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粪便资源化利用新型环保节水厕所设计探析

 

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 摘 要 在我国市政管网设施不完善的偏远地区,人们如厕难的问题一直难以得到有效解决。此外粪尿乱排不但污染环境,还会滋生蝇虫传播疾病,对人体的身心健康造成潜在威胁。为了响应“厕所革命”的号召,国内近些年来各式各样的生态环保厕所层出不穷,但目前市面上常见的环保厕所均无法做到真正的“环境友好”,都存在二次污染的风险。基于此,本文提出了一种新型的环保节水型厕所,该厕所可将如厕产生的尿液和粪便原位处理后资源化利用,规避了二次污染环境的同时还具有一定的经济效益。

  
  该新型环保节水厕所以尿液RO膜处理及粪便好氧堆肥为核心,RO膜产水作为清水回用,浓水作为粪便好氧堆肥补水。尿液RO膜处理实验研究结果表明,40%为RO膜最佳回收率,该运行条件下既可在一定程度上保证产水量,又可对尿液中污染物有较好的去除效果。其脱盐率、金属离子去除率和总氮去除率分别可达94.34%、96.20%和93.10%。通过设置粪便投加量梯度,得出粪便与锯末作为堆肥基质最佳的投加比例为20:3(g:L),并以该比例进行Bio-Lux S15型堆肥反应器实验。结果表明,堆体的含水率通过RO膜产生的浓水进行补充,当堆体电导率达到6.5ms/cm时,其中的微生物活性开始降低,病原微生物可在15~20d内完全失去活性。堆肥至25d时,堆肥产物中总氮和K2O比例分别为0.52%和1.51%,其它各项指标均达标腐熟,可做为氮钾复合肥料进行使用。在上述试验的基础上,构建了新型环保节水厕所,该厕所由真空抽吸系统、粪便分离系统、尿液膜处理系统、堆肥反应器系统组成。通过24d的连续监测,结果表明该厕所每日平均产清水水量4.45L大于用水量2.25L,因此可以做到水量的自给自足。每日平均产出浓水6.68L,可满足好氧堆肥反应器补水量(5.6L/d~7.5L/d)的要求。同时在18d的腐熟周期内,浓水水质对堆肥过程并未造成不良影响,因此RO膜浓水可作为粪便堆肥系统补水,从而实现污水零排放的目标。堆肥产物总氮、P2O5和K2O浓度所占比例分别为1.4%、1.9%和1.9%,均达到有机肥标准浓度,且产物完全腐熟,可作为复合肥料进行使用。该新型环保节水厕所不仅实现了用水零补充,污水零排放,避免了二次污染,其堆肥产物还能带来的一定的经济效益,而且无需上下水管道,具有广阔的应用前景。
粪便资源化利用新型环保节水厕所设计探析
  
  关键词:   环保节水厕所,粪便资源化,尿液RO膜分离,粪便好氧堆肥,产物肥效。
  

  Abstract

  
  In  remote  areas  with  inadequate  municipal  pipe  network  facilities  in  China,  the problem of toilet access has been difficult to resolve.In addition, the wasteful discharge of feces and urine not only pollutes the environment, but also breeds fly borne diseases and  makes  a  potential  threat  to  human  physical  and  mental  health.  In  response  to  the call  of  the  "toilet  revolution",  various  eco-friendly  toilets  have  emerged  in  China  in recent  years,  but  the  common  environmentally-friendly  toilets  on  the  market  are  not truly  "environmentally  friendly"  currently  and  there  is  a  risk  of  secondary  pollution. Based on this, this paper proposes a new type of environmentally-friendly water-saving toilet.  The  toilet  can  use  the  urine  and  feces  generated  by  a  membrane  system  and  an aerobic  compost  system  for  on-site  treatment  and  utilization,  thereby  avoiding secondary pollution. The environment also has certain economic benefits.
  
