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浙江工业大学硕士学位论文 免水生物降解型生态厕所的实验研究 摘要 厕所与人的日常生活息息相关，在人们的日常生活中不可或缺。 2 0 世纪六七十年代才开始在欧美流行的水冲式厕所被誉为2 0 世纪对 人类影响最大的1 0 项发明之一，对改善人类生活环境曾起到了重要 的作用，但到了2 1 世纪的今天，水冲厕所却已成为浪费和污染水资 源的一个主要根源。当今社会提倡可持续发展的理念，“厕所革命 势在必行，许多环保型生态厕所因此应运而生。 本课题研制和开发的生态厕所是一种新型的免水生物降解型生 态厕所。它的核心是一个生物反应器，内部填充承载微生物的生物填 料，并辅以一定的动力搅拌，通过微生物的好氧降解可将人粪尿降解 为水和二氧化碳。与传统水冲厕所相比，它既不浪费水资源，也不需 要复杂的上下水系统，并能够达到“三零、“三化 之目的。 本研究首先从试运行的生态厕所的生物填料以及施用有机肥农 田的土壤中分离筛选得到了6 株降解菌，各菌种在实验条件下，对人 体排泄物的降解效果良好，除臭除味，全部菌种复合培养处理的c o d 降解率达到5 9 ，表明筛选得到的降解菌种性能良好。 在自主分离筛选得到了复合高效降解菌种的基础上，对与其相匹 配的生物反应器的优化设计进行了研究，确定了3 0 人次生态厕所的 最佳运行温度以及填料负荷。通过建立的动态供氧的理论模型，求解 免水生物降解型生态厕所的实验研究 出理论供氧方程为c - 2 9 9 9 1 5 9 9 e 。一，理论耗氧方程为 c = 2 9 9 9 1 9 9 t 。这对该生态厕所的设计、生产和使用提供了理论依据。 在得到了降解菌种和与之相匹配的生物反应器后，建立了3 0 人 次免水生物降解型生态厕所的中试装置，在实际运行条件下，研究了 总氮、总磷、灰分以及c o d 等指标的变化情况。结果表明该免水生 物降解型生态厕所对人粪尿具有良好的降解能力，并能达到完全免水 和“三零 、“三化”之目的，是一种新型的生态厕所。 该产品已在千岛湖、舟山等旅游景区广泛应用，为保护当地生态 环境发挥了重要的作用。 关键词：免水生态厕所，人粪尿，菌种筛选，生物降解，生态保护 浙江工业大学硕士学位论文 e x p e r i n 三n t a ls t u d yo fe c o l o g i c a l n o n w a r e rt o i l e t a bs t r a c t t o i l e tp l a y sav e r yi m p o r t a n t p a r ti np e o p l e sd a i l yl i f e b u tt h et o i l e t o n c ei m p r o v e dh u m a nh a b i t a t i o n ，h a sb e e nc o n s i d e r e dag r e a tr o o to f w a t e rw a s t i n ga n dp o l l u t i o n n o w d a y s ，u n d e rt h ep r i n c i p l eo fc o n t i n u a b l e d e v e l o p m e n t ，i t i sn e c e s s a r yt oc a r r yo nt h er e v o l u t i o no ft h et o i l e t m a n y e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nt o i l e te m e r g e dw i t ht h et i d eo ft h et i m e s t h et o i l e tw es t u d i e di sak i n do fe c o l o g i c a ln o n - w a t e rt o i l e tu s i n g b i o d e g r a d a t i o n i t sc o r ei sab i o r e a c t o rw h i c hi sf i l l e dw i t hs a w d u s ta s m a t r i x t h ep r i n c i p l eo ft h i st o i l e ti s u s i n gf e r m e n t a t i o no fd e m a n d o x y g e nm i c r o o r g a n i s mt oc o n v e ah u m a ne x c r e m e n t st ow a t e r , c a r b o n d i o x i d e c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lt o i l e t , t h i st o i l e tn e i t h e rw a s t e sw a t e r r e s o u r c e s ，n o rn e e d st h