粪便真空收集系统及生化技术研究
粪便是人体消化系统和泌尿系统的生理排泄物，含有丰富的有机物和氮、磷、钾成分，是农业的传统有机肥料和良好的土壤调节剂。
粪便中的有机物和氮、磷等物质若被直接排放，会造成水质污染，散发含氨、硫化氢、硫醇、硫醚等恶臭成分的有害气体，病人的粪便还含有多种肠道致病菌、寄生虫卵和病毒，据有关资料显示，发展中国家约70%的疾病与粪便的生物性传染有关.因此，按照减量化、无害化和资源化的原则来处置我国城乡粪便具有重要的现实意义.据1997年统计，我国的668座设市城市年清运粪便2900万t，做到无害化处理的不到1/2，大部分是经过化粪池的简单处理就被直接排放，粪渣没有妥善处置.我国近40%的设市城市缺乏完善的下水管网，污水处理厂严重不足，很多污水处理厂也因运行费用等多种原因不能正常运行，造成全国90%以上的污水粪便没有得到无害化处理就被直排江河湖海，致使城市流经河段86%的水质超标.农村粪便虽多用作粪肥，但大部分未经卫生收集和无害化处理，而是被直接施于农田或排放，不仅影响农作物吸收，严重恶化周边环境，还导致了疾病传染.造成上述情况的原因中，粪便的收运方式和资源化技术落后是两个症结所在。
我国城镇现行的粪便收运系统大多直接由重力冲水厕所、化粪池、黑水与灰水的混合排污管网或吸粪车等组成.重力冲水厕所的大耗水量和黑水与灰水的混合排污使粪便的固含量大幅度下降，旱厕粪便的固含量是6%～9%，而重力冲水厕所粪便的固含量还不足0.1%，已严重丧失了其原有的利用价值，只能通过化粪池和有待完善的污水处理厂进行无害化处理.另外，污水处理厂的污泥中混入了大量重金属和有毒难降解物质，不宜用作农田肥料进入食物链，粪便的流失和污染也就难以避免。
针对上述情况，华中科技大学环境科学与工程学院研制开发了粪便真空收运系统.它是由真空便器 (或真空吸粪器)、真空破碎抽吸器(收集有机废弃物)、阀件、管网、真空泵、真空罐、排污泵及控制柜等组成[2]。该系统利用真空泵抽取真空罐及真空管网内的空气形成相对真空，使真空管网具有抽吸污物的能力.随着各类阀门的相应动作，进入管网的粪便被逐级输送，最终进入真空罐内.和传统的粪便收运系统相比，它具有下述特点：
a.节水.真空便器的冲水量约为1L/次，是重力冲水厕所的1/6～1/9.
b.粪便与生活灰水被独立收集，可使灰水的中水回用成本降为原来的1/2～1/3.
c.粪便的固含量约为1.7%，是重力冲水厕所的20倍，有力促进了粪便的资源化
d.卫生.真空管道臭气控制好，不易招惹蚊蝇造成二次污染.
e.适用性强.管径小(U50～U250)，管道可上升4～5m，工作半径达3～4km.系统终端入户数不限，可多至几千套，系统越大工作越稳定，尤其适合于人口相对分散、缺水及远离污水处理厂的地区.
f.经济性.达到一定规模后，一次性建设投资低于传统收运系统，若考虑节水费用及制肥效益，还可产生一定量的经济效益.
此外，真空收运系统中的破碎抽吸器与真空管网相接，可破碎、收运厨余物等易腐性垃圾，和粪便混合后制肥，做到了城市生活垃圾的减量化及资源化.
2真空收运系统粪便的生化技术
针对有资源化价值的高浓度粪便(如真空收运系统收集的粪便)，传统的无害化、资源化工艺有两种：厌氧消化和高温好氧堆肥.厌氧消化是将粪便排入消化池，在无氧条件下，利用厌氧微生物的作用，使有机物经液化、气化(沼气)而分解成稳定的物质，大多数病菌、寄生虫卵被杀灭，固体达到减量化和无害化的方法.其不足之处是运行周期长、占地面积大、易受温度影响且处理液难以达到排放标准.高温好氧堆肥是将有机物脱水，加入除臭、发酵微生物菌种和调整物料混合后，在一次发酵仓、二次发酵仓进行为期10～30d的动态、强通风发酵，固体转化为有机肥，达到减量化和无害化的方法.其不足之处是运行周期长、成本高、容易造成二次污染.另外，有机物的除臭、脱水、微生物菌剂的培养与生产等环节也制约着这些技术的发展.
