趙軍營 任培培 徐學(xué)東

摘要 針對現(xiàn)在我國農(nóng)村缺少有機(jī)肥源，而普通廁所又將人類糞便沖走變成污染物造成環(huán)境污染與資源浪費(fèi)的情況，提出了將源分離農(nóng)村衛(wèi)生廁所與農(nóng)田滴灌利用技術(shù)結(jié)合的解決方案，通過源分離的農(nóng)村衛(wèi)生廁所將人類排泄物分離成大便沖水及小便沖水，小便沖水通過管道分流到儲存池中，待尿液中的尿素轉(zhuǎn)變成可利用的氨氮后通過滴灌系統(tǒng)對農(nóng)田進(jìn)行滴灌。通過這種利用模式，不僅能解決農(nóng)村人類排泄物造成的環(huán)境污染，同時又能降低沖水利用量從而節(jié)約水資源，還能將排泄物中的氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)利用，形成作物-人體-作物的閉合循環(huán)。

關(guān)鍵詞 源分離；農(nóng)村；尿液；滴灌

中圖分類號 S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05175-03

中國農(nóng)村每年產(chǎn)生生活污水約80多億t，而絕大多數(shù)的生活污水隨意排放，這造成了環(huán)境污染問題，也嚴(yán)重影響了農(nóng)村居民的身體健康與農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，與此同時，這增加了農(nóng)村污水處理難度，增加了處理費(fèi)用。在我國農(nóng)村生活污水中，每年產(chǎn)生尿液約4億t，而研究顯示，生活污水中的80%左右的氮負(fù)荷及50%左右的磷負(fù)荷來自于尿液，尿液中的氮磷鉀等資源非常豐富，若能將尿液中的營養(yǎng)物質(zhì)分離利用，用于農(nóng)田灌溉將可極大改善我國農(nóng)村缺少有機(jī)肥源的現(xiàn)狀。每年尿液中的尿素肥料若得到50%的利用，就相當(dāng)于生產(chǎn)300萬t的有機(jī)氮肥，因此，尿液作為重要的有機(jī)資源，應(yīng)加以利用。

農(nóng)村污水的末端處理技術(shù)能較好解決我國農(nóng)村的環(huán)境問題及生活衛(wèi)生狀況，但不可否認(rèn)，這種處理技術(shù)需要消耗大量的水資源，同時也使中國傳統(tǒng)的資源循環(huán)之路受到阻隔，完全打破了農(nóng)村居民想要將糞便、尿液中營養(yǎng)物質(zhì)利用并回歸土地的原始做法。目前，國際上越來越重視基于糞便、尿液“源分離”的概念，其“生態(tài)衛(wèi)生/排水”技術(shù)的應(yīng)用也廣受歡迎[1]。受國外影響，我國也開始了對源分離技術(shù)的實(shí)踐。

1 源分離農(nóng)村衛(wèi)生廁所沖水灌溉的技術(shù)優(yōu)勢

源分離式農(nóng)村衛(wèi)生廁所沖水灌溉利用技術(shù)的優(yōu)勢主要有以下幾個方面。

1.1 降低農(nóng)村生活污水負(fù)荷的同時降低污水廠處理難度及能耗 由于糞便及尿液中含有大量的氮磷物質(zhì)，這是農(nóng)村生活污水中氮負(fù)荷與磷負(fù)荷的主要來源，將糞便分離，使其不進(jìn)入污水管道，這將大大降低農(nóng)村生活污水的負(fù)荷，同時降低污水處理廠的處理難度與能耗。

1.2 可實(shí)現(xiàn)氮磷等資源的循環(huán)利用 源分離技術(shù)將糞便及尿液從生活污水中分離出來，同時又將糞便及尿液中的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)分離處理，通過灌溉將營養(yǎng)物質(zhì)重新運(yùn)送到土地中供農(nóng)作物吸收利用，農(nóng)作物又被人類食用后消化吸收以糞便及尿液的形式排放出來，這就構(gòu)成了營養(yǎng)物質(zhì)的生態(tài)循環(huán)圈。同時，糞便的厭氧消化可釋放大量的能量，這將為滴灌提供必要的能量，也能降低對外部能源的依賴，從而起到節(jié)約能源的效果。