es e w e r a g es y s t e m m o r e o v e r , i ti sa l s oe x p e c t e dt o a c h i e v et h et a r g e to fn o n - w a t e r , “z e r o p o l l u t i o n ，z e r oi n f e c t i o n , z e r o e m i s s i o n a n d “q u a n t i t a t i v er e d u c t i o n ，i n n o c u i t y , r e s o u r c eu t i l i z a t i o n t h es e p a r a t i o no fh u m a ne x c r e m e n t sd e g r a d a t i o nb a c t e r i a 的mt h e 免水生物降解型生态厕所的实验研究 b a c t e r i am e d i ai nt h ee c o l o g i c a ln o n w a t e rt o i l e ta n dt h es o i lo ft h e o r g a n i cf e r t i l i z e rf a r m l a n dw e r ed o n ef i r s t l y t h eb a c t e r i as c r e e n e du n d e r t h ec o n d i t i o no ft h ee x p e r i m e n th a dg o o de f f i c i e n c yi nd e g r a d i n gh u m a n e x c r e m e n t s ，w i t h o u ts c e n t l e s s ，t h ed e g r a d a t i o nr a t eo fc o d r e a c h e d5 9 t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eb a c t e r i ai se m c i e n t t h eo p t i m u md e s i g no fe c o l o g i c a ln o n - w a t e rt o i l e tm a t c h i n gt h e c o m p l e xb i o d e g r a d a t i o nb a c t e r i aw h i c hh a sb e e ni s o l a t e da n ds c r e e n e d w a ss t u d i e d t h eo p t i m u mt e m p e r a t u r e ，a n dm e d i aq u a n t i t yo f30p e r s o n - t i m e se c o l o g i c a ln o n w a t e rt o i l e tw e r ed e t e r m i n e db yt e s t o nt h eb a s i s o fe x p e r i m e n t ，t h ep a p e rs e t su pat h e o r e t i c a ld y n a m i cm o d e lo fo x y g e n s u p p l y , a n dg a i n st h e o r e t i c a le q u a t i o n ：( 7 = 2 9 9 9 15 9 9 e 。3 v 7 t o n t h e a s s u m p t i o nt h a to x y g e nc o n s u m p t i o ni se v e na ts h o r ti n t e r v a l ，t h ep a p e r s e t su pt h e o r e t i c a le q u a t i o n ：c = 2 9 9 9 19 9 t t h er e s u l to f f e r st h e t h e o r e t i c a lb a s i so fd e s i g n ，p r o d u c t i o na n du s ea b o u tt h i sk i n do f e c o l o g i c a ln o n - w a t e rt o i l e t a f t e rt h ea n t e r i o re x p e r i m e n t ，t h ee c o l o g i c a ln o n - w a t e rt o i l e to f3 0 p e r s o n - t i m e su s i n gs e l f - e x e c u t i o nb a c t e r i aw a s e s t a b l i s h e df o r t h ec h a n g e s i t u a t i o no ft