農村資源化公共廁所技術和實施的效益分析

時義磊，曹智，周律

（清華大學環境學院，北京 100084）

目前，中國城鎮基本實現了污水的全收集，但農村污水仍未得到較好的處理[1]，農村廁所的排污是農村污水的主要來源，已對農村環境產生比較嚴重的負面影響。此外，為了應對盲目過量施用化肥導致的耕地退化問題，2015 年農業部也提出了2020 年化肥使用量零增長的目標[2]。而實現這一目標的重要手段之一就是提高農村污水中糞尿的資源化利用[3]。2017 年我國人均化肥消耗量可達氮肥（以N 計）每年每人15.98 kg、磷肥（以P 計）每年每人5.74 kg、鉀肥（以K 計）每年每人4.46 kg，而將人類糞尿中富含的氮、磷、鉀等營養物質經資源化處理后用作肥料在農村地區具有重大現實意義[4-5]。

2015年，農業部印發了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，要求提高農業生產中有機肥資源利用率。2020 年7 月14 日農業農村部等三部委印發了《農村廁所糞污無害化處理與資源化利用指南》和《農村廁所糞污處理及資源化利用典型模式》等文件，進一步指導農村資源化廁所的建設與發展。本研究對農村初步調查也表明，廣大村民對于建設和使用資源化廁所有極高的熱情。

近年來，糞尿資源化技術不斷取得突破，出現了各種新型的資源化廁所系統，但如何在不斷趨嚴的農村環保標準之下，將資源化廁所與農村特點相結合，為不同農村地區因地制宜地提供改廁技術方案仍然缺乏系統性的指導。因此，本研究在分析不同糞尿資源化技術研究現狀的基礎上，設計適合北京某農村地區的資源化公廁系統，分析在不同情境下推廣資源化廁所可實現的經濟與環境效益，為我國農村地區廁所資源化技術選用和農村水污染控制提供建議。

1 材料與方法

1.1 資源化廁所系統設計

為建設適用于農村地區的資源化廁所系統，筆者按照下述研究步驟開展了調研、試驗與設計等工作。

（1）首先通過文獻調研總結了糞尿資源化的常見技術，并通過實地調研、與專業人士交流、參觀展覽等方式，分析了目前資源化廁所系統的研究現狀。

（2）基于調研結果，對現有的黃水資源化技術（氨氮吹脫、鳥糞石結晶、正滲透膜）進行集成，并通過小試試驗驗證其運行效果，試驗所需原料、試劑及材料見表1。試驗步驟：取黃水500 mL 于瓶中，投加5 g Ca（OH）2，設置吹脫風量為1 L·min-1，進行連續1 600 min的吹脫，測定反應過程中氨氮（NH3-N）濃度變化，NH3-N 濃度通過納氏試劑法檢測；吹脫試驗完成后，使用抽濾瓶及分析濾紙對1 號瓶內的黃水進行過濾，對所得的固體樣品進行干燥處理；將過濾后的黃水作為原料液進行水通量（JW）測試，測試裝置見圖1，測試條件見表2。

表2 水通量測試條件Table 2 Water flux testing conditions

圖1 水通量測試裝置模型圖（a）及實物圖（b）Figure 1 The model（a）and photo show（b）of water flux testing device

表1 試驗所需原料、試劑及材料Table 1 Experimental materials and reagents

1.2 資源化廁所系統效益評價

在完成技術驗證后，筆者將集成技術和褐水厭氧發酵技術結合，考慮北京市某農村地區的特點，設計了適用于該地區的全資源回收型廁所系統，研究資源回收型廁所系統在不同應用情景下的環境效益和經濟效益，并與傳統水沖廁所進行對比。公廁前段，配置2 個男士小便器、2 個男士大便器、6 個女士大便器的公共廁所每日可服務780名女士和800名男士。假設公廁后端采用不同的排放或資源化技術，具體分為情景A、B1、B2、C1、C2、C3、C4七種系統。公廁的前端和后端組成了完整的公廁系統。

