（环境科学专业论文）用玉米秸秆代替木屑作为生态厕所反应基质的可行性研究.pdf

a b s t r a c t t h et w ok i n d so ft r a d i t i o n a lt o i l e t s ，f l u s h - t o i l e ta n dn ow a t e r f l u s h - t o i l e t ，a r ep r o v e dn o t f i tf o rr e s o l v i n gt h es a n i t a t i o np r o b l e m so f d e v e l o p i n gc o u n t r i e s ，c e r t a i n l yi n c l u d i n gc h i n a s a w d u s tc a nc r e a t ea l li d e a le n v i r o n m e n tf o ra e r o b i cb a c t e r i at o t h r i v e ，d e c o m p o s e ，a n d d i s t i n g u i s hb i o m a s sw a s t e si n t oc a r b o nd i o x i d ea n d w a t e r b i 0 4 0 i l e th a sal o to fm e r i t ss u c h a s ( 1 ) c o n s e r v a t i o no fr e s o u r c e ，( 2 ) r e d u c t i o no fe n v k o n m e n t a l p o l l u t i o n , ( 3 ) r e c o v e r y a n d r e c y c l e o f n u t r i e n t sa n d ( 4 ) f r e eo f o d o r s ob i o - t o i l e th a sv e r yg o o d f o r e g r o u n di nc h i n a s a w d u s ti st h ec r u c i a le l e m e n ti nb i o - t o i l e t b u tt h e mi sl a c eo fs a w d u s ti nc h i n a c h i n a h a sa b u n d a n tc o r ns t a l ka n dm u c ho fi tw a sb u r n e d c o r ns t a l kh a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c sl i k e s a w d u s t 1 1 1 ec o m p o n e n t so fc o r ns t a l ka r et h es a m ea ss a w d u s t , c o r ns t a l ka l s oh a sh i g h p o r o s i t y , h i g hw a t e r r e t e n t i o na n di l i g hd r a i n a g e b e c a u s eo fa b o v er e a s o n s u s i n gc o i t is t a l k a st h em a t r i xo f b i o - t o i l e tm o r e a d a p t s t oc h i n e s ea c t u a l i t y t h i sp a p e rc o m p a r e dt h ed e c r e a s i n gr a t eo fc o r ns t a l kw i t hs a w d u s t n l er a t eo ft o t a l w e i g h tr e d u c t i o no f f e c e s - c o r ns t a l km i x t u r ei sh i g h e rt h a nf e c e s - s a w d u s tm i x t u r e t h er e s u l t s a r e7 9 7 a n d7 0 2 r e s p e c t i v e l y a n dm o r ec o m p a r e dt h en i t r o g e n ，p h o s p h o r o u sa n do r g a n i cm a t e rc o n t e n ti nf e c e s - c o r n s t a l km i x t u r ew i t hf e c e s - s a w d u s tm i x t u r e t h er a t eo f n i t r o g e nl o s i n gw a s 3 3 8 a n d2 8 7 r e s