城市粪渣无害化处理工艺探究

林增炜 张彦敏 朱佳 于凤娇

（1. 深圳市城市废物处置中心，广东深圳 518112；2. 深圳职业技术学院，广东深圳 518055）

1 引言

粪渣一般泛指在化粪池底长期积存的消化污泥、沉渣以及上层的浮渣。其中含有水分、无机盐等无机物以及脂肪、蛋白质、尿素等有机物，还会在空气中产生氨、硫化氢等恶臭气体，同时含有致病菌以及手纸、砂石等固定杂质［1-2］。

随着经济及城市建设的飞速发展，粪渣产量也在不断增多。我国过去一直将粪渣运往田地作为肥料使用，但是近几年化肥的大量生产和普及以及环境卫生要求等多种原因，使粪渣迅速失去传统处理途径［3］。粪渣的大量囤积使得一些地区未经允许就将粪渣倾倒在城市周围水体、荒野空地中，造成环境污染，危害人体健康。粪渣排入水体后，破坏了水体生态系统，使原有物质组成发生改变；未处理的粪渣会对水体及土壤造成生物性污染，粪渣中的致病传染菌还会引起传染病的爆发，传播多种疾病；粪渣产生恶臭气体污染空气，影响居民生活质量［4］，因此，城市粪渣必须进行无害化处理。

2 我国城市粪渣处理存在的问题

我国在城市粪渣的处置过程中关注更多的是粪渣的资源利用，而忽略了其带来的污染和危害。我国粪渣的处理技术相对落后，粪渣长期在化粪池中淤积，得不到妥善处置就会形成板结，使粪渣无法实现无害化处理，造成环境污染。另外，我国粪渣处理还存在处理设施不配套、处理设施缺乏等问题。

2.1 污水管道和污水处理设施不配套

据统计，我国目前城市地下水的管道普及率约为60%，按照国家的产业政策规划需要至2025 年我国城市管网的普及率才可能达到85%，污水处理率达到50%～60%［3］。从国家政策和目前我国的国情来看，我国城市的排水管网要达到发达国家的高普及率并与污水处理厂相配套，仍有很长的路要走。在这一段时间里，为减轻粪便造成的环境污染，各地相关部门会要求将粪便先送往化粪池统一处理后再排入污水管道，这样就会增加城市污水管道的工作量，化粪池中还会滞留大量的粪渣污泥，之后就会存在粪渣的清运、无害化处理及最终处置的问题［5］。

2.2 粪便处理设施缺乏

由于我国缺乏相应的粪渣无害化处理设施，化粪池中滞留的大量粪渣污泥最后只能由当地相关部门用吸粪车将其吸走，送往垃圾填埋场卫生填埋或用于田地施肥，此外，一些地区还会将粪渣倾倒在城市周围水体、荒野空地中。这种粪渣的处理方法不仅增加了多余的工作量，造成了资源的浪费，还对环境造成污染。粪渣处理设施完善后可以省略中间作业环节，直接将粪渣进行分解，然后排入污水管道中［6］。

3 城市粪渣处理模式

粪渣的处理与国家发展息息相关，一般而言，粪渣的处理率与国家的发达程度成正比，比如欧美国家的处理率能达90%以上，日本为100%。综合各国粪渣处理的模式，根据其收运和处理方法的不同，一般分为3 种模式：欧美模式、日本模式和发展中国家模式［7-8］。

3.1 欧美模式

欧美发达国家城市下水道建设比较完善，拥有发达的污水排放设施和处理系统，因此欧美国家采用城镇污水管网+城镇污水处理厂的收集和处理模式，粪便被水带进化粪池后排入下水道，通过污水管网送至污水处理厂统一处理。这种处理模式的成本相对较高，不适合发展中国家。

距污水厂较近的粪便接收站处理流程见图1。

图1 距污水厂较近的粪便接收站处理流程

距污水厂较远的粪便接收站处理流程见图2。

图2 距污水厂较远的粪便接收站处理流程

3.2 日本模式

同是发达国家的日本与欧美国家不同的是其城镇污水管网普及率较低，为有效地弥补这一不足，日本一般是在没有污水管网及污水处理厂的特殊地方建立净化池，通过净化池来对粪渣进行小范围内的污水处理。

日本的粪渣处理发展较早，从发展进程来看，日本早期是用好氧/厌氧消化—活性污泥法处理工艺来处理粪渣，之后引入生物脱氮技术的两段生物反硝化—絮凝—臭氧—过滤工艺，再到标准脱氮工艺，1986 年日本引入膜生物反应器（MBR）处理技术后，最终建立了高负荷—反硝化—超滤处理工艺，该工艺的处理效率更高、管理更加简便。日本好氧/厌氧工艺流程见图3。

图3 日本好氧/厌氧工艺流程

日本粪便标准脱氮工艺流程见图4。

图4 日本粪便标准脱氮工艺流程

日本高负荷—反硝化—超滤处理工艺流程见图5。

图5 日本高负荷—反硝化—超滤处理工艺流程

3.3 发展中国家模式

发展中国家由于受到经济水平的限制，城市污水管网普及率低，粪渣的处理率较低，处理方式也呈现多样化，普遍应用的处理系统主要有化粪池、真空吸粪车、改良旱厕、堆肥和发酵等，粪便处理厂、粪便污水混合处理等处理方式也已经使用。这些处理方式所需费用较低，符合发展中国家的国情。目前发展中国家根据国情选择适宜的粪渣处理系统，并随着经济的发展而不断改进其粪渣处理系统。

