农村厕所粪污再生肥便捷化还田施用技术装备

陈月锋， 董世平， 黄允魁， 高 威， 李君晓， 李保明

（1. 中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083； 2. 现代农装科技股份有限公司，北京 100083）

0 引言

农村“厕所革命”是我国当前一项重要的战略部署，是农村人居环境整治的重要工作任务。自2018 年农村人居环境整治3 年行动实施以来，全国各地区全面扎实推进农村人居环境整治，村庄环境基本实现干净整洁有序，农民群众环境卫生观念发生可喜变化，生活质量普遍提高，为全面建成小康社会提供了有力支撑。2021 年12 月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《农村人居环境整治提升五年行动方案（2021－2025 年）》，指出加强厕所粪污无害化处理与资源化利用，积极推进农村厕所粪污资源化利用，统筹使用畜禽粪污资源化利用设施设备，逐步推动厕所粪污就地就农消纳、综合利用。尽管我国农村厕所革命已取得成效，但仍存在技术支撑不到位、对粪便资源化利用重视不够、传统水冲厕所不能满足不同地区实际需求等问题[1]。

2020 年，由清华大学牵头，联合同济大学、中国科学院生态环境研究中心、中国农业机械化科学研究院集团有限公司、上海华杰生态环境工程有限公司等10 家单位共同承担了国家重点研发计划“农村人居环境整治技术研究与集成创新”项目。项目围绕农村人居环境整治关键技术难题，以“高效资源化”为核心，针对不同地区，开展多种模式农村厕所粪污等资源化利用集成方案研究与示范应用。本研究围绕农村三格化粪池厕所粪污无害化处理后的小规模再生肥资源化利用，开展便捷化施用技术与设备研究。

1 农村厕所粪污资源化利用价值

刘铭辉[2]认为粪液虽然达不到液体肥料的技术指标，但化粪池粪渣中含有丰富的氮、磷、钾和大量有机质，可为农作物施肥。赵畅[3]认为尿液氮素含量多，肥效迅速，可作为速效氮肥施用，常用作农作物追肥、跟外追肥和优质浸种液使用，液态粪肥养分全面，肥效释放快速，可看作速效氮肥，作为追肥施用。柳博[4]发现施用粪污可提高种植空心菜的灰钙土脲酶活性（SUE），降低种植小白菜的潮土中细菌群落多样性和丰富度（P<0.05），提高灰钙土与潮土上种植的蔬菜产量，提高灰钙土上种植的小白菜可溶性糖含量，降低潮土上种植的小白菜可溶性糖含量，提高灰钙土上种植的小白菜维生素C 含量（P<0.05）等。宋洪锋等[5]认为农村厕所粪污具有较高的肥料化利用价值，粪污合理发酵施用于土壤，有利于改善土壤肥效、提高作物品质、改良土壤性质等。实施农村厕所粪污资源化利用，采用低成本的处理和还田技术，发挥厕所粪污的肥料化价值，实现改善人居环境，养分循环、改良土壤，提高作物品质等综合效应。

2 农村厕所粪污资源化利用存在的问题

人们很早就认识到粪尿的肥料价值，并建立了具有悠久历史的以粪肥回用为主的传统田园循环模式。随着社会发展，传统田园循环模式难以满足卫生性、舒适性和便利性，尤其是便利性要求，而传统的人工清掏、搬运方式因存在对人体健康的潜在影响和不舒适感而逐渐被中青年人所嫌弃[6]。当前我国农村采用三格化粪池厕所方式进行改厕和粪污治理，其出发点是既要改善农村环境卫生水平，又要规避农村生活粪污收集与处理的高昂成本。三格化粪池因不消耗动力、无害化程度高、结构简单、便于启动和管理、处理效果好、造价相对完整下水道水冲式厕所低，在我国农村得到了广泛应用[7]。截至2017 年，三格化粪池厕所的数量超过8 000 万个[8]。但在当前政策高压状态下，地方政府将“厕所革命”重点放在“改”上，一味强调卫生厕所数量及卫生厕所普及率，忽视厕所粪污的“治”。任丽华等[9]调研发现，三格化粪池数量所占比例为94.18%，而在化粪池出口的排放方式中，仅约50%纳入污水管道，其余则直接渗入土壤或排放入水体，同时仅有36.5%的农户使用化粪池第3 格出水作为液肥。因此，当前我国农村厕所粪污实际上并未得到低成本、便捷化的资源化循环利用。