p e c t i v e l y b u tt h e l a s tr e s u l ti nc o r ns t a l km i x t u r ew a sh i g h e rt h a ns a w d u s tm i x t u r e ， b e c a u s et h en i t r o g e ni nc o r ns t a l kw a sh i g h e rt h a ns a w d u s t o nt h et h i r t i e t hd a y , n i t r o g e ni n t w om i x t u r e s y s t e m si s81 7 6 9 k ga n d s 0 9 k gr e s p e c t i v e l y p h o s p h o r o u sc o n t e n to ff e c e s - c o r ns t a l kw a sh i g h e rt h a nf e c e s s a w d u s tm i x t u r e l a s t l y , f e c e s - c o r r ls t a l km i x t u r e sp h o s p h o r o u sc o n t e n tw a s 9 5 9 k ga n d f e c e s - s a w d u s tm i x t u r e sw a s 8 9 k g a c c u m u l a t i o na n dd e c o m p o s i t i o no fo r g a n i cm a t e ri nt w om i x t u r e sa r et a k ep l a c ea tt h e s a m et i m e t h ec h a n g eo fo r g a n i cm a t e ri nc o ms t a l km i x t u r ew a sn o ta p p a r e n tb e c a u s e a c c u m u l a t i o na n dd e c o m p o s i t i o nk e p tb a l a n c e t h ea m o u n to fo r g a n i cm a t e ri ns a w d u s t m i x t u r ew a si n c r e m e n tb e c a u s et h er a t eo fa c c u m u l a t i o ni s h i g h e r t h a nt h er a t eo f d e c o m p o s i t i o n o nt h et h i r t i e t hd a y , o r g a n i cm a t e ri n c o r ns t a l ka n ds a w d u s tm i x t u r ei s 7 7 6 9 k g a n d8 1 5 9 k gr e s p e c t i v e l y p hi nt h ef e c e s - t o ms t a l km i x t u r ec h a n g e df r o m6 1 4t o6 7 4 w h i c hi sl o w e rt h a n f e c e s s a w d u s tm i x t u r e a f t e r w a r dp hi nt h ef e c e s - c o r ns t a l km i x t u r ec h a n g e df r o m7 5 5t o 8 2 5 w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t hf e c e s s a w d u s tm i x t u r e b a s i c a l l y c o r ns t a l km a t r i xi sa ni d e a le n v i r o n m e n tf o ra e r o b i cb a c t e r i at ot h r i v e a n dt o i l d e c o m p o s eh u m a nf e c e s a ss a w d u s t t h er e m a i n so ff e c e s - c o r ns t a l km i x t u r eh a se n o u g h n i t r o g e n ，p h o s p h o r o u sa n do r g a n i c m a t e r p hc o n d i t i o nc a ni n h i b i t g i v i n go f f a m m o n i a k e yw o r d s ：b i o - t o i l e t ；c o r ns t a l k ；s a w d u s t ；r a t e o ft o t a l w e i g h tr e d u c t i o n ；n i t r o g e n ； p h o s p h o r o u s ；o r g a n i cm a t e r ；p h i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东北师范大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：芰熊垂 日期 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：熏遵 日 期：删【6 ! ! 