p , t n ，a s hc o n t e n t s ，c o de t c t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e e c o l o g i c a ln o n - w a t e rt o i l e th a sag o o dd e g r a d a t i o ne f f i c i e n c yf o r 廿e a t i n g h u m a ne x c r e m e n t s ，a n di tc o u l dr e a c ht h et a r g e to fn o n w a t e r , z e r o p o l l u t i o n ，z e r oi n f e c t i o n ，z e r oe m i s s i o n a n d q u a n t i t a t i v er e d u c t i o n , i n n o c u i t y , r e s o u r c eu t i l i z a t i o n 浙江工业大学硕士学位论文 t h ee c o l o g i c a ln o i l 一w a t e rt o i l e tw h i c hw ee m p o l d e rh a sb e e na p p l i e d w i d e l yi nm a n y t o u rs i g h t s ，s u n c ha sq i a nd a ol a k e ，z h o us h a na n ds oo n ， a n di ta l s oh a ss i g n i f i c a n te f f e c to np r o t e c t i n gt h el o c a le c o l o g i c a l k e y w o r d s ：e c o l o g i c a ln o n - w a t e rt o i l e t , h u m a ne x c r e m e n t s ，b a c t e r i a s c r e e n i n g ，b i o d e g r a d a t i o n ，e c o l o g i c a lp r o t e c t i o n v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名：车宁 日期：勿。辟f 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 j 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：卫口眸 日期：p 踔 月f 日 6 月。日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 2 0 0 1 年成立的世界厕所组织，即w o r l dt o i l e to r g a n i z a t i o n ( w t o ) ，将每年 的1 1 月1 9 日定为世界厕所日。2 0 0 4 年1 1 月1 7 日，北京召开了第四届世界厕 所峰会，来自中国、美国、俄罗斯、日本等1 5 个世界厕所组织成员的4 0 0 多名 代表参加了会议。本次会议的主题是“以人为本，改善生活环境，提高生活质量。 目前，在我国乃至全世界应用最广泛的是水冲式厕所，不可否认，它曾对人类生 活质量的改善起到过重要作用，但对于2 l 世纪的今天，水冲厕所产生的大量生 活污水对自然环境的影响正越来越受到世人的关注，已不符合当今的科学发展 观。因此，研究环保的、生态友好的厕所成了当务之急。 1 1 1 我国水资源的缺乏与严重浪费 我国是水资源相对匮乏的地区，2 0 0 6 年人均水资源量仅1 9 4 5m 3 ，不足世界 人均占有量的1 4 。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 的用水紧张线，其中北京、天津等9 个地区低于5 0 0n 1 3 的严重缺水线。据预测，到2 1 世纪中叶，我国人均水资源拥有量将不足1 7 5 0m 3 。 水资源短缺的加剧，严重影响了我国经济的可持续发展和人民的正常生活，对自 然生态的影响更是难以估量。 2 0 世纪六七十年代才开始在欧美流行的水冲式厕所被誉为2 0 世纪对人类影 响最大的1 0 项发明之一，对改善人类生活环境曾起到了重要的作用。但到了2 1 世纪的今天，水冲厕所却已成为浪费和污染水资源的一个主要根源。据统计，每 人每次平均排泄物约1 4 5g ，需6 1 3l 自来水冲洗，即用9 9 的清洁水冲洗1 的污物，产生1 0 0 的生活污水。全国6 6 8 座城市共建有1 0 7 9 4 9 座公共厕所，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l l j 。 