我國農村化糞池技術發展現狀及趨勢

賴竹林 于振江 周雪飛

摘要 隨著農村改廁的不斷推進，截至2017年底三格化糞池廁所的數量超過8 000萬個，在無害化衛生廁所中占比最大。三格化糞池不消耗動力，無害化程度高，因此深入了解化糞池對于農村改廁具有重要意義。為此通過Derwent Data Analyzer軟件對中國、美國和日本的化糞池專利進行聚類分析，介紹了“廁所+化糞池+糞污利用”和“水沖廁所+化糞池+污水處理”2種改廁模式下化糞池技術的發展現狀。通過分析總結，認為糞污資源化是農村化糞池未來重要發展方向，負壓微水沖的節水技術和糞便減量化技術等可促進資源化，同時可采取“化糞池+”技術等改善糞便污水的處理效果。

關鍵詞 化糞池;農村改廁;糞污處理;資源化

中圖分類號 X703 ?文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）19-0069-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.019

Abstract With the constant progress of toilet improvement in rural areas，the number of threeseptictank toilet had reached more than 80 million by the end of 2017.It accounted for the largest proportion of harmless sanitary toilets.Threesquared septic tank did not consume power and has a high degree of harmless.Therefore，it was of great significance to understand septic tank toilets in rural areas.In this paper，Derwent Data Analyzer was used to conduct cluster analysis on the patents of septic tanks in China，the United States and Japan.Furthermore，introduced the technology development of septic tanks under “toilet + septic tank + fecal utilization”and “water flushing toilet + septic tank + sewage treatment” models.By the analysis and summary，it was concluded that the resource utilization of feces would be an important development direction of rural septic tank in the future.The watersaving technology of negative pressure microflushing and the reduction technology of feces could promote the resource utilization.Moreover，“septic tank +” technology could be adopted to improve feces treatment.

Key words Septic tank;Toilet improvement in rural areas;Manure disposal;Resource recovery

基金項目 國家重點研發計劃項目（2018YFD1100500）

作者簡介 賴竹林（1994—），男，江西贛州人，碩士研究生，研究方向：污水處理與資源化。*通信作者，教授，從事污水處理與資源化研究。

收稿日期 2020-05-11

廁所是人們日常所用的基礎設施，可體現一個民族的衛生文化和國家的文明程度。國內外研究表明，農村80%的傳染疾病，如兒童腹瀉、血吸蟲病等，是由廁所糞便污染和不安全飲水引起的，通過改水改廁可以有效控制糞源性傳染病的傳播[1-2]。我國農村基礎設施薄弱，廁所已經成為改善農村衛生環境的重要短板，發展無害化衛生廁所顯得尤為重要。2018年國務院發布的《農村人居環境整治三年行動方案》，要求到2020年農村衛生廁所普及率達到85%左右。截至2017年底，全國農村衛生廁所的普及率達到了81.8%[3]，其中三格化糞池廁所的比例為37.6%，取得了顯著的環境效益。

在我國農村改廁主要有2種路徑，一種是“廁所+化糞池+糞污利用”模式（簡稱模式一），廁所污水進入化糞池后，腐熟的糞液和清掏的糞渣以農田施肥為主;另一種是“水沖廁所+化糞池+污水處理”模式（簡稱模式二），化糞池作為污水預處理措施。在兩種路徑下，雖然化糞池的基本原理和結構相似，但由于其功能定位和運用場景不同，對化糞池的要求也有所差異。

許多學者對農村化糞池做了研究，陳杰等[4]介紹了不同類型的化糞池在實際生活中的選用，范彬等[5]概述了化糞池技術在分散式污水處理中的運用，武海霞等[6]探討了化糞池的管理模式，但未結合農村改廁路徑，對化糞池技術發展進行系統的梳理。基于此，筆者根據前期實地調研、文獻資料和數據分析軟件（derwent data analyzer，DDA），探討了我國農村化糞池的發展現狀，并分析了未來發展趨勢。

