賴竹林 于振江 周雪飛

摘要 隨著農(nóng)村改廁的不斷推進(jìn)，截至2017年底三格化糞池廁所的數(shù)量超過8 000萬(wàn)個(gè)，在無害化衛(wèi)生廁所中占比最大。三格化糞池不消耗動(dòng)力，無害化程度高，因此深入了解化糞池對(duì)于農(nóng)村改廁具有重要意義。為此通過Derwent Data Analyzer軟件對(duì)中國(guó)、美國(guó)和日本的化糞池專利進(jìn)行聚類分析，介紹了“廁所+化糞池+糞污利用”和“水沖廁所+化糞池+污水處理”2種改廁模式下化糞池技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。通過分析總結(jié)，認(rèn)為糞污資源化是農(nóng)村化糞池未來重要發(fā)展方向，負(fù)壓微水沖的節(jié)水技術(shù)和糞便減量化技術(shù)等可促進(jìn)資源化，同時(shí)可采取“化糞池+”技術(shù)等改善糞便污水的處理效果。

關(guān)鍵詞 化糞池;農(nóng)村改廁;糞污處理;資源化

中圖分類號(hào) X703 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2020）19-0069-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.019

Abstract With the constant progress of toilet improvement in rural areas，the number of threeseptictank toilet had reached more than 80 million by the end of 2017.It accounted for the largest proportion of harmless sanitary toilets.Threesquared septic tank did not consume power and has a high degree of harmless.Therefore，it was of great significance to understand septic tank toilets in rural areas.In this paper，Derwent Data Analyzer was used to conduct cluster analysis on the patents of septic tanks in China，the United States and Japan.Furthermore，introduced the technology development of septic tanks under “toilet + septic tank + fecal utilization”and “water flushing toilet + septic tank + sewage treatment” models.By the analysis and summary，it was concluded that the resource utilization of feces would be an important development direction of rural septic tank in the future.The watersaving technology of negative pressure microflushing and the reduction technology of feces could promote the resource utilization.Moreover，“septic tank +” technology could be adopted to improve feces treatment.

Key words Septic tank;Toilet improvement in rural areas;Manure disposal;Resource recovery

基金項(xiàng)目 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFD1100500）

作者簡(jiǎn)介 賴竹林（1994—），男，江西贛州人，碩士研究生，研究方向：污水處理與資源化。*通信作者，教授，從事污水處理與資源化研究。

收稿日期 2020-05-11

廁所是人們?nèi)粘Ｋ玫幕A(chǔ)設(shè)施，可體現(xiàn)一個(gè)民族的衛(wèi)生文化和國(guó)家的文明程度。國(guó)內(nèi)外研究表明，農(nóng)村80%的傳染疾病，如兒童腹瀉、血吸蟲病等，是由廁所糞便污染和不安全飲水引起的，通過改水改廁可以有效控制糞源性傳染病的傳播[1-2]。我國(guó)農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，廁所已經(jīng)成為改善農(nóng)村衛(wèi)生環(huán)境的重要短板，發(fā)展無害化衛(wèi)生廁所顯得尤為重要。2018年國(guó)務(wù)院發(fā)布的《農(nóng)村人居環(huán)境整治三年行動(dòng)方案》，要求到2020年農(nóng)村衛(wèi)生廁所普及率達(dá)到85%左右。截至2017年底，全國(guó)農(nóng)村衛(wèi)生廁所的普及率達(dá)到了81.8%[3]，其中三格化糞池廁所的比例為37.6%，取得了顯著的環(huán)境效益。

在我國(guó)農(nóng)村改廁主要有2種路徑，一種是“廁所+化糞池+糞污利用”模式（簡(jiǎn)稱模式一），廁所污水進(jìn)入化糞池后，腐熟的糞液和清掏的糞渣以農(nóng)田施肥為主;另一種是“水沖廁所+化糞池+污水處理”模式（簡(jiǎn)稱模式二），化糞池作為污水預(yù)處理措施。在兩種路徑下，雖然化糞池的基本原理和結(jié)構(gòu)相似，但由于其功能定位和運(yùn)用場(chǎng)景不同，對(duì)化糞池的要求也有所差異。