免水生物降解型生态厕所的实验研究 1 1 2 环境的污染 在下水道不完善的城市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 万吨，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， 粪渣也得不到妥善安全处置。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l l 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【2 】。 我国农村卫生设施普遍较差，近几年全国农村改水、改厕工作取得了较大的 成效，到2 0 0 3 年底，我国2 4 8 7 9 万农户中，卫生厕所普及率达到5 0 9 2 ，比2 0 0 2 年提高2 2 6 个百分点。从表面上来看，卫生厕所用清水冲走了污物，消除了臭 气，但绝大部分污水未经净化处理，造成当地水体的污染更是量大面广，对自然 生态的影响更为严重。 我国只有6 0 的城市铺设有下水管道，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 ，这造成了全国9 0 以上的粪便污水得不到及时、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【3 】。据中国科学院地 理与湖泊研究所经过两年的调查和研究认为：太湖流域地区对太湖流域水体磷的 贡献率依次为：人体( 粪便) 排磷4 3 5 7 、洗衣排磷1 6 1 、畜禽排磷1 2 5 1 、 农业( 化肥流失) 排磷1 1 8 9 、工业( 污染) 排磷7 4 1 、水产养殖排磷5 3 0 ， 其他排磷2 8 0 。据2 0 0 6 年全国环境状况公报报道，我国城镇生活污水排放量 达2 9 7 5 亿m 3 ，7 0 以上的生活污水未经任何处理直接排入江河湖海。国控网 7 4 5 个地表水监测断面中，类以上水质达6 0 ，富营养化现象不容乐观。据中 科院南京地理与湖泊研究所的研究表明，太湖附近传统水冲厕所的大量粪尿污水 的排放是造成2 0 0 7 年5 月2 9 日太湖蓝藻暴发的主要原因之一。以上种种调查研 究结果无不表明传统水冲厕所对人类生活环境所造成的严重污染。 1 1 3 对人体健康的危害 人体排泄物里含有细菌、寄生虫和其他微生物，是传染病的病原体，可引起 血吸虫病、伤寒、腹泻等多种疾病 4 1 。如2 0 0 3 年发生的s a r s 流行病，排泄物 2 浙江工业大学硕士学位论文 亦是一个重要媒介。在室温下，s a r s 病毒可以在粪便中存活4 天。多数病人的 粪便都含有冠状病毒，而这种病毒在粪便的存活期比附在其他物件表面的时间更 为长久。另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1 0 分，身高矮4c m 。处理不当的 粪便会严重污染大地、水体、大气和生物群落，严重影响人民身体健康【5 1 。 水冲厕所的粪便进入化粪池后，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，还会通过食物链进入人体， 危害人类健康。 由于人体排泄物处理不当造成的水环境的污染，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 问题嘲。 1 1 4 资源化与人性化的厕所是人类文明程度的标志 厕所与人的生活密切相关，在不同的历史时期和不同的文化背景下，人们对 它有不同的认识和要求。当今厕所已是衡量个国家、民族文明( 物质文明和精 神文明) 程度的重要标志之一。水冲厕所被誉为2 0 世纪对人类影响最大的十大 发明之一，然时至今天已成为污染环境的一个祸源，如造成水体富营养化、传染 性疾病的传播、有毒藻类激增( 如赤潮) 、对沿海地区旅游业带来不利影响等等。 同时，传统水冲厕所带来的水资源的严重浪费和生态环境破坏已被越来越多的有 识之士所关注。美国生态学家s a m l o v e 早就呼吁“抽水马桶是一个早该被冲走的 落伍概念 【7 。 1 1 5 特殊场合传统厕所的不适用性 众所周知，传统水冲厕所要求具有极为完善和庞大的供水排污系统，这就注 定了其在一些不具备完整上下水系统场合的不适用性。例如，海滨浴场、大型滑 雪场、大型集会场所、大型广场和公园旅游景区以及一些交通工具如火车i - i s 、 军用设施如防空洞中网。特别是在一些生态保护区和饮用水源保护区，传统水冲 厕所尤不适用。在一些受季节制约，无法保证水流通畅的严寒地区，传统的水冲 免水生物降解型生态厕所的实验研究 厕所同样也不适用。 综上所述，传统水冲厕所是浪费和污染水资源的公害之一，也是传播疾病的 源头。随着人们对绿色生活、健康生活的不懈追求，厕所革新作为绿色生活中不 可缺少的一部分，越来越受到人们的重视。在当今社会可持续发展的理念下，“厕 所革命”势在必行。 1 2 生态厕所 1 2 1 生态厕所的概念 所谓生态厕所，是以减少水消耗为特点，以废物能转变为有用的资源、对环 境不造成污染为特征，并且无臭、安全卫生的厕所。从目前生态厕所研究的初衷 和发展的趋势来看，可以广泛的认为生态厕所是指使环境免受粪便污染，对资源 的占有量少，并能充分利用资源，强调污染物自净和资源循环利用，借助生态学 原理进行设计，以卫生系统的闭合处理环路为重要特征，对环境友好的一类厕所 的总称。