農(nóng)村生態(tài)廁所類型分析及其應(yīng)用研究
——以陜西省銅川市戶廁為例

宋曉喬，宋少花，周 濤，王衛(wèi)國(guó)，呂毛毛，馮宇航，許雅雯

(西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院，陜西 西安 710043)

廁所是人類文明并不可缺少的一部分。農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較為簡(jiǎn)陋，且農(nóng)村廁所大多以旱廁為主，糞便難以做到無(wú)害化處理。全國(guó)陸續(xù)開展農(nóng)村廁所革命，而改造的核心是處理技術(shù)及使用推廣。以農(nóng)村戶廁改造技術(shù)需求為導(dǎo)向，以編制綜合規(guī)劃改造方案為理念，提出了一套將廁所改造與農(nóng)村環(huán)境生態(tài)化建設(shè)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)的創(chuàng)新理念，結(jié)合陜西省銅川市的當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)，研究新型廁所技術(shù)，從使用時(shí)長(zhǎng)、資源節(jié)約以及設(shè)備裝置等方面進(jìn)行研究，致力于打造真正適應(yīng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生態(tài)環(huán)保廁所。

1 各環(huán)境因素對(duì)不同基質(zhì)的影響分析

表1 不同基質(zhì)各因素對(duì)比一覽表

查閱大量的文獻(xiàn)[1-5]，總結(jié)了各環(huán)境因素對(duì)不同基質(zhì)的影響，見表1。

根據(jù)表1可以得出，除了玉米秸稈實(shí)驗(yàn)裝置中采用了預(yù)加熱，反應(yīng)溫度較高外，其他各基質(zhì)的反應(yīng)溫度均控制在40～60 ℃左右。因此確定裝置內(nèi)最佳溫度控制在40～60 ℃。

人類糞便中大多數(shù)微生物宜在弱堿性和中性條件(pH值為6～8)下生存，pH值較高，NH4+離子易揮發(fā)，最終會(huì)導(dǎo)致堆肥后氮含量減少，而pH值在8～9的氮肥使用效果一般較好。綜合考慮，確定反應(yīng)的最佳pH值在8～9之間。

各基質(zhì)在反應(yīng)中的含水率變化均在40%～60%左右，處理效果較好。因此，確定最佳含水率控制在40%～60%范圍內(nèi)。

生態(tài)廁所的有機(jī)物降解過(guò)程是利用微生物分解和轉(zhuǎn)化糞便中的可降解的有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生的CO2、水的過(guò)程。因此，好氧堆肥效果體現(xiàn)有機(jī)物的降解率的多少上。從表1中可以得出，純豆秸稈基質(zhì)對(duì)于有機(jī)物的去除率最高，為78%，純大豆秸稈和木屑混合物基質(zhì)的降解率為71%，與前者相差甚微，而稻殼基質(zhì)降解率較差，為62%。前兩種基質(zhì)降解率相差不大，故在反應(yīng)中都可以應(yīng)用，而純大豆秸稈堆肥效果較差；尿液和基質(zhì)的水分對(duì)臭味的產(chǎn)生都有影響，大豆秸稈基質(zhì)會(huì)產(chǎn)生部分臭味，而稻殼基質(zhì)的臭味更加強(qiáng)烈。據(jù)晏海峰等人[2]在研究中表示10g的大豆秸稈和木屑的混合物基質(zhì)能夠有效地消除20 g尿液產(chǎn)生的臭味，當(dāng)大豆秸桿和木屑混合物基質(zhì)含水率在70%以下時(shí)不會(huì)產(chǎn)生異味，因此其可以作為一種較為良好的基質(zhì)；木屑的反應(yīng)周期最長(zhǎng)可達(dá)6個(gè)月，大豆秸桿與木屑的混合基質(zhì)反應(yīng)周期是19天，其余各基質(zhì)的反應(yīng)周期均在19～30天。單獨(dú)用木屑作為基質(zhì)可減少對(duì)基質(zhì)的更換次數(shù)，但是其去除率較大豆秸桿與木屑的混合基質(zhì)去除率低。綜合考慮，選用大豆秸稈與木屑的混合基質(zhì)。

豆秸稈和木屑的混合基質(zhì)及玉米秸稈基質(zhì)的堆肥效果顯著，因?yàn)槠浔旧鞱、P、K含量較高，故堆肥后的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量較為豐富。

結(jié)合對(duì)溫度、pH值、含水率及反應(yīng)前后的有機(jī)物含量等多重因素對(duì)比，豆秸桿與木屑的混合基質(zhì)的綜合反應(yīng)效果較好，易于到達(dá)最佳反應(yīng)條件，并且大豆秸稈和木屑的混合物基質(zhì)含水率在70%以下時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生異味，而其他基質(zhì)會(huì)產(chǎn)生甚微臭味，但好氧堆肥會(huì)去除大量的有機(jī)物，在安裝通氣管和排氣扇的情況下，最終的除臭效果依然顯著。