許多學(xué)者對(duì)農(nóng)村化糞池做了研究，陳杰等[4]介紹了不同類型的化糞池在實(shí)際生活中的選用，范彬等[5]概述了化糞池技術(shù)在分散式污水處理中的運(yùn)用，武海霞等[6]探討了化糞池的管理模式，但未結(jié)合農(nóng)村改廁路徑，對(duì)化糞池技術(shù)發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)的梳理?；诖?，筆者根據(jù)前期實(shí)地調(diào)研、文獻(xiàn)資料和數(shù)據(jù)分析軟件（derwent data analyzer，DDA），探討了我國(guó)農(nóng)村化糞池的發(fā)展現(xiàn)狀，并分析了未來發(fā)展趨勢(shì)。

1 三格化糞池的應(yīng)用現(xiàn)狀

2002—2017年，全國(guó)農(nóng)村衛(wèi)生廁所普及率從47.6%提高到81.8%，截至2017年，三格化糞池廁所的數(shù)量超過8 000萬(wàn)個(gè)[3]。如圖1所示，東部占比為64%，沿海省份如浙江省和江蘇省的三格化糞池廁所分別占省內(nèi)衛(wèi)生廁所的81.5%和79.5%，中部、西部地區(qū)各占17.9%、18.1%，呈現(xiàn)出“東高西低”的格局。

2 化糞池的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

化糞池作為一種原始的厭氧反應(yīng)器，最早可以追溯到19世紀(jì)的歐洲。1860年，法國(guó)人在住宅與糞坑之間建造了一個(gè)“箱”，減少了固體量，產(chǎn)生的澄清液體可直接排入土壤里，法國(guó)《宇宙》雜志稱之為“MOURAS”池。隨著1895年英國(guó)研究人員申請(qǐng)了將“MOURAS”池改進(jìn)為化糞池（septic tank）的專利，此后在世界范圍內(nèi)對(duì)化糞池的研究也逐漸增多[7]。

為了更好地分析國(guó)內(nèi)化糞池的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，該研究利用專利檢索分析系統(tǒng)（derwent innovation）和DDA數(shù)據(jù)分析軟件，以化糞池（septic tank）為主要關(guān)鍵詞，對(duì)全球化糞池專利（截至2019年11月）進(jìn)行檢索，進(jìn)行二次篩選和標(biāo)引，同時(shí)對(duì)申請(qǐng)量排名前三的國(guó)家（日本、中國(guó)和美國(guó)）的化糞池專利進(jìn)行聚類分析，以21世紀(jì)為分界線，但由于中國(guó)21世紀(jì)前的專利數(shù)量較少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國(guó)和日本，故僅對(duì)21世紀(jì)后中國(guó)的專利進(jìn)行詳細(xì)分析，分為2000—2008年、2009—2014年及2015—2019年3個(gè)時(shí)間段，得到的ThemeScape專利地圖如圖2所示。

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，全球化糞池的發(fā)展大致經(jīng)歷了2個(gè)階段，第 Ⅰ 階段是對(duì)化糞池材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，第 Ⅱ 階段是強(qiáng)化化糞池的污水處理。

由圖2（a）和圖2（b）可知，在21世紀(jì)前，1985年日本開始實(shí)施《凈化槽法》[8]，對(duì)化糞池的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，利用不飽和酯合成不同性質(zhì)的殼體材料。在化糞池中設(shè)置膜分離器可以有效地去除生活污水中的污染物。而美國(guó)相應(yīng)地出臺(tái)了《化糞池系統(tǒng)房主指導(dǎo)手冊(cè)》，主要采用由化糞池、排水場(chǎng)等組成的化糞池/土壤系統(tǒng)處理家庭生活污水[9]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，21世紀(jì)后日本的化糞池逐漸向固液分離、預(yù)制式化糞池及研發(fā)微生物載體等方向發(fā)展，逐漸改良為具備處理污水功能的小型設(shè)施。而美國(guó)更加側(cè)重于改善化糞池性能，通過提高密封性，安裝循環(huán)裝置，提高厭氧效率。

