典型农村厕所粪污肥效特性及利用对策

摘要

厕所粪污含有丰富的氮磷钾植物营养元素，中国农村传统的粪污处理方式就是还田资源化利用。但是，随着农村生活模式城镇化，现代农民喜化肥、憎粪肥的心态越来越明显，厕所粪污的资源化利用途径受阻，农村卫生安全和生态环境问题日渐突出。中国农村地域广阔、环境条件差异大，农村人群居住分散，以厕所为单位的粪污产生量小、收集难度大，户主的意愿决定了粪尿的处理及利用方式，在资源化利用过程中全凭自身“经验”，方式方法粗犷。随着农村改厕工作的推进，农村厕所形式呈现出多样化态势，不同类型厕所的粪污收集方式、贮存过程和处理方式差异较大，致使粪肥产品类型多样、肥性差异大，进一步影响了粪肥资源化利用。针对上述问题，论文以农村“厕所革命”为背景，以农村改厕推荐厕所为对象，重点研究不同类型厕所粪污的资源特性，结合农作物需肥特性，从生态利用有效性和生态环境安全角度，研究粪肥的土地消纳能力，在生态环境约束情况下明确厕所粪污的资源化利用对策。得到如下研究结论：　　①尿液和粪便的产生量、植物营养元素、致病微生物等的含量差异极大，影响了它们的资源化利用方式。成年人尿液和粪便的年均产生量分别为500L和50L。尿液中氮磷钾元素的浓度分别为5476mg/L、622mg/L、1726mg/L，相较粪便而言，尿液中致病微生物极少，微生物也多为环境中极为普遍的微生物，储存几天稀释后即可资源化利用。鲜基粪便中氮磷钾元素的含量分别为10g/kg、2.19g/kg、3.07g/kg，粪便成分复杂，含有较多的致病微生物，需经过无害化处理和充分腐熟后才能资源化利用。　　②厕所类型不同、粪污收集方式以及进入贮粪池的污废水类型不同，影响了厕所粪污的稀释程度，致使不同类型厕所黑水浓度差异显著。其中，附建式水冲厕所将粪污和生活污水混集，体积较原粪尿量膨胀了62.5倍，黑水中总氮（TN）、总磷（TP）和总钾（TK）的浓度分别为95.81mg/L、12.71mg/L、30.06mg/L，仅为初始浓度的1.6%，这类厕所废水不宜作为肥料进行资源化利用，需经水处理达标排放；独立式水冲厕所、微水冲厕所及无水冲厕所，杜绝了淋浴、洗涤等生活污水的混集，尽管存在冲厕水的稀释作用，但水量少，粪污养分浓度高，宜后续处理后施肥农用，以三格化粪池厕所为例，稀释倍数为6倍，化粪池中TN、TP和TK的浓度分别为870.93mg/L、115.51mg/L、273.27mg/L，为初始浓度的14%。　　③厕所类型不同，粪污处理方式不同，粪肥产品类型和肥效也不一样。其中粪尿分集式厕所采用源分离技术，可收集到TN、TP、TK浓度分别为4928.4mg/L、622mg/L、1726mg/L的尿液，尿液中养分多以作物可吸收利用的形态存在，可以作为速效氮肥进行资源化利用。三格化粪池厕所、双翁漏斗式厕所、三联通沼气池厕所（沼液部分）采用粪尿混合收集模式，富含有机质以及粪便微生物，粪尿液经过发酵处理，最终形成液态粪尿肥资源化产品，以双翁漏斗式厕所产生的液态粪尿肥为例，其TN、TP、TK浓度分别为1911.21mg/L、190.07mg/L、637.08mg/L，肥效显著。无水冲厕所如双坑交替式厕所、阁楼堆肥式厕所的粪污经堆肥化处理后转化为有机堆肥，其中阁楼堆肥式厕所处理得到的粪污浓度养分最高，TN、TP、TK浓度分别为7.211g/kg、1.164g/kg、3.419g/kg，为初始浓度的131%、160%和198%。　　④基于不同厕所类型可农业利用粪肥资源特性、农作物的需肥特性，从生态利用的有效性角度，不同厕所类型产生粪肥类型使用途径不同。其中，尿液氮素含量多，肥效迅速，可作为速效氮肥施用，常用作作物追肥、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。有机堆肥养分全面、富含腐殖质，肥效持久缓慢，具有促进作物生长和培肥地力的双重作用，可用作基肥或果类作物的采果前后肥施用。　　⑤基于人均粪尿年产生量、厕所类型粪肥形式及浓度、土地消纳能力，核定了人均不同粪肥产品的土地消纳能力；从生态环境安全角度，核定了消纳人均粪污的平均、最大土地需要量。研究结果表明，尿液可被0.06亩蔬菜完全消纳；液态粪尿肥可被0.38亩大田作物或0.07亩蔬菜或10棵果树完全消纳；有机堆肥可被0.17亩大田作物或0.05亩蔬菜或6棵果树完全消纳；人均粪污的平均土地消纳能力为0.27亩大田作物或0.06亩蔬菜或8棵果树；人均粪污的最大土地消纳能力为0.45亩大田作物或0.11亩蔬菜或13棵果树。　　⑥基于生态环境约束，不同类型的粪污资源可采取不同的资源化利用对策。针对分散处理产生的粪肥资源，可在最大土地消纳量范围内根据粪肥产品类型的特性就近还田，实现土地消纳；针对集中堆肥产生的粪肥资源可通过产品化方式制成优质商品有机肥。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1国内外厕所系统的演进