学位论文作者毕业后去向： 工作单位 通讯地址 指导教师签名：如舭 日 期：趁丛：! ! 电话： 邮编： 第一章前言 1 1 传统厕所的环境问题 目前，我国应用最普遍的厕所有两种类型，即水冲式厕所和旱厕，但这两种类型厕 所都有很大的局限性。 1 1 1 水资源的严重浪费 从1 8 5 2 年于英国诞生第一座冲水公厕开始，水冲厕所逐渐在世界范围内普及，但用 清洁的水冲洗厕所污物的同时，也加剧了水资源的消耗。 我国是水资源相对匮乏的地区，人均水资源拥有量只有2 2 0 0m 3 ，仅为世界平均水平 的四分之一。目前，我国有1 4 个省、自治区、直辖市的人均水资源拥有量低于国际公认 的1 7 5 0m 3 用水紧张线，其中北京、天津等9 个地区低于5 0 0 秆严重缺水线。进j k 2 1 世纪 后，我国水资源供需矛盾更为突出。据预测，到2 l 世纪中叶，我国人均水资源拥有量将 减少到1 7 5 0i l l “。届时，全国大部分地区将面临水资源更加紧张、缺水甚至严重缺水的 局面。 我国1 9 4 9 年城市人口5 8 0 0 万人，城市用水量6 3 亿岔；1 9 8 0 年城市人口2 2 0 0 0 万人， 城市用水量6 4 0 亿m 3 ；2 0 0 0 年，城市人口达到3 0 6 0 0 万人，城市用水量已经达蛰j 1 6 8 o 亿 3 ，仅半个世纪就增加了2 5 倍多，比世界用水量增长平均速度快l 倍。1 。水资源紧缺现 象正严重困扰着我国的可持续发展。 吉林省是我国水资源短缺的省份，特别是西部地区。吉林省水资源总量为4 0 4 2 5 亿m 3 ，其中河川径流量3 5 6 5 7 亿m 3 ，人均占有地表水资源量1 5 2 6m 3 ，远远低于全国人 均占有量，水资源问题已成为制约吉林省国民经济发展的重要因素“1 。 然而水冲式厕所需要用大量清洁的水冲洗粪便。据测算，每使用一次冲水马桶，就 要用掉1 3 升水，按1 2 0 0 万人口计算，仅北京一年从厕所流失的水就达4 亿t ，占全市 人口生活用水的6 0 。1 。全国6 6 8 座城市共建有1 0 7 9 4 9 座公共厕所，其中5 0 以上为水 冲厕所，加上居民冲厕用水，仅冲厕一项，我国每年就消耗大约1 0 0 多亿m 3 自来水，相 当于5 0 座中型城市的年自来水用量”1 。 1 1 2 环境恶化 随着我国人口的增加，人粪便日产量越来越多，对生态环境的压力也随之加大。 在下水道不完善或根本没有下水管道的农村地区，人类自身的排泄物所带来的污染 往往是惊人的。据1 9 9 7 年统计，我国6 6 8 座设市城市年清运粪便2 9 0 0 万t ，被无害化处 置的不到1 2 ，多数只是经过化粪池的简单处理就被直接排放，粪渣也得不到妥善处置。 以北京市为例，在方庄粪便消纳站建成之前，粪便无害化处置率仅为7 5 ，再建l1 座同 等规模的粪便消纳站，才能使北京市的粪便全部达到无害化处置”3 。 我国近4 0 的设市城市缺乏完善的下水管网，城镇污水处理厂严重不足，化粪池达不 到应有效果，一些现代大都市污水处理率还不足1 0 ，造成了全国9 0 以上的污水粪便得 不到及时、有效的处理就直接排入江河湖海，致使城市流经河段8 6 的水质超标”1 。 在吉林省，水资源污染已经十分严重，被污染水域面积占全省总水域面积5 7 以上。 全省主要江河长5 2 5 0 公里，达到三级以上水质的河段2 2 3 0 公里，占总长度的4 2 j ， 河流湖泊富营养化问题十分严重。人类粪便中大量的有机物和氮、磷等元素是其中最主 要的污染物”1 。 旱厕还有污染地下水和空气的严重危险。粪便中含有大量有机质，腐烂分解后会产 生巯醇、硫醚、氨、硫化氢等有恶臭的有毒有害气体，而且，一定时间内其臭味随时间 成倍增加，严重污染空气一，。 1 1 3 给人体健康带来巨大成胁 人粪便中含有大量可传播疾病的病原体。人粪便里的病原体可引起血吸虫病、伤寒、 腹泻等多种疾病“。粪便还是蚊、蝇等病原体携带者和传播者繁殖孽生的最佳场所，极 易引发传染病，导致发病率升高。据国家卫生部门调查，因粪便处理不当引起的疾病有 2 0 多种，儿童在这种污秽环境下成长，智商要比正常儿童低l o 分，身高矮4 厘米“。 公厕粪便进入化粪池后，长期向土壤中渗透，会引起土壤的病原体污染。此外，粪 便中的病原体还能在植物机体内富集，通过食物链进入人体，危害人类健康“。 水环境的污染，给我国居民生活饮用水质量带来巨大威胁。