由于日本和美國(guó)的下水管網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)達(dá)，糞便污水以達(dá)標(biāo)處理排放為主，而國(guó)內(nèi)化糞池技術(shù)發(fā)展與農(nóng)村改廁運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，由圖2（c）可知，化糞池專利申請(qǐng)主要集中在2015—2019年，在材料（樹脂）、結(jié)構(gòu)（安裝環(huán)、固液分離）、糞污處理與資源化（人工濕地、發(fā)酵罐、酸化、芽孢桿菌）等得到全面發(fā)展，處于第Ⅰ和第Ⅱ階段的并行時(shí)期。

為了進(jìn)一步深入分析我國(guó)農(nóng)村化糞池的發(fā)展趨勢(shì)，筆者將結(jié)合目前主要兩種化糞池改廁路徑進(jìn)行介紹。

2.1 材質(zhì)改良

隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，化糞池的材質(zhì)得到了迅速發(fā)展，在建筑形式上也有很大的改變。從早期的磚砌化糞池、現(xiàn)澆鋼筋混凝土化糞池的現(xiàn)建式，到預(yù)制鋼筋混凝土化糞池、玻璃鋼化糞池和塑料化糞池的整體式，在一定程度上解決了易泄漏、易腐蝕的問題。調(diào)查顯示，目前市場(chǎng)主流改廁產(chǎn)品是以塑料注塑為工藝生產(chǎn)的雙甕和三格化糞池[10]。

2.2 發(fā)展模式

在農(nóng)村改廁中，化糞池從單格化糞池、雙格及多格化糞池和“化糞池+”技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)了糞便污水的無害化、資源化和達(dá)標(biāo)處理排放。結(jié)合農(nóng)村的自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件，形成了以“廁所+化糞池+糞污利用”和“水沖廁所+化糞池+污水處理”為主的農(nóng)村化糞池改廁路徑。

2.2.1 模式一：廁所+化糞池+糞污利用。在這個(gè)模式下，大致可分為3個(gè)階段，每個(gè)階段的特點(diǎn)有所不同，解決的問題也有所側(cè)重。

第 Ⅰ 階段是以糞便貯存為主要功能的單格化糞池。

20世紀(jì)60年代，在我國(guó)農(nóng)村開展了“兩管五改”活動(dòng)，建造不滲漏的糞缸、糞坑來管理收集糞便。化糞池以一大格為主，可臨時(shí)儲(chǔ)存糞便，但底泥容易受到池內(nèi)產(chǎn)生氣體的擾動(dòng)，導(dǎo)致出水中懸浮固體濃度較高影響農(nóng)田回用而逐漸被淘汰。

第 Ⅱ 階段是以實(shí)現(xiàn)糞便無害化與資源化的兩格、三格化糞池。

20世紀(jì)90年代，為改善飲水和衛(wèi)生條件，開始在農(nóng)村進(jìn)行改水改廁，南方地區(qū)開始使用兩格、三格式化糞池。顏維安等[11]、杭德榮等[12]等的研究表明兩格式化糞池的糞便無害化效果較好，適合在農(nóng)村中推廣。

為了便于取用腐熟后的糞液，在戶廁改造中用三格化糞池取代兩格化糞池。三格化糞池一般呈“目”字或“品”字型排列。過糞形式由窗口式過糞口、直通管和“U”字型，向“/”型（斜管式）、倒“L”字型轉(zhuǎn)變。

三格化糞池對(duì)糞便中的大腸桿菌和寄生蟲卵均有顯著的殺滅作用，但池型、過糞管和密封性都會(huì)影響無害化效果。研究發(fā)現(xiàn)，斜管式過糞管比窗口式過糞口更能發(fā)揮三格化糞池的截留糞皮糞渣和除卵作用[13]，節(jié)水型高壓水沖便器可保證糞便無害化所需要的時(shí)間，同時(shí)有機(jī)物濃度也利于發(fā)酵[14]，如上海市農(nóng)村在1993年開始采用節(jié)水型水沖式座便器配套2 m3三格化糞池的戶廁。但由于戶用化糞池的糞液抽取周期與農(nóng)業(yè)需求周期不一致，導(dǎo)致糞液不能及時(shí)利用，此外勞動(dòng)強(qiáng)度與應(yīng)用技術(shù)也會(huì)影響糞污生態(tài)還田的程度。任麗華等[15]、鐘格梅等[16]的調(diào)查發(fā)現(xiàn)農(nóng)村廁所糞便用作農(nóng)田肥料的比例只有34.32%～48.65%，糞污資源化程度較低。

