王連林， 宋學(xué)秀， 朱雪冬， 張振超， 王樹柏， 高煥霞

(玉田縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 河北玉田 064100)

廁所是衡量文明的重要標(biāo)志，改善廁所衛(wèi)生狀況直接關(guān)系到發(fā)展中國(guó)家人民的健康和環(huán)境狀況[1]?！皫锩笔侵笇?duì)發(fā)展中國(guó)家的廁所進(jìn)行改造的一項(xiàng)舉措，最早由聯(lián)合國(guó)兒童基金會(huì)提出?！皫锩币鉀Q兩個(gè)層面的問題，首先解決廁所的清潔衛(wèi)生、使用方便問題，然后實(shí)現(xiàn)物質(zhì)資源化、節(jié)水節(jié)能、保護(hù)環(huán)境。河北省玉田縣從2019年開始進(jìn)行“廁所革命”的技術(shù)創(chuàng)新研究，以解決“廁所革命”中糞污無(wú)害化處理、資源化利用等問題；2020年全面啟動(dòng)建設(shè)，2021年進(jìn)入實(shí)質(zhì)性運(yùn)轉(zhuǎn)。建成并投入運(yùn)轉(zhuǎn)的玉田縣人居糞污處理指揮中心及糞污處理廠見圖1。

圖1 玉田縣人居糞污處理指揮中心及糞污處理廠

1 “廁所革命”的技術(shù)創(chuàng)新與運(yùn)行模式

1.1 液體糞污的處理技術(shù)

1.1.1 功能性微生物菌劑的篩選與創(chuàng)制

2019年，灃田寶農(nóng)業(yè)科技有限公司與韓國(guó)生命科學(xué)研究院聯(lián)合成立了唐山灃田寶微生物菌劑有限公司，在聯(lián)合進(jìn)行微生物組合研究中，對(duì)韓國(guó)提供的微生物菌劑在養(yǎng)殖廢棄物上進(jìn)行了多次應(yīng)用性試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù)資料顯示，缺陷短波單胞菌、日本假單胞菌、枯草芽孢桿菌、膠凍樣芽孢桿菌、米曲霉等是能夠?qū)股剡M(jìn)行降解和固氮、解磷鉀、高效腐解有機(jī)物及嗜熱的菌種。經(jīng)拮抗、共生試驗(yàn)，確立了合理的多菌種復(fù)合技術(shù)及調(diào)配比例，研制出了具有高嗜熱廢棄物處理功能的微生物菌劑。

(1)復(fù)合微生物菌劑的制備工藝

用平板稀釋法從樣品中分離純化不同類型的微生物菌株，選擇搭配優(yōu)勢(shì)群體，分別進(jìn)行單菌株液體擴(kuò)大培養(yǎng)，然后進(jìn)行定量混合，即成為復(fù)合微生物菌劑，制備工藝流程見圖2。

圖2 復(fù)合微生物菌劑制備工藝流程

(2)復(fù)合功能菌種調(diào)配與主要測(cè)試效果

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理：CK，不加任何微生物菌劑；CM1，加入已制備的復(fù)合微生物菌劑0.10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)；CM2，加入已制備的復(fù)合微生物菌劑0.15%。底物分解按150 h計(jì)算，耗氧速率為0時(shí)認(rèn)為堆肥腐熟。通過2年的試驗(yàn)研究，得到缺陷短波單胞菌、日本假單胞菌、枯草芽孢桿菌、膠凍樣芽孢桿菌、米曲霉的質(zhì)量比為1.5～2.5∶0.5～1.0∶3.0～4.0∶1.5～2.0∶1.5～2.5。在堆肥過程中，加入菌種的樣品腐熟速率明顯快于對(duì)照樣品(CK)的，試驗(yàn)結(jié)果分別見表1～3。

表1 復(fù)合微生物菌劑液體堆肥試驗(yàn)結(jié)果

表2 液體發(fā)酵料的氣味變化

表3 液體糞污不同處理堆制發(fā)酵前后的養(yǎng)分變化

從表2可以看出，加入復(fù)合微生物菌劑后，經(jīng)過5 d的發(fā)酵,發(fā)酵料即無(wú)臭味，而對(duì)照經(jīng)過10 d的發(fā)酵仍然有微臭，說明復(fù)合微生物菌劑的除臭效果明顯。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該復(fù)合微生物菌劑具有快速腐解、固氮、解磷、脫硫、除臭等突出效果。一般情況下，經(jīng)過處理后，糞便中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.9～27.0 g/kg，全磷(以P2O5計(jì))的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.6～22.0 g/kg，全鉀(以K2O計(jì))的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.9～10.4 g/kg。另外，通過微生物的活化作用，液體糞便廢棄物中的有機(jī)質(zhì)、有機(jī)酸等活化物質(zhì)含量增加，成為較好的液體有機(jī)肥。通過區(qū)域性分部處理，按作物灌溉周期，隨灌溉合理利用處理后的廁所、養(yǎng)殖廢水，對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、節(jié)本增效，具有十分重要的意義。