据报道，目前我国有7 亿人饮用大肠杆菌含量超标的水，1 7 亿人正饮用被有机物污染的水。我国近3 亿城市 居民，正面临着水污染这一严峻的问题“。特别是在1 9 8 8 年春季，上海发生了医学史上 最大的一次甲肝暴发流行，累计发病人数超过3 0 万o ，造成了巨大的经济损失和不良的 社会影响，其根源主要归因于粪便对水环境的污染。 1 2 长春市公共厕所污染情况调查 2 0 0 3 年7 月，我们对长春市南关区和双阳区的部分公共厕所进行了调查。在南关区 调查的4 1 个公共厕所中，有1 2 个厕所有冲水设备，其余2 9 个厕所用地下化粪池和临 时储存槽收集粪便，占调查总数的7 0 以上。这些厕所收集来得大量的粪便必须靠人力 清掏( 图1 ) 。 在南关区，有6 辆清运车负责4 0 0 多座旱厕，即使每座厕所2 个月清掏一次，每天 每辆车还要清掏1 0 座以上。由于公厕粪便混有建筑垃圾、不分解纸巾等，大部分农民 都拒绝使用这些粪便做肥料，所以这些粪便只能直接倾倒在郊区的公路旁( 图1 ) 。粪 便中散发出来的有害气体污染了空气，粪水渗透到地下污染了地下水。有水冲厕所的污 物流向是经过下水管道，然后随城市生活污水一同进入污水处理厂。长春市共有1 0 个 排水区，其中有六个排水区( 占长春市区面积的6 2 2 ，总人口的6 8 2 ) 的污水进入 北郊污水处理厂进行处理。而北郊污水处理厂目前只能迸行一级处理，一级处理后的水 中，c o d 减少5 0 ，b o d 减少3 0 左右。出水仍含有大量的有机物就直接排放到伊通河。 致使伊通河水质受到严重污染，部分地区总氮和总磷超标1 0 0 多倍“。 2 图j 人工清掏粪便的过程图2 在公路旁倾倒粪便 在对长春市双阳区调查的3 1 个公共厕所中。只有1 个是水冲式厕所，其收集来的 粪便直接排入地下污水管道，与生活污水混合后一起进行处理，其余3 0 个均为早厕。 这些厕所收集来的粪便同样由清运车清掏，并送至长春市双阳区垃圾填埋场内的化粪池 ( 图3 ) 。该化粪池是在天然沟壑的基础上由人工挖制而成，不具备任何处理及防渗设 施。粪便倒入化粪池后任其自然风化，池内杂物漂浮，粪水外溢，蚊蝇乱飞。这种未经 无害化处理的粪便，其化粪池出水c o d ，b o d 。，n h 。，n ，s s 指标均远远超过国家规定的 排放标准，给环境和人们健康带来了严重的影响“”。 图3 长春市双阳区垃圾填埋场内的化粪池 面对日益紧张的淡水资源，和触目惊心的污染状况，在不断推进城市文明和厕所文 明进步的同时，就要求我们必须开发寻找新型高效的厕卫新技术，从而降低经济发展引 发的社会成本和环境成本，保证可持续发展。在当今提倡“环保”、“绿色”和“可持续 发展”的社会，许多注重节水和减少环境污染的环保生态厕所应运而生。 第二章目前国内外生态厕所的类型及特点 生态厕所是指具有不对环境造成污染，并且能充分利用各种资源，强调污染物自净 和资源循环利用概念和功能的一类厕所“。出于对传统卫生系统诸多问题的质疑和反 思，世界各国开展了对生态厕所的研究和推广。 美国国家环保局早在2 0 世纪8 0 年代就支持建立了一批带有堆肥功能的厕所，并在 相关法律中增加了支持和鼓励生态卫生排水系统发展的内容“。 瑞士最近开展了生态厕所的研究，包括新型厕所对尿液分别收集和控制的研究、用 尿液生产制造农业用肥料的研究等“。 瑞典近年研究开发了一种非混合型马桶或称分离式厕所，即将尿液单独流入一贮 罐，贮存半年以后，残留物分解后用作农肥，粪便作堆肥处理。该种装置已有3 0 0 0 余 套在该国应用“。 欧洲其它一些国家最近还开始使用一种真空抽水马桶，每次冲洗仅需0 7 1 0l 水“，冲厕粪便水同家庭有机垃圾破碎后一同在半集中式沼气池中处理，产生的沼气作 为天然气的补充能源。 一些发展中国家，如尼曰利亚、赞比亚、埃塞俄比亚、印度和孟加拉等国也结合本 国具体情况在有关生态卫生( 排水) 系统不同层次的问题方面进行了广泛的研究和实践。 在我国与堆肥相结合的厕所是早期、原始的生态卫生厕所，已经有上千年历史了。 近年，其他一些类型的生态厕所也正在全国各地发展并应用起来。在我国北京、上海、 深圳等大城市和九寨沟、西湖、桂林等旅游区相继出现了不同类型的生态厕所。目前， 国内外环保生态厕所的类型主要有水冲洗生态厕所、免水冲洗生态厕所两大类。 2 1 水冲型生态厕所 这种厕所的特点是不改变原有的水冲厕所用厕方式，但对其产生的粪便污水进行生 物处理，使之转变为无污染的净水，或回用或排放。 2 1 1 沼气净化池 该种厕所将水冲式公厕的粪便污水经生物厌氧处理可使废物完全利用。产生的沼气 可加以利用，产生的沼液可利用来浇灌植物。这样可取消下水管网，将粪便污水无害化 处理，同时改善了周边环境。浙江金华推广使用的生态厕所就是这种类型“。 2 1 2 生活污水沼气净化池 该种厕所采用生活污水沼气净化池代替传统化粪池，将生活污水( 粪便污水加洗涤 生活污水) 经过厌氧发酵、就地分散、无害化处理，处理的出水可达到或接近二类综合 排放水要求，其中对氮的去除率达6 5 6 9 “。