源分离农村卫生厕所冲水灌溉利用技术研究

赵军营 任培培 徐学东

摘要 针对现在我国农村缺少有机肥源，而普通厕所又将人类粪便冲走变成污染物造成环境污染与资源浪费的情况，提出了将源分离农村卫生厕所与农田滴灌利用技术结合的解决方案，通过源分离的农村卫生厕所将人类排泄物分离成大便冲水及小便冲水，小便冲水通过管道分流到储存池中，待尿液中的尿素转变成可利用的氨氮后通过滴灌系统对农田进行滴灌。通过这种利用模式，不仅能解决农村人类排泄物造成的环境污染，同时又能降低冲水利用量从而节约水资源，还能将排泄物中的氮、磷、钾等营养物质循环利用，形成作物-人体-作物的闭合循环。

关键词 源分离；农村；尿液；滴灌

中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）16-05175-03

中国农村每年产生生活污水约80多亿t，而绝大多数的生活污水随意排放，这造成了环境污染问题，也严重影响了农村居民的身体健康与农村的经济发展，与此同时，这增加了农村污水处理难度，增加了处理费用。在我国农村生活污水中，每年产生尿液约4亿t，而研究显示，生活污水中的80%左右的氮负荷及50%左右的磷负荷来自于尿液，尿液中的氮磷钾等资源非常丰富，若能将尿液中的营养物质分离利用，用于农田灌溉将可极大改善我国农村缺少有机肥源的现状。每年尿液中的尿素肥料若得到50%的利用，就相当于生产300万t的有机氮肥，因此，尿液作为重要的有机资源，应加以利用。

农村污水的末端处理技术能较好解决我国农村的环境问题及生活卫生状况，但不可否认，这种处理技术需要消耗大量的水资源，同时也使中国传统的资源循环之路受到阻隔，完全打破了农村居民想要将粪便、尿液中营养物质利用并回归土地的原始做法。目前，国际上越来越重视基于粪便、尿液“源分离”的概念，其“生态卫生/排水”技术的应用也广受欢迎[1]。受国外影响，我国也开始了对源分离技术的实践。

1 源分离农村卫生厕所冲水灌溉的技术优势

源分离式农村卫生厕所冲水灌溉利用技术的优势主要有以下几个方面。

1.1 降低农村生活污水负荷的同时降低污水厂处理难度及能耗 由于粪便及尿液中含有大量的氮磷物质，这是农村生活污水中氮负荷与磷负荷的主要来源，将粪便分离，使其不进入污水管道，这将大大降低农村生活污水的负荷，同时降低污水处理厂的处理难度与能耗。

1.2 可实现氮磷等资源的循环利用 源分离技术将粪便及尿液从生活污水中分离出来，同时又将粪便及尿液中的氮磷等营养物质分离处理，通过灌溉将营养物质重新运送到土地中供农作物吸收利用，农作物又被人类食用后消化吸收以粪便及尿液的形式排放出来，这就构成了营养物质的生态循环圈。同时，粪便的厌氧消化可释放大量的能量，这将为滴灌提供必要的能量，也能降低对外部能源的依赖，从而起到节约能源的效果。

1.3 减少水体富营养化现象的发生 农村生活污水中的氮负荷及磷负荷主要来自于尿液及粪便中，传统的排放方式将导致具有较高氮负荷及磷负荷的污水排放到水体中，这将造成水体的富营养化现象。而通过源分离技术将粪便及尿液进行分离，使粪便和尿液分离于传统的污水管道之外，大大降低了生活污水中的氮、磷负荷，排放于水体中的营养物质也相应地降低，从而起到降低水体富营养化发生的效果。表1 为不同便器的废水水量与浓度的比较。

由表1中可以看到，粪尿分离后的废水量比传统便器混合排水显著减少，同时氮、磷浓度及COD浓度都明显降低[2]，说明源分离技术能顯著降低生活污水中的氮、磷浓度，缓解水体的富营养化情况。

1.4 节约大量的水资源 源分离技术相比于传统冲厕技术可节约大量的冲水资源。

2 源分离农村卫生厕所冲水灌溉利用技术

通过源分离式便器可对粪便进行分离，将厕所冲水分离为大便与小便。大便被分离到沼气池，利用其有机能源进行发电、制造能源肥料等，沼液还可以灌入藕塘用于莲藕养殖，或者进行堆肥处理。既可以处理粪便问题，又可制造能源跟肥料。小便则被分离到储存容器中，经过一段时间的储存，使尿液中的尿素能分解成可利用的氨态氮，同时投加醋酸来调节尿液灌溉水的pH，以保证灌溉后农作物的利用效果。为防止氨态氮的挥发影响氮肥的利用效果，一般采用滴灌的方式来进行农田灌溉，在太阳能、风能与沼气提供的混合动力下将尿液进行农田滴灌，从而实现农村粪便分离后的处理与利用。图1为源分离式农村卫生厕所冲水利用模式。粪尿利用为该研究的重点，尤其是尿液的重力式滴灌利用。由于源分离技术的应用，粪便跟尿液可以分别收集利用，粪便主要用于沼气或者堆肥应用，而尿液则被收集起来，经过处理跟转化，使尿素转化为可利用的氨态氮，利用低压重力式滴灌系统，将尿液返还农田，使粪尿能得到更加有效的利用并形成营养物质的生态循环。图2为源分离粪便与尿液利用方式框架示意图。