1 三格化糞池的應用現狀

2002—2017年，全國農村衛生廁所普及率從47.6%提高到81.8%，截至2017年，三格化糞池廁所的數量超過8 000萬個[3]。如圖1所示，東部占比為64%，沿海省份如浙江省和江蘇省的三格化糞池廁所分別占省內衛生廁所的81.5%和79.5%，中部、西部地區各占17.9%、18.1%，呈現出“東高西低”的格局。

2 化糞池的技術發展現狀

化糞池作為一種原始的厭氧反應器，最早可以追溯到19世紀的歐洲。1860年，法國人在住宅與糞坑之間建造了一個“箱”，減少了固體量，產生的澄清液體可直接排入土壤里，法國《宇宙》雜志稱之為“MOURAS”池。隨著1895年英國研究人員申請了將“MOURAS”池改進為化糞池（septic tank）的專利，此后在世界范圍內對化糞池的研究也逐漸增多[7]。

為了更好地分析國內化糞池的技術發展趨勢，該研究利用專利檢索分析系統（derwent innovation）和DDA數據分析軟件，以化糞池（septic tank）為主要關鍵詞，對全球化糞池專利（截至2019年11月）進行檢索，進行二次篩選和標引，同時對申請量排名前三的國家（日本、中國和美國）的化糞池專利進行聚類分析，以21世紀為分界線，但由于中國21世紀前的專利數量較少，遠遠低于美國和日本，故僅對21世紀后中國的專利進行詳細分析，分為2000—2008年、2009—2014年及2015—2019年3個時間段，得到的ThemeScape專利地圖如圖2所示。

從圖2中可以發現，全球化糞池的發展大致經歷了2個階段，第 Ⅰ 階段是對化糞池材質和結構的優化，第 Ⅱ 階段是強化化糞池的污水處理。

由圖2（a）和圖2（b）可知，在21世紀前，1985年日本開始實施《凈化槽法》[8]，對化糞池的材質和結構進行改良，利用不飽和酯合成不同性質的殼體材料。在化糞池中設置膜分離器可以有效地去除生活污水中的污染物。而美國相應地出臺了《化糞池系統房主指導手冊》，主要采用由化糞池、排水場等組成的化糞池/土壤系統處理家庭生活污水[9]。

隨著科學技術的發展，21世紀后日本的化糞池逐漸向固液分離、預制式化糞池及研發微生物載體等方向發展，逐漸改良為具備處理污水功能的小型設施。而美國更加側重于改善化糞池性能，通過提高密封性，安裝循環裝置，提高厭氧效率。

由于日本和美國的下水管網系統發達，糞便污水以達標處理排放為主，而國內化糞池技術發展與農村改廁運動密切相關，由圖2（c）可知，化糞池專利申請主要集中在2015—2019年，在材料（樹脂）、結構（安裝環、固液分離）、糞污處理與資源化（人工濕地、發酵罐、酸化、芽孢桿菌）等得到全面發展，處于第Ⅰ和第Ⅱ階段的并行時期。

為了進一步深入分析我國農村化糞池的發展趨勢，筆者將結合目前主要兩種化糞池改廁路徑進行介紹。

2.1 材質改良

隨著經濟和技術的發展，化糞池的材質得到了迅速發展，在建筑形式上也有很大的改變。從早期的磚砌化糞池、現澆鋼筋混凝土化糞池的現建式，到預制鋼筋混凝土化糞池、玻璃鋼化糞池和塑料化糞池的整體式，在一定程度上解決了易泄漏、易腐蝕的問題。調查顯示，目前市場主流改廁產品是以塑料注塑為工藝生產的雙甕和三格化糞池[10]。

2.2 發展模式

在農村改廁中，化糞池從單格化糞池、雙格及多格化糞池和“化糞池+”技術，逐步實現了糞便污水的無害化、資源化和達標處理排放。結合農村的自然環境和經濟條件，形成了以“廁所+化糞池+糞污利用”和“水沖廁所+化糞池+污水處理”為主的農村化糞池改廁路徑。

