尿液腐熟設備設計及試驗

邢東倫，黃允魁，申文龍，楊軍太，景全榮，陳月鋒，孫長征，董世平

(中國農業機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083)

0 引言

我國城市生活污水中的主要污染物來源——尿液中含有87%的氮、50%的磷和54%的鉀，按照生態環保理論，將源分離尿液回收并最終回歸到農田是最佳途徑[1-3]。當前，在高寒缺水農村地區，源分離生態廁所在大力推廣，但面臨的最大困境是糞尿源分離之后，含營養物質豐富的尿液還不能得到有效的貯存、處理和利用，而且在處理過程中會造成二次污染，體現不出糞尿源分離生態廁所的優越性[4-7]。我國對尿液處理技術的研究較少，農民也基本都是自然放置尿液后直接施用農田[8]。但世界衛生組織(WHO)報告指出，尿液在自然狀態下腐熟需180 d以上才能安全使用[9]。目前，針對尿液的處理技術有磷酸銨鎂沉淀(鳥糞石法)、微生物法、吸附法、離子交換法及膜分離法等，這些技術基本是對尿液凈化并對營養物質進行回收，處理工藝難度大、處理不經濟[10-14]。因此，研究開發源分離尿液的資源化處理技術，實現尿液快速有效的腐熟，直接利用還田,在農村地區是最便利、最有效的方法。目前對尿液直接資源化處理應用方面國內研究還比較少，針對這一問題，本文設計出一套尿液腐熟設備，并進行了腐熟試驗，該設備殺菌快、腐熟高效，能直接生產液態肥進行還田施用，打通了農村廁所、資源化利用生態閉環，對打破源分離生態廁所推廣應用的瓶頸，具有非常重要的意義。

1 尿液腐熟處理設備整體設計

本設備設計采用臭氧殺菌+好氧腐熟工藝路線，如圖1所示。設有臭氧發生器供應臭氧，對尿液快速殺菌，達到安全性目的；對尿液通過空壓機供氧，好氧腐熟達到資源化目的；設有自吸泵將尿液箱中的尿液送入好氧發酵罐中；設有臭氧殺菌系統、腐熟系統及自動控制系統。

1.臭氧發生器 2.好氧腐熟罐 3.自吸泵 4.尿液箱 5.空壓機圖1 腐熟設備整體設計Fig.1 Overall design of urine compost equipment

1.1 臭氧殺菌系統設計

臭氧殺菌系統主要包括臭氧發生器、臭氧通氣管、臭氧曝氣盤及臭氧尾氣處理器等。臭氧發生器與臭氧通氣管連接處設有開關閥門，臭氧通氣管采用不銹鋼材質，臭氧通氣管沿著尿液腐熟罐內壁進入罐內底部，在尿液發酵罐底部設有兩個臭氧曝氣盤，采用鈦合金材質。臭氧發生器制取臭氧，臭氧通過進氣管進入曝氣盤，進行臭氧曝氣殺菌，臭氧尾氣處理器與尿液腐熟罐頂部的氣體出口連接，進行尾氣處理。

臭氧發生器如圖2所示，采用先進的物理制氧原理，通過制氧塔的變壓吸附作用，在常溫常壓下直接將空氣中的氧和氮分離，取得高純度的氧氣；然后在常壓下使氧氣在高頻高壓電場作用下產生電暈放電生成臭氧。本系統采用臭氧最大產量為20 g/h的臭氧發生器。

臭氧是無毒的安全氣體，談到它的危險性主要是其強氧化能力。在我國國家標準GB/T 18202—2000《室內空氣中臭氧衛生標準》中規定：室內空氣中1 h平均臭氧容許最高濃度0.1 g/m3。臭氧尾氣處理器如圖3所示，主要是將剩余的臭氧通過高溫催化，與臭氧分解催化劑進行反應，從而使臭氧分解形成氧氣排放。該高溫催化反應為可逆反應，所以臭氧分解催化劑為可循環使用，幾乎不用更換。處理流程：臭氧尾氣(含水分)進入臭氧尾氣處理器→水氣分離→高溫分解→催化分解→反應分解為氧氣→排出臭氧尾氣處理器。

圖2 臭氧發生器Fig.2 Ozone generator

圖3 臭氧尾氣處理器Fig.3 Ozone exhaust treatment equipment

1.2 好氧腐熟系統設計

整個好氧腐熟罐由罐體、支腿、攪拌軸、槳葉、電機減速機、進出口和電加熱等部分組成，如圖4所示。

好氧腐熟罐設計為圓柱形，有利于尿液在罐內的混合流動，頂部設有減速機，帶動腐熟罐內部中央的攪拌軸，攪拌軸上設有多層功能構件。攪拌軸最上層設有傘狀分液盤，尿液進入時通過分液盤而形成薄層狀，增大接觸氧面積，提高氧的利用率；分液盤下層設有釘齒狀消泡槳，主要是為了消除尿液在殺菌腐熟過程中產生的泡沫；最下層設有兩層分散槳葉，槳葉呈凹弧狀，且每層兩片槳葉呈45°傾斜，這樣可以使尿液在攪動時形成“湍流”，利于尿液流動的均勻性。腐熟罐內部結構如圖5所示。