1.2.1 情景設置

所設置的研究情景如表3所示。

表3 資源化廁所系統應用情景Table 3 Application scenarios of resource-oriented toilet system

情景A：完整下水道式水沖廁所，采用常規節水便器，利用自來水進行沖廁，之后糞尿污水進入儲糞池，進而通過市政排水管網排至集中式污水處理廠進行處理；情景B：部分資源回收型廁所系統，采用負壓源分離便器，利用自來水及正滲透（Forward osmosis，FO）-反滲透（Reverse osmosis，RO）系統回收所得的回用水進行沖廁，對收集得到的黃水進行資源化處理（先吹脫結晶回收硫酸銨固體，再沉淀過濾獲得緩釋肥，最后通過FO-RO 系統獲得再生水），而褐水則進入化糞池，進而通過市政排水管網排至集中式污水處理廠進行處理，其中情景B1利用太陽能電池板進行供電，而情景B2則利用市政電網進行供電，此情景適用于有一定市政供排水管網的農村地區；情景C：完全資源回收型廁所系統，采用負壓源分離便器，在完全利用FO-RO 系統回收所得的回用水的基礎上，情景C1和情景C2利用自來水補充缺少的沖廁水，情景C3和情景C4則利用FO-RO 系統處理其他地表水來補充缺少的沖廁水，在部分資源回收型廁所系統的基礎上，將褐水和其他廢棄物（畜禽糞便、餐廚垃圾、作物秸稈等）混合進行厭氧發酵，其中情景C1、情景C3利用太陽能電池板進行供電，而情景C2、情景C4利用市政電網進行供電，情景C1、情景C2適用于有一定市政供排水管網的農村地區，情景C3、情景C4適用于無供排水基礎設施的偏遠農村地區。

1.2.2 經濟性評價方法

目前大多數政府部門和國際機構都采用費用-效益分析（Cost-benefit analysis，CBA）作為公益性項目的主要經濟性評價方法。費用-效益分析中需要剔出轉移支付的影響，并利用影子價格體系，確保分析中的價格能真實反映實際情況，同時將間接費用或間接效益等外部效益內部化，以便從整個國家或社會的角度全面分析項目的經濟性，在費用-效益分析中，經濟凈現值（Economic net present value，ENPV）可反映出項目運行周期內的經濟性，目前已被較多地用于評估廁所系統的經濟性。本研究采用經濟凈現值法評估上述7 種不同廁所系統的經濟效益，其計算公式如式（1）所示：

式中：n為項目計算年限，a，本研究中將各個廁所系統的使用年限統一為20 a；Bt為廁所系統在第t年的總效益，萬元；Ct為廁所系統在第t年總費用，萬元；i為社會折現率，本研究中廁所系統的社會折現率取8%。

1.2.3 環境效益分析方法

本研究采用生命周期評價（Life cycle assessment，LCA）來分析資源化廁所應用后的環境效益。LCA 是一種評價產品（或服務）生命周期內環境影響的方法。由于可以同時考慮建造、使用、廢棄等各個階段，該方法目前廣泛應用于市政基礎設施的可持續性評估中。假設廁所使用年限為20 年。建設階段、使用階段、糞尿處理階段、資源回收階段、報廢階段的輸入輸出均納入研究的系統邊界內。LCA 計算過程在Gabi 8.0軟件中實現，背景數據來自軟件自帶的數據庫。本研究選取的環境影響類別有：化石燃料類非生物資源消耗潛勢（Abiotic depletion potential-fossil，ADP-f）、元素類非生物資源消耗潛勢（Abiotic depletion potentialelements，ADP-e）、酸化潛勢（Acidification potential，AP）、富營養化潛勢（Eutrophication potential，EP）、淡水水生生態毒性潛勢（Freshwater aquatic ecotoxicity potential，FAETP）、100年全球變暖潛勢（Global warming potential，GWP100）、人類毒性潛勢（Human toxicity potential，HTP）、海洋水生生態毒性潛勢（Marine aquatic ecotoxicity potential，MAETP）、臭氧層破壞潛勢（Ozone layer depletion potential，ODP）、光化學物質生成潛勢（Photochemical oxidation potential，PCOP）、土壤生態毒性潛勢（Terrestrial ecotoxicity potential，TETP），各類環境影響均通過CML-IA方法計算。