2.2.1 模式一：廁所+化糞池+糞污利用。在這個模式下，大致可分為3個階段，每個階段的特點有所不同，解決的問題也有所側重。

第 Ⅰ 階段是以糞便貯存為主要功能的單格化糞池。

20世紀60年代，在我國農村開展了“兩管五改”活動，建造不滲漏的糞缸、糞坑來管理收集糞便。化糞池以一大格為主，可臨時儲存糞便，但底泥容易受到池內產生氣體的擾動，導致出水中懸浮固體濃度較高影響農田回用而逐漸被淘汰。

第 Ⅱ 階段是以實現糞便無害化與資源化的兩格、三格化糞池。

20世紀90年代，為改善飲水和衛生條件，開始在農村進行改水改廁，南方地區開始使用兩格、三格式化糞池。顏維安等[11]、杭德榮等[12]等的研究表明兩格式化糞池的糞便無害化效果較好，適合在農村中推廣。

為了便于取用腐熟后的糞液，在戶廁改造中用三格化糞池取代兩格化糞池。三格化糞池一般呈“目”字或“品”字型排列。過糞形式由窗口式過糞口、直通管和“U”字型，向“/”型（斜管式）、倒“L”字型轉變。

三格化糞池對糞便中的大腸桿菌和寄生蟲卵均有顯著的殺滅作用，但池型、過糞管和密封性都會影響無害化效果。研究發現，斜管式過糞管比窗口式過糞口更能發揮三格化糞池的截留糞皮糞渣和除卵作用[13]，節水型高壓水沖便器可保證糞便無害化所需要的時間，同時有機物濃度也利于發酵[14]，如上海市農村在1993年開始采用節水型水沖式座便器配套2 m3三格化糞池的戶廁。但由于戶用化糞池的糞液抽取周期與農業需求周期不一致，導致糞液不能及時利用，此外勞動強度與應用技術也會影響糞污生態還田的程度。任麗華等[15]、鐘格梅等[16]的調查發現農村廁所糞便用作農田肥料的比例只有34.32%～48.65%，糞污資源化程度較低。

第 Ⅲ 階段為完善化糞池其他功能，如清掏技術、糞便減量化技術等。

化糞池會產生大量的糞便污泥，最大清掏周期可達到1～2年，其清掏方式發生了很大的改變。從人工掏糞、真空吸糞車到無泵吸糞車、多功能吸糞車，大大縮短了吸糞時間，實現糞渣和糞液的固液分離。

為了減少糞便污泥量，宋珍霞等[17]投加0.5%的復合菌劑（HBH-II）、黃川等[18]添加0.005 ～ 0.10%的有效微生物（EM）和多功能復合微生物制劑（MCMP）來分解糞便污泥，對TS、SS均有顯著的減量效果，可使浮渣層厚度和臭氧濃度維持在較低水平[19]。

2.2.2 模式二：水沖廁所+化糞池+污水處理。

由于對總氮、總磷的處理效率低，化糞池是地表水營養元素排放的潛在來源[20]。王玉華等[21]評價了江蘇省168戶農村三格化糞池的污水處理效果，對COD、TN和TP的平均去除率分別為48.51%、6.83%和23.92%，與城鎮污水處理廠綜合排放標準（GB 18918—2002）、農田灌溉水質標準（GB 5084—2005）的要求仍有很大差距，直接排放會導致對環境的污染風險。