  The new environmentally-friendly water-saving toilet is based on the treatment of urine RO membrane and aerobic composting of manure. The water produced by the RO membrane  is  used  as  clean  water  for  reuse,  and  the  concentrated  water  is  used  as supplementary water for aerobic manure composting, The experimental research results of  urine  RO  membrane  treatment  show  that  40%  is  the  best  recovery  rate  of  RO membrane.  Under  this  operating  condition,  it  can  not  only  guarantee  the  water production  to  a  certain  extent,  but  also  have  a  good  effect  of  removing  pollutants  in urine.its  salt  removal  rate,  metal  ion  removal  rate  and  total  nitrogen  removal  rate  can reach  94.34%,  96.20%  and  93.10%.  By  setting  the  gradient  of  the  amount  of  feces added, the optimal ratio of feces and sawdust as compost substrate was 20: 3 (g: L), and the Bio-Lux S15 type composting reactor experiment was carried out with this ratio. The results  show  that  the  water  content  of  the  reactor  can  be  supplemented  with concentrated water produced by the RO membrane. When the EC of the reactor reaches 6.5ms/cm,  the  microbial  activity  in  the  reactor  begins  to  decrease,  and  the  pathogenic microorganisms can completely lose activity within 15-20 days. When composted to 25 days,  the  ratio  of  total  nitrogen  and  K2O  in  the  compost  product  was  0.52%  and 1.51%respectively. All other indicators reached the standard of rottendegree and can be used  as  nitrogen-potassium  compound  fertilizer.  Based  on  the  above  tests,  a  new environmentally-friendly water-saving toilet was  constructed. The toilet was composed of  a  vacuum  suction  system,  a  feces  separation  system,  a  urine  membrane  treatment system,  and  a  compost  reactor  system.  After  24  days  of  pilot  studies,  the  results  show that the average daily production of fresh water in this toilet is 4.45L greater than 2.25L, so  it  can  be  self-sufficient,  the  average  daily  output  of  concentrated  water  is  6.68L,which can meet the require of aerobic compost(5.6L/d~7.5L/d), when composted to 18d, The quality of concentrated water has  no adverse effect  on the composting process,  soRO  membrane  concentrated  water  can  be  used  as  a  supplement  to  the  manure composting  system,  thereby  achieving  the  goal  of  zero  sewage  discharge.Thecorresponding products' total nitrogen, P2O5, and K2O concentrations were 1.4%, 1.9%, and 1.9%, all of which reached the standard concentration of organic fertilizer, and theproduct  was  completely  rot,  it  could  be  used  as  a  compound  fertilizer.  The  new environmentally-friendly water-saving toilet not only achieves zero discharge of sewage, avoids  secondary  pollution,  but  also  has  certain  economic  benefits  from  its  compost product, and no need for sewer, it has broad application prospects.
  
  Key words:    Environmental protection water saving toilet,Manure recycling, Urine RO membrane separation, Aerobic manure composting, Product fertilizer efficiency.
  

  1、 绪 论

  
  1.1、研究背景。
  
  水冲式厕所对供水、排污系统都有极高的要求,需要上下市政管道极具完善,导致在一些地区,比如:景区、农村、较为偏远的工厂、火车等,尤其是水资源保护区和生态保护区等场所都无法适用这类耗水量大、排污设施要求完备的厕所。根据我国旅游相关单位的调查,国内外游客对景区如厕环境满意程度连一半都不到[1]。而且我国目前城镇下水管道尚未完全普及,日常污水处理能力尚且不足,同时已有的化粪池难以达到相应的效果,处理效率较低,这就导致无论是在城镇还是上述偏远地区多少都面临着如厕难、粪尿污水乱排引起的一系列问题。
  
  据统计,地球上水资源虽然很丰富,但能被人类利用的却很少。总量达到了1.38×1010立方米,但其中海水占了很大一部分,有1.34×1010立方米,占到了总量的97.5%。淡水资源还包括地下水、冰雪等目前人类难以利用到的部分[2]。即使如此少量的可利用水资源,还要面临被污染的问题。在各类排向河流湖泊的污染水中,生活污水就是一个最大的污染途径,由于我国人口基数大,在这方面的问题就更加突出。我国在治理污水方面投入了许多包括人力、财力等。从一定程度上缓解了这个问题,但就目前的处理状况而言,仍然不容乐观。如厕废水是水体污染物的主要来源,这些未能经过处理达标的废水排入周边河流,会对生态环境造成巨大负担。据统计[3],陕西省境内的6大水系,其中渭河水质是最差的,汉江和丹江以及嘉陵江水质最好。在众多支流中,皂河、临河、灞河、漆水河和北洛河污染最严重,金陵河水质最好,其余均为中度或轻度污染。在这6大水系56个断面中,Ⅰ类水质占7.1%;Ⅱ类水质占23.2%;Ⅲ类水质占16.1%;Ⅳ类水质占25.0%;Ⅴ类水质占3.6%;劣Ⅴ类水质占25.0%。其中NH3、COD、BOD超标严重。水体本身的使用价值和功能下降的同时,水源短缺的矛盾也加深,人民的饮水健康问题也收到了极大的挑战。据统计[4],由于农村厕所卫生条件差,粪便和尿液处理方式不符合卫生要求,每年有近3万农村地区儿童死于腹泻,肠道寄生虫感染率高达62.63%(蛔虫5.31亿人、钩虫1.94亿人、鞭虫2.12亿人、血吸虫81万人)。不论是农村厕所卫生状况及水资源污染状况,还是人民的健康问题都不容忽视。
  