2 結果與討論

2.1 資源化廁所系統設計

糞尿資源化技術的處理對象根據糞尿收集、貯存、轉運設備的不同而有所區別，主要可分為三類：①黃水，即尿液或含少量沖廁水的尿液；②褐水，即不含尿液的糞便污水；③黑水，即糞便、尿液和沖廁水的混合物。其中黃水的氮、磷、鉀等營養物質含量較高，而褐水、黑水的干物質含量較高[6]。故對黃水的資源化處理目標主要是從黃水中回收氮、磷、鉀、水等物質，對褐水、黑水的資源化處理目標主要是獲得有機肥、沼氣等資源或能源。

目前黃水資源化的趨勢為先利用濃縮減量技術對尿液進行富集濃縮，之后搭配產氫、產電、鳥糞石結晶、氨氮吹脫等技術實現資源的回收[7-9]，相關的資源化技術可分為氮回收技術、磷回收技術、電化學技術和膜技術四類，技術原理和采取的方法詳見表4。

表4 黃水資源化技術總結Table 4 Summary of resource recovery techniques of yellow water

褐水和黑水資源化的主要思路是創造厭氧、高溫等不適于糞大腸菌群等病原體生存的環境，在實現糞便無害化、減量化的同時，回收產生的沼氣以及其他富含腐植酸類有機物的肥料，主要的技術包括堆肥、厭氧消化、干化焚燒等。表5 總結了目前常見的褐水和黑水資源化技術，對技術的成熟度、糞污減量化效果、資源回收效果以及操作條件和成本進行了總結，并歸納了目前技術存在的問題。

表5 褐水和黑水資源化技術總結Table 5 Summary of resource recovery techniques of brown water and black water

搭配前端的糞尿收集裝置，可將上述多種資源化技術集成用于設計廁所系統，表6 總結了已有的不同技術成熟度的資源化廁所系統。

表6 資源化廁所系統總結Table 6 Summary of resource-oriented toilet systems

筆者所在的研究團隊在充分調研目前資源化廁所系統開發現狀的基礎上，在滿足用戶舒適度體驗和公共廁所衛生規范（GB/T 17217—1998）條件下，綜合考慮了各種糞尿資源化技術的特點，將吹脫回收氨、結晶回收磷、正滲透膜回收水等黃水資源化技術進行集成。集成技術驗證試驗結果如圖2 所示。結果表明：在黃水資源化過程中，該系統可以固態肥料（氮肥和緩釋復合肥）的形式高效回收黃水中的氮、磷、鉀，回收率分別可達97.43%、99.44%、31.95%；營養物質的回收使得黃水中氨氮濃度大幅降低，試驗進行1 000 min 后，黃水中氨氮濃度從1 400 mg·L-1降低至50mg·L-1；當使用3 mol·L-1NaCl溶液作為汲取液時，4 h連續運行正滲透膜水通量平均可達3.58 L·h-1·m-2，水回收率可達74.67%。以上結果表明，氨氮吹脫-鳥糞石結晶-正滲透膜集成技術可有效地對黃水進行資源化處理。

圖2 全資源回收型廁所系統的運行效果Figure 2 The performance of the resource-oriented toilet system

最后，筆者所在的研究團隊將集成黃水資源化技術和褐水厭氧發酵技術結合，設計了全資源化回收型廁所系統，為了更好地在農村地區應用，研究團隊利用草木灰中和氨氮吸收過程中過量的酸，并將農作物秸稈用于混合厭氧發酵過程，最終形成了適用于農村地區的全資源回收型廁所系統，見圖3。

圖3 全資源回收型廁所系統模式圖Figure 3 Diagram of the resource-oriented toilet system

2.2 資源化廁所技術效益分析

各個系統的費用-效益流量表如表7 所示，ENPV結果如圖4所示。

圖4 各廁所系統的經濟效益Figure 4 The ENPV of different toilet systems

表7 各系統費用-效益流量表（萬元）Table 7 Cost-benefit analysis results of the different toilet systems（104yuan）

