不同類型鄉村廁所的特征特性及其在廁所改造中的應用模式

孟 靜， 譚曉波*， 譚益民， 王 璐， 萬喜萍

(1.湖南工業大學 城市與環境學院， 湖南 株洲 412007； 2.農牧業廢棄物資源化綜合利用湖南省重點實驗室， 湖南 株洲 412007； 3.城鎮水安全排放及資源化湖南省重點實驗室， 湖南 株洲 412007)

改善農村人居環境，建設美麗宜居鄉村，是實施鄉村振興戰略的一項重要任務[1]。農村廁所改革對改善農村環境衛生狀況及實現排泄物的資源化利用具有重大意義。2018年2月5日，中共中央辦公廳 國務院印發《農村人居環境整治三年行動方案》，明確指出“廁所改革”的行動目標，即到2020年，有基礎、有條件的地區，基本完成農村戶用廁所無害化改造；有較好基礎及基本具備條件的地區，衛生廁所普及率達85%左右[1]。2020年上半年，全國一二類縣共完成農村改廁約300萬戶，全國農村衛生廁所普及率已超過60%。其中，海南省2020年上半年，完成農村改廁15.27萬戶，農村廁所覆蓋率達到98.4%。黑龍江省2019年，完成農村改廁13.25萬戶；2020年上半年，完成農村改廁1.4萬戶。

我國幅員遼闊，不同地區的自然條件、經濟水平、村落特征等具有明顯差異,依據因地適宜的原則，不同地區所適用的廁所類型也顯著不同。為我國鄉村廁所改造合理選擇改造類型和模式提供參考，以廁所耗水量及末端處理模式作為分類依據，將鄉村廁所分為3大類(水沖式廁所、微水沖式廁所、免水沖式廁所)及5種應用模式(水沖式廁所+直排、水沖式廁所+分散處理、水沖式廁所+集中處理、微水沖式廁所+資源化利用、免水沖式廁所+資源化利用)，歸納總結不同類型廁所系統的原理和適用特性，并結合不同地區的典型應用示范，系統剖析其在廁所改造中的應用模式及優缺點。

1 水沖式廁所及其應用模式

在水沖式廁所系統中，應用最為廣泛的簡化處理構筑物主要是三格化糞池和雙甕漏斗式2種類型。三格化糞池(圖1a)，主要由3個密閉的化糞單元格組成(第一、二、三池的容積比一般為2∶1∶3)。第一格主要利用重力和浮力，沉淀蟲卵及糞污懸浮物，形成浮渣層、中間層、沉渣層，同時利用厭氧發酵，使糞污中的病菌和寄生蟲卵得以高效滅活；第二格發酵處理，同時產生H2S、CH4、CO2等氣體；第三格完成糞污腐熟，形成以腐殖質為主要成分的有機肥[2]。雙甕漏斗式(圖1b)，主要由2個甕形儲糞池組成，其基本原理是糞污在前甕進行初步發酵(不少于30 d)，再進入后甕進行厭氧發酵，進一步消殺糞污中的寄生蟲卵和病菌。2種水沖式廁所具有改建成本低、施工方便、操作簡單等優點，是我國鄉村廁所改革應用最為廣泛的廁所類型，但其需要定時清掏糞污，且耗水量巨大、抗凍性能差，不適宜于北方干旱缺水和高寒地區[3]。

圖 1 水沖式廁所系統中三格化糞池式(a)和雙甕漏斗式結構(b)

1.1 “水沖式廁所+直排”模式

在“水沖式廁所+直排”系統中，糞污水僅經化糞池簡單處理后排入附近受納水體[4]。因其成本低廉、運行維護簡單，是當前我國農村廁所改造中最主要的應用模式。據統計，我國96%的村莊沒有系統的排污管網和污水處理設施，進行直排的村莊占絕大多數[5]。由于化糞池處理后的污水仍含有大量的有機物、氮磷、懸浮顆粒物等各類污染物質，其直接排放導致嚴重的環境污染問題，包括地表水體富營養化、地下水污染等[6]。據測算，全國農村每年生活污水排放總量達90億t，其中糞污排放總量超2.6億t，是我國農村水環境惡化的主要源頭之一[7-8]。