第 Ⅲ 階段為完善化糞池其他功能，如清掏技術(shù)、糞便減量化技術(shù)等。

化糞池會(huì)產(chǎn)生大量的糞便污泥，最大清掏周期可達(dá)到1～2年，其清掏方式發(fā)生了很大的改變。從人工掏糞、真空吸糞車到無泵吸糞車、多功能吸糞車，大大縮短了吸糞時(shí)間，實(shí)現(xiàn)糞渣和糞液的固液分離。

為了減少糞便污泥量，宋珍霞等[17]投加0.5%的復(fù)合菌劑（HBH-II）、黃川等[18]添加0.005 ～ 0.10%的有效微生物（EM）和多功能復(fù)合微生物制劑（MCMP）來分解糞便污泥，對(duì)TS、SS均有顯著的減量效果，可使浮渣層厚度和臭氧濃度維持在較低水平[19]。

2.2.2 模式二：水沖廁所+化糞池+污水處理。

由于對(duì)總氮、總磷的處理效率低，化糞池是地表水營(yíng)養(yǎng)元素排放的潛在來源[20]。王玉華等[21]評(píng)價(jià)了江蘇省168戶農(nóng)村三格化糞池的污水處理效果，對(duì)COD、TN和TP的平均去除率分別為48.51%、6.83%和23.92%，與城鎮(zhèn)污水處理廠綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 18918—2002）、農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 5084—2005）的要求仍有很大差距，直接排放會(huì)導(dǎo)致對(duì)環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)。

在模式二中，形成了小三格化糞池+大三格化糞池、化糞池/土壤滲濾、化糞池/人工濕地及化糞池的微生物強(qiáng)化等“化糞池+”技術(shù)。

近年來，在積極引進(jìn)日本凈化槽的同時(shí)，國(guó)內(nèi)學(xué)者開展了對(duì)化糞池的結(jié)構(gòu)、生物載體及反應(yīng)條件等研究。

用3個(gè)化糞桶或2個(gè)水泥涵管取代3個(gè)方池，可降低建造成本，提高密閉性。攪拌器或三相分離器的設(shè)置，消除了糞便結(jié)殼，提高了糞便的分解速率和污水與微生物的接觸面積。針對(duì)山區(qū)特殊地質(zhì)條件，有些地區(qū)采用“農(nóng)戶小三格化糞池+村內(nèi)大三格化糞池”進(jìn)行糞污處理。為了強(qiáng)化微生物的處理效果，湯克敏等[22]、付婉霞等[23]通過化糞池中添加填料，如球形陶粒填料、半軟性填料，與此同時(shí)范建偉等[24]、陳志強(qiáng)等[25]、韋昆等[26]將之改為填料/折流式化糞池，均提高了化糞池對(duì)污水的凈化效果。王昶等[27]聯(lián)用多戶化糞池，王立東等[28]將三格化糞池改造為預(yù)處理曝氣池、厭氧發(fā)酵池和接觸氧化池等，較大改善了處理效果。為優(yōu)化化糞池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，吳珊等[29]利用示蹤實(shí)驗(yàn)和Fluent 軟件對(duì)傳統(tǒng)化糞池的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并提出了在進(jìn)出口附近添加擋板和改變化糞池截面形狀等改進(jìn)建議。

由于化糞池處理能力有限，可運(yùn)用生物生態(tài)組合技術(shù)來處理化糞池尾水。宋偉民等[30]利用滲坑土壤過濾處理化糞池出水，結(jié)果表明周邊土壤1、5、10 m均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，但需要考慮土壤的納污承受能力[31]，劉雯等[32]、徐德星等[33]的研究均表明人工濕地處理化糞池出水，對(duì)COD、TP有較好的處理能力。