在模式二中，形成了小三格化糞池+大三格化糞池、化糞池/土壤滲濾、化糞池/人工濕地及化糞池的微生物強化等“化糞池+”技術。

近年來，在積極引進日本凈化槽的同時，國內學者開展了對化糞池的結構、生物載體及反應條件等研究。

用3個化糞桶或2個水泥涵管取代3個方池，可降低建造成本，提高密閉性。攪拌器或三相分離器的設置，消除了糞便結殼，提高了糞便的分解速率和污水與微生物的接觸面積。針對山區特殊地質條件，有些地區采用“農戶小三格化糞池+村內大三格化糞池”進行糞污處理。為了強化微生物的處理效果，湯克敏等[22]、付婉霞等[23]通過化糞池中添加填料，如球形陶粒填料、半軟性填料，與此同時范建偉等[24]、陳志強等[25]、韋昆等[26]將之改為填料/折流式化糞池，均提高了化糞池對污水的凈化效果。王昶等[27]聯用多戶化糞池，王立東等[28]將三格化糞池改造為預處理曝氣池、厭氧發酵池和接觸氧化池等，較大改善了處理效果。為優化化糞池內部結構，吳珊等[29]利用示蹤實驗和Fluent 軟件對傳統化糞池的內部流場進行了數值模擬，并提出了在進出口附近添加擋板和改變化糞池截面形狀等改進建議。

由于化糞池處理能力有限，可運用生物生態組合技術來處理化糞池尾水。宋偉民等[30]利用滲坑土壤過濾處理化糞池出水，結果表明周邊土壤1、5、10 m均低于國家標準限值，但需要考慮土壤的納污承受能力[31]，劉雯等[32]、徐德星等[33]的研究均表明人工濕地處理化糞池出水，對COD、TP有較好的處理能力。

在北方及高海拔的寒冷地區，調查發現寒冷季節凍結問題是影響農戶改廁意愿的主要因素之一。可通過外部加設保溫結構、太陽能加熱[34]等方式來增強化糞池的抗凍性能，目前，防凍型戶廁多采用增加埋深的方式，超過凍土層厚度。孫成軍[35]研究了聚苯乙烯保溫板對改性聚丙烯污水處理設備在低溫下（-10 ℃和-20 ℃）的保溫效果，結果表明水體的最低溫度隨保溫板覆蓋面積增大而有所提高，但未對保溫的持久性進行深入研究。針對在不同覆土深度下的化糞池受力變化情況，趙猛等[36]結合有限元軟件，分析出危險區域，提出了增設加固件的加強方案。

2.3 現有的相關標準

農村早期的化糞池達到一定容積就可實現貯存糞便的功能，隨著人們對環境衛生認知的程度不斷加深，農村改廁的需求也向無害化、資源化的方向轉變。在1990年開始根據《中國村鎮廁所及糞便無害化處理設施圖選》建設農村衛生廁所。目前在城市化糞池設計規范的基礎上建立了相關規范標準，如表2所示。

在《農村戶廁衛生規范》中規定了對戶廁的設計、安裝、衛生指數等，《農村三格式戶廁建設技術規范》重點強調了安裝、施工及工程驗收，《農村三格式戶廁運行維護規范》對糞污管理、日常維護給予了詳細指導。雖然在產品要求中規定了殼體抗壓性、隔板密封性等，但對于制造工藝及包裝運輸的要求有待于完善。在模式二中沿用了《建筑給水排水設計規范》中城市化糞池的規定，但對于適用于農村化糞池處理污水的各池容積之比缺少詳細的研究。

3 展望

糞污生態還田技術是處理農村糞污的未來重要發展趨勢，但我國農村經濟發展不平衡，有些農村地區不具備下水管網條件，在模式二下，需要建立較為完整的污水處理系統，是農村化糞池的一種“過渡模式”。結合我國農村改廁路徑，針對目前化糞池存在的不足，提出以下幾點思考與建議：

（1）在模式一中，針對高、寒地區，探索經濟有效的化糞池保溫方式，在旱、孤地區，在設計和施工時重點考慮清掏周期與轉運條件，可開發糞便減量化的高效菌劑免清掏技術。發展負壓節水技術，保留農戶使用糞肥的習慣，建立全生態的化糞池系統，通過庭院消納、農田施肥、沼氣發酵等手段，提高糞污資源化程度。

（2）在模式二中，針對不同地區的農村污水排放標準與典型區域的生態要求，構建化糞池系統的模塊化處理技術，在不同的應用場景下形成化糞單元的生物強化處理、化糞單元與生態耦合處理和化糞單元排泄物的就地處理等技術。

（3）建立適宜農村地區化糞池標準與管理體系，完善多元化投入機制，積極培育改廁服務市場。

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