1.1.2 主要處理技術(shù)路線

利用具有高嗜熱廢棄物處理功能的微生物菌劑，采用生物好氧-兼氧處理技術(shù)進(jìn)行廁所糞污、污水處理，達(dá)到農(nóng)田灌溉及液體肥料標(biāo)準(zhǔn)后，施于農(nóng)田，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用。具體工藝流程如下。

(1)廁所糞污收集：由糞污抽提車將糞污抽提后統(tǒng)一運(yùn)輸至所在區(qū)域收集池內(nèi)。

(2)自然沉淀固液分離：糞污通過大三格化糞池自然沉淀進(jìn)行固液分離，然后分別導(dǎo)入發(fā)酵池進(jìn)行生化處理。

(3)發(fā)酵處理：將分離后的固體、液體糞污分別進(jìn)行加菌發(fā)酵處理，固體糞污經(jīng)碳氮比、氮磷比調(diào)節(jié)后進(jìn)行好氧發(fā)酵，發(fā)酵后作為有機(jī)肥或商品有機(jī)肥原料；液體糞污經(jīng)混凝處理，去除反應(yīng)生成的絮團(tuán)和沉淀，以減輕后續(xù)處理的負(fù)荷并降低糞污水中的磷酸鹽含量。

(4)水解酸化處理：經(jīng)混凝沉淀池處理后的糞污廢水進(jìn)入水解酸化池，將糞污廢水中難降解的物質(zhì)降解為易降解的物質(zhì)，大分子物質(zhì)分解為小分子物質(zhì)；水解酸化池內(nèi)投加復(fù)合水解酸化菌劑，一般處理時(shí)間為20 h。

(5)接觸氧化處理：經(jīng)酸化處理后的糞污廢水用污水提升泵打入接觸氧化池，在鼓風(fēng)曝氣的作用下，接觸氧化池中的生物好氧菌對(duì)廢水進(jìn)行生物降解，降低生化需氧量(BOD)和化學(xué)需氧量(COD)，一般需時(shí)24 h。

(6)深度處理：經(jīng)接觸氧化處理的廢水再經(jīng)過濾離心機(jī)將小于120 μm的沉淀物濾出，檢測(cè)濾清液中的氮、磷、鉀、中微量元素及有機(jī)質(zhì)、有機(jī)酸，依據(jù)檢測(cè)結(jié)果和目標(biāo)作物，適量添加相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)元素，即可用作農(nóng)田液體肥料。

1.2 運(yùn)行模式的設(shè)計(jì)與運(yùn)行方式

1.2.1 運(yùn)行模式的設(shè)計(jì)

為確保建立長(zhǎng)效機(jī)制，實(shí)現(xiàn)資源的有效、長(zhǎng)期、穩(wěn)定、合理利用，并牽動(dòng)“廁所革命”糞污處理資源全利用，借助電力、物業(yè)中水電的管理模式，設(shè)計(jì)智能化管理系統(tǒng)，搭建3個(gè)運(yùn)行平臺(tái)，實(shí)施在線監(jiān)控管理。

(1)建立液體廢棄物生產(chǎn)戶、使用用戶互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管運(yùn)行系統(tǒng)平臺(tái)。

(2)建立液體糞污收集、運(yùn)輸、處理監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)平臺(tái)。

(3)建立液體糞污資源化利用服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)。

3個(gè)平臺(tái)均建立在互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，開發(fā)設(shè)立單個(gè)液體糞污生產(chǎn)戶、農(nóng)戶應(yīng)用、第三方處理過程監(jiān)測(cè)、客戶技術(shù)服務(wù)、運(yùn)輸管理、總指揮、總監(jiān)管等7個(gè)界面，通過手機(jī)自動(dòng)或人為操作指令運(yùn)行。

1.2.2 平臺(tái)運(yùn)行方式

(1)操作界面

3個(gè)平臺(tái)的運(yùn)行均建立在玉田縣液體糞污資源管理系統(tǒng)中。

首先在農(nóng)村居民戶、養(yǎng)殖戶中設(shè)立在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，液體糞污達(dá)到一定存儲(chǔ)量后，總指揮界面自動(dòng)或人為發(fā)出指令，通知運(yùn)輸單位實(shí)時(shí)將液體糞污清運(yùn)至第三方處理機(jī)構(gòu)進(jìn)行處理。