生活污水净化沼气池既不同于普通的化 粪池也不同于沼气池，普通化粪池能去除一些悬浮物和沉积物，但处理效果差；普通沼 4 气池主要用于制取沼气，池客小，处理效果也差；而生活污水沼气净化池主要是以净化 污水为目的。这种方法已在全国各地推广使用，证明可除去排水中的有机质，明显减轻 城镇污水处理厂的负荷，不失为在我国现有排水管道系统( 粪便污水和生活洗涤污水合 流) 下，对生活污水的一种较好的处理方式。许多地方政府做出规定，所有新建、扩建、 改建的生活污水排放项目都推广这种生活污水沼气净化池。 2 1 3 土地处理型 该种厕所是建立土地渗滤系统，利用地表下生长的土壤植物和栖息的动物以及土壤 所具有的物化特性净化来自水冲厕所化粪池的粪便污水。公厕中的粪水经过化粪池，进 入事先布排好的厌氧调节池、布水系统和土壤渗滤系统，然后进入集水系统，经消毒后 重新回用来冲厕所或绿化，形成了公厕自身的封闭式生态系统，从而能够实现厕所的污 水零排放“。 但这种生态厕所需设置单独的地下集粪装置。在地面公厕底下挖坑耗时费工耗资， 城市地下管网密布，即使暂时不伤及地下管网，也可能影响将来市政管网布局”。 2 2 免水冲洗生态厕所 2 2 1 无承打包型 该种厕所的核心是由可生物降解的塑料膜制成的包装装置、机械装置和储便桶三部 分组成。用厕者离开后，牵引装置自动启动将排泄物打包、密封，防止臭味外泄，包装 后的粪便由环卫部门收集送往垃圾填埋场处理。这种厕所可以做到不污染厕所用地环 境、不留下残留物，且无需用水源。”。 但塑料袋打包技术耗材、成本高、臭气密封效果欠佳、频繁换袋取粪麻烦，易故障， 塑料袋除增加每人次的耗材成本和安装劳动量外，还为粪便的资源化处理带来障碍。 2 2 2 生物处理制腮壅 该厕所的特点是将粪便经生物处理后变成肥料，分为以下3 种。 ( 1 ) 粪尿分离型。“。这种生态卫生厕所设计为粪尿分别收集，基本不需水冲，无 污水排放。尿液可直接利用，粪便经脱水干燥后，加偏碱性覆盖物提高p h 达到无害化， 杀灭粪中的致病菌及寄生虫卵，终产物则成为良好的土壤改良剂。这种厕所由联合国组 织推荐、欧盟等国家捐建，已在我国广西、湖南等地农村为农户使用。 ( 2 ) 粪尿混合型o ”。该厕所的核心是安装了一个生化反应器，反应器中有可定期 补充的生物填料。微生物通过填料的高比表面积得以繁殖，有机物经微生物降解，粪便 发酵完成后变成有机肥。这种生态厕所产品主要包括三部分：洁具、生化反应箱和微生 物接种。其中浩具包括用便器、传感器和机械传动；生物反应箱包括生物填料、机械搅 拌装置、箱体和自动化控制系统；微生物为能够生化降解人类粪尿的耗氧微生物。 洁具设备通过红外或压感装置判断是否有人需要使用蹲便器或坐便器，用机械或液 压传动控制生化反应器挡板的开合。当人们使用时，生化反应器的挡板自动张开；用完 后，又自动关闭。人粪尿进入生化反应箱后，随着生化反应器的关闭，人粪尿被已经接 种生物的生物填料包围。降解过后，所产生的水蒸气和二氧化碳气从通气口排出。 根据周围的环境的温度和湿度、接种生物的活性、箱体的大小、机械转动的速度和 使用次数的不同，降解的速度会有所不同，这就决定了生化箱的人机肥料的出料时间， 一般是六个月或一年出料一次。对于周围环境经常变化的城市，还可采用太阳能技术和 中水循环技术控制生化反应箱的温度和湿度的变化，为耗氧生物提供良好的繁殖条件。 该种生态厕所不用水，不产生废物，与其它种生态厕所相比具有更大的推广价值。 但又因其菌种难以适应如厕人数、气温等因素的动态变化，加之臭气难以封堵和初始成 本偏高、耗电惊人等综合因素直接导致该技术节水不节支，缺乏广普性。 ( 3 ) 户用人畜粪便混合沼气池汹1 。将人畜粪便混合，通过沼气池内微生物厌氧发酵， 产生的沼气可供农户家用照明和烧饭，产生的有机肥用于自家农田生产无公害或绿色蔬 菜。农户沼气池的发展已有很长的历史，至今技术已很成熟，是国家小型公益事业重点 扶持的项目之一。它不仅彻底消除了人体粪便和畜禽粪便污染，还取得了良好的经济效 益。作为农户人畜粪便污染的一种处理方式，也是一种生态厕所。 2 2 3 循环水冲洗型 这种类型的生态厕所单独收集尿液，它是通过特殊设计的粪尿分离装置完成粪尿 的分离。向收集的尿液中加入一种药剂去除异味后，回用于冲洗厕所，两人次小便经处 理后就可以冲净一人次大便，从而实现免水冲洗钽4 1 。粪便则被搅碎后变成无臭的浆状液 体直接排放到下水管道，或排放后自然风干成为粗纸状固体，干燥后制成肥料还田，也 可以作为普通垃圾进行填埋处理。 这种生态厕所的特点是利用特别培养驯化的粪便处理活性菌泥处理粪便污水，对粪 便进行分解、脱臭、净化，将粪便转化为二氧化碳和水。处理后得到的水可用于再循环 冲洗厕所，从而形成良性的循环系统。该种厕所无臭味、节约了水资源、减轻或消除了 污染物排放。北京、成都、深圳等地已有这样的生态厕所。采用生化处理技术，将用过 的冲厕水收集起来，再经过多次净化达到“中水”标准，再去冲洗厕所，如此反复使用， 实际上是自备一个规模较小的污水处理系统，从而达到节约水资源的目的。 使用循环水冲厕，虽然可以节省饮用水资源，但却无法做到减排，且管道设置复杂， 推广存在困难“”。 生态厕所将粪便废物资源化、无害化，技术上是可行的，其经济可行性成为推广运 用的关键。