2.1 粪便利用 粪便能改善土壤的持水能力，这是因为粪便的腐殖质含有较多的N、P资源，而这些营养物质能补充土壤中的有机物含量跟养分含量。在现在的农业生产劳作下，人们越来越多地使用化肥来增加产量，但其实这是一种不可持续的发展道路，长时间使用化肥将导致土壤的板结问题跟肥力下降。

不同于尿液，粪便本身是带有多种病原微生物的，在利用过程中需注意先杀死粪便中的病原体，才能将粪便回归土壤中。一般采用两个过程来杀死病原体，分别为初级处理与深度处理。初级处理一般采用堆肥法，堆肥法就是将居民的有机垃圾和杂草、木炭、树枝等与粪便放置在一起，利用微生物的作用与矿化作用，将有机物质转化为可利用的腐殖质，同时产生能量。其粪便中的病原微生物会因所处环境（如储存时间、pH、浓度、温度等）的变化而迅速减少，同时堆肥法能产生相当可观的能量，可为尿液的滴灌系统提供有效的动力来源，这也在一定程度上解决了能源问题。深度处理是为了保证投加到土壤中的粪便达到足够安全跟可利用的程度，可添加适量的石灰来杀菌及提高pH。粪便还可以被分离到沼气池，利用其有机能源进行发电、制造能源肥料等，沼液还可以灌入藕塘用于莲藕养殖。

2.2 尿液滴灌利用 由于我國农村的现状，目前很难将尿液滴灌用于大面积的利用，因此，该系统主要用于灌溉村庄附近小面积的田地，亦可以应用于农户自家田园土地。

尿液的收集主要依靠粪便分离式便器与小便冲水相接的管道，滴灌管道系统则是结合农户住房结构来设计安装。农村住房结构相对简单，且大多为单户结构，在设计中，既可以设计为单户管道系统，单独铺设管道，滴灌用于自家小院灌溉。亦可以设计为多户联合的管道系统，将邻近的几户农户通过管道连接起来，使小便冲水能集中起来联合灌溉，用于村庄空余闲置地的滴灌利用，这样可大大提高农村有机肥源的综合利用效果，同时能减少每户的分摊成本。

收集的尿液将被储存在较大的储存容器中。在尿液中，溶质主要为小便中的尿素、氯化钠与各类酸，其中最主要的也是最有利用价值的就是尿素，尿素可作为作物的氮肥。但是尿素不能被作物直接吸收利用，同时高浓度的尿液也会对作物造成损伤，因此为了利用尿液中的营养物质，首先要对尿液进行稀释，降低其尿素的浓度，避免因浓度过高对农作物造成损伤。尿素只有被降解成氨氮才能被作物吸收利用，同时，降解的小便冲水会呈现弱碱性，而部分的病原微生物在碱性环境下不宜生存，因此需要对小便冲水进行一定时间的储存以便使尿液满足生物性无害化的要求。

尿液本身就是无菌的，无需杀菌就能用于农业灌溉，但是，尿液的环境非常适合细菌的快速生长，其含有的大量可降解物质为细菌生长提供了有利的条件，这也会加速尿液的分解跟水解，使得尿液中的尿素转化为氨，这一过程将导致溶液的pH上升，但是用于灌溉的尿液溶液不能有过高的pH，pH过高也会抑制尿素的水解跟分解，因此需要控制尿液溶液的pH，可投加醋酸来调节溶液的pH。尿素分解产生的氨具有挥发性，为了减少氨的挥发造成N资源的流失，该研究采用了滴灌的方式来降低氨挥发的影响。图3为重力式滴灌系统的示意图。

重力式滴灌示意图滴灌动力首先考虑使用太阳能，农村的太阳能源相对于城市比较丰富且清洁无污染。当遇到阴天下雨等天气导致太阳能不足以保证系统运行时，通过变频控制切换到沼气能源，利用粪便产生的沼气能源可为滴灌提供充足的动力，因此在该系统中，能源利用基本能保证系统正常运行，不需要外加能源提供动力。在农田滴灌中，可采用尿液灌溉与清水灌溉的交替式滴灌，来保证作物不会因为长时间的尿液滴灌造成损伤。