其核心思想是水资源和营养物质在人类社会和经济的发展中以闭合循环 的方式运行，并以安全、经济、可靠的方法来完成这一闭合循环，以达到保护和 节约使用有限的水资源，同时实现营养物质资源化的目的【m 1 3 1 。 1 2 2 生态厕所的类型及特点 1 2 2 1 太阳能厕所 太阳能厕所的原理是对建筑外墙进行保温，并把向阳面做成集热墙。集热墙 上下部分别设可调式通风口，利用物理原理使吸热体内的热空气与室内的冷空气 之间形成自动循环，达到冬季提高厕内室温，防止厕内水管冻裂的目的。普通厕 所无采暖设备，冬季室温降到零度以下，不仅给用厕人带来困难，也使厕内管道 设备经常冻坏，维修量增大。在北京展览路口使用的太阳能厕所，曾经历了零下 1 5o c 的考验，厕内温度可达到1 0o c 以上。与有供暖的厕所相比，太阳能厕所 节约能源，节省了运行费用f 1 4 1 。 4 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 2 2 免水冲洗厕所 ( 1 ) 无水打包型：该厕所的核心是由可生物降解膜制成的包装袋、机械装 置和储便桶三部分组成。用厕者便后离开，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粪便集中处理场处理， 无害化。该厕所在使用地不污染环境，不留下残留物，且无需水源。这种生态厕 所的缺点是，要耗费大量的人力物力，还要对收集的粪尿进行填埋等异地处理。 ( 2 ) 免水生物处理制肥型：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。滑入反应器的粪便通过微生物的作用而降解，反 应过程产生的高温可以消灭各种病原菌。粪便发酵完成后变成主要成份是富含腐 殖质的有机肥，这种肥料可以直接出售，也可以用于就地的绿化工程。这种生态 厕所的缺点是，生物填料对粪尿的降解效率不高，要耗费大量的时间进行处理。 1 2 2 3 循环水冲洗厕所 循环水冲洗厕所的水源取自于粪尿经过处理后获得的洁净水，主要有以下两 种方式。 ( 1 ) 尿液单独处理：这种类型的生态厕所单独收集尿液，加入一种药剂去 除异味后，回用于冲洗厕所。粪便被搅碎后变成纸浆状物，干燥后制成肥料还田， 也可以作为普通垃圾进行填埋处理。国内蓝洁士生态厕所就是这种类型，日本也 有类似的处理装置，它是通过特殊设计的粪尿分离装置完成粪尿的分离，尿液通 过微生物作用，脱除氨氮和其他异味气体，回用于冲厕。这种生态厕所的缺点是： 处理流程复杂，日常管理要求比较高。粪便采用生物处理后还要外运，容易产生 二次污染。 ( 2 ) 粪尿混合处理：这种类型是目前国内生态厕所的主流产品。通过环境 工程的手段，利用微生物的新陈代谢作用和物理化学作用，完成对粪尿污染物的 降解，最终转化为c 0 2 和h 2 0 排入环境，同时再生出清洁的水供冲洗厕所使用 或直接排放进入环境。目前使用的处理方法主要有以下四种： 钆好氧生物处理法：将收集的粪尿首先经过沉淀，在沉淀贮存过程中，粪 便溶解并水解，然后进入曝气阶段，好氧微生物在曝气池中将粪尿中的绝大部分 5 免水生物降解型生态厕所的实验研究 有机物转化为c 0 2 和h 2 0 ，然后通过沉淀过滤等补充处理，获得悬浮物含量极 少的出水，再采用膜过滤、吸附剂、氧化剂等手段，对出水进行脱色灭菌处理， 最终获得清洁水，回用于冲洗厕所或绿化。其厕所系统示意图和工艺流程图见图 l - l 、图1 2 。 图1 1 循环式好氧生态删所系统示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fi n n e r l o o pa e r o b i cb i o - t o i l e t 沉曝沉 过灭贮 粪尿淀气斗淀滤菌斗水i u | 厍 池池池池塔池 图1 2 循环式好氧生态厕所工艺流程图 f i g 1 2p r o c e s sd i a g r a mo fi n n e r - l o o pa e r o b i cb i o t o i l e t b 膜分离法：厕所中粪尿的收集仍采用传统的化粪池，化粪池的上清液被 抽送到膜分离组件，通过膜选择性分离，生产出清洁水，回用于冲厕。其厕所系 统示意图和工艺流程图见图1 3 、图1 4 。 6 浙江工业大学硕士学位论文 图1 - 3 循环式膜分离生态厕所系统示意图 f i g 1 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f m e m b r a n es e p a r a t i o nb i o - t o i l e t 粪尿化粪池煎这贮水池卜膜分离器清洁贮水池回用 排渣 图1 1 4 循环式膜分离生态厕所工艺流程图 f i g 1 - 4p r o c e s sd i a g r a mo fm e m b r a n es e p a r a t i o nb i o - t o i l e t c 高效优势菌种处理法：通过特殊筛选培养，获得专门针对人类粪尿处理 的高效优势菌种，依托该菌群实现粪尿的高效快速净化。