1.3 減少水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生 農(nóng)村生活污水中的氮負(fù)荷及磷負(fù)荷主要來自于尿液及糞便中，傳統(tǒng)的排放方式將導(dǎo)致具有較高氮負(fù)荷及磷負(fù)荷的污水排放到水體中，這將造成水體的富營養(yǎng)化現(xiàn)象。而通過源分離技術(shù)將糞便及尿液進(jìn)行分離，使糞便和尿液分離于傳統(tǒng)的污水管道之外，大大降低了生活污水中的氮、磷負(fù)荷，排放于水體中的營養(yǎng)物質(zhì)也相應(yīng)地降低，從而起到降低水體富營養(yǎng)化發(fā)生的效果。表1 為不同便器的廢水水量與濃度的比較。

由表1中可以看到，糞尿分離后的廢水量比傳統(tǒng)便器混合排水顯著減少，同時氮、磷濃度及COD濃度都明顯降低[2]，說明源分離技術(shù)能顯著降低生活污水中的氮、磷濃度，緩解水體的富營養(yǎng)化情況。

1.4 節(jié)約大量的水資源 源分離技術(shù)相比于傳統(tǒng)沖廁技術(shù)可節(jié)約大量的沖水資源。

2 源分離農(nóng)村衛(wèi)生廁所沖水灌溉利用技術(shù)

通過源分離式便器可對糞便進(jìn)行分離，將廁所沖水分離為大便與小便。大便被分離到沼氣池，利用其有機(jī)能源進(jìn)行發(fā)電、制造能源肥料等，沼液還可以灌入藕塘用于蓮藕養(yǎng)殖，或者進(jìn)行堆肥處理。既可以處理糞便問題，又可制造能源跟肥料。小便則被分離到儲存容器中，經(jīng)過一段時間的儲存，使尿液中的尿素能分解成可利用的氨態(tài)氮，同時投加醋酸來調(diào)節(jié)尿液灌溉水的pH，以保證灌溉后農(nóng)作物的利用效果。為防止氨態(tài)氮的揮發(fā)影響氮肥的利用效果，一般采用滴灌的方式來進(jìn)行農(nóng)田灌溉，在太陽能、風(fēng)能與沼氣提供的混合動力下將尿液進(jìn)行農(nóng)田滴灌，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)村糞便分離后的處理與利用。圖1為源分離式農(nóng)村衛(wèi)生廁所沖水利用模式。糞尿利用為該研究的重點(diǎn)，尤其是尿液的重力式滴灌利用。由于源分離技術(shù)的應(yīng)用，糞便跟尿液可以分別收集利用，糞便主要用于沼氣或者堆肥應(yīng)用，而尿液則被收集起來，經(jīng)過處理跟轉(zhuǎn)化，使尿素轉(zhuǎn)化為可利用的氨態(tài)氮，利用低壓重力式滴灌系統(tǒng)，將尿液返還農(nóng)田，使糞尿能得到更加有效的利用并形成營養(yǎng)物質(zhì)的生態(tài)循環(huán)。圖2為源分離糞便與尿液利用方式框架示意圖。

2.1 糞便利用 糞便能改善土壤的持水能力，這是因?yàn)榧S便的腐殖質(zhì)含有較多的N、P資源，而這些營養(yǎng)物質(zhì)能補(bǔ)充土壤中的有機(jī)物含量跟養(yǎng)分含量。在現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞作下，人們越來越多地使用化肥來增加產(chǎn)量，但其實(shí)這是一種不可持續(xù)的發(fā)展道路，長時間使用化肥將導(dǎo)致土壤的板結(jié)問題跟肥力下降。

不同于尿液，糞便本身是帶有多種病原微生物的，在利用過程中需注意先殺死糞便中的病原體，才能將糞便回歸土壤中。一般采用兩個過程來殺死病原體，分別為初級處理與深度處理。初級處理一般采用堆肥法，堆肥法就是將居民的有機(jī)垃圾和雜草、木炭、樹枝等與糞便放置在一起，利用微生物的作用與礦化作用，將有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可利用的腐殖質(zhì)，同時產(chǎn)生能量。其糞便中的病原微生物會因所處環(huán)境（如儲存時間、pH、濃度、溫度等）的變化而迅速減少，同時堆肥法能產(chǎn)生相當(dāng)可觀的能量，可為尿液的滴灌系統(tǒng)提供有效的動力來源，這也在一定程度上解決了能源問題。深度處理是為了保證投加到土壤中的糞便達(dá)到足夠安全跟可利用的程度，可添加適量的石灰來殺菌及提高pH。糞便還可以被分離到沼氣池，利用其有機(jī)能源進(jìn)行發(fā)電、制造能源肥料等，沼液還可以灌入藕塘用于蓮藕養(yǎng)殖。

