农村生态厕所类型分析及其应用研究——以陕西省铜川市户厕为例

宋晓乔，宋少花，周 涛，王卫国，吕毛毛，冯宇航，许雅雯

(西安建筑科技大学华清学院，陕西 西安 710043)

厕所是人类文明并不可缺少的一部分。农村基础设施建设较为简陋，且农村厕所大多以旱厕为主，粪便难以做到无害化处理。全国陆续开展农村厕所革命，而改造的核心是处理技术及使用推广。以农村户厕改造技术需求为导向，以编制综合规划改造方案为理念，提出了一套将厕所改造与农村环境生态化建设有机地结合起来的创新理念，结合陕西省铜川市的当地特点，研究新型厕所技术，从使用时长、资源节约以及设备装置等方面进行研究，致力于打造真正适应农村经济发展的生态环保厕所。

1 各环境因素对不同基质的影响分析

表1 不同基质各因素对比一览表

查阅大量的文献[1-5]，总结了各环境因素对不同基质的影响，见表1。

根据表1可以得出，除了玉米秸秆实验装置中采用了预加热，反应温度较高外，其他各基质的反应温度均控制在40～60 ℃左右。因此确定装置内最佳温度控制在40～60 ℃。

人类粪便中大多数微生物宜在弱碱性和中性条件(pH值为6～8)下生存，pH值较高，NH4+离子易挥发，最终会导致堆肥后氮含量减少，而pH值在8～9的氮肥使用效果一般较好。综合考虑，确定反应的最佳pH值在8～9之间。

各基质在反应中的含水率变化均在40%～60%左右，处理效果较好。因此，确定最佳含水率控制在40%～60%范围内。

生态厕所的有机物降解过程是利用微生物分解和转化粪便中的可降解的有机物质产生的CO2、水的过程。因此，好氧堆肥效果体现有机物的降解率的多少上。从表1中可以得出，纯豆秸秆基质对于有机物的去除率最高，为78%，纯大豆秸秆和木屑混合物基质的降解率为71%，与前者相差甚微，而稻壳基质降解率较差，为62%。前两种基质降解率相差不大，故在反应中都可以应用，而纯大豆秸秆堆肥效果较差；尿液和基质的水分对臭味的产生都有影响，大豆秸秆基质会产生部分臭味，而稻壳基质的臭味更加强烈。据晏海峰等人[2]在研究中表示10g的大豆秸秆和木屑的混合物基质能够有效地消除20 g尿液产生的臭味，当大豆秸杆和木屑混合物基质含水率在70%以下时不会产生异味，因此其可以作为一种较为良好的基质；木屑的反应周期最长可达6个月，大豆秸杆与木屑的混合基质反应周期是19天，其余各基质的反应周期均在19～30天。单独用木屑作为基质可减少对基质的更换次数，但是其去除率较大豆秸杆与木屑的混合基质去除率低。综合考虑，选用大豆秸秆与木屑的混合基质。

豆秸秆和木屑的混合基质及玉米秸秆基质的堆肥效果显著，因为其本身N、P、K含量较高，故堆肥后的营养物质含量较为丰富。

结合对温度、pH值、含水率及反应前后的有机物含量等多重因素对比，豆秸杆与木屑的混合基质的综合反应效果较好，易于到达最佳反应条件，并且大豆秸秆和木屑的混合物基质含水率在70%以下时，不会产生异味，而其他基质会产生甚微臭味，但好氧堆肥会去除大量的有机物，在安装通气管和排气扇的情况下，最终的除臭效果依然显著。

2 装置设计

在结合多重反应装置以及基质的对比分析下，最终采用了日本的S-15型生态厕所(见图1)，在以S-15的模型为基础上设计了双螺旋搅拌器和用易拉罐改造的太阳能空气加热器，能极大降低装置的造价成本，也能提升装置的堆肥效果，可以推广至广大农村投入使用。

图1 实验装置采用S-15型生态厕所

2.1 组合装置分析

查阅大量相关文献[6-10]，以及通过对市面上所能查阅到的多种生态厕所处理方式的处理装置进行一定的归纳整理(如表2所示)，其中包括：雾化处理式、空气冲洗式、卧式滚筒好氧堆肥反应器、烘干机的无水式以及风能无水式。

在旱厕中，通过蹲厕的设计将干湿分开收集，滚筒好氧堆肥反应器的反应较好，将干湿分离和滚筒搅拌相结合，在集粪池中利用手工代替电机搅拌，进而节约安装及使用成本。

表2 不同组合装置对比一览表

由表2可以看出，经过改进后的装置都更先进，具有结构简单、使用方便和易于推广等特点。雾化处理式需要水，暂不考虑，后面5种都不需要水，符合本次设计的要求。在旱厕中，滚筒好氧堆肥反应器的反应较好，将干湿分离和滚筒搅拌相结合，不排放污染物，无臭味，就地处理效果好，安装及使用成本中等，相对其他几种，价格便宜，可接受。故最终选择卧式滚筒好氧堆肥反应器。

2.2 实验装置改造创新

2.2.1 双转轴搅拌器

装置采用同轴内外两侧式(见图2)，外侧旋转搅拌使两侧壁上粪便输送至中间，内侧旋转轴搅拌使混合物更加均匀，内外两搅拌轴采用逆反方向旋转，可以极大地提升搅拌效果。

图2 反向式双轴搅拌器

2.2.2 太阳能空气加热器

太阳能空气加热器的吸热装置是生活中极为常见的空易拉罐，当易拉罐的表面喷上黑漆之后，便可在太阳光的照射下加热空罐中的空气，通过热空气的流动可以加热与之相连的S-15中的反应装置(见图3)，为微生物的好氧堆肥反应创下有利条件。

图3 太阳能空气加热器原理

2.2.3 实验测定过程

图4 太阳能空气加热器内温度读数

环境温度25 ℃的条件下，4×4的太阳能空气加热器能使箱体升温至54 ℃,能达到各种反应基质的初始温度要求(见图4～图5)，故在春夏秋季节里可以满足反应装置对于温度的要求，由于时间问题，冬天的使用情况并不明确，所以接下来会进一步验证。

装置所采用的安装材料方便获取，价格低廉，组装简单，可以在节省大量成本的情况下实现反应装置的正常运行，而且还可以变废为宝。

3 结论

生态厕所装置内用大豆秸秆和木屑混合物基质，其最佳温度控制在40～60 ℃，反应的最佳pH值在8～9之间，最佳含水率控制在40%～60%范围内，最终降解率可达71%。

a.易拉罐改造前 b.易拉罐改造后

图5 易拉罐模拟太阳能加热器

装置采用同轴内外两侧式，且内外两搅拌轴采用逆反方向旋转，增大搅拌，提高处理效果。利用自制易拉罐太阳能板装置的一种新型清洁能源，降低成本，节省农村用电。这种无水生态户厕可以节能减排的作用，具有一定的推广价值。