第三方處理機(jī)構(gòu)在集中處理站(中心)完成微生物發(fā)酵、分離凈化、產(chǎn)品調(diào)配等工作，在線平臺(tái)全程監(jiān)測(cè)各種處理技術(shù)的參數(shù)，供用戶查詢、了解。

對(duì)于農(nóng)戶應(yīng)用界面，為方便農(nóng)戶應(yīng)用，在農(nóng)戶的使用地點(diǎn)(農(nóng)田機(jī)井位置)建設(shè)容量5～8 t的液體肥料存儲(chǔ)罐，在存儲(chǔ)罐上加裝網(wǎng)絡(luò)可控管理計(jì)量裝置和用戶設(shè)定使用量操作界面(或插卡式計(jì)量流量器)，用戶可用手機(jī)或特定應(yīng)用卡開啟使用，達(dá)到設(shè)定使用量時(shí)自動(dòng)關(guān)閉；當(dāng)存儲(chǔ)罐內(nèi)液體肥料存量降至不足1 t時(shí)，向總指揮界面自動(dòng)發(fā)出指令信息，并轉(zhuǎn)發(fā)至運(yùn)輸管理界面通知運(yùn)送補(bǔ)充，同時(shí)在存儲(chǔ)罐上加裝防盜報(bào)警裝置；全部操作系統(tǒng)均與總指揮界面相連，發(fā)生事故時(shí)及時(shí)通知技術(shù)服務(wù)人員進(jìn)行處理。以目前玉田縣糧食、蔬菜種植面積為基本單元，以農(nóng)田灌溉機(jī)井為儲(chǔ)液罐設(shè)立網(wǎng)點(diǎn)，全縣初步設(shè)立2 400只存儲(chǔ)罐。

在客戶技術(shù)服務(wù)界面，設(shè)立縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局相關(guān)專家問答、技術(shù)指導(dǎo)板塊，為用戶應(yīng)用液體糞污肥料提供相關(guān)技術(shù)指導(dǎo)，并對(duì)應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行解答。

總監(jiān)管界面為玉田縣政府所屬主管業(yè)務(wù)部門——玉田縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局、玉田縣環(huán)境保護(hù)局設(shè)立，該界面的負(fù)責(zé)人可隨時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)，監(jiān)督檢查液體糞污的收集、運(yùn)輸、處理、使用等情況，并隨時(shí)提出監(jiān)查意見。

初步設(shè)定為農(nóng)戶免費(fèi)提供液體糞污肥料2年，每年每畝(1畝=667 m2，下同)設(shè)定用量2 t，超出部分適當(dāng)收取費(fèi)用。

1.2.3 平臺(tái)運(yùn)行實(shí)施的效果

農(nóng)村廁所和養(yǎng)殖場(chǎng)(戶)具有分布區(qū)域廣、布局分散的特點(diǎn)，為此玉田縣以政府倡導(dǎo)、扶持、引導(dǎo)為引領(lǐng)，積極搭建第三方服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域全覆蓋的糞污處理及資源化利用。目前已投入運(yùn)行的指揮中心操作平臺(tái)見圖3(左側(cè)為農(nóng)戶信息界面，右側(cè)為各處理場(chǎng)及收集點(diǎn)監(jiān)管界面)，操作平臺(tái)界面的相關(guān)信息展示見圖4。

圖3 指揮中心操作平臺(tái)

圖4 操作平臺(tái)界面的相關(guān)信息

(1)糞污處理實(shí)現(xiàn)“全域化”

充分利用財(cái)政部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)村“廁所革命”整村推進(jìn)獎(jiǎng)補(bǔ)資金、河北省先進(jìn)地區(qū)整縣推進(jìn)農(nóng)村人居環(huán)境整治項(xiàng)目專項(xiàng)資金，進(jìn)行全縣整體布局規(guī)劃，分區(qū)劃片投資建設(shè)農(nóng)村人居糞污集中處理中心4個(gè)、大三格化糞池25座(總?cè)莘e10 000 m3)、糞污轉(zhuǎn)運(yùn)站16個(gè)，徹底解決了全縣20個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、750個(gè)村、17萬(wàn)戶糞污轉(zhuǎn)運(yùn)、集中處理問題，并實(shí)現(xiàn)了鄉(xiāng)鎮(zhèn)糞污處理站建設(shè)全覆蓋。

(2)運(yùn)行監(jiān)管實(shí)現(xiàn)“智能化”

