“廁所革命”中資源無害化處理與*

王連林， 宋學秀， 朱雪冬， 張振超， 王樹柏， 高煥霞

(玉田縣農業農村局 河北玉田 064100)

廁所是衡量文明的重要標志，改善廁所衛生狀況直接關系到發展中國家人民的健康和環境狀況[1]。“廁所革命”是指對發展中國家的廁所進行改造的一項舉措，最早由聯合國兒童基金會提出。“廁所革命”要解決兩個層面的問題，首先解決廁所的清潔衛生、使用方便問題，然后實現物質資源化、節水節能、保護環境。河北省玉田縣從2019年開始進行“廁所革命”的技術創新研究，以解決“廁所革命”中糞污無害化處理、資源化利用等問題；2020年全面啟動建設，2021年進入實質性運轉。建成并投入運轉的玉田縣人居糞污處理指揮中心及糞污處理廠見圖1。

圖1 玉田縣人居糞污處理指揮中心及糞污處理廠

1 “廁所革命”的技術創新與運行模式

1.1 液體糞污的處理技術

1.1.1 功能性微生物菌劑的篩選與創制

2019年，灃田寶農業科技有限公司與韓國生命科學研究院聯合成立了唐山灃田寶微生物菌劑有限公司，在聯合進行微生物組合研究中，對韓國提供的微生物菌劑在養殖廢棄物上進行了多次應用性試驗研究。試驗結果及相關數據資料顯示，缺陷短波單胞菌、日本假單胞菌、枯草芽孢桿菌、膠凍樣芽孢桿菌、米曲霉等是能夠對抗生素進行降解和固氮、解磷鉀、高效腐解有機物及嗜熱的菌種。經拮抗、共生試驗，確立了合理的多菌種復合技術及調配比例，研制出了具有高嗜熱廢棄物處理功能的微生物菌劑。

(1)復合微生物菌劑的制備工藝

用平板稀釋法從樣品中分離純化不同類型的微生物菌株，選擇搭配優勢群體，分別進行單菌株液體擴大培養，然后進行定量混合，即成為復合微生物菌劑，制備工藝流程見圖2。

圖2 復合微生物菌劑制備工藝流程

(2)復合功能菌種調配與主要測試效果

試驗設3個處理：CK，不加任何微生物菌劑；CM1，加入已制備的復合微生物菌劑0.10%(質量分數，下同)；CM2，加入已制備的復合微生物菌劑0.15%。底物分解按150 h計算，耗氧速率為0時認為堆肥腐熟。通過2年的試驗研究，得到缺陷短波單胞菌、日本假單胞菌、枯草芽孢桿菌、膠凍樣芽孢桿菌、米曲霉的質量比為1.5～2.5∶0.5～1.0∶3.0～4.0∶1.5～2.0∶1.5～2.5。在堆肥過程中，加入菌種的樣品腐熟速率明顯快于對照樣品(CK)的，試驗結果分別見表1～3。

表1 復合微生物菌劑液體堆肥試驗結果

表2 液體發酵料的氣味變化

表3 液體糞污不同處理堆制發酵前后的養分變化

從表2可以看出，加入復合微生物菌劑后，經過5 d的發酵,發酵料即無臭味，而對照經過10 d的發酵仍然有微臭，說明復合微生物菌劑的除臭效果明顯。

試驗結果表明，該復合微生物菌劑具有快速腐解、固氮、解磷、脫硫、除臭等突出效果。一般情況下，經過處理后，糞便中氮的質量分數為26.9～27.0 g/kg，全磷(以P2O5計)的質量分數為21.6～22.0 g/kg，全鉀(以K2O計)的質量分數為9.9～10.4 g/kg。另外，通過微生物的活化作用，液體糞便廢棄物中的有機質、有機酸等活化物質含量增加，成為較好的液體有機肥。通過區域性分部處理，按作物灌溉周期，隨灌溉合理利用處理后的廁所、養殖廢水，對實現農業可持續發展、節本增效，具有十分重要的意義。

1.1.2 主要處理技術路線

利用具有高嗜熱廢棄物處理功能的微生物菌劑，采用生物好氧-兼氧處理技術進行廁所糞污、污水處理，達到農田灌溉及液體肥料標準后，施于農田，實現資源循環利用。具體工藝流程如下。