2 裝置設(shè)計(jì)

在結(jié)合多重反應(yīng)裝置以及基質(zhì)的對(duì)比分析下，最終采用了日本的S-15型生態(tài)廁所(見圖1)，在以S-15的模型為基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了雙螺旋攪拌器和用易拉罐改造的太陽(yáng)能空氣加熱器，能極大降低裝置的造價(jià)成本，也能提升裝置的堆肥效果，可以推廣至廣大農(nóng)村投入使用。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置采用S-15型生態(tài)廁所

2.1 組合裝置分析

查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)[6-10]，以及通過(guò)對(duì)市面上所能查閱到的多種生態(tài)廁所處理方式的處理裝置進(jìn)行一定的歸納整理(如表2所示)，其中包括：霧化處理式、空氣沖洗式、臥式滾筒好氧堆肥反應(yīng)器、烘干機(jī)的無(wú)水式以及風(fēng)能無(wú)水式。

在旱廁中，通過(guò)蹲廁的設(shè)計(jì)將干濕分開收集，滾筒好氧堆肥反應(yīng)器的反應(yīng)較好，將干濕分離和滾筒攪拌相結(jié)合，在集糞池中利用手工代替電機(jī)攪拌，進(jìn)而節(jié)約安裝及使用成本。

表2 不同組合裝置對(duì)比一覽表

由表2可以看出，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的裝置都更先進(jìn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便和易于推廣等特點(diǎn)。霧化處理式需要水，暫不考慮，后面5種都不需要水，符合本次設(shè)計(jì)的要求。在旱廁中，滾筒好氧堆肥反應(yīng)器的反應(yīng)較好，將干濕分離和滾筒攪拌相結(jié)合，不排放污染物，無(wú)臭味，就地處理效果好，安裝及使用成本中等，相對(duì)其他幾種，價(jià)格便宜，可接受。故最終選擇臥式滾筒好氧堆肥反應(yīng)器。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置改造創(chuàng)新

2.2.1 雙轉(zhuǎn)軸攪拌器

裝置采用同軸內(nèi)外兩側(cè)式(見圖2)，外側(cè)旋轉(zhuǎn)攪拌使兩側(cè)壁上糞便輸送至中間，內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)軸攪拌使混合物更加均勻，內(nèi)外兩攪拌軸采用逆反方向旋轉(zhuǎn)，可以極大地提升攪拌效果。

圖2 反向式雙軸攪拌器

2.2.2 太陽(yáng)能空氣加熱器

太陽(yáng)能空氣加熱器的吸熱裝置是生活中極為常見的空易拉罐，當(dāng)易拉罐的表面噴上黑漆之后，便可在太陽(yáng)光的照射下加熱空罐中的空氣，通過(guò)熱空氣的流動(dòng)可以加熱與之相連的S-15中的反應(yīng)裝置(見圖3)，為微生物的好氧堆肥反應(yīng)創(chuàng)下有利條件。

圖3 太陽(yáng)能空氣加熱器原理

2.2.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)定過(guò)程

圖4 太陽(yáng)能空氣加熱器內(nèi)溫度讀數(shù)

環(huán)境溫度25 ℃的條件下，4×4的太陽(yáng)能空氣加熱器能使箱體升溫至54 ℃,能達(dá)到各種反應(yīng)基質(zhì)的初始溫度要求(見圖4～圖5)，故在春夏秋季節(jié)里可以滿足反應(yīng)裝置對(duì)于溫度的要求，由于時(shí)間問題，冬天的使用情況并不明確，所以接下來(lái)會(huì)進(jìn)一步驗(yàn)證。

裝置所采用的安裝材料方便獲取，價(jià)格低廉，組裝簡(jiǎn)單，可以在節(jié)省大量成本的情況下實(shí)現(xiàn)反應(yīng)裝置的正常運(yùn)行，而且還可以變廢為寶。

3 結(jié)論

生態(tài)廁所裝置內(nèi)用大豆秸稈和木屑混合物基質(zhì)，其最佳溫度控制在40～60 ℃，反應(yīng)的最佳pH值在8～9之間，最佳含水率控制在40%～60%范圍內(nèi)，最終降解率可達(dá)71%。

a.易拉罐改造前 b.易拉罐改造后

圖5 易拉罐模擬太陽(yáng)能加熱器

裝置采用同軸內(nèi)外兩側(cè)式，且內(nèi)外兩攪拌軸采用逆反方向旋轉(zhuǎn)，增大攪拌，提高處理效果。利用自制易拉罐太陽(yáng)能板裝置的一種新型清潔能源，降低成本，節(jié)省農(nóng)村用電。這種無(wú)水生態(tài)戶廁可以節(jié)能減排的作用，具有一定的推廣價(jià)值。