為確?！皫锩遍L(zhǎng)效機(jī)制的建立，籌備建設(shè)了“一中心一平臺(tái)”。“一中心”即綜合監(jiān)控中心1個(gè)，集培訓(xùn)、會(huì)議、觀摩、監(jiān)控、調(diào)度等功能于一體，占地200 m2；“一平臺(tái)”即綜合信息監(jiān)管平臺(tái)1個(gè)，采取“一圖+一網(wǎng)+四大系統(tǒng)”模式運(yùn)行?！耙粓D”指糞污綜合利用信息監(jiān)管一張圖，兼容各個(gè)工作節(jié)點(diǎn)信息，是以大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)為基礎(chǔ)的分析、監(jiān)管、指揮一站式平臺(tái)；“一網(wǎng)”指糞污綜合利用信息監(jiān)管服務(wù)網(wǎng)，線上為物聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)相關(guān)設(shè)備及App進(jìn)行信號(hào)傳輸；“四大系統(tǒng)”指抽廁登記信息管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控管理平臺(tái)系統(tǒng)、車輛作業(yè)調(diào)度管理系統(tǒng)、智能預(yù)警管理系統(tǒng)，使各項(xiàng)工作可防、可控、可預(yù)警、可調(diào)度。

(3)生物工程技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)糞污“資源化”利用

為實(shí)現(xiàn)農(nóng)村人居糞污的綜合化利用，保證全縣農(nóng)村人居糞污綜合利用長(zhǎng)效機(jī)制運(yùn)行，提升全縣農(nóng)村人居環(huán)境整治整體水平，安排專項(xiàng)資金400萬(wàn)元，采取政府購(gòu)買第三方運(yùn)營(yíng)服務(wù)主體的方式，承擔(dān)全縣廁所糞污抽取、運(yùn)輸、處理，并通過“無(wú)償+有償”的方式用于農(nóng)田，就地、就近資源化利用，實(shí)現(xiàn)廁所糞污治理與生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展有機(jī)銜接。

2 技術(shù)與運(yùn)行模式的效果

(1)解決了農(nóng)村人居環(huán)境的問題

三大運(yùn)行、管理模式的建立，有效解決了農(nóng)村環(huán)境與資源可持續(xù)利用問題，將排泄物轉(zhuǎn)化為資源和能源，實(shí)現(xiàn)真正的綠色生態(tài)循環(huán)。

(2)實(shí)現(xiàn)了高效無(wú)害化處理與資源全利用

針對(duì)廁所糞污研發(fā)了具有除臭、固氮、解磷、脫硫功能的復(fù)合微生物菌劑，3 d可消除臭味90%以上，養(yǎng)分轉(zhuǎn)化利用效果提高3%以上。

為驗(yàn)證腐熟糞污有機(jī)肥對(duì)小麥、玉米產(chǎn)量的影響，開展了田間試驗(yàn)。田間試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)組：第1組，施腐熟糞污有機(jī)肥300 kg/畝；第2組，施復(fù)合肥料60 kg/畝；第3組，不施肥(對(duì)照)。結(jié)果(見表4)表明，腐熟糞污有機(jī)肥增產(chǎn)效果顯著，作物產(chǎn)量可提高15%以上。

表4 腐熟糞污有機(jī)肥對(duì)小麥、玉米產(chǎn)量的影響

(3)創(chuàng)新了農(nóng)村“廁所革命”中資源全利用模式

玉田縣“廁所革命”運(yùn)行機(jī)制的建立，形成了“戶收集+鄉(xiāng)轉(zhuǎn)運(yùn)+集中處理+加工轉(zhuǎn)化+科學(xué)還田”人居糞污綜合利用長(zhǎng)效運(yùn)轉(zhuǎn)模式，年預(yù)計(jì)產(chǎn)生固態(tài)有機(jī)肥原料100 kt、液態(tài)有機(jī)肥原料200 kt，實(shí)現(xiàn)“變糞為肥”“變廢為寶”，最終惠及于民。

(4)管理模式引入了智能化系統(tǒng)，便捷高效

在“廁所革命”建設(shè)中設(shè)計(jì)了智能化管理系統(tǒng)，搭建了液體廢棄物生產(chǎn)戶、使用用戶互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管運(yùn)行系統(tǒng)，液體糞污收集、運(yùn)輸、處理監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，液體糞污資源化利用服務(wù)系統(tǒng)等3個(gè)運(yùn)行平臺(tái)，實(shí)施在線監(jiān)控管理；設(shè)立的單個(gè)液體糞污生產(chǎn)戶、農(nóng)戶應(yīng)用、第三方處理過程監(jiān)測(cè)、客戶技術(shù)服務(wù)、運(yùn)輸管理、總指揮、總監(jiān)管等7個(gè)界面，可通過手機(jī)自動(dòng)或人為操作指令運(yùn)行。