2.2 尿液滴灌利用 由于我國農(nóng)村的現(xiàn)狀，目前很難將尿液滴灌用于大面積的利用，因此，該系統(tǒng)主要用于灌溉村莊附近小面積的田地，亦可以應(yīng)用于農(nóng)戶自家田園土地。

尿液的收集主要依靠糞便分離式便器與小便沖水相接的管道，滴灌管道系統(tǒng)則是結(jié)合農(nóng)戶住房結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)安裝。農(nóng)村住房結(jié)構(gòu)相對簡單，且大多為單戶結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中，既可以設(shè)計(jì)為單戶管道系統(tǒng)，單獨(dú)鋪設(shè)管道，滴灌用于自家小院灌溉。亦可以設(shè)計(jì)為多戶聯(lián)合的管道系統(tǒng)，將鄰近的幾戶農(nóng)戶通過管道連接起來，使小便沖水能集中起來聯(lián)合灌溉，用于村莊空余閑置地的滴灌利用，這樣可大大提高農(nóng)村有機(jī)肥源的綜合利用效果，同時能減少每戶的分?jǐn)偝杀尽?/p>

收集的尿液將被儲存在較大的儲存容器中。在尿液中，溶質(zhì)主要為小便中的尿素、氯化鈉與各類酸，其中最主要的也是最有利用價值的就是尿素，尿素可作為作物的氮肥。但是尿素不能被作物直接吸收利用，同時高濃度的尿液也會對作物造成損傷，因此為了利用尿液中的營養(yǎng)物質(zhì)，首先要對尿液進(jìn)行稀釋，降低其尿素的濃度，避免因濃度過高對農(nóng)作物造成損傷。尿素只有被降解成氨氮才能被作物吸收利用，同時，降解的小便沖水會呈現(xiàn)弱堿性，而部分的病原微生物在堿性環(huán)境下不宜生存，因此需要對小便沖水進(jìn)行一定時間的儲存以便使尿液滿足生物性無害化的要求。

尿液本身就是無菌的，無需殺菌就能用于農(nóng)業(yè)灌溉，但是，尿液的環(huán)境非常適合細(xì)菌的快速生長，其含有的大量可降解物質(zhì)為細(xì)菌生長提供了有利的條件，這也會加速尿液的分解跟水解，使得尿液中的尿素轉(zhuǎn)化為氨，這一過程將導(dǎo)致溶液的pH上升，但是用于灌溉的尿液溶液不能有過高的pH，pH過高也會抑制尿素的水解跟分解，因此需要控制尿液溶液的pH，可投加醋酸來調(diào)節(jié)溶液的pH。尿素分解產(chǎn)生的氨具有揮發(fā)性，為了減少氨的揮發(fā)造成N資源的流失，該研究采用了滴灌的方式來降低氨揮發(fā)的影響。圖3為重力式滴灌系統(tǒng)的示意圖。

重力式滴灌示意圖滴灌動力首先考慮使用太陽能，農(nóng)村的太陽能源相對于城市比較豐富且清潔無污染。當(dāng)遇到陰天下雨等天氣導(dǎo)致太陽能不足以保證系統(tǒng)運(yùn)行時，通過變頻控制切換到沼氣能源，利用糞便產(chǎn)生的沼氣能源可為滴灌提供充足的動力，因此在該系統(tǒng)中，能源利用基本能保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，不需要外加能源提供動力。在農(nóng)田滴灌中，可采用尿液灌溉與清水灌溉的交替式滴灌，來保證作物不會因?yàn)殚L時間的尿液滴灌造成損傷。

3 工程案例

3.1 工程案例概述 將源分離農(nóng)村廁所沖水灌溉利用技術(shù)應(yīng)用于馬家方莊的集市廁所，該村距沂水縣城25 km，全村系丘陵地區(qū)，地勢北高南低，最高處海拔290 m。地下水資源比較貧乏，村民飲水和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水以地表水和淺層地下水為主，土地整體較為瘠薄。全村現(xiàn)有451戶，1 283人，勞動力770人，屬于溫帶季風(fēng)氣候，同時太陽能跟風(fēng)能資源豐富。

該廁所設(shè)置在村莊集市南面，基于集市較大的人群，其分離收集糞便的效果將更加突出。該廁所設(shè)計(jì)為旱廁，南北寬3.74 m，東西長為7.68 m，男女廁各有4個蹲位，單個蹲位尺寸為0.9 m×1.2 m，其蹲位前邊為0.15 m×0.2 m的小便收集，與直徑100 mm收集管道相連，尿液被直接收集到廁所西側(cè)1.5 m3尿液收集箱中，其后邊為0.15 m×0.2 m的大便收集。廁所設(shè)計(jì)如圖4所示。