其本质与好氧生物处理 相同，只不过需要定期投加菌种。其厕所工艺流程图见图1 5 。 括漕 粪尿啼多级生化处理超滤臭氧消毒回用 图1 - 5 循环式高效优势菌种处理法生态厕所工艺流程图 f i g 1 - 5p r o c 憋sd i a g r a mo f i n n e r - l o o pb i o - t o i l e tu s i n gh i g h - e f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m s d 厌氧生物处理法：美国的乡村及散居的住户，一般都安有带自净功能的 冲水厕所。粪尿先通过化粪池化粪处理，在启用初期要补充一定量的微生物菌剂， 化粪池出水再接一级土地处理系统，经过土地处理后的出水直接渗入地下或排入 水体。其厕所工艺流程图见图1 6 。 粪尿化粪池土地处理排放 图1 击厌氧处理法工艺流程图 f i g 1 - 6p r o c e s sd i a g r a mo fa n a e r o b i c t r e a t m e n t 7 免水生物降解型生态厕所的实验研究 以上粪尿混合处理的四种方法中，好氧生物处理法和膜分离法的处理流程都 很复杂，在处理液进入膜之前，要对其进行相当烦琐的前处理，而且对膜分离器 的性能要求也相当的高。 各类生态厕所的特点归纳于表1 1 。 表1 - 1 各类生态厕所特点比较 m l b l e1 1c h a r a c t e f i s t i c so f v a r i o u sb i o - t o i l e t 1 2 3 国内外研究情况 1 2 3 1 国外研究发展情况 国外发达国家生态厕所的研究起步于8 0 年代末，目前主要有储存式厕所、 循环水冲式厕所和堆肥式生态厕所等几大类。 据日本一位学者估算，人的一生，大约有8 个月是在马桶上度过的。随着经 济的发展，人们生活水平不断提高，以往倍受冷落的厕所，如今正悄悄发生着根 本性的变化。例如在亚洲，日本作为新兴的经济强国，其在厕所研究及建设等方 面均投入大量的人力、物力，不仅在全国范围内成立了以专家、教授为领导的专 门协会，负责不定期对全国各地公共厕所进行检查、评比，还把每年1 1 月1 1 日 定为全国厕所日，呼吁公众共同创造美好的“方便 环境。 ( 1 ) 日本最新研制的木屑免水冲生态厕所就是一种新型的环保生态厕所。 8 浙江工业大学硕士学位论文 它是在座便器下方建造一个长方形池，内填充木屑作为微生物的反应基质，并辅 以较小的动力搅拌，通过有氧微生物的放热发酵，将粪便转化为无臭味的水、二 氧化碳和较干燥的有机肥，整个过程不需水冲。与传统的厕所相比，它既不浪费 水资源，也不需要下水道系统，同时产物还可以作为有机肥。目前，这种厕所已 进入了日本人的家庭【1 5 】。 ( 2 ) 英国已研制成功一种基本上不用水冲、不必使用除臭剂，也不需要与 排污管道相连的新型厕所，已在英国和爱尔兰投入市场。这种名为“斜坡的生 态厕所，由马桶、滑行槽、塑料箱、电风扇和排气管道等组成。马桶的外型与普 通马桶相似，马桶下面是直径3 5c m 的滑行槽，粪便顺着这条竖槽落到下面一个 盛放着木屑的塑料箱内。由于电风扇的通风排气作用，粪便缓缓地分解为混合肥 料。如果一个厕所一年内使用1 5 万次，这种厕所大约会产生1 2 吨固体肥料和 4 吨液体肥料。 这种“斜坡”厕所有许多优点：首先是可以节约用水，如一个普通水冲厕所 使用4 万次，大约需用水3 6 0 吨，而“斜坡 厕所在同样条件下只需用水2 5 吨； 其次是可以消除臭味，利用电风扇抽气通风，使化粪槽内的空气保持畅通，这样 就能让使粪便产生臭气的厌氧细菌无法存活，同时存活下来的需氧细菌将粪便分 解成无臭的c 0 2 和h 2 0 排出：此外，该厕所不需要与排污管道相连，最适合在 无排污管道的风景区、公路旁、停车处等地方使用。 ( 3 ) 圣萨尔瓦多有一种适合农村地区使用的太阳能厕所，利用太阳能集热 板干燥粪便，最后作为肥料外运；南太平洋岛国广泛使用c c c d 堆肥型厕所， 它带有温室和蒸发床，可将粪便制成堆肥。图1 7 为其外貌图。 ( 4 ) 法国巴黎h y g e f i a c 实验室在1 9 9 4 - 1 9 9 6 年期间成功分离出一组细菌， 被命名为a z o f a c ，这组细菌是由约8 0 多种不同的好氧菌组成，将这种细菌置于 人畜粪便中可以有效减少臭味。这一技术的应用潜力已由法国国家测试实验室 ( l n e ) 加以确认：该技术可以减少约8 0 的氨气和约9 0 的硫化氢；使用这种细 菌处理过的肥料可以提高玉米产量约1 9 。目前这一技术已在市场上推广应用。 ( 5 ) 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【1 6 1 。 ( 6 ) 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 9 免水生物降解型生态厕所的实验研究 制的研究、用尿液生产制造农业用肥料的研究等。 