3 农村厕所粪污资源化利用对策与思路

农村厕所粪污资源化道路是农村厕所粪污治理的必由之路，应积极探索适应不同地区的粪污资源化利用模式，加快粪污资源化利用技术的攻关和综合模式示范。通常所说的农村厕所粪污资源化道路有2 种路径：一种是“水冲厕所+化粪池+污水处理”模式，化粪池作为污水预处理措施；另一种是“厕所+化粪池+粪污利用”模式，厕所污水进入化粪池后，腐熟的粪液和清掏的粪渣以农田施肥为主[10]。按照现代生活文明和生产文明的标准，并从降低资源回用成本的角度，化粪池粪水应就近施用于农田，减少不必要的长途输送和额外产生的处理需求。因此，采用适合我国农村的小型便捷机械化、自动化处理方式实现厕所粪污、粪水就地或就近还田和灌溉农作物是当前我国农村厕所粪污治理的“现代田园循环”模式的发展方向。

农村厕所粪污在三格化粪池经过足够的水力停留时间之后，多数粪污转化为液体，分为两层，上层是清液，杂质较少，为细微颗粒物，主要是溶解性的氮、磷、钾等作物生长必需的营养元素。根据试验测定，上层的液态再生肥经过稀释后可直接就近对菜地、果园、农田进行还田施用，可采用改进的水肥一体化设施进行就近自动还田利用。本研究任务建设示范点所在地为江苏如皋县，该地农村水系相对发达，农户门前屋后农田灌溉渠、河道水资源相对较多，也为三格化粪池再生肥便捷化还田施用提供了便利条件。下层为难分解的高固形物固态渣肥，呈浆状，具有流动性，需要定期清掏。池底形成的高固形物固态渣肥可作为土壤改良剂或底肥施用，可以通过固态再生肥小型便捷化设备进行自动清掏和就近转运施肥还田利用。

4 液态再生肥便捷化施肥系统方案设计

三格化粪池上层液体再生肥肥料杂质较少，经过过滤和一定比例的稀释后即可达到系统还田施用要求。同时，为了满足作物对水肥的施用需求，通过设计自动化液态肥施肥系统方案，满足液态再生肥和水溶性化肥自动配比等自动化、便捷化施用要求。

液态再生肥便捷化施肥技术可借助压力系统，将液体再生肥按土壤养分含量和作物种类的需肥规律和特点，或添加可溶性化肥配兑成的肥液，一定比例的灌溉水稀释，通过可控管道系统供水、供肥，使水肥相融后，通过管道、喷枪或喷头形成喷灌或者滴灌，均匀、定时、定量地喷洒在作物发育生长区域，使主要发育生长区域土壤始终保持疏松和适宜的含水量，同时根据不同作物的需肥特点，土壤环境和养分含量状况，进行需求设计，把水分、养分定时定量按比例直接提供给作物。通过试验优化水肥配施技术参数，集成监测、投配、施用及预警功能于一体的自动化再生肥施用技术与系统，如图1 所示。

图1 液态再生肥便捷化施肥系统Fig. 1 Convenient fertilization system of liquid regenerated fertilizer

4.1 过滤系统

基于液态再生肥中杂质的类型、密度和田间灌水器的抗堵能力，可选择不同的过滤设备进行搭配组合。常见的过滤设备有离心过滤器、砂石过滤器、叠片过滤器和网式过滤器，不同的过滤器在沉积杂质的容量、反冲洗效率、维护方便性等方面各有优劣，可根据实际情况及预算限制来进行合理配置。