各类生态厕所因其结构和功能不同，投资和运行费用不一。对免水冲型生态 厕所，由于省去了安装管道的费用或利用回用水代替净水或有相关副产品产生，系统的 建设、运行和维护的综合经济效益是好的。对水冲型的生态厕所，尽管仍有下水管网， 经处理后能达标排放，相比建设城市污水处理厂来说，因其就地处理，其成本和效果都 是好的。 6 表1 为各类生态厕所和传统厕所的类型及特点。 表1 生态厕所的类型及特点”6 臭粪尿 对环境 生态厕所类型具体形式下水道应用实例 味 利用污染 免无水打包型无水打包型无无填埋无 九寨沟等 水粪尿分离型无无利用无 广西、湖南、北京、广州i 冲生物制肥型等地农村 粪尿混合型无 无 利用 无北京、日本等地 农户沼气池轻无利用无全国各地农村部分地区 循环水冲型循环水冲洗型 无有利用小北京、成都、深圳等地 水 传统水冲厕沼气净化池无 无利用无浙江金华等全国各地 冲污水处理型 土地处理型无无无无农村等地 生活污水净化沼无有无无全国各地部分城镇及农村 气池集中住户 但总的说来，各类技术都有相应的局限性，主要表现在前期建设时的投入成本、工 期长短、工程量大小，运行阶段的维护成本、封臭效果、能耗，后期的粪便处理、排污 及卫生安全隐患等方面。“。 2 3 日本环境友好型生态厕所的原理及优点 目前日本已经开发并使用的一种环境友好型生态厕所，能有效处理家庭产生的粪便 和厨房垃圾，另外，还可用于畜牧场、规模养殖场的畜禽粪便处理。 日本环境友好型生态厕所属于干式微生物堆肥型，它的生物基质是木屑，不用填加 任何微生物类物质。它是在座便器下方建造一个长方形池，池内填充木屑作微生物反应 基质，并辅以较小的动力搅拌，通过有氧微生物的放热发酵，将排泄物转化为无臭味的 气体( 水和二氧化碳) 和较干燥的有机肥，整个过程不需用水冲( 图4 ) 。由于木屑具 有多孔、透气、保水性和排水性兼备等特征，为好气性细菌提供了绝好的生存环境，人 粪便中包含的细菌可在其中快速繁殖，并迅速分解粪尿，并且在不产生臭气的情况下被 分解为有机肥料”，。 这种环保厕所在使用和运行过程中不产生对环境有害物质，适用于城市、乡镇、农 村、旅游景点、家居、临时集会和车船等不同场合使用。”( 图5 ) 。 2 3 1 原理 选择木屑作为基质是因为本屑具有某些特殊的性质。 图4 生态厕所结构图 图5 生态厕所外观图 孔隙度高 高的孔隙度保证了高的空隙，因此有较大的持水性和排水性。有利于微生物活动。 表面积大 表面积是影响蒸发快慢的重要因素，基质的表面积越大水分蒸发效率就越大。蒸发 效率大有助于尿液中的水分子迅速蒸发，通过排气管道排出室外。 木质素的含量高 木屑主要是树茎的锯屑，树干的主要成分是葡萄糖构成的纤维素，木糖、阿拉伯糖 构成的半纤维素和木质素。木屑中的木质素含量在2 0 3 0 左右，用木屑做微生物反应基 质，稳定性较高，不容易改变结构。另外可以容纳更多的细菌。由于具有高的细菌容量 和稳定的理化性质，用木屑做基质可以连续使用较长的时间。 2 0 0 0 年夏天在日本富士山进行过一个试验，大约8 0 0 0 人在4 5 天内使用一个生态厕 所，每3 0 0 0 人次使用只需更换分解槽内的5 0 0 l 木屑的一半，比预计的效率高出一倍。“。 生物降解性 木屑为好氧细菌的存活和繁殖提供了理想的环境，使其能在不产生气味的同时分解 有机废物为水和二氧化碳，留下富含氮、磷和钾的肥料。 含有丰富的碳 微生物消化混合物需要大概每一份氮中要有3 0 份碳以供消耗，那是碳氮之间的一 个平衡饮食。“。如果有太多的氮，微生物就不能完全消耗它，过多的部分就以臭的氨气 的形式排放掉了。人便和尿液包括了太多的氮和不充足的碳，一个以碳为基础的材料就 必须增加到人类的粪便里面以使它产生反应。木屑就是平衡人类粪便中氮气的一种很好 的碳材料。 p h 值 3 木屑中含有单宁酸等酸性物质，在水中的p h 值是5 6 ，可以有效中和混合物的碱度， 防止氨气的产生。 2 3 2 优点 日本环境友好型生态厕所与传统厕所相比主要有以下优点”： 节约水资源：便后免冲水，可节约大量的水源。居民使用这种厕所每人每年可节约 3 0 - 4 0 吨自来水。 不产生污染：处理过程均在生物反应器中进行，无排放及外泄。 无臭味：这种厕所由于采用好氧降解，可消除因厌氧菌代谢产生的腐胺、尸胺及硫 化氢等致臭物质；另外，该型生态厕所配有良好的排气装置，空气可沿便器、反应器和 通风管流动，因此气味不会停留在厕所中。 资源再生：它是一种带有堆肥功能的生态厕所，能有效安全地回收人排泄物中植物 所需的营养物质，具有“有机肥生产工厂”的美誉。使用这种厕所每年人均可回收4 0 k g 左右的优质有机肥，一个公厕( 1 5 蹲位) 每年可回收1 0 吨左右。 它与国内其它干式微生物堆肥型生态厕所相比，最大的优点就是，它采用的微生物 基质是国外废物利用的木屑，价格低廉，而且不用填加任何微生物菌种。 2 4 玉米秸秆代替木屑的可行性 2 4 1 我国玉米秸杆资源现状 我国玉米秸秆资源十分丰富。一有资料显示：2 0 0 0 年，我国农作物秸秆的总产量约 6 4 8 亿t ，其中玉米秸秆2 2 4 亿t ，超过秸秆总产量的三分之一”“。