图1 7 太阳能厕所和c c c d 堆肥型厕所外貌图 f i g 1 - 7e x t e r i o rv i e wo fs o l a re n e r g yc o l l e c t i n gt o i l e ta n dc c c dc o m p o s t i n gt o i l e t ( 7 ) 瑞典近年研究开发了一种非混合型马桶或称分离式厕所，即尿液单独 流入一贮罐，贮存半年以后，残留物可分解用作农肥，并对粪便作堆肥处理。该 种装置已有3 0 0 0 余套在该国应用。 ( 8 ) 欧洲其他一些国家最近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， 产生的沼气可作为天然气的补充能源。 国外发达国家生态厕所的研究起步均较早，已有1 0 多年的历史，技术已基 本成熟，但由于发达国家注重环保，污水收集与处理系统较为健全，故生态厕所 的普及率并不是很高，仅在一些灾区等应急场所使用较多。 1 2 3 2 国内研究发展情况 在我国，与堆肥相结合的厕所( 被称之为“旱厕 ) 是早期、原始的生态厕 所，已经有上千年的历史。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。国内各环保公司也相继展开了生态厕所的研究 与应用工作。 ( 1 ) 清华紫光泰和通环保技术有限公司对生态厕所的研究在国内起步较早， 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 主要为免冲厕所、循环水冲式厕所，在北方地区已有一定的应用。该公司产品具 有传统厕所无法比拟的优点，以循环水冲式厕所为例：无需传统厕所的上、下水 装置，粪便污物通过微生物发酵分解，进行生化处理，净化后的水再用于厕所冲 洗；基本无臭气，占地面积不大，微生物菌床寿命较长，一次投放可使用1 0 1 2 年；不需清运粪便及粪便处理，节约大量的人力物力。但该厕所也存在着一些缺 点：例如需定期及时排污和补充清水( 减少臭味) ；存在着污染物累积趋势，导 致超载人数时生物处理效果较差；所用泵与风机需要耗电，运转费用较高；系统 比较复杂，膜组件易受无机盐类污染，稍有不慎，运行就不稳定，影响使用。 ( 2 ) 北京蓝洁士环保技术有限公司研制的生态厕所主要为循环水冲式厕所， 属于尿液单独处理型生态厕所。该生态厕所的智能操作系统通过对大小便的自动 识别，收集尿液并向其中自动添加一种具有除臭、杀菌、消毒、润滑、防垢作用 的专用“蓝洁士药剂 ，使新鲜的尿液变为一种无臭的蓝绿色液体并储存起来作 为冲洗液；粪便则与冲洗液混合后经过搅碎、冲洗等过程还原为无味的纸浆状物， 直接用于农作物的施肥。该生态厕所使用全过程包括照明、换气、有无人指示、 粉碎冲洗、大小便自动识别、尿液收集、药剂添加、温度控制、故障判断示警等 均为全自动控制。它的主要缺点是需要清掏外运，容易产生二次污染。其厕所工 艺流程图见图1 8 。 图1 8 蓝洁士生态厕所工艺流程图 f 追1 8p r o c e s sd i a g r a mo f b i o - t o i l e tl l l a d eb yl a nj i e s h i ( 3 ) 厦门建益达有限公司应用生物技术研制了e x c a n d o 免冲水环保厕所 免水生物降解型生态厕所的实验研究 及循环水冲式环保厕所。 e x c a n d o 免冲水环保厕所是一种新型的堆肥式生态厕所，该厕所的核心 主要是将生物降解菌剂与生物反应器两者有效地结合，即：在盛装粪便的反应器 内预先装入生物基料，通过高效的生物降解菌剂使生物基料与粪便在一定的温度 下充分反应，同时将排泄物还原成高度卫生的有机肥料，让它回归大自然。该厕 所处理粪便的工作原理与自然界有机物生物降解类似，主要是依赖生物的降解作 用：当人体排泄物进入预装有生物基料的生物反应器内后，反应器的搅拌装置将 粪便与生物基料均匀混合成被处理物料，在好氧条件下，物料中的有机质成为微 生物的营养基质而被氧化降解，并转化为有机肥料。其厕所工艺流程图见图1 - 9 。 采样分离纯菌种( 好氧细菌、真菌、放线菌) 分别发酵 土 混合固体发酵 1 人体竿泄物 降2 ；荆 i陴_ i 阡困，一 上上 有机肥+ 一出料+ 一生物反应器( 搅拌混合、好氧降解、后熟 一生物基料 i幽旦，下 疏松剂 图1 - 9e x c a n d o 型免冲水环保厕所的工艺流程图 f 追1 - 9p r o c e s sd i a g r a mo f e x c a n d on o n - w a t e rb i o - t o i l c t 该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，使厕所没有异味停留；处理过程均在生物反应器中进行，无排放及 外泄；带有堆肥功能的生态厕所能有效安全地回收入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，一般每年人均可回收4 0k 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。 e x c a n d o 循环水冲式环保厕所为该公司研制的另一类型生态厕所，由厕 位、管理间、污水的循环生化处理系统、洗手消毒循环系统所组成。