理廁所糞汙(圖5)。

圖5 太陽能微動力一體化單戶處理模式

廁所出水經過簡單預處理後進入厭氧過濾池,通過厭氧過濾池中的微生物降解其中的有機物,減少懸浮物總量與固體物質含量,同時通過反硝化作用將回流中的硝酸根、亞硝酸根轉化為N2,實現脫氮的效果。然後再進入到好氧曝氣池,通過太陽能電池供電曝氣,進一步去除其中的有機物,同時通過聚磷菌富集其中的磷,定期將一小部分汙泥外運。最後汙水經消毒池達標排放,未完全分解的有機物經沉澱池後回流至厭氧過濾池。該模式也可同時將廚房汙水與淋浴汙水一同處理。

這種處理模式具有佔地面積小、處理效率高、節能環保、適用範圍廣等優點。但是這種模式尚處於實驗室階段,並未大概範圍推廣,主要是由於其中一些缺陷尚未克服,如成本較高、實際運行管理麻煩、對農村居民操作要求高等。將來可通過技術改革,簡化其中操作流程,對於極偏遠地區農戶使用或者村鎮集體使用都具有較好前景。

當前「廁所革命」應該有別於以往的「農村改廁」。需要行政、科研人員積極去探索思考,如何推動農村「廁所革命」高效、高質量、因地制宜進行,在今後的「廁所革命」工作中應當注意以下幾個問題:

第一,「廁所革命」是一場關於廁所的觀念、意識和行為的革命。農村地區居民由於文化水平有限,對廁所衛生的重要性認識還不夠高。可通過適當的宣傳手段,提高居民對「廁所革命」的認識,改變他們對傳統廁所的觀念,從而讓農村居民自發自願的參與到「廁所革命」中。

第二,「廁所革命」是廁所建造和糞便處理技術的革命,不只是簡單的改廁,而是將改廁與糞汙處理作為系統來考慮。要避免只重視廁所內部之「改」,忽視廁所外部之「治」的行為。如果農村廁所糞汙沒有得到有效治理,那麼就不可以說「廁所革命」是成功的,只有在真正意義上實現了農村廁所糞汙的科學治理,才能真正改善農村人居環境。

第三,「廁所革命」是糞便管理模式和資源化利用的革命,探索規模化的糞便資源化利用模式已成為美麗鄉村和生態化農業發展的要求。糞便資源化道路是農村廁所糞汙治理的必由之路,應積極探索適應不同地區的糞便資源化利用模式,加快糞尿資源化利用技術的攻關和綜合模式示範,因地制宜地開展農村「廁所革命」工作。

推動高寒適宜廁所技術、水衝廁所的資源化利用技術、節水或無水廁所技術、分戶式糞便處理技術等關鍵技術的研發、改進和應用,實施技術創新和集成,形成改廁-糞汙處理-資源化的系統解決方案,在真正意義上通過「廁所革命」來改善農村生態環境和人居環境。

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  • 臨沂養殖戶沿河道建大棚 糞便汙染河道村民買水喝
    家禽養殖為農民脫貧致富提供了另一種選擇,但也會產生糞便汙染。最近,臨沂市平邑縣為了治理汙染,就向轄區內的家禽養殖戶下發了一紙通知,要求距離河道500米之內的養殖大棚全部拆除。通知一下,立即引起了養殖戶的不解和質疑。
  • 鄉鎮生活汙水處理工藝有哪三種方案
    ,按我國農村現狀,不可能按照統一的固定模式處理村莊的生活汙水,應該因地制宜,採取合適的汙水處理方法。①、用途和功能生活汙水包括廚房炊事用水、沐浴、洗滌用水和衝洗廁所用水,其特點有三:一是衝洗廁所的水中含有糞便,是多種疾病的傳染源;二是生活汙水濃度低;三是生活汙水可降解性較好,適用於厭氧硝化製取沼氣。生活汙水淨化沼氣池是根據生活汙水的上述特點,把汙水厭氧硝化,沉澱過濾等處理技術融於一體而設計的處理裝置。