离心过滤器是根据离心沉降和密度差的原理，当水流在一定的压力下，从除砂器进口以切向进入设备后，产生强烈的旋转运动，由于砂水密度不同，在离心力、向心浮力、流体曳力的作用下因受力不同，从而使密度低的清水上升，由溢流口排出，密度大的砂由底部排砂口排出，从而达到除砂的目的。在一定范围和条件下，除砂器进水压力越大，除砂率越高，并可多台并联使用，适用于蔬菜、果树、温室、花卉、茶园、绿地及大田各类农作物的灌溉。

砂石过滤器利用砂作为过滤介质，由进水口、出水口、过滤罐体、砂床和排污孔等部分组成。砂石过滤器需要定期进行反冲洗，双罐或多罐砂石过滤器在反冲洗过程中也能同时向系统供水。砂石过滤器既可过滤有机质也可过滤无机杂质。砂石过滤器适于处理有机物含量超过10 mg/L 的河水、水库水、渠道水、湖水，或市政循环水等含有大量悬浮污物的管道水或地沟水。砂石过滤器是介质过滤器之一，其砂床是三维过滤，具有较强的截获污物能力，是农业微灌等系统中用来清除水中污物的理想设备。砂石过滤器系统通常为多罐联合运行，以便用一组罐中滤后的水来反冲其他罐中杂质，过流量越大需要并联运行的罐也越多。

叠片式过滤器由过滤单元并列组合而成，其过滤单元主要是由一组带沟槽或棱环状增强塑料滤盘构成，上下两层盘片中间沟槽起到过滤拦截的作用。过滤时污水从外侧进入，盘片在单元内为紧密压实叠加在一起，相邻滤盘上的沟槽棱边形成的轮缘把水中固体物截留下来；反冲洗时水自环状滤盘内部流向外侧，将截留在滤盘上的污物冲洗下来，经排污口排出。叠片式过滤器是一种新型高效的过滤器，具有滤速快、反洗省时省水、占地面积小、维护简单和使用寿命长等优点，可以替代绝大多数的传统过滤器，广泛应用于超滤反渗透离子交换等的前置过滤、地下水去除浊度、循环冷却水系统、城市污水回用系统等多种场合。

网式过滤器是园林、农业灌溉等各种水处理的良好产品。其工作原理是利用滤料组成的孔隙，将原水中的泥砂、胶体、悬浮物等杂质截留住。由于滤料进行了科学分布，所以滤床对杂质的截留效果很好，出水质量也大大提高。过滤器的过滤精度最高可达10 μm。同时，滤床对水中的杂质是逐步截留的，这样罐体中的各层滤料将得到充分均匀的利用，有效滤层高，从而延长了滤料的使用周期，减少设备的运行成本（降低了反洗次数和反洗水耗）。滤芯有不锈钢网、尼龙网，规格多，组合性强，安装清洗非常方便。

根据农村厕所三格化粪池液态再生肥特点和就近还田施用需求，为防止细悬浮物和微颗粒物等造成施肥系统的堵塞，本研究采用离心过滤、砂石过滤与反冲洗叠片式过滤器组合装置，避免泥砂、胶体、悬浮物等进入系统，并具备反冲洗功能，便于进行清理维护，防止发生系统堵塞。

4.2 灌溉施肥系统

灌溉施肥效率取决于肥料罐容量、用水稀释肥料稀释度、稀释度精确程度、装置可移动性、设备成本及其控制面积等。肥料注入装置和容器应安装于过滤器前面，以防未溶解的化肥颗粒堵塞滴水器。肥料的注入方式有3 种：第1 种是用小水泵将肥液压入干管；第2 种是利用干管上的流量调节阀所造成的压差，使肥液注入干管；第3 种是射流注入。常见的将肥料加入灌溉系统的方法可分为重力自压施肥法、泵吸肥法、泵注肥法、旁通罐施肥法、文丘里施肥法、比例施肥法等。