在北方及高海拔的寒冷地區(qū)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)寒冷季節(jié)凍結(jié)問題是影響農(nóng)戶改廁意愿的主要因素之一?？赏ㄟ^外部加設(shè)保溫結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能加熱[34]等方式來增強(qiáng)化糞池的抗凍性能，目前，防凍型戶廁多采用增加埋深的方式，超過凍土層厚度。孫成軍[35]研究了聚苯乙烯保溫板對(duì)改性聚丙烯污水處理設(shè)備在低溫下（-10 ℃和-20 ℃）的保溫效果，結(jié)果表明水體的最低溫度隨保溫板覆蓋面積增大而有所提高，但未對(duì)保溫的持久性進(jìn)行深入研究。針對(duì)在不同覆土深度下的化糞池受力變化情況，趙猛等[36]結(jié)合有限元軟件，分析出危險(xiǎn)區(qū)域，提出了增設(shè)加固件的加強(qiáng)方案。

2.3 現(xiàn)有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

農(nóng)村早期的化糞池達(dá)到一定容積就可實(shí)現(xiàn)貯存糞便的功能，隨著人們對(duì)環(huán)境衛(wèi)生認(rèn)知的程度不斷加深，農(nóng)村改廁的需求也向無害化、資源化的方向轉(zhuǎn)變。在1990年開始根據(jù)《中國(guó)村鎮(zhèn)廁所及糞便無害化處理設(shè)施圖選》建設(shè)農(nóng)村衛(wèi)生廁所。目前在城市化糞池設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上建立了相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

在《農(nóng)村戶廁衛(wèi)生規(guī)范》中規(guī)定了對(duì)戶廁的設(shè)計(jì)、安裝、衛(wèi)生指數(shù)等，《農(nóng)村三格式戶廁建設(shè)技術(shù)規(guī)范》重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了安裝、施工及工程驗(yàn)收，《農(nóng)村三格式戶廁運(yùn)行維護(hù)規(guī)范》對(duì)糞污管理、日常維護(hù)給予了詳細(xì)指導(dǎo)。雖然在產(chǎn)品要求中規(guī)定了殼體抗壓性、隔板密封性等，但對(duì)于制造工藝及包裝運(yùn)輸?shù)囊笥写谕晟啤Ｔ谀Ｊ蕉醒赜昧恕督ㄖo水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中城市化糞池的規(guī)定，但對(duì)于適用于農(nóng)村化糞池處理污水的各池容積之比缺少詳細(xì)的研究。

3 展望

糞污生態(tài)還田技術(shù)是處理農(nóng)村糞污的未來重要發(fā)展趨勢(shì)，但我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，有些農(nóng)村地區(qū)不具備下水管網(wǎng)條件，在模式二下，需要建立較為完整的污水處理系統(tǒng)，是農(nóng)村化糞池的一種“過渡模式”。結(jié)合我國(guó)農(nóng)村改廁路徑，針對(duì)目前化糞池存在的不足，提出以下幾點(diǎn)思考與建議：

（1）在模式一中，針對(duì)高、寒地區(qū)，探索經(jīng)濟(jì)有效的化糞池保溫方式，在旱、孤地區(qū)，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)重點(diǎn)考慮清掏周期與轉(zhuǎn)運(yùn)條件，可開發(fā)糞便減量化的高效菌劑免清掏技術(shù)。發(fā)展負(fù)壓節(jié)水技術(shù)，保留農(nóng)戶使用糞肥的習(xí)慣，建立全生態(tài)的化糞池系統(tǒng)，通過庭院消納、農(nóng)田施肥、沼氣發(fā)酵等手段，提高糞污資源化程度。

（2）在模式二中，針對(duì)不同地區(qū)的農(nóng)村污水排放標(biāo)準(zhǔn)與典型區(qū)域的生態(tài)要求，構(gòu)建化糞池系統(tǒng)的模塊化處理技術(shù)，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下形成化糞單元的生物強(qiáng)化處理、化糞單元與生態(tài)耦合處理和化糞單元排泄物的就地處理等技術(shù)。

（3）建立適宜農(nóng)村地區(qū)化糞池標(biāo)準(zhǔn)與管理體系，完善多元化投入機(jī)制，積極培育改廁服務(wù)市場(chǎng)。

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