农村厕所粪污治理模式实践与思考

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　　关键词：厕所革命;化粪池;粪污治理;资源化
　　“中国要美，农村必须美”。中国地域广阔，农村人口众多，在近几年的国家基础设施建设中，农村建设的重要性逐渐突显出来，中共中央提出了乡村振兴战略和农村生态文明建设[1]。厕所建设及厕所粪污的科学处理是农村人居环境治理的重中之重，同时也是农村建设的重大短板[2]。传统中国农村旱厕由于搭建简易，缺乏粪尿收集处理与防渗措施，容易导致肠道传染病、寄生虫病和血吸虫病等疾病的流行[2-3]。研究表明，农村地区80%的传染病是由厕所粪便污染和饮水不卫生引起的[4]，厕所粪污以及畜禽粪污的不科学处理给农村居民的身体健康带来巨大的威胁。与此同时，厕所粪污对环境的污染也不容忽视。据统计，厕所污水中总氮、总磷的贡献率占农村生活污水、污染物总负荷的84%[5]，大约有50%行政村的饮用水源被污染[6]。由此可见，农村厕所粪污治理对农村生态环境改善、农村居民身体健康以及缩小城乡差距都具有重要意义。
　　人体粪便中含有大量的有机物以及营养元素，如氮、磷、钾等，1个人1 d代谢出1 g磷，其中80%在尿液中，因此尿液也被称为液体黄金[7]。全世界每年生产1.6亿t合成氮磷钾化肥，但却通过水冲厕所损耗0.5亿t肥料，粪污的排放是对磷资源的巨大浪费。研究者指出，人类排泄物是资源，但是其经济性仍然很低，未来需要研发市场化产品，实现粪尿肥料化利用[8]。因此，粪污资源化利用将是未来的趋势，通过科学的方法处理厕所粪污不但能消除环境污染，还能带来一定的经济效益和影响深远的社会效益。
　　1 “厕所革命”现状及存在问题
　　1.1 “厕所革命”现状
　　我国对农村厕所的改造以及厕所粪污的治理历史久远，从新中国成立初期倡导的农村“两管五改”工作，再到现今的“厕所革命”，我国人民付出了巨大的努力，也取得了一定的成就。我国卫生厕所普及率在1996年为20.9%，2016年卫生厕所普及率达到 80.40%[2]，2019年第十七届中国国际农产品交易会人居环境治理展中提到，广东、浙江、上海等地农村卫生厕所普及率可达98%以上，预计到2020年可达100%。
　　根据2016年《中国卫生和计划生育统计年鉴》数据以及王永生等的研究可以发现，在我国卫生厕所中水冲式厕所占比（表1）最高，10个省（市）应用比例达到90%以上，15个省（市、区）应用比例在50%～90%之间，仅有内蒙古、吉林、黑龙江、甘肃、青海这5个地区水冲式厕所占比低于30%[2]。对于广大的农村地区，由于面积广不易铺设管道、地势等原因，在水冲式卫生厕所中，三格化粪池式卫生厕所所占比例最高[3]。东北地区由于气候寒冷原因较少选择水冲式卫生厕所，转而选择粪尿分集式卫生厕所以及其他类型厕所[9]。
　　1.2 “厕所革命”进程中存在的问题
　　近几年的“厕所革命”以及农村生态建设虽然取得了比较大的成效，但是对于较贫困的西北地区，卫生户厕普及率依然较低[10]。对于经济较发达、卫生厕所普及率较高的区域还存在以下几个问题。
