源分离农村卫生厕所冲水灌溉利用技术研究

摘要

目前我国面临着巨大的环境污染及能源资源危机，在农村更是如此，大量的生活污水被直接排放在水体中。现在的污水排放方式是将人体粪便及尿液混合后排放到污水管道中，由于人体粪便中含有很多的有机氮磷钾资源，这不仅造成了污水处理难度的增加，还造成了粪便及尿液中大量的氮、磷、钾等营养物质的浪费。而通过源分离生态卫生厕所的作用，将厕所污水从源头上进行分离，分别收集尿液跟粪便，这样不仅能降低污水中的污染负荷，还能充分利用其内所含的营养物质，最终能形成氮磷钾等有机资源在作物-食物-人体-排泄物-农田-作物的物质循环。为了能更好的利用粪便及尿液中的有机资源，本文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。集中式水处理系统能在一定程度上解决了由于城市的快速发展而引发的各种环境污染问题，对保护环境跟优化生活起到了重要的作用，但由于其高昂的费用并能耗较大，所以集中式水处理模式不会是一种可持续的处理系统。分散式污水处理能在一定程度上解决集中式系统的不足，有较好的处理效果，投资较低，灵活多变，但其还是不能实现资源及能源的回收利用，分散式处理技术并未得到有效的利用，更没有达到可持续发展的要求。为了实现可持续的发展要求，源分离技术应运而生，它从源头上进行粪便与尿液的分离收集利用，卫生安全又能实现物质的再利用。据统计，每人每年能产生粪便排泄物约25-50kg，以底线计算，25kg的粪便中就含有约0.55kg的氮肥、0.18kg的磷肥跟0.37kg的钾肥，而这些肥料都是很好的农田基肥。粪便在干热的条件下与其他生活有机垃圾进行混合发酵一段时间，一般为3到9个月，其发酵产物就能直接施于农田，还可以与其他堆肥产物混合使用。在人体排泄物中，尿液中所含的营养物质较多，据统计，在人体没人每年的排泄物中所含的氮磷钾等营养物质中，尿液约能占其含量的4/5，粪便则能占约1/5。而尿液中的营养成分能被农作物直接吸收利用，虽然尿液中会含有微量的重金属物质，但这些重金属物质含量有限，基本可以忽略不计。用于灌溉的尿液溶液不能有过高的PH值，同时PH值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值。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，本研究采用了滴灌的方式来降低氨挥发的影响。
　　我国农村大都是小家庭式农业生产，目前还难以形成大型农场式的劳作模式，因此鉴于我国农村的现状，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，尿液分离到管道中，通过管道分流到尿液收集井中，而收集管道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，同时能减少了每户的分摊成本。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、氯化钠跟各类酸，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。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，因此在此系统中，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。在进行农田滴灌中，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。在本研究中，还在山东沂水的马家方庄建立的工程实例，建造的粪尿分离式厕所，该厕所位于该村集市南头，用以分别收集粪便跟尿液，粪便用于堆肥处理，有村内专门人员来进行管理;尿液则通过管道引入到村外大棚，经过简单的储存跟处理，用于大棚内的低压滴灌。工程现已投入使用，使用效果较为理想。通过这种利用模式，不仅能解决了马家方庄集市人们排泄物造成的环境污染，同时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。