1.2 “水沖式廁所+分散處理”模式

該模式是將糞污水經糞池初步處理后就近分散式收集和處理的一種模式，包括單戶系統和群集系統2種類型。單戶系統是指單戶連接機械處理裝置或自然系統，完成污水的收集和處理；群集系統是指聯戶(2戶及以上)的污水通過管道系統輸送到小型集中處理站進行統一處理[9-10]。如表1所示，分散式處理主要采用人工濕地、穩定塘、膜生物反應器(MBR)等污水處理技術[11]。分散式處理系統具有占地面積小、靈活多樣、管網建設與維護費用低等優點，適宜于聚集性低的農村地區[12]。如四川省某農村地區采用“單戶系統+庭院式人工濕地處理”模式，單戶排放的污水經化糞池初步處理之后，排入庭院式人工濕地[13]。湖北省襄陽市農村地區采用群集系統和“三水分流、兩級處理、一片濕地”模式，共建設小三格化糞池3 882戶、村級大三格化糞池35個、人工濕地35處，其廁所糞污水經“小三格化糞池”處理后，還田利用，其余生活污水通過管道進入村級“大三格化糞池”，無害化處理后排入人工濕地，取得了良好的環境效益[14]。

表1 常用的鄉村分散式污水處理技術比較[15-18]

1.3 “水沖式廁所+集中處理”模式

該模式是將較大范圍內的污水進行統一收集、統一輸送、統一處理的一種模式。根據輸送方式不同，可劃分為直接輸送(管道)、間接輸送(抽糞車、打包轉運)2種類型。該模式具有處理規模大、效率高的優點，但管網投資大、易發生滲漏(可達10%～20%)，同時造成資源損耗(高達20%的氮、5%的磷及90%的鉀)。該模式適用條件比較嚴苛，僅適用于部分聚集程度高、經濟水平高、基礎設施完善的鄉村[19]。如在江蘇徐州市農村地區，常住人口625.81萬，村莊分布集中，采用“SBR+人工濕地”工藝和“厭氧水解+微動力好氧+景觀綠地技術”工藝，共建設集中式污水處理站67座，污水處理能力達531 591 m3/d。其污水首先經格柵，除去大顆粒雜質，后進入調節池，調節水質水量；再由水泵進入SBR池，進行生化處理；最后經人工濕地處理，達標后排放，整體工藝流程如圖2所示[20]。

圖 2 徐州市農村地區集中式污水處理流程

2 “微水沖廁所+資源化利用”模式

2.1 真空微水沖廁所

真空微水沖廁所的基本原理為真空負壓原理，具體表現為真空座便器收集糞污后，利用真空設備使管道內產生一定氣壓梯度，借助空氣輸送介質，實現糞污的大流量、遠距離運輸。真空微水沖廁所主要由終端、管路、主機三大部分組成。終端主要是指各類便器及污水收集裝置，包括真空坐便器、真空蹲便器、真空小便斗等類型(圖3)；管路主要指從終端到主機之間的真空負壓污水輸送管道；主機是污水收集的負壓動力源，也是真空排污系統的核心，主要是指各種原理及功率大小不同的真空產生源(真空工作站)[21]。

與傳統廁所相比，其優勢：1) 節水。每次耗水量僅為0.5～1 L，是傳統廁所的1/12，節水率超90%。2) 節能。真空微水沖廁所每次沖洗的耗電量僅為0.003～0.005 kW·h。3) 除臭。利用負壓原理，糞污的收集和轉儲在單向、密閉環境中進行，隔斷臭源。4) 排導。通過真空管道運輸，管徑僅是重力管網的1/3～1/5，流速是重力管網的5～10倍，實現無重力排放且不易造成堵塞[22]。其弊端：1) 廁所改建成本高。廁內真空收集設備、真空排污管網的建設成本約為三格化糞池廁所建設成本的10倍。2) 運行條件嚴格。廁所真空運行，密閉性要求高，施工、安裝要求嚴格[23]。

圖 3 真空微水沖廁所結構

2.2 微水沖廁所糞污末端資源化利用

在該模式中，真空微水沖廁所收集的糞污濃度高，易于實現資源化利用。其末端資源化的實現，主要借助真空源分離技術，即通過真空集便器收集黑水(糞便、尿液)，實現黑水與灰水從源頭的分離。從圖4可知，黑水的總體積占比不到2%，但COD、TN、TP、TK指標的貢獻分別高達59%、97%、90%、66%[24]?；宜目傮w積雖然占生活污水總量的98%，但COD、TN、TP、TK的指標分別只占41%、34%、10%、3%。通過源分離技術，將黑水從生活污水中分離出來，即相應地控制了59%的COD、97%的TN、90%的TP和66%的TN。