  据数据统计,每年我国大约产生5.5亿t厕所污水,其中尿液5亿t(氮、磷、钾分别为500万t、50万t、112t,占到1%、0.1%、0.22%)。粪便每年产生4000万t(氮、磷、钾分别为66万t、22万t、44万t,占到2.2%、0.7%、1.4%)。以氮元素为例,尿液中氮元素含量最高可将近10g/L[5],是我国城镇污水总氮的主要来源之一,但若提取出来却仅占1%体积。氮元素在不同的地方会产生完全不同的效果,在水体中会导致水体富营养化,对环境造成危害。但另一方面,氮元素又是有机肥里不可或缺的元素。将厕所污水进行无害化处理的同时,如果再能做到资源的回收及循环利用,处理较好的粪便平均可使每亩农田获得氮、磷、钾分别为83.5kg、10.5kg、23.2kg,同时还能减少化学药品的投入,不仅降低了成本,还防止了土壤被化学品污染,同时还保证了人类食用的安全。
  
  针对如厕污水这类高污染的废水,从源头进行分类和控制就成为可持续发展战略的重要一步。以农村为例,我国人口在2019年达到14亿,其中仅25%为城镇人口,农村人口占很大的比例。如此大的人口,其生活卫生和环境问题,以及资源回收利用问题,是我国眼下需要解决的新农村建设目标的难点,厕所卫生环境问题更是重中之重。习近平总书关于厕所环境问题提出过这不是小问题,景区和城市还有农村必须一起抓,必须推进这项乡村振兴的战略。根据联合国的数据,世界233多个国家和地区中,我国的厕所卫生情况排名位于末端[6]。自1949年建国之初,我国就一直在致力于农村地区厕所卫生环境。上世纪50年代,我国政府开始在北方主要地区进行环境卫生改善工作,主要有农村旱厕、牲畜棚、城镇堆肥厂等。在南方主要地区集中回收处理粪便,禁止随意倾倒。建国后,政府就已经在农村推进了管水、粪,改厕所、畜圈和水井以及炉灶等运动,称为“两管五改”[7]。这一举措,给改善农村生活环境问题注入了强大的发动力,不仅从源头改善农村生活环境问题,还重点推进了厕所环境以及废弃物处置问题。到80年代,我国借亚运会的机会,开始加大卫生环境要求力度,农村厕所卫生问题更是其中的重点关注问题,正式打响了“厕所革命”的第一枪。
  
  在陕西省内,西安、延安、汉中等城市内大约有62%的人使用抽水马桶,在较偏远的地方仅有不到两成的居民有公共卫生设施使用,而在城镇郊区,有将近1成的居民没有使用公共厕所的条件。根据要求[8],2020年我国卫生厕所须达到85%普及率,我省于2018年累计完成13万座农村卫生设施的改造,预计于2020年这个数字将达到90万座以上,而环保卫生设施将占到38%以上。
  
  综上所述,在偏远地区的市政供水问题,粪尿污水无法得到妥善处理的问题都是我们现在急需解决的问题。在倡导绿色生活的今天,人们对生活品质要求越来越高,环保节水型厕所的普及就显得无比重要。
  

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  1.2、环保节水型厕所研究进展
  1.2.1 、环保节水型厕所分类.
  1.2.2、国内外研究与应用现状
  1.2.3 存在的问题
  1.3、课题的提出.
  1.4、研究目的及意义
  1.5、课题来源.
  1.6、 论文结构
  