3 工程案例

3.1 工程案例概述 将源分离农村厕所冲水灌溉利用技术应用于马家方庄的集市厕所，该村距沂水县城25 km，全村系丘陵地区，地势北高南低，最高处海拔290 m。地下水资源比较贫乏，村民饮水和农业生产用水以地表水和浅层地下水为主，土地整体较为瘠薄。全村现有451户，1 283人，劳动力770人，属于温带季风气候，同时太阳能跟风能资源丰富。

该厕所设置在村庄集市南面，基于集市较大的人群，其分离收集粪便的效果将更加突出。该厕所设计为旱厕，南北宽3.74 m，东西长为7.68 m，男女厕各有4个蹲位，单个蹲位尺寸为0.9 m×1.2 m，其蹲位前边为0.15 m×0.2 m的小便收集，与直径100 mm收集管道相连，尿液被直接收集到厕所西侧1.5 m3尿液收集箱中，其后边为0.15 m×0.2 m的大便收集。厕所设计如图4所示。

该厕所现已建成投入使用，统计结果显示，开集市时，每天能收集0.12～0.18 m3尿液，平时每天能收集0.03～0.05 m3尿液。按照1∶ 5比例稀释，平均每天能得到0.29～0.46 m3灌溉用水，每月能收集8.7～13.8 m3灌溉用水。该旱厕于2013年9月投入使用。图5为施工及建成后情况。

该示范工程采用了源分离设施，尿液分离并收集储存于两个大型收集桶（每个容积为1.5 m3）中，对尿液进行简单的处理，待尿液中的尿素能转化为可利用的氨态氮之后采用重力式滴灌的方式将尿液返还农田。滴灌管道采用内镶式滴灌管道，该滴灌系统位于村庄内的集体大棚，采用“一”字形布置，支管间距为1.2 m，支管长度为3 m，干管长度为6 m。图6为滴灌水池图。

3.2 工程造价及运行费用估算 该系统的投资费用主要为源分离旱厕的建造、管道的铺设、滴灌的安装等。系统投资基本为一次性投资，后期运行管理费用较低，同时系统还能产生一定的资源效益，因此，该系统的运行阶段基本不需经济投入。系统总投资为19 952元，其中旱厕建造12 350元，管道铺设费用为3 420元，水池及滴灌管道为3 254元，其他费用928元。

3.3 运行管理模式 旱厕内的粪便需进行定期的清理，清理得到的粪便可作为农作物基肥。在进行尿液储存过程中，一定要将小便冲水进行充分的储存以便保证尿素转化为氨，防止因转化不完全导致的尿素对作物的损伤。同时，储存单元底部的沉淀物不易清理，应尽量保存，因为沉淀中含有降解尿素的活性酶，这样可以提高降解尿素的效率。滴灌管理要根据作物情况来进行，由于部分作物（如大豆、马铃薯、西红柿、草莓等）对氨比较敏感，因此不适合此系统的滴管灌溉。对于集体所有的农村源分离旱厕，其厕所冲水的收集、滴灌及沼气管理可由村内部专门人员进行统一管理，以提高系统的管理效率。

4 结论

源分离技术现已在国外广泛利用，国内也有越来越多的地方采用源分离技术，而将源分离技术与滴灌技术进行结合

图6 滴灌水池将会为中国农村提供一条资源利用的可持续发展之路，也建立了营养物质的生态循环，同时解决了一些农村的实际问题。经过该系统的处理利用，农村厕所冲水得到有效的处理与资源化利用，有效解决了农村缺少有机肥源、粪便冲水不能充分利用的问题。系统对N的利用效率得到明显提高，设计合理，能源利用充分，投资与运行费用合理，适合在我国农村地区推广。但是研究考虑到人体的新陈代谢会产生很多的微污染物，而这些通过尿液排出的微污染物大多属于非常稳定的物质，在农田滴灌的过程中，这些物质会进入农田并被植物吸收，由此带来了健康风险。这是研究未考虑的。总体而言，源分离的农村厕所冲水灌溉利用技术比较适合我国农村地区推广使用。

参考文献

[1] 郝晓地，仇付国，李俊奇，等.可持续水的基础设施：小汤山生态循环示范工程[J/OL].http：//www.docin.com/p-501041498.html.

[2] JLNSSON H.Urine separating sewage systems.environmental effects and resource usage[J]. Water Sci Technol，2002，46（6/7）：333-340.安徽农业科学，Journal of Anhui Agri. Sci.2014，42（16）：5186-5188，5285责任编辑 黄小燕 责任校对 况玲玲