1.2.2 现行农村厕所主要模式及处理技术

1.2.3农村厕所粪污资源化处理技术

1.2.4 农村生态环境现状

1.3.1 课题的提出及研究意义

1.3.2 主要研究内容

1.3.3 技术路线

1.3.4 本文创新点

1.3.5 课题来源

2 代表性农村厕所类型及粪污肥效特性

2.1.1人粪尿产生量

2.1.2人粪尿组成及主要污染物产生量

2.2农村厕所类型及化粪池黑水的初始浓度

2.2.1水冲厕所系统

2.2.2微水冲厕所系统

2.2.3无水冲厕所系统

2.2.4不同农村厕所的化粪池黑水初始浓度汇总

2.3贮存、处理方式对粪污肥效特性的影响

2.3.1 水冲厕所处理系统

2.3.2 微水冲厕所处理系统

2.3.3 无水冲厕所处理系统

2.3.4 不同农村厕所处理后得到的粪肥资源浓度汇总

2.4 本章小结

3 土壤肥力及农作物需肥特征

3.1土壤类型及肥力特征

3.1.1土壤质地

3.1.2土壤养分

3.1.3我国土壤的分布与肥力特征

3.2典型农作物需肥特性

3.2.1 大田作物

3.2.2 蔬菜作物

3.2.3 果类作物

3.3.1 肥料的主要类型

3.1.2典型肥料的作用

3.3.3 粪肥的主要作用和施用方式

3.4 本章小结

4 基于生态环境约束的粪肥资源化利用对策

4.1厕所粪污贮存处理利用过程的潜在生态环境问题

4.1.1贮存过程

4.1.2处理过程

4.1.3资源化利用过程

4.2 单位农作物对粪肥资源的需求量

4.2.1 农作物对有机堆肥的需求量

4.2.2 农作物对液态粪尿肥的需求量

4.2.3 农作物对尿液的需求量

4.3 粪肥资源的土地消纳能力

4.3.1 有机堆肥的土地消纳能力

4.3.2 液态粪尿肥的土地消纳能力

4.3.3 不同粪肥资源的土地消纳能力汇总

4.4 基于生态环境约束的粪肥资源化利用对策

4.5 本章小结

5 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

参考 文 献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