  2、实验装置与研究方法
  
  2.1、实验设计与装置.
  2.1.1、RO膜对尿液处理实验
  2.1.2、最适投加量试验方法
  2.1.3、Bio-LuxS15型堆肥反应器连续投加试验方法
  2.2、实验分析方法
  2.2.1、温度.
  2.2.2、含水
  2.2.3、容重与孔隙率.
  2.2.4、 pH与E
  2.2.5、各溶解性物质及肥料营养元素
  2.2.6、各项生物指标
  2.2.7、总大肠杆菌
  2.2.8 、种子发芽率
  
  3、膜系统对尿液的处理性能及其对堆肥系统的影响.
  
  3.1、RO膜对尿液处理研究.
  3.1.1、原水成分的确定
  3.1.2、最佳回收率的探究.
  3.1.3、最佳回收率连续运行.
  3.2、浓水对堆肥系统的影响特性.
  3.2.1、环境因子
  3.2.2、有机污染物
  3.2.3、营养因子
  3.3、堆肥中生物特性变化及分析.
  3.3.1、总生物量
  3.3.2、各功能菌
  3.3.3、种子发芽率.
  3.4、BioLuxSl5型堆肥反应器处理效率
  3.5、小结
  
  4、环保卫生系统与产品分析
  
  4.1、环保节水厕所概述
  4.2、环保节水厕所水量平衡核算.
  4.3、堆肥产物评价
  4.3.1、评价标准
  4.3.2、堆肥产物指标分析
  4.3.3、堆肥产物的应用
  4.4、生态卫生设施前景展望
  4.5、小结
 

  5、 结 论

  针对我国偏远地区所面临的市政基础设施不完善、绿色厕所普及率低、粪尿污水污染严重等问题,同时结合现有环保生态厕所的技术特点与不足,本研究构建了一种新型环保生态厕所系统。该生态厕所系统将膜处理系统与好氧堆肥系统有机结合,首先通过膜系统将尿液处理为清水供日常冲厕使用,产生的浓水则作为堆肥系统的补水对粪便进行好氧堆肥,实现了厕所稳定运行下的零耗水与零排放。论文的主要研究成果如下:

  (1)确定了RO膜系统处理尿液以40%回收率运行效果最佳,在该运行条件下既有一定处理效果的保障:尿液中溶解性污染物的去除效率高达93%以上,金属离子去除率平均达到96.2%又能得到可观的清水的产量。

  (2)实验研究得出最佳粪便投加量为10g/d,即粪便与锯末比例为20:3(g:L)。在该投加量下,产物中TN浓度最高达到2.34mg/g,固氮效果最好。同时种子发芽率高于其余两个投加比例。在Bio-Lux S15型堆肥反应器中按此投加比例进行为期45d的观察周期,以验证实验原理的可行性。堆体中电导率在20d达到6.38ms/cm时,开始对微生物的活性产生影响,生物总量由最高8.73×107cfu/g下降9.80×106cfu/g。溶解性有机物降解速率由95.8%下降至堆肥结束为10.6%。在堆肥进行至25d时,各项腐熟标准均达标,种子发芽率为78.2%,对种子几乎无毒害作用,总氮、K2O所占比例分别为0.52%、1.51%,高于有机肥中要求的标准含量,可做为氮钾复合肥使用。基于以上结论,确定该堆肥条件下应控制25d为一个堆肥周期。

  (3)环保节水厕所连续运行24d,在运行过程中能够做到水资源的内部循环,每日平均产出清水量和浓水量分别为4.45L、6.68L,每日运行及好氧堆肥反应器补水所需量分别为2.25L、5.6L~7.5L,多余的清水可以作为厕所内部日常卫生管理用水,实现用水零补充,污水零排放。粪便经过18d的堆肥周期,其产物腐熟度高,种子发芽率达83.66%,总氮、P2O5、K2O所占比例分别为1.4%、1.9%、1.9%,已达到有机肥标准,完全可作为复合肥使用。该设施克服了我国部分缺乏供排水设施地区如厕难的问题,日常运行无污染物排放,在如今的利好政策导向下,推广潜力巨大。

  
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