1.臭氧及氧氣閥門 2.進氣管 3.減速電機 4.尾氣排氣口5.分液盤 6.消泡漿 7.分散槳 8.曝氣盤 9.加熱棒圖4 尿液腐熟罐Fig.4 Urine compost tank

圖5 分液盤及兩層分散槳Fig.5 Liquid separation turntable and two layer dispersion propeller

加熱保溫系統采用電加熱方式，在腐熟罐的底部設有兩個電加熱棒，設計夾套結構，加熱層注滿加熱介質，通過加熱棒對加熱介質進行加熱。在加熱層外面設有保溫層，保溫層填充PU保溫棉。

供氧系統設有空壓機提供氧氣，設有三通及閥門，進氣管與罐內的臭氧管相連。進行好氧腐熟時，關閉臭氧進氣管閥門，當進行臭氧殺菌時，關閉空氣進氣管閥門。

1.3 自動控制系統

本智能控制系統執行元件設有電磁閥、氣動閥、電機等，加上傳感元件、電路板、PLC等，實現操作的自動化。具體功能主要包括進出料啟停控制，腐熟過程中的曝氣、控溫、攪拌等各參數的設定、自動控制。整個腐熟過程自動控制，一鍵操作，如圖6所示。

圖6 尿液腐熟控制柜Fig.6 Urine compost control cabinet

2 尿液腐熟試驗

尿液好氧腐熟資源化試驗，首先考慮資源的安全性，采用臭氧殺菌技術，研究對病菌的消殺效果，從殺菌時間和臭氧量影響因素進行研究；其次研究好氧腐熟技術，在微生物的幫助下，對腐熟溫度和腐熟時間兩個影響因素進行研究。

2.1 殺菌時間對尿液殺菌效果的影響

試驗尿液：收集公廁小便池的尿液。室溫下，把尿液導入兩個10 L的玻璃容器內，用最大產臭氧量10 g/h的臭氧發生器對其進行臭氧殺菌試驗。試驗結果如圖7所示，通過對尿液菌落總數的測定，原始尿液的菌落總數為3.8×106CFU/mL，隨著殺菌時間的延長，菌落總數下降，經過10 min后數量快速下降，達到2 000 CFU/mL。尿液殺菌試驗前后對比如圖8所示，臭氧殺菌后，尿液顏色變淺，臭味明顯下降。

2.2 尿液腐熟試驗

腐熟劑選擇液態菌種，可以方便直接使用。該菌種是由酵母菌、枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、雙岐菌、醋酸菌、乳酸菌、放線菌、糞腸球菌等經特殊工藝研制而成的濃縮型復合微生物菌種。每克含有益總菌數≥50億CFU。菌種添加量為尿液的0.1%，對腐熟的主要影響因素溫度和時間進行研究。

圖7 殺菌過程中菌落總數變化Fig.7 Variation of total bacterial count number in process of sterilization

圖8 尿液殺菌試驗前后對比Fig.8 Urine status before and after sterilization test

不同溫度(15、25和35 ℃)下氨氮濃度的變化規律如圖9所示。在25 ℃下，尿液在腐熟菌劑的催化下，其總氮、氨氮濃度變化規律如圖10所示。

從圖9、圖10可以看出，氨氮濃度隨著溫度的增高而迅速增加，在腐熟5～7 d后，氨氮濃度增長緩慢，顯示進一步腐熟比較困難；而在15 ℃下氨氮濃度一直增長緩慢，這表示菌種活性弱，腐熟沒有有效進行；在25 ℃下，總氮濃度一直降低，表明自由氮在揮發而導致氮損失，綜合考慮氮損失及腐熟度，以腐熟7 d左右為最佳。

圖9 不同溫度下氨氮含量隨腐熟時間的變化Fig.9 Variation of ammonia nitrogen content on different temperature

圖10 25 ℃下總氮及氨氮含量隨腐熟時間的變化Fig.10 Variation of total nitrogen and ammonia nitrogen content at 25 ℃

3 結論

本文設計的源分離尿液好氧腐熟設備，融合臭氧殺菌系統和腐熟系統處理工藝為一體，能夠使尿液快速殺菌、高效腐熟，解決了現有的尿液處理技術往往以單一工藝為主而不能將尿液徹底進行資源化處理的問題，最終實現了氮、磷等營養元素的回收，制得液態肥。這種以資源化回收為目的的高效、安全、產品附加值高的處理設備與技術比起以污染物去除為目的的尿液凈化處理技術更符合環保生態的需求，更能體現源分離生態廁所的優越性，特別是在高寒缺水農村地區具有很大的應用前景。