　　1.2.1 厕所粪污治理问题 在当前政策高压状态下，地方政府将“厕所革命”重点放在“改”上，一味强调卫生厕所数量以及卫生厕所普及率，忽视厕所粪污的“治”[1]。将“厕所革命”与早期的“改厕运动”混淆，这样不仅没有从根本上解决农村厕所粪污污染问题，反而浪费大量人力财力。以农村地区应用范围最广的三格化粪池为例，任丽华等通过对浙江省农村卫生厕所无害化效果调研发现，三格化粪池数量所占比例为94.19%，而在化粪池出口的排放方式中，仅约50%纳入污水管道，其余则直接渗入土壤或排放入水体;同时仅有36.5%的农户使用化粪池第三格出水作为液肥[11]。然而王玉华等通过对农村三格化粪池污水处理效果进行调研（表2）发现，三格化粪池对总氮和总磷去除率较低，对化学需氧量（COD）的去除率也仅为48%左右，即便这样，化粪池出水中的COD浓度仍有 890 mg/L，通过对比GB 8978—1996《污水综合排放标准》（二级）、GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》（二级）、GB 5084—1992《农田灌溉水质标准》（旱作）這3种标准后发现，均未能达到标准值，并且具有较大差距[12]，因此可以认为，三格化粪池不是一种粪污处理设施，仅可以作为一种临时储存装置和无害化功能措施，厕所粪污还需要进行进一步处理。
　　1.2.2 农村居民“厕所革命”意识薄弱 农村地区居民由于文化水平不高，且近年农村空巢老人比例越来越高[13]，对厕所卫生的重要性不够重视，再加上长期以来的生活习惯不易改变[14]，在许多农村地区存在“一户两厕”现象，即政府部门协助修建了卫生厕所，但是原有旱厕未拆除或不愿意拆除，居民认为水冲式厕所浪费水电，对于某些收入不高地区，会增加居民支出，所以仍然选择使用传统旱厕[15]。这样一来不仅没有达到“厕所革命”的目的，还增加了政府人力财力的支出，并且极可能导致“二次厕所革命”，引起农村居民的反感。
　　1.2.3 缺乏高效管理保障机制 当前我国卫生厕所普及率只重视数量，对质量重视程度较低。对于不同地区适用卫生厕所的选择，是否可以做到因地制宜;对于实地卫生厕所的设计，是否有进行专业设计;对于卫生厕所建设工程的质量标准，是否可以做到严格把控，这些问题都影响了卫生厕所的普及效果以及使用效率，但是目前多数卫生厕所的建设都不能解决这些问题，大部分建造人员都缺乏系统学习，管理松散。与此同时，对于农村卫生厕所后续的运行管理、农村居民的宣传教育等方面都没有健全的机制，如何能够保障农村卫生厕所可以长期高效运行也是当下人们必须考虑的问题之一。
　　2 农村厕所粪污治理模式
　　针对当前人们大多只重视厕所内部使用环境的改善，忽视厕所粪污的治理，对农村生态环境以及人居环境“治标不治本”的问题，总结当下所研究的或已经试行的厕所粪污治理模式，以期面对不同的自然条件以及发展水平，因地制宜地选择不同的粪污治理模式。 　　2.1 三格式化粪池改造
　　传统三格式化粪池对污染物降解率低，出水达不到排放标准，随意排放后对农村土壤以及水体仍有较大危害，因此国内外许多学者研究如何通过对三格式化粪池进行改造，以简单的方式提升污染物降解水平，从而减小污染物对环境的负面作用。Luostarine等在低温时使用升流式厌氧污泥层化粪池（UASB-septic tanks）处理厕所粪污以及厕所粪污与厨余垃圾的混合物，结果发现，95%的总悬浮固体（TSS）和90%的总化学需氧量被去除;另外，最终出水中污泥的溶解性化学需氧量几乎为零;但是总氮的去除率不高，在10 ℃时去除率为18%左右[16]。升流式厌氧污泥层式化粪池是常规化粪池的改良版（图1），其区别在于它的升流操作模式，降低了厌氧污泥与废水中有机物之间的接触程度，从而增强了对悬浮固体的物理去除能力和对溶解有机物的生物去除能力。另外，升流式厌氧污泥层式化粪池还可以存储和（部分）稳定产生的污泥，由此获得了较长的污泥保留时间，改善了活性污泥的保留情况，提高了低温条件下的粪污处理效率。同时，多相系统可以通过进一步提高污泥的保留率来增强低温处理能力，在第1阶段中，固体的去除和非酸化有机物质的转化也得到了增强，在随后的第2阶段中，溶解的化合物则被去除。