自动施肥机可检测水肥管道内的电导率及酸碱度，并通过PID 运算方法控制肥料通道吸肥泵的转速，从而精准地把肥料养分注入灌溉主管道中，最终到达作物根部，实现精准施肥。同时，该设备具备定时、定量灌溉功能，可设置多个灌溉区域，每个区域可以使用不同的灌溉方案。根据作物栽培的要求，提供一天多次的定时灌溉模式或者提供多天一次的定时灌溉模式，满足客户多方面的灌溉要求。

自动施肥机主要由混合系统、主管路系统、注肥系统、检测系统、控制系统和机架组成。混合系统由混肥管路、注肥管路组成，肥料与清水在此混合。主管路系统由水泵和相应管路组成，为系统提供压力和水流量。注肥系统由吸肥泵、电子流量计、浮子流量计、备压阀和相应管路组成，其中吸肥泵是关键组件，由控制系统控制其转速从而调节吸肥量，背压阀保证肥液注入主管道的压力。检测系统主要由pH 传感器、EC 传感器、电子流量计组成，pH 传感器用于测量肥水混合液的酸碱度，EC 传感器用于测量肥水混合液中的电导率以反映肥料的浓度值，pH 值、EC 值可在对应仪表显示和校准，电子流量计对流量进行数字化计量。控制系统则由控制器、显示屏、阀门控制器、其他电气部件组成，是整个施肥机的核心，所有的逻辑运算、施肥控制、灌溉计划、模拟量检测等均由它处理，通过人机交互接口显示屏，既能接受人工输入的设置及指令，也能显示检测、设置、运行状态等信息，阀门控制器控制外部电磁阀、水泵的启闭。

针对液态再生肥容易滋生细菌造成系统堵塞的问题，设计了定时清洗程序，即在每次施肥结束后，进行一定时间的清水冲洗，以减少系统管路内肥液的残留，避免因滋生细菌堵塞系统。

4.3 输配水管网系统

输配水管网通常由干管、支管、毛管组成。干管一般采用PVC 或HDPE 管材，支管一般采用PE 管材或PVC 管材。管径根据流量分级配置，滴灌毛管目前多选用内镶式滴灌带或边缝迷宫式滴灌带。干管或分干管的首端进水口设闸阀，支管和辅管进水口处设球阀。输配水管网的作用是将处理过的水，按照要求输送到灌水单元和灌水器，终端可采用两种方式滴管和微喷方式，毛管是微灌系统的最末一级管道，在滴灌系统中，即为滴灌管，在微喷系统中，毛管上安装微喷头。滴灌适合多季节果蔬类作物，微灌适合单季粮食、蔬菜类作物。为避免和减少液态再生肥就近还田施用时异味挥发，影响农村农户房前屋后周围空气环境，采用滴灌管浅埋的方式，将滴灌带埋置于表层土以下5～10 cm，以尽可能地减少异味的挥发，同时能最大限度地保持液态再生肥肥效。

5 固态渣肥小型清扫转运施肥一体机研发

为了能保持三格化粪池有较好的容量和水力停留时间，需要对池底沉渣进行定期清掏。为适合我国农村便捷化使用要求，开发了基于模块化设计和多功能部件系统集成的小型再生肥清扫还田施肥一体化设备，该设备能够同时满足三格化粪池池底固体渣肥清掏和还田施用的需求。固态渣肥小型清扫还田施肥一体化设备主要包括底盘、驾驶室、动力系统、清扫系统、储肥罐和开沟施肥装置，如图2 所示。

图2 固态渣肥抽吸与施肥车结构Fig. 2 Structure of solid slag fertilizer suction and fertilizer truck

5.1 关键部件设计

本研究关键部件在于抽吸清扫装置和开沟施肥装置。由于池底渣肥具有一定的流动性，可采用负压抽吸的方法进行抽吸清扫，因此，小型再生肥清扫还田施肥一体化设备清扫系统配备了真空抽吸泵，可将储肥罐中的空气排空，使罐体内形成负压，池底渣肥经过进料抽吸管，进入储肥罐体内，实现池底清扫抽吸。根据农村三格化粪池特点和研发任务书要求，设计最大抽吸深度4 m，满足化粪池抽吸清扫的要求。