由圖4 可知，盡管所有廁所系統的ENPV 均小于0，但情景B1、情景B2與完整下水道水沖式廁所系統的經濟效益接近，而情景C1～C4的效益則優于完整下水道水沖式廁所，其ENPV 相對情景A 的ENPV 分別提高了72.96、49.65、52.28、24.05 萬元，增幅分別為81.74%、55.62%、58.57%、26.94%。對糞尿均進行無害化、資源化處理的廁所系統（情景C1～C4）的經濟效益優于僅對尿液進行資源化處理的廁所系統（情景B1～B2），這主要是因為情景B1～B2對黃水進行資源化處理后剩下的高濃度黃水和褐水的處理成本過高，而資源化獲得的產品帶來的經濟補償較低。使用太陽能電池可以較好地提高資源回收型廁所系統的經濟效益，情景B1相對于情景B2提高了37.46 萬元，情景C1相對于情景C2提高了23.31 萬元，情景C3相對于情景C4提高了28.23 萬元，這主要是因為太陽能電池板的使用雖然增加了廁所系統的建設成本，但相對電網供電的環境效益，其環境成本（間接效益中減少環境退化成本）大幅降低，故而提升了情景B1、情景C1、情景C3的經濟效益。獨立于市政供排水管網的廁所系統（情景C3、情景C4）相對于依靠市政給水管網的廁所系統（情景C1、情景C2）而言，經濟效益更差，情景C3相對于情景C1下降了20.68 萬元，情景C4相對于情景C2下降了25.61萬元，這主要是因為與情景C3、情景C4依靠FO-RO 膜系統處理地表水相比，自來水廠生產清潔水具有規模效應故而經濟成本和環境成本均更低。此外，RO出水的水質高于自來水廠，處理過程的大量電耗帶來了額外的環境成本，在實際應用過程中，可考慮將地表水進行簡單地絮凝、沉淀、過濾處理，之后用作沖廁水以降低這部分成本。

從表7 可以看出，情景B1～B2和C1～C4的固定成本遠高于情景A，但在運行期間的凈收益則優于情景A。各個廁所系統的ENPV 仍為負值（表明經濟上項目不可行），主要是因為所采用的吹脫、結晶、正滲透等設備為自制設備，成本和運維、折舊費用較高，但隨著相關技術的不斷革新，以及資源回收型廁所系統大規模推廣建設后帶來的設備和產品的規模化、規范化生產效應，相關設備的價格會逐漸下降，從而提升廁所系統的經濟效益，最終使得資源回收型廁所項目達到經濟可行。各廁所系統的ENPV 結果變化情況如圖5 所示。LCA 結果如圖6 所示。從圖6 可以看出，將糞尿中的碳、氮、磷、鉀等營養物質全部回收的情景C1～C4，其環境效益最優，相對于情景A，情景C1～C4在除TETP 之外的所有環境影響類型上均具有更優的環境效益，具體的降幅如表8所示。

表8 情景C1～C4相對于情景A環境影響的降幅（%）Table 8 The degree of declining of the impact of scenario C1～C4 relative to scenario A（%）

圖5 糞尿資源化設備價格變化對廁所系統經濟效益的影響Figure 5 The impact of resource recovery equipment price changes on ENPV of the different toilet systems

圖6 資源化廁所系統的環境影響Figure 6 The environmental impacts of different toilet systems

將資源回收型廁所系統的ENPV 和環境效益結合起來分析可知，相對于完整下水道水沖式廁所（情景A），情景C1～C4在經濟、環境效益上均更具優勢。在有供排水管網的農村地區，應優先利用市政供水管網，選擇情景C1或者情景C2，情景B1也可作為替代完整下水道水沖式廁所的選擇，而情景B2在目前階段則不適于應用；在無供排水管網的農村地區可選擇情景C3或情景C4。在能源利用方面，資源回收型廁所系統在應用時，應充分利用太陽能等清潔能源以取得更好的經濟和環境效益。

3 結論

（1）將吹脫回收氮、結晶回收磷、正滲透膜回收清潔水、厭氧發酵回收沼氣等技術集成用于農村地區，實現糞尿污染物的無害化、減量化、資源化，具有較好的運行效果。

（2）在本研究的公廁規模條件下，對糞尿均進行無害化、資源化處理的廁所系統的經濟、環境效益均優于僅對尿液進行資源化處理的廁所系統和傳統水沖廁所。

（3）在進行農村資源化廁所技術比選時，應充分考慮當地的供水供電條件，在缺乏供排水管網、供電網等基礎設施的農村地區，建設對糞尿均進行無害化、資源化處理的廁所系統綜合效益最大。