　　关华滨设计的厌氧折流板反应器（ABR）化粪池[17]、韦昆设计的新型填料化粪池对污染物的去除率较传统化粪池都有30%～40%的提升，该新型填料化粪池对动植物油以及表面活性剂（LAS）有71%～90%、35%～45%的去除效果，去除后出水可达到灌溉用水标准[18]，装置如图2所示。传统的三格式化粪池流态为水平流，内部容易形成短流和死区，该设计通过对反应器内部流态进行优化，来提高污染物去除效率，提升出水水质。主要原理为在第一格室设置多层孔板，以形成扰流使流场均匀分布，从而促进污染物的降解;在第二格室设置折流板，延长水力停留时间;在第三格室设置陶粒填料层起到过滤作用;在第四格室收集出水，用于农田灌溉。
　　通过对三格式化粪池的改造，虽然可以提升出水水质，但是仍未达到国家污水二级排放标准，因此仅适用于农业灌溉等低品质用水要求，如果要进一步提升水质，还需要外接人工湿地[19]等进一步处理设施;另外，厕所底泥未进行进一步处理，对厕所粪污资源化利用率低，未能实现资源和能量的循环流动。对三格式化粪池的改造适用于水系发达且对灌溉用水等低品质用水有需求的农村地区，由于在低温条件下处理效率不高，因此不适用于北方寒冷地区。
　　2.2 农村水冲式厕所的粪污综合治理模式
　　根据2016年《中国卫生和计划生育统计年鉴》数据，我国水冲式厕所占比最大，许多学者针对水冲式厕所粪污如何实现无害化、减量化、资源化作出探讨。河南省商丘市大刘庄村化粪池式厕所改造项目，提出了基于全生态链的农村粪污治理综合模式[20]，如图3所示。该模式基于生态系统物质循环与能量流动原理，将农村化粪池式厕所系统作为乡村区域生态循环的子系统进行研究。在该研究系统中，首先使用微水冲厕所，以降低对三格式化粪池的体积要求和后续清掏次数要求;人体排泄物经过三格式化粪池初步腐熟后，产生的粪渣可以经过干燥脱水后掺合农作物秸秆共同堆肥形成固体肥料，并用于农业生产;粪液可以直接施入土地中，但是要注意其中有害微生物浓度，防止对人体健康产生危害，也可以通过管道输送经村级二级处理后作为灌溉水。经过上述过程形成一条循环的闭路生态链条，实现三格式化粪池式厕所产物的无害化、零排放和再循环。
　　上述粪污处理模式适用面较广，不管是居住较集中的城镇或者村庄，还是居住分散的散户都可以有较好的治理效果，并且在此基础上可以实现多元有机固废协同处理的综合处理模式，但是这种模式同样存在一些缺陷，在管理、维护方面比较复杂，成本较高，受农村经济条件的限制，许多高新技术不适宜在农村地区推广。同时存在对于干旱少雨和冬季高寒区域水冲式厕所不适用等缺陷。
　　2.3 粪尿分集式厕所粪污资源化处理
　　我国幅员辽阔，在西北地区由于干旱少雨，没有足够的水资源来修建水冲式厕所，而在东北等高寒地带，由于冬季气温极低，三格式化糞池会形成冰冻，因此也不适用于水冲式厕所。为了解决这些地区农村卫生厕所建造问题，研究人员设计出粪尿分集式卫生厕所[21]。这种厕所的核心技术是在前端如厕部分安装一种经过专业设计的粪尿分集式便器;与传统便器相比，粪尿分集式便器由2个排出口组成，分别收集尿液和固体粪便。将无害的尿液部分通过前面的尿液排出口导尿管流入厕所下方的尿桶单独收集，粪便部分则通过粪尿分集式便器后方的排出口进入下方的粪池内单独收集处理。