结合粪便特性和真空收运系统的特点，华中科技大学环境科学与工程学院开发了粪便碱性生化资源化工艺。
2.1工艺
粪便碱性生化技术是利用混凝剂、石灰和碱性工业废料，在碱性条件下，通过高效脱水、加速干燥、高温、高氨和盐化等生化作用，促进有益微生物生长，抑制并杀死病原体，最终得到卫生达标粪肥的方法，它可有效且低成本地完成粪便的无害化和资源化(图1).
2.2技术特点
a.真空收运系统粪便的特性.成人平均每天排泄大、小便0.4L和1.5L，大便固含量为33.6%，其中挥发固含量约占总固含量的90.8%.
图1粪便资源化工艺简图
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b.改善粪便的脱水性能
为了方便运输和资源化利用真空收运系统的粪便，需要对其进行脱水处理.粪便是一种富含有机质、高粘度、粒径分布极不均匀的复杂浑浊有机亲水性悬浮液，对其脱水有一定的技术难度，目前国内大多引进国外设备，如北京高碑店粪便处理厂引用的是德国RoS3型滚筒式脱水机[4].影响粪便脱水性能的因素很多，如粪水的密度、粘度、表面张力、极性和颗粒物的粒度、密度、电性以及悬浮液的粘度等.其中，比阻值直观简洁地描述了悬浮液的脱水性能.依据悬浮液的定压过滤方程[5]：，比阻值和过滤压力存在着一定的函数关系，粪渣作为可压缩性物体，单靠增加压力不能有效提高粪便的脱水效率.一般认为，机械脱水的物料比阻在 (1～4)×1012m/kg之间较为经济.而真空收运系统粪便的比阻值约为3.9×1014m/kg(活性污泥约为2.7×1013m/kg)，因此，在机械脱水前对粪便进行预处理，改善其脱水性能对减少设备投资，减少场地面积和简化工艺流程都具有重要意义.实验表明，一定量的混凝剂、石灰或其它碱性工业废料可有效改善粪便的脱水性能，使粪便的比阻值降至3.8×1012m/kg，大大改善脱水机的工作效率.
c.粪便的无害化.该技术的生化反应时间为1～2d，在碱性和可达到60～65℃的条件下，病毒细菌基本全被杀死(超过99.9%)，同时保留了大量类似土壤的有用微生物.更重要的是由于添加了石灰和碱性工业废料，可缓解因酸雨等造成的酸性环境中重金属的再溶出问题.粪肥中的氧化物和有机物对重金属的吸附和化合作用，也降低了可溶性重金属的含量，减少了农作物对重金属的吸收，有效缓解了重金属的危害.另外，在碱性条件下，生产过程中产生的臭味可得到有效控制，消化、稳定后的粪肥基本不再有臭味.
2.3粪肥的资源化
a.粪肥无病菌、稳定、易于存储、处理和使用.
b.粪肥分解较慢，氮、磷、钾在粪肥中所占的比例约为10%左右，有机物约占其总重量的40%，由于氮、磷等养分的释放较慢，粪肥具有肥效长和利用率高的特点.
c.产品中的重金属元素在无公害处理过程中，减少了对农作物的影响，可弱化甚至防止对食物链和生态环境造成的污染.
d.粪肥的有机成份含量高，可被用做石灰和肥料的混合农用添加肥促进农作物生长，它含有天然土壤微生物和钙，可改良土壤结构，提高土温，大大提高土壤保持水分能力和饱和排水能力，也增强了土壤的自然属性，包括水的传导性、排水性和保湿度，大大降低了暴雨和干旱对农作物生长造成的危害.
e.适应性强，对于酸性土壤，粪肥可有效提高土壤的pH值，增加钙素，促进有机物分解，减少磷元素被活性炭和铝的固定；还可根据土壤类型和市场需要，用调节剂调整物料的pH值制成中性或酸性的复混肥，可大大提高粪肥的适用性.
f.生产成本低，碱性粪肥约39元/t，中性和酸性复混肥近50元/t.
总之，该技术顺应了不同区域土壤的实际情况，有效添加了农作物所必须的有机物和氮、磷、钾等物质，可做到真空收运系统粪便的无害化和资源化处置.
3小结
a.粪便的收运和资源化技术落后是粪便流失和污染环境的重要原因.真空收运系统作为经济可行的新型粪便收运系统，若能逐步推广使用，可有效促进粪便的无害化与资源化.
b.真空收运系统的粪便碱性生化处理技术，既解决了粪便的脱水、无害化和资源化问题，又可有效改善不同类型土壤的营养状况，对改善生态环境，发展我国绿色食品具有重要意义.
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