圖 4 生活污水中尿液、糞便、灰水在污水總量、化學需氧量、總鉀、總磷、總氮中的占比

將源分離后收集的高濃度黑水就近資源化利用，包括厭氧發酵產甲烷、生產有機肥等。分離的灰水由于氮磷含量低，處理難度降低，通過生物處理(人工濕地、生態塘等)，出水滿足污水處理排放標準或農田灌溉水標準，既可以排入室外雨水管道，也可進行農田灌溉或用于景觀綠化[25-26]。在北京市大興區李家場村，采用真空微水沖廁所進行鄉村廁所改造，同時利用真空源分離技術，實現黑水與灰水的分離式資源化利用。通過引導村民實行垃圾分類，將黑水與有機垃圾混合發酵，生產液態肥，還田利用；灰水排入村級污水處理站，進行無害化處理，最終處理效果達到《北京市農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB 11/1612-2019)二級B排放標準，形成一個“糞污不出村”的生態閉環。

3 “免水沖式廁所+資源化利用”模式

3.1 免水沖式廁所

免水沖式廁所主要包括循環式生態旱廁和源分離生態旱廁。循環式生態旱廁主要應用內循環發酵技術，廁所底部裝配有生化反應器，糞污與反應器內菌種混合發酵，制作有機肥。源分離生態旱廁同時應用內循環發酵技術和源分離技術，主要由基座、便池、固液源分離裝置、尿液收集處理裝置、糞便干式反應器等部分組成，利用廁所底部的固液分離器，分離糞便與尿液，尿液進入尿液收集處理裝置，糞便排入糞便干式反應器，實現分離式資源化利用。免水沖式廁所的主要優勢：1) 抗凍。發酵產生一定的熱能，并且免水沖避免了管道凍裂的風險，在環境溫度-30℃以上均可運行。2) 除臭。發酵菌種具有除臭功能且有效殺死糞污中的病原體、蟲卵，實現無蠅無臭。3) 改廁成本低。建設低(無需建設下水道、化糞池等)和運行使用成本低(重力開合無需水沖)。

3.2 免水沖式廁所糞污末端資源化利用

免水沖式廁所收集的糞污濃度最高，可資源化利用的程度也最高，其資源化利用方式主要包括糞尿混合式利用和分離式利用2種類型。糞尿混合式利用模式主要將糞污與微生物、秸稈、蔬菜碎葉等進行混合發酵，制作有機肥。糞污混合式利用可進一步分為原位發酵和異位發酵。其中原位發酵具體表現為糞污就地收集與發酵處理一體化；異位發酵則通過轉運(抽糞車或打包)的方式，將糞污收集進行統一發酵處理。湖南海尚環境生物科技股份有限公司研發的“戶用循環式生態旱廁”，主要包括座便器和干式發酵反應器2個部分(圖5)。收集的糞污進入底部收集箱，與箱內菌種進行混合進行初步發酵；之后統一收集和運輸至有機肥廠進行深度加工處理，生產有機肥[27]。

圖5 戶用循環式生態旱廁結構

糞尿分離式利用模式主要是采用對糞尿進行分離和收集處置的旱廁系統。分離的尿液利用磷酸銨鎂結晶法、離子交換吸附法(NH4+、K+離子，回收率>90%)、氨氮吹脫法等技術，生產N、P、K等液態肥。分離的糞便借助化糞池、沼氣池、堆肥池等處理工藝，將糞便中的N、P、K及有機質進行資源化利用，最終產出甲烷或有機肥，實現能量的回收與利用[28]。湖南海尚環境生物科技股份有限公司研發的糞尿分離與處理一體化反應器，該設備分為3個部分，上部為源分離器，中部為干式生物反應器，底部為出料裝置(圖6)。該設備利用干式發酵技術，以木質粗纖維作為主要生物載體，干式好氧菌和兼氧生物菌種為優勢菌種，進行高效干式發酵，糞大腸菌、蛔蟲卵的滅活率達99.5%，出料可用于室內盆景植物肥料。

圖6 糞尿分離與處理一體化反應器

4 結語

鄉村廁所改造是農村環境整治的核心內容，是改善農村人居環境、實現鄉村振興戰略的關鍵前提。我國鄉村廁所類型及應用模式多樣，在廁所類型及應用模式選擇時，需因地制宜，綜合考慮不同地區的差異特性，包括氣候特點、水資源、地形特征、經濟條件等，在改造實踐中科學選擇，更好保障應用效果，節約改造投入。