开沟施肥装置采用模块化设计，为独立悬挂配置，可作为一个独立模块悬挂在底盘的后方，开沟施肥装置包括施肥分配管道、机架、出肥管、开沟施肥器、限深轮和覆土板组成，如图3 所示。

图3 施肥装置与施肥器Fig. 3 Fertilization device and fertilizer applicator

根据田间作业需要可配置2-n组施肥器，以满足不同作业幅宽的需要，两个施肥器之间的行间距可根据作物种植行间距和施肥要求进行左右灵活调整。开沟施肥器包括开沟犁尖、分土板、防缠草轮等。分土板前下部装有开沟犁尖，采用犁铲形式，用于施肥时的入土开沟，分土板可将土往两边分形成深沟槽；分土板前上部装有防缠草轮，可以自转，用于防止杂草缠绕；分土板中部装有固定架用于将施肥器固定于机架上；分土板后部装有施肥管，可将沼渣布施于深沟槽中。开沟施肥装置的进肥口通过软管与再生肥储肥罐的出肥口相连，可以完成液态肥料在储肥罐压力作用下通过施肥管布施到土壤中。

5.2 样机试制

在三维图纸设计基础上，开展了小型清扫还田施肥一体化设备样机试制，如图4 所示。小型清扫还田施肥一体机底盘选用了小型农用三轮车底盘，采用8 挡后驱动桥，可以保证较好的驱动性能。发动机采用16 kW单缸柴油机，性价比相对较高，经济廉价，更适合农村推广使用。储肥罐采用全密封装置，位于真空吸污泵后方的底盘上，进出料口都装有封闭阀门，再生肥收集后可使储肥罐体处于密封状态，避免转运过程中溢出臭味。

图4 小型清扫转运施肥一体机Fig. 4 Small integrated fertilizing machine

工作过程：三格化粪池池底固态渣肥清扫时，与储肥罐进肥口相连的进肥管深入三格化粪池池底部，真空吸污泵通过发动机提供动力，将储肥罐里的空气排空，使罐体内部形成负压，高固形物再生肥经过进肥管进入储肥罐，罐体装满再生肥后，关闭进肥阀门，待再生肥转运至田间，将开沟施肥装置通过液压油缸放下调整至工作位置，调整开沟器合适深度，结合真空吸污泵，选择压气档，将空气压入罐体，机器在田间行走时，开沟犁尖入土开沟，固形物再生肥在罐体气压的作用下通过出肥管和施肥器排到土壤沟槽内，施肥器后方有覆土板，可将浮土掩埋施肥后的沟槽上，避免异味挥发，完成整个施肥动作。

设备优势：采用小型自走式轮式底盘装置，可一次作业完成三格化粪池池底沉淀的固态渣肥的抽吸、清扫、装灌、转运、田间开沟布施、覆土填埋作业，整机造价低，经济适用，转场灵活，操作简单方便，施肥便捷高效，能满足当前农村厕改后三格化粪池的定期清理和便捷化就近就地还田施用需求，可实现高固形物再生肥清扫和就近还田施肥一体化作业。

6 结束语

厕所粪污生态还田技术是处理农村厕所粪污的重要发展趋势。本文虽然提出了农村厕所粪污便捷化施用技术和小型化清扫转运还田设备，但目前仅适合部分地区水冲厕所和微水冲厕所三格化粪池无害化处理后的再生肥进行就近就地还田利用，由于受气候和水资源环境等条件限制，该技术装备对北方高寒地区仍有一定的局限性。因此，结合我国农村改厕路径，农村厕所粪污资源化利用应因地制宜地构建化粪池系统的模块化处理技术体系，在不同的应用场景下形成资源化就地利用的技术装备，服务于不同地区的农村“厕所革命”市场需求。