(1)廁所糞污收集：由糞污抽提車將糞污抽提后統一運輸至所在區域收集池內。

(2)自然沉淀固液分離：糞污通過大三格化糞池自然沉淀進行固液分離，然后分別導入發酵池進行生化處理。

(3)發酵處理：將分離后的固體、液體糞污分別進行加菌發酵處理，固體糞污經碳氮比、氮磷比調節后進行好氧發酵，發酵后作為有機肥或商品有機肥原料；液體糞污經混凝處理，去除反應生成的絮團和沉淀，以減輕后續處理的負荷并降低糞污水中的磷酸鹽含量。

(4)水解酸化處理：經混凝沉淀池處理后的糞污廢水進入水解酸化池，將糞污廢水中難降解的物質降解為易降解的物質，大分子物質分解為小分子物質；水解酸化池內投加復合水解酸化菌劑，一般處理時間為20 h。

(5)接觸氧化處理：經酸化處理后的糞污廢水用污水提升泵打入接觸氧化池，在鼓風曝氣的作用下，接觸氧化池中的生物好氧菌對廢水進行生物降解，降低生化需氧量(BOD)和化學需氧量(COD)，一般需時24 h。

(6)深度處理：經接觸氧化處理的廢水再經過濾離心機將小于120 μm的沉淀物濾出，檢測濾清液中的氮、磷、鉀、中微量元素及有機質、有機酸，依據檢測結果和目標作物，適量添加相應的營養元素，即可用作農田液體肥料。

1.2 運行模式的設計與運行方式

1.2.1 運行模式的設計

為確保建立長效機制，實現資源的有效、長期、穩定、合理利用，并牽動“廁所革命”糞污處理資源全利用，借助電力、物業中水電的管理模式，設計智能化管理系統，搭建3個運行平臺，實施在線監控管理。

(1)建立液體廢棄物生產戶、使用用戶互聯網監管運行系統平臺。

(2)建立液體糞污收集、運輸、處理監測管理系統平臺。

(3)建立液體糞污資源化利用服務系統平臺。

3個平臺均建立在互聯網系統中，開發設立單個液體糞污生產戶、農戶應用、第三方處理過程監測、客戶技術服務、運輸管理、總指揮、總監管等7個界面，通過手機自動或人為操作指令運行。

1.2.2 平臺運行方式

(1)操作界面

3個平臺的運行均建立在玉田縣液體糞污資源管理系統中。

首先在農村居民戶、養殖戶中設立在線實時監測系統，液體糞污達到一定存儲量后，總指揮界面自動或人為發出指令，通知運輸單位實時將液體糞污清運至第三方處理機構進行處理。

第三方處理機構在集中處理站(中心)完成微生物發酵、分離凈化、產品調配等工作，在線平臺全程監測各種處理技術的參數，供用戶查詢、了解。

對于農戶應用界面，為方便農戶應用，在農戶的使用地點(農田機井位置)建設容量5～8 t的液體肥料存儲罐，在存儲罐上加裝網絡可控管理計量裝置和用戶設定使用量操作界面(或插卡式計量流量器)，用戶可用手機或特定應用卡開啟使用，達到設定使用量時自動關閉；當存儲罐內液體肥料存量降至不足1 t時，向總指揮界面自動發出指令信息，并轉發至運輸管理界面通知運送補充，同時在存儲罐上加裝防盜報警裝置；全部操作系統均與總指揮界面相連，發生事故時及時通知技術服務人員進行處理。以目前玉田縣糧食、蔬菜種植面積為基本單元，以農田灌溉機井為儲液罐設立網點，全縣初步設立2 400只存儲罐。

在客戶技術服務界面，設立縣農業農村局相關專家問答、技術指導板塊，為用戶應用液體糞污肥料提供相關技術指導，并對應用中出現的問題進行解答。

總監管界面為玉田縣政府所屬主管業務部門——玉田縣農業農村局、玉田縣環境保護局設立，該界面的負責人可隨時進入系統，監督檢查液體糞污的收集、運輸、處理、使用等情況，并隨時提出監查意見。