其中只有2 3 作 为工业原料，和2 4 o 做牲畜饲料得到利用，其余的秸秆均被闲置浪费或就地焚烧。并 且直接焚烧的秸秆量逐年增加，不仅浪费了资源、污染了环境( 对大气产生严重污染， 形成“棕云”公害) 、妨碍交通( 造成飞机场、高速公路、铁路因烟雾弥漫，能见度低 而不能正常运行，延误航班甚至造成交通事故) ，而且对土壤的生态系统造成一定的影 响( 使土壤有机质含量明显下降，土壤微生物数量显著减少) e 3 5 3 。 据了解，2 0 0 3 年吉林省玉米播种面积大体稳定在2 1 0 万公顷，玉米产量为1 5 0 0 万 吨，吉林省玉米产量占全国的1 7 ，是我国最大的玉米生产区。按谷草比1 ：2 、收集系 数0 9 计算，玉米秸秆为2 7 0 0 万吨。1 9 9 5 年以前，6 0 左右的玉米秸秆被用做生活燃料， 2 0 左右的用做畜牧业的粗饲料，有8 左右用做工业原料，有2 左右用做还田。但有效 开发量不到2 0 ，大量的玉米秸秆资源还没有得到合理的开发利用。 因此，积极寻找秸秆利用的新途径，既可以节约能源又可以保护环境。 2 4 2 玉米秸秆与术属理化性质对比分析 2 4 2 1 组成成分 玉米秸秆在组成成分上与木屑是相似的，主要成分都是纤维素、半纤维素和木质素 三大部分o ”( 表2 ) 。 9 表2 玉米秸秆和木屑的主要成分 秸秆的木质素含量比某些种类的木屑稍低，理化性质不如木屑稳定，但只要减少使 用时间，缩短更换周期，应该可以弥补不足，而且会增加产生的有机肥量。 2 4 2 2 孔隙度 玉米秸秆粉碎后具有高于木屑的孔隙度，为此，我们做了一个实验。在一个烧杯中 加入2 0 0 m 1 刻度的秸秆，在第二个烧杯中加入2 0 0 刻度的木屑，缓慢而小心的将水分别 到入两个烧杯，直到水刚好浸没为直，记录下准确的用水量。通过实验测定，装有秸秆 的烧杯能到入1 4 4 8 毫升水，而装有木屑的烧杯能到入8 6 1 毫升水。因此计算出玉米 秸秆的孔隙度为7 2 4 ，而木屑的孔隙度为4 3 1 。这样，玉米秸秆也具有非常好的透 气性、持水性和排水性，在理论上也应该可以为好气细菌提供良好的生存和繁殖的环境。 2 4 2 3 蒸发效率 木屑因为具有特殊的表面，因而蒸发水的效率很高。为了测定玉米秸秆粉碎物蒸发 水分的性能，我们也做了下面的实验。在天平两侧分别放入5 克玉米秸秆和木屑，在加 入1 0 毫升水混匀，天平保持平衡。2 小时后，秸秆比木屑轻0 2 克，5 小时后轻o 4 克， 1 6 小时后轻0 9 克，2 4 小时后，轻1 1 克。这说明玉米秸秆的蒸发效率要高于木屑。 2 4 2 4p h 值 术屑在水中的p h 值是5 6 ，可以中和体系中的碱度，从而抑制氨的生成，这样就大 大降低了反应中产生的臭味。玉米秸秆中含有氨基酸、树脂、单宁等酸性成分，经测定 其溶于水后，p h 值达到4 9 7 ，理论上可以更好的防止氨的产生。 2 4 3 替代品实验对该种生态属所在我国推广的重要意义 我国1 3 亿人口中有8 亿在农村，在全国农村推广下水管网和污水处理厂系统难度很 大。另外，基于对我国水资源现状的考虑，开发生态厕所具有重大意义。据测算，如果 北京公厕全面采用免冲水生态厕所，每年预计可节约水资源2 0 0 万t ，折合人民币约4 7 8 0 万元3 ”。 但用木屑做基质，势必会给推广带来局限。众所周知，木屑是木材加工过程中产生 的碎屑，而我国木材资源相当匮乏，现在国家实施天然林保护工程，实行禁伐、限伐措 施。加之木屑有其他用途，这样，在我国木屑并不是理想的微生物基质。中国是个农 业大国，各种作物秸秆的产量巨大，却未得到很好的利用。研究用玉米秸秆处理人排泄 物和厨房垃圾，减少木材的消耗量，对我国节约水资源，保护生态环境，提高群众的生 活质量，实现可持续发展都具有重大现实意义。 3 1 实验试剂与仪器 3 1 1 实验材料 第三章实验材料与方法 图6 生态厕所模拟反应器 ( 1 ) 在农安县采集、粉碎的去年生玉米秸秆 ( 2 ) 长春市购买的松树木屑 ( 3 ) 自制生态厕所模拟反应器( 图6 ) 模拟反应器长1 2 米，宽0 6 米，高o 8 米，外壳用无锈钢材料制成，上面是进料 口及出气口，正侧面是出料口，用于更换填料。秸秆生态厕所发生器右侧是温度控制器、 转动控制器、温度示数表( 可调温) 。其左侧有一发动机控制箱内齿轮转动。箱内装有 搅拌器和电热板。 3 1 2 实验试剂 3 1 2 1 总氨测定 ( 1 ) 浓硫酸( 化学纯，比重1 8 4 ) 。 ( 2 ) 饱和重铬酸钾溶液。称取2 0 0 9 ( 化学纯) 重铬酸钾溶于1 0 0 0 m l 热蒸馏水中。 ( 3 ) 3 0 氢氧化钠( n a o h ) 溶液。称取工业用氢氧化钠( n a o h ) 3 0 0 9 ，加水溶解不断搅拌， 再稀释定容至1 0 0 0 m l 贮于塑料瓶中。 ( 4 ) 2 硼酸溶液。称取2 0 9 硼酸加入热蒸馏水( 6 0 。c ) 溶解，冷却后稀释定容至 1 0 0 0 m l ，最后用稀盐酸( h c l ) 或稀氢氧化钠( n a o h ) 调节p h 至4 5 ( 定氮混合指示剂显红 色) 。 ( 5 ) 定氮混合指示剂。称取0 1 9 甲基红和0 5 9 溴甲酚绿指示剂放入玛瑙研钵中， 加入1 0 0 m 1 9 5 酒精研磨溶解，此液应用稀盐酸( h c l ) 或氢氧化钠( n a o h ) 调节p h 至4 5 。 ( 6 ) 0 0 2 m o l l 盐酸标准溶液。取浓盐酸( h c i ) ( 比重1 1 9 ) 1 6 7 m l ，用蒸馏水稀释定 容至1 0 0 0 m l ，然后用标准碱液或硼砂标定。 3 1 2 2 总磷测定 ( 1 ) 5 0 m g l p 标准溶液。准确称取1 0 5 。c 烘干的磷酸二氢钾k h 。p o ；( a r ) 0 2 1 9 5 9 溶于 约4 0 0 m l 蒸馏水中，加入2 5 m l3 m o l lh 2 s o 。，定容至1 l ，即为5 0 m g l 的标准溶液。 ( 2 ) 2 柠檬酸溶液。称驭2 0 9 结晶柠檬酸( i - t 。c 。瞧0 ，h ：o ，a r ) 溶于水中，定容至l l 。 ( 3 ) 3 m o l lh ：s 0 4 。量取浓硫酸1 6 6 7 m l ，用蒸馏水稀释至1 l 。 ( 4 ) 钒铝酸铵显色剂 3 1 2 3 总有机质测定 ( 1 ) 0 1 3 6 m 0 1 l k ：c r 。0 ，一h 。s o 。的标准溶液。准确称取分析纯重铬酸钾( k ：c r 。0 ，) 4 0 9 溶 于5 0 0 r a l 蒸馏水中，冷却后稀释至l l ，然后缓慢加入比重为1 8 4 的浓硫酸( 也s o 。) 1 0 0 0 m l ， 并不断搅拌，待冷后存于试剂瓶中。 ( 2 ) 0 2 m o l l f e s o 。标准溶液。准确称取分析纯硫酸亚铁( f e s o 。7 h ：0 ) 5 6 9 ，溶解于蒸 馏水中，加3 m o l l 的硫酸( h 。s o 。) 6 0 m l ，然后加水稀释至1 l 。 ( 3 ) 邻啡罗啉指示剂：称取分析纯邻啡罗啉1 4 8 5 9 ，化学纯硫酸亚铁 ( f e s o 。7 h 。0 ) 0 6 9 5 9 ，溶于1 0 0 m 蒸馏水中，贮于棕色滴瓶中。 3 1 - 3 实验仪器 2 2 3 1 降解效率测定 杆秤、烘干箱、称量瓶、分析天平 2 2 3 2 总氮测定 开氏瓶、弯颈小漏斗、分析天平、电炉、普通定氮蒸馏装置 2 2 3 3 总磷测定 分光光度计、分析天平、比色管 2 2 。3 4 总有机质测定 分析天平、硬质试管、油浴锅、铁丝笼、温度计 2 2 3 5p h 测定 震荡机、p h 计 3 2 实验过程 3 2 1 实验方法 取2 k g ( 干重) 的玉米秸秆粉碎物，加适量水搅拌均匀，每天由2 名学生把他们的排 泄物加入其中( 固体) ，上午8 点一下午4 点，温度保持在5 5 。c ，并搅拌。晚间不加温，不 搅拌。每天加入一定量的水，保持混合物具有一定的湿度。每隔一天测量一次混合物的 最终重量( 干重) ，同时还测定湿度、含水量，p h ，t n ，t p ，总有机质。实验周期为3 0 天。 同样实验条件，做木屑的平行实验。实验周期同样是3 0 天。 3 2 2 反应条件 用秸秆或木屑处理人排泄物的过程是微生物分解有机物的过程，分解的快慢，与下 1 2 列因素直接相关”： ( 1 ) 水分：反应容器中混合物的干湿程度显著影响分解速度，水分以6 0 7 5 最好。 ( 2 ) 空气：通气良好，有利于好气性微生物活动，有机物分解快，但损失有机质及氮 较多；通气差，有利于嫌气微生物活动，分解慢，但有机质及氮损失少。 ( 3 ) 温度：反应器内温度的高低度，影响不同微生物群落的活动。温度保持5 5 6 5 高温，可以促使高温性微生物分解有机质，以加快和加强分解，并可以消灭大部分病 原菌。 ( 4 ) 酸碱度( p h ) ：大部分微生物适合在中性和微碱性条件下活动。 ( 5 ) 碳氮比( c n ) ：一般微生物分解有机质的适宜碳氮比是3 0 ：1 。而作物秸秆的碳氮 比较大( 6 0 1 0 0 ：1 ) 。由于人体每天摄入较多的蛋白质，人粪中含氮量较大，加入人粪 后可以调节碳氮比，以利微生物的活动。促进有机物质的分解。 有研究表明，反应的最佳温度为5 0 一6 0 ，也有研究表明，木屑做基质处理人排泄物 的最佳反应温度是5 5 左右，最佳湿度条件是6 0 左右o 。温度过低会导致有机物的分 解缓慢，温度过高则会抑制并杀死部分有益的微生物，均不利于有机固体废物的处理。 因此本实验设定5 5 的温度，6 0 的湿度，在木屑最佳分解条件下，对比秸秆的分解效 果。 表3 反应温度、湿度条件 温度其他时间平 湿度搅拌时间 ( a m 8 ：0 0 一p m 4 ：0 0 )均温度 秸杆 5 5 2 2 7 5 5 a m 8 ：0 0 一p m 4 ：0 0 木屑5 5 2 4 2 5 7 a m 8 ：0 0 - p m 4 ：0 0 图7 停止加热时两混合物的温度 图8 两混合物的湿度 每天上午8 点一下午1 6 点，反应器的内部温度通过恒温器控制在5 5 。c 。图7 是每日夜