该厕所冲厕 和洗手与传统厕所一样，但采用自循环的中水系统。中水处理主体是a c f b 反应 器，内置悬浮填料，通过控制曝气强度、反应器容积比和水力条件来控制溶解氧 浙江工业大学硕士学位论文 浓度分布，造成缺氧、好氧的不同区域，达到去除有机污染物和脱氮的目的；采 用负离子纤维膜，实现出水的固液分离，保证了出水的悬浮固体达标；消毒系统 采用该公司的菌藻清消毒剂，对弧菌、大肠菌、大肠杆菌、嗜水气单胞菌、粘细 菌、丝状屈挠杆菌等细菌具有极强的杀灭效果，对真菌也有较好的控制作用。该 厕所全套系统采用p l c 智能化控制，具有电源、膜反冲、清水箱注水等工作状 态指示和膜堵塞、处理时间反常、电磁阀故障、滤料更新等报警功能，使操作使 用十分简便可靠。其厕所工艺流程图见图1 1 0 。 滤器 图l - 1 0e x c a n d o 型循环水冲环保厕所工艺流程图 f i g 1 1 0p r o c e s sd i a g r a mo f e x c a n d oi n n e r - l o o pb i o - t o i l e t ( 4 ) 浙江宁波德安集团利用微生物降解技术研制的生态厕所为免冲洗厕所， 其工作原理是采用特殊驯化的高效复合微生物，通过微生物菌种释放出具有降解 有机物功能的高蛋白酶，将大分子有机物降解为糖、脂肪酸和氨基酸等小分子有 机物，微生物菌种以此为养分代谢出水、气体和生物热能，由此将粪尿中可生物 降解的有机物完全氧化为简单的无机物。产生的水分及其他气体直接排出，分解 后极少量余渣富含有机质、n 、p 、k 和微量元素，可回收为高效有机肥料：同 时，包含着大量好氧微生物的高效生物活性填料可将粪尿中的臭气吸收转化，实 现了对粪便的分解、脱臭、净化一体化处理。其厕所工艺流程图见图1 1 l 。 发酵i 释放高蛋白酶 糖、氨基酸、脂肪酸 i 水分、气体、高效肥料无害化回用一生物热能 脱臭 图1 1 l 德安生态无水厕所工艺流程图 f i g 1 11p r o c e s sd i a g r a mo f n o n - w a t e rb i o - t o i l e tm a d eb yd e a n 1 3 免水生物降解型生态厕所的实验研究 该厕所由机器转动搅拌使粪便同填料融合，2h 内经生物作用，9 9 粪便分 解成c 0 2 与h 2 0 ，极少量的残留物积到半年至一年可作为无害、高效有机肥清 理后使用。但是该厕所尿液需单独分离，否则填料湿度过大，会成为稀泥状，影 响细菌的继续生长和高效工作，所以单蹲位需限定使用人次，约1 0 0 人次天， 而实际使用人次却难以控制，因此常常影响正常运行。 ( 5 ) 江苏华虹新能源有限公司与日本n s 研究所联合开发研制了环保生态 厕所。该厕所通过“除臭分解一酵化消灭 四个步骤将大小便及厕用纸清除 干净，转化为c 0 2 与h 2 0 。由于主要采用好氧降解，虽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，但需配置供氧系统，耗电量大，一个蹲位 每天3 0 人次需5 度；好氧菌耐温一般较难高于5 0o c ，堆肥减量化程度仅7 0 ， 降解菌剂更换周期不长，对粪源性病原体杀灭不彻底；生物降解效率低下，需 2 4h 。 该厕所分为l 1 0 、1 0 - 3 0 、3 0 - - , 5 0 人次3 种规格，即可成为医院、养老院的 专业配套厕所，也可为轮船、长途客车、火车定项制作，还可用于旧的公共厕所 改造。 ( 6 ) 北京万绿源环保技术有限公司研制开发了一种叫做内循环液免水型厕 所的生态厕所。该厕所有一个单体储液箱和一个单体储粪箱。单体储液箱收集如 厕人的粪尿混合液，便液经粉碎泵粉碎后过滤，用自制的灭菌除臭剂对过滤液进 行除臭、灭菌、着色、去尿碱。该灭菌除臭剂不含磷和汞、砷、铬、镉、铅等污 染物和重金属，能有效杀灭各种致病细菌和寄生虫、虫卵。用经灭菌除臭剂处理 过的过滤液循环冲洗厕盆，随着如厕人数的增多，过滤液不断增加，把分离的粪 渣储存于单体储粪箱中另作它用或排放。灭菌除臭后的粪渣，不仅无公害，还大 大增加了粪渣的肥效，是优质的有机肥料，用于农作物施肥可大幅提高农作物质 量、产量。除臭后的粪渣不含磷和汞、砷、铬、镉、铅等污染物和重金属，已有 效杀灭各种病菌，可安全排放。该厕所只需自制的环保灭菌除臭剂，过滤液可循 环反复使用，做到1 0 0 节水。其厕所工艺流程图见图1 1 2 。 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 冲洗 添加药液 屎浦 i 。可石 ： 置 限 rw f l 【 过 滤 分 离 、+l 氍螗o ir ，n ，r 用于施肥 排污管道 装通运输 可渗粪坑 自然风干 化粪池 图1 1 2 北京万绿源内循环液免水型厕所工艺流程图 f- 总体而言，我国在生态厕所方面的研究应用已取得了一定的成果，但仍存在 很多问题，无法达到一定的产业化程度。随着水资源的日趋紧张，自然生态的进 一步恶化，生态厕所必将越来越被认可和接受，因此，为推动循环经济发展，实 现资源可持续利用，优化人居环境，防止诸如痢疾、等病毒传播途径，研 究开发符合我国国情的免水型生态