初步設定為農戶免費提供液體糞污肥料2年，每年每畝(1畝=667 m2，下同)設定用量2 t，超出部分適當收取費用。

1.2.3 平臺運行實施的效果

農村廁所和養殖場(戶)具有分布區域廣、布局分散的特點，為此玉田縣以政府倡導、扶持、引導為引領，積極搭建第三方服務平臺，實現了區域全覆蓋的糞污處理及資源化利用。目前已投入運行的指揮中心操作平臺見圖3(左側為農戶信息界面，右側為各處理場及收集點監管界面)，操作平臺界面的相關信息展示見圖4。

圖3 指揮中心操作平臺

圖4 操作平臺界面的相關信息

(1)糞污處理實現“全域化”

充分利用財政部、農業農村部農村“廁所革命”整村推進獎補資金、河北省先進地區整縣推進農村人居環境整治項目專項資金，進行全縣整體布局規劃，分區劃片投資建設農村人居糞污集中處理中心4個、大三格化糞池25座(總容積10 000 m3)、糞污轉運站16個，徹底解決了全縣20個鄉鎮、750個村、17萬戶糞污轉運、集中處理問題，并實現了鄉鎮糞污處理站建設全覆蓋。

(2)運行監管實現“智能化”

為確保“廁所革命”長效機制的建立，籌備建設了“一中心一平臺”。“一中心”即綜合監控中心1個，集培訓、會議、觀摩、監控、調度等功能于一體，占地200 m2；“一平臺”即綜合信息監管平臺1個，采取“一圖+一網+四大系統”模式運行。“一圖”指糞污綜合利用信息監管一張圖，兼容各個工作節點信息，是以大數據可視化技術為基礎的分析、監管、指揮一站式平臺；“一網”指糞污綜合利用信息監管服務網，線上為物聯網，互聯網及移動互聯網技術對相關設備及App進行信號傳輸；“四大系統”指抽廁登記信息管理系統、視頻監控管理平臺系統、車輛作業調度管理系統、智能預警管理系統，使各項工作可防、可控、可預警、可調度。

(3)生物工程技術的開發與應用，實現糞污“資源化”利用

為實現農村人居糞污的綜合化利用，保證全縣農村人居糞污綜合利用長效機制運行，提升全縣農村人居環境整治整體水平，安排專項資金400萬元，采取政府購買第三方運營服務主體的方式，承擔全縣廁所糞污抽取、運輸、處理，并通過“無償+有償”的方式用于農田，就地、就近資源化利用，實現廁所糞污治理與生態循環農業發展有機銜接。

2 技術與運行模式的效果

(1)解決了農村人居環境的問題

三大運行、管理模式的建立，有效解決了農村環境與資源可持續利用問題，將排泄物轉化為資源和能源，實現真正的綠色生態循環。

(2)實現了高效無害化處理與資源全利用

針對廁所糞污研發了具有除臭、固氮、解磷、脫硫功能的復合微生物菌劑，3 d可消除臭味90%以上，養分轉化利用效果提高3%以上。

為驗證腐熟糞污有機肥對小麥、玉米產量的影響，開展了田間試驗。田間試驗共設3個組：第1組，施腐熟糞污有機肥300 kg/畝；第2組，施復合肥料60 kg/畝；第3組，不施肥(對照)。結果(見表4)表明，腐熟糞污有機肥增產效果顯著，作物產量可提高15%以上。

表4 腐熟糞污有機肥對小麥、玉米產量的影響

(3)創新了農村“廁所革命”中資源全利用模式

玉田縣“廁所革命”運行機制的建立，形成了“戶收集+鄉轉運+集中處理+加工轉化+科學還田”人居糞污綜合利用長效運轉模式，年預計產生固態有機肥原料100 kt、液態有機肥原料200 kt，實現“變糞為肥”“變廢為寶”，最終惠及于民。

(4)管理模式引入了智能化系統，便捷高效

在“廁所革命”建設中設計了智能化管理系統，搭建了液體廢棄物生產戶、使用用戶互聯網監管運行系統，液體糞污收集、運輸、處理監測管理系統，液體糞污資源化利用服務系統等3個運行平臺，實施在線監控管理；設立的單個液體糞污生產戶、農戶應用、第三方處理過程監測、客戶技術服務、運輸管理、總指揮、總監管等7個界面，可通過手機自動或人為操作指令運行。