　　源分离尿液本身所含病原微生物量极少，并且尿液中的营养成分能被农作物直接吸收利用，虽然尿液中会含有微量的重金属物质，但这些重金属含量有限，基本可以忽略不计[22]。因此可以将源分离尿液稀释后直接灌溉土地，实现氮磷资源的再利用。同时，也有研究通过一定的技术回收尿液中的氮磷资源，其中工艺较为成熟的是沉淀结晶技术[23]。沉淀结晶技术利用磷酸铵镁（Mg NH4PO4·6H2O，MAP）或磷酸镁钾（KMgPO4·6H2O，MPP）沉淀法使尿液中的氮磷钾以晶体形式析出，然后回收。这种方法可以同时回收多种元素，且生成的尿粪石自身就是一种低释放型优质肥料，可直接用于农田生产中[24]。
　　通过覆盖秸秆粉末可以促进粪便干化脱水，同时抑制其中微生物的生长，减少臭味散发。干化覆盖后的粪便可以集中进行发酵堆肥处理，以有机肥料的形式还田，从而实现碳氮磷硫多种元素的资源化利用。赵伟提出的粪尿分集式厕所粪污资源化处理模式（图4）[25]就是基于上述原理。
　　粪尿分集式厕所粪污资源化处理模式由于其不需水冲、耐严寒等优点，适用于干旱少雨地区如我国甘肃、宁夏北部、青海西北部、西藏北部等地区以及冬季严寒如吉林、黑龙江等地区。但同时存在着若处理不当会造成粪便无害化效果不好等缺陷[26]。 　　2.4 太阳能微动力一体化单户处理模式
　　太阳能微动力组合式一体化处理模式[3]主要采用厌氧-好氧活性污泥法来处理厕所粪污（图5）。厕所出水经过简单预处理后进入厌氧过滤池，通过厌氧过滤池中的微生物降解其中的有机物，减少悬浮物总量与固体物质含量，同时通过反硝化作用将回流中的硝酸根、亚硝酸根转化为N2，实现脱氮的效果。然后再进入到好氧曝气池，通過太阳能电池供电曝气，进一步去除其中的有机物，同时通过聚磷菌富集其中的磷，定期将一小部分污泥外运。最后污水经消毒池达标排放，未完全分解的有机物经沉淀池后回流至厌氧过滤池。该模式也可同时将厨房污水与淋浴污水一同处理。
　　这种处理模式具有占地面积小、处理效率高、节能环保、适用范围广等优点。但是这种模式尚处于实验室阶段，并未大概范围推广，主要是由于其中一些缺陷尚未克服，如成本较高、实际运行管理麻烦、对农村居民操作要求高等。将来可通过技术改革，简化其中操作流程，对于极偏远地区农户使用或者村镇集体使用都具有较好前景。
　　3 思考
　　当前“厕所革命”应该有别于以往的“农村改厕”。需要行政、科研人员积极去探索思考，如何推动农村“厕所革命”高效、高质量、因地制宜进行，在今后的“厕所革命”工作中应当注意以下几个问题：
　　第一，“厕所革命”是一场关于厕所的观念、意识和行为的革命。农村地区居民由于文化水平有限，对厕所卫生的重要性认识还不够高。可通过适当的宣传手段，提高居民对“厕所革命”的认识，改变他们对传统厕所的观念，从而让农村居民自发自愿的参与到“厕所革命”中。
　　第二，“厕所革命”是厕所建造和粪便处理技术的革命，不只是简单的改厕，而是将改厕与粪污处理作为系统来考虑。要避免只重视厕所内部之“改”，忽视厕所外部之“治”的行为。如果农村厕所粪污没有得到有效治理，那么就不可以说“厕所革命”是成功的，只有在真正意义上实现了农村厕所粪污的科学治理，才能真正改善农村人居环境。
　　第三，“厕所革命”是粪便管理模式和资源化利用的革命，探索规模化的粪便资源化利用模式已成为美丽乡村和生态化农业发展的要求。粪便资源化道路是农村厕所粪污治理的必由之路，应积极探索适应不同地区的粪便资源化利用模式，加快粪尿资源化利用技术的攻关和综合模式示范，因地制宜地开展农村“厕所革命”工作。
　　推动高寒适宜厕所技术、水冲厕所的资源化利用技术、节水或无水厕所技术、分户式粪便处理技术等关键技术的研发、改进和应用，实施技术创新和集成，形成改厕-粪污处理-资源化的系统解决方案，在真正意义上通过“厕所革命”来改善农村生态环境和人居环境。
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