4 城市粪渣无害化处理工艺

粪渣处理包括粪便污水处理，纸屑、砂石等固体废物处理以及氨、硫化氢等恶臭气体处理3 部分。目前常见的城市粪渣处理工艺主要有生物法（厌氧消化、好氧发酵）、化学法、物化法、焚烧处理工艺等［9-10］。

4.1 生物法

4.1.1 厌氧消化工艺

厌氧消化工艺主要包括化粪池（三格）和厌氧发酵池。目前普遍使用的化粪池是由过粪管和通过其相联的3 个池子组成的，主要是通过池内微生物的厌氧发酵、中层过粪和寄生虫卵相对密度大易于沉淀的原理和方法来处理城市粪便。其中厌氧发酵主要是向发酵池内投加厌氧的微生物菌种，并对城市粪便中的有机物进行厌氧发酵的一个复杂的生化反应处理过程。粪便中的有机物在微生物的作用下被分解转化为CH4，将发酵后的产物进行固液分离，分离后的粪渣经过再加工处理变成了有机肥，或者是直接经过脱水干燥后进行卫生填埋，粪便污水则经过专业的污水处理后达标排放。

4.1.2 好氧发酵工艺

好氧发酵工艺包括好氧高温堆肥工艺和高温高压处理工艺，是在有氧气存在的环境条件下，利用好氧微生物将粪便中的有机成分转化为CO2与H2O 的过程。好氧发酵的处理速度虽然相比于厌氧发酵要快，处理过程中能大大减少恶臭有害气体的大量产生，但是为了维持氧气的浓度需要增加曝气设备。好氧发酵工艺在粪渣处理量较小时，可只在稀释后进行曝气、沉淀处理；粪渣处理量较大时，须用活性污泥法在预处理和二次稀释后进行处理。

好氧高温堆肥工艺是将粪便与生活垃圾按一定比例混合后，在有氧及一定温度（55～65 ℃，有时可达80 ℃）的条件下，利用好氧微生物将粪便中可降解的有机物转化为稳定的腐殖质的处理过程。该工艺要求粪便中含氮含水量较低，含量较高的不宜采用此工艺。

高温高压处理工艺即湿法氧化法，是在一个密闭的高温高压的反应塔中，将粪便中的有机物在1 h内连续不断地氧化分解的处理过程。

4.2 化学法

化学法是指根据处理粪便的性状选择适宜的化学试剂（絮凝剂），使粪渣在试剂的絮凝作用下快速形成絮团实现固液分离的方法。试剂的投入方式和投加量一般与试剂的化学性质及粪便处理量有关，一般絮凝剂的投加量在粪渣处理量的0.2%～2%之间［11］。

4.3 物化法

物化法即采用物理法和化学法联合处理粪便，主要有2 个阶段。一是采用筛选、截留、沉淀和离心等物理法，将粪便中的固体废物分离出来烘干脱水后进行处置。处理设备主要有筛网、格栅、滤池、沉淀池等。二是向固液分离后的粪液中投加化学试剂，将粪液中的悬浮颗粒絮凝沉淀脱水处理后进行处置。

4.4 焚烧处理工艺

焚烧处理工艺主要是将经过高压脱水工艺干燥后的固体粪渣送入造粒处理机制成固体颗粒状，再将其投入焚烧炉中让其进行连续燃烧。处理后的固体粪渣颗粒既是固体肥料又是焚烧炉的固体燃料，因此连续燃烧运转过程中，该处理工艺不需要再额外添加其他辅助燃料。

5 国内外典型粪渣处理工艺

粪渣处理是城市发展过程中必须解决的问题，国内外对其处理工艺做了大量的实验与研究，这为以后城市粪渣的无害化处理和资源化利用提供了经验。

5.1 国内部分城市典型粪渣处理工艺

随着我国经济和城市建设的发展，城市粪渣处理工艺已从较低的技术水平发展形成一定规模和能力的技术层次结构。目前，我国沿海一些发达城市采用粪便与污水合并处理的欧美模式；少数大城市采用日本的处理模式；大多数城市采用发展中国家的多样化处理模式。我国部分城市典型粪渣处理工艺见表1。

表1 国内部分城市典型粪渣处理工艺

5.2 国外典型城市粪渣处理工艺

欧美国家由于城市污水管道发达，管网普及率高，采用特殊处理与污水治理相结合的模式来处理粪渣，将粪便与城市污水集中处理，实现城市粪渣的无害化处理。其典型处理工艺见表2。

表2 国外典型城市粪渣处理工艺

6 结语

城市粪渣和生活垃圾、生活污水一样影响着市容市貌，是城市发展过程中必须要解决的问题，粪渣的无害化和资源化是城市发展的必然趋势。随着城市的建设发展，我国大部分城市陆续建设污水处理厂、垃圾填埋场、粪便集中处理厂等市政环卫设施，但是一些城市在工艺选择时出现机械套用现象。虽然国内外有多种的处理工艺可供借鉴，但每种处理工艺各有其优缺点，粪渣处理工艺的选择受多种因素影响，应该根据城市之间的差异性和粪渣自身性状进行研究和分析，选择适宜的处理工艺。这样不仅会使粪渣得到有效处理，还会大大降低粪渣处理的基建投资和运行成本，对污水处理厂的良好运行也会起到积极作用。