該廁所現(xiàn)已建成投入使用，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，開集市時，每天能收集0.12～0.18 m3尿液，平時每天能收集0.03～0.05 m3尿液。按照1∶ 5比例稀釋，平均每天能得到0.29～0.46 m3灌溉用水，每月能收集8.7～13.8 m3灌溉用水。該旱廁于2013年9月投入使用。圖5為施工及建成后情況。

該示范工程采用了源分離設(shè)施，尿液分離并收集儲存于兩個大型收集桶（每個容積為1.5 m3）中，對尿液進(jìn)行簡單的處理，待尿液中的尿素能轉(zhuǎn)化為可利用的氨態(tài)氮之后采用重力式滴灌的方式將尿液返還農(nóng)田。滴灌管道采用內(nèi)鑲式滴灌管道，該滴灌系統(tǒng)位于村莊內(nèi)的集體大棚，采用“一”字形布置，支管間距為1.2 m，支管長度為3 m，干管長度為6 m。圖6為滴灌水池圖。

3.2 工程造價及運(yùn)行費(fèi)用估算 該系統(tǒng)的投資費(fèi)用主要為源分離旱廁的建造、管道的鋪設(shè)、滴灌的安裝等。系統(tǒng)投資基本為一次性投資，后期運(yùn)行管理費(fèi)用較低，同時系統(tǒng)還能產(chǎn)生一定的資源效益，因此，該系統(tǒng)的運(yùn)行階段基本不需經(jīng)濟(jì)投入。系統(tǒng)總投資為19 952元，其中旱廁建造12 350元，管道鋪設(shè)費(fèi)用為3 420元，水池及滴灌管道為3 254元，其他費(fèi)用928元。

3.3 運(yùn)行管理模式 旱廁內(nèi)的糞便需進(jìn)行定期的清理，清理得到的糞便可作為農(nóng)作物基肥。在進(jìn)行尿液儲存過程中，一定要將小便沖水進(jìn)行充分的儲存以便保證尿素轉(zhuǎn)化為氨，防止因轉(zhuǎn)化不完全導(dǎo)致的尿素對作物的損傷。同時，儲存單元底部的沉淀物不易清理，應(yīng)盡量保存，因?yàn)槌恋碇泻薪到饽蛩氐幕钚悦?，這樣可以提高降解尿素的效率。滴灌管理要根據(jù)作物情況來進(jìn)行，由于部分作物（如大豆、馬鈴薯、西紅柿、草莓等）對氨比較敏感，因此不適合此系統(tǒng)的滴管灌溉。對于集體所有的農(nóng)村源分離旱廁，其廁所沖水的收集、滴灌及沼氣管理可由村內(nèi)部專門人員進(jìn)行統(tǒng)一管理，以提高系統(tǒng)的管理效率。

4 結(jié)論

源分離技術(shù)現(xiàn)已在國外廣泛利用，國內(nèi)也有越來越多的地方采用源分離技術(shù)，而將源分離技術(shù)與滴灌技術(shù)進(jìn)行結(jié)合

圖6 滴灌水池將會為中國農(nóng)村提供一條資源利用的可持續(xù)發(fā)展之路，也建立了營養(yǎng)物質(zhì)的生態(tài)循環(huán)，同時解決了一些農(nóng)村的實(shí)際問題。經(jīng)過該系統(tǒng)的處理利用，農(nóng)村廁所沖水得到有效的處理與資源化利用，有效解決了農(nóng)村缺少有機(jī)肥源、糞便沖水不能充分利用的問題。系統(tǒng)對N的利用效率得到明顯提高，設(shè)計(jì)合理，能源利用充分，投資與運(yùn)行費(fèi)用合理，適合在我國農(nóng)村地區(qū)推廣。但是研究考慮到人體的新陳代謝會產(chǎn)生很多的微污染物，而這些通過尿液排出的微污染物大多屬于非常穩(wěn)定的物質(zhì)，在農(nóng)田滴灌的過程中，這些物質(zhì)會進(jìn)入農(nóng)田并被植物吸收，由此帶來了健康風(fēng)險(xiǎn)。這是研究未考慮的。總體而言，源分離的農(nóng)村廁所沖水灌溉利用技術(shù)比較適合我國農(nóng)村地區(qū)推廣使用。

參考文獻(xiàn)

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