（环境工程专业论文）真空收运系统粪便的处理技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文讨论了我国粪便处置现状中的问题和真空收运系统的先进可行性，分析了真空 收运系统粪便的脱水性能，提出了真空收运系统粪便的一种高效碱性生化技术，研制设 计了一套新型的粪便螺旋脱水机。 首先测定了真空收运系统粪便的含水率、挥发性固体含量、密度、p h 值等。分析了 粪便的脱水性能与比阻值之间的关系，测出粪便的比阻值约为3 9 x 1 0 “m k g ，结果表明。 在机械脱水前需对粪便进行预处理，改善粪便的脱水性能。 ( 粪便脱水混凝剂的选择实验表明，硫酸铝、绿矾和三氯化铁对粪便的混凝效果相当， 明矾和硫酸铝对粪便的预处理效果比较好，有机混凝剂与无机混凝剂相比效果不理想， 生石灰表现的预处理效果较好，其性价比最高，对比和组合实验表明，约1 的投加量可 使粪便的比阻值降至3 6 3 x1 0 ”m k g ，有效改善了粪便的脱水性能，适于粪便的调理和 稳定。手 结合真空收运系统的特点和粪便特性，本文提出了粪便碱性生化资源化工艺。f 经过 、 预处理和沉降的粪便在相应的碱性条件下，通过高效脱水、加速干燥等生化作用，杀灭 病原物、钝化有毒金属和抑制恶臭，进而促进真空收运系统粪便的无害化和资源化。处 鬣后的碱性复合有机粪肥特别适宜于酸性土壤，尤其是遍布我国长江以南的红壤和黄 壤。上 鉴于国内粪便脱水设备的几近空白和国外相关技术资料的短缺，本文分析了常用的 污泥脱水设备，结合真空收运系统粪便的特性，参考多种污泥脱水设备的优缺点，提出 了i 每效的粪便螺旋压榨脱水思路，并通过相应的理论分析，设计了一套适于于户生活小 区真空收运系统的粪便螺旋脱水机。 关键词：真空收运系统脱水性能，、碱性制肥技术 螺旋脱水机 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt ot h er e c l a m a t i o no fn i g h ts o i la n dt h e a d v a n c e df e a s i b i l i t yo ft h ev a c u u m - t r a n s p o r t a t i o n s y s t e mi nc h i n a ，d e w a t e r i n g c h a r a c t e ro fn i g h ts o i li nv a c u u m - t r a n s p o r t a t i o n - 一s y s t e mw a sa n a l y z e d , a hi g h e f f i c i e n c ym e t h o da b o u tt h er e c l a m a t i o no f n i g h ts o i l f r o m v a c u u m - 。f r a n s p o r t a t i o n 。s y s t e ma n danewk i n do fs c r e wd e w a t e r i n gm a c h i n eo f n i g h ts o l lwerea l s oi n t r o d u c e d t h ef i r s tp a r to ft h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e sc nt h em e a s u r e m e n t so ft h e p e r c e n to fw a t e r ， v o l a t i l es o l i d ，d e n s i t y , p h o fn i g h ts o i lf r o m v u c u u m - 一t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m a n d s oo n ，a n dw h i c hi l l u s t r a t e st h e t e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed e w a t e r i n gc h a r a c t e ra n dt h es t o p p a g er a t i oo fn i g h t s o l l t h er e s u l tc ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h es t o p p a g er a t i oo fn i g h ts o i l isa b o u t3 9x1 0 ”m l g ，w h i c hm a n i f e s t st h en e c e s s i t yo fp r e - 一m a n a g e m e n tt o n i g h ts o i lb e f o r ed e w a t e r i n gt oi m p r o v et h ed e w a t e r i n gc h a r a c t e r t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ta b o u ts e l e c t i n gf l o c c u l e n ts h o wt h a t ：t h e f t o c c u l a t ee f f e c t so f a 12 ( s 0 4 ) 3 ，f e i c ，s 0 4 ：1 7 h 2 0a n df e c i ：ia r ep a r i t y , t h e h o c c u l a t ee f f e c t so fa 12 ( s 0 4 ) ，1 2 h 2 。oa n da 1z ( s 0 4 ) ：。a r eg o o d ，a n dt h ef l o c c u l a t e e f f e c t so fo r g a n i cf l o c c u l e n ta r en o ta sw e l la si n o r g a n i cf l o c c u l e n t t h e r e s u l t sa l s o s h o wt h a tc a ob e h a v e sb e s ti nt h ee x p e r i m e n ta n dt h ea p p l i c a b l e d o s ei sa b o u t1 w h i c hc a nd e c r e a s et h es t o p p a g er a t i oo fn i g h ts o l l f r o m m9 l o ” m k gt o3 6 3 1 0 “m k g w h i c hr e f o r m st h ed e w a t e r i n gc h a r a c t e ro f n i g h ts o i la n di sa l s of i t t e dt oa m e l i o r a t ea n ds t a b i l i z en i g h ts o i l f r o m v a c u u m t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so fv a c u u m - t r a n s p o r t a t i o n s y s t e ma n dn i g h t 华中科技大学硕士学位论文 s o i l ，t h ep a p e ri n t r o d u c e san e wm e t h o do fa l k a l i n eb i o c h e m i s t r yt e c h n o l o g y a b o u tt h er e c l a m a t i o no fn i g h ts o i l a f t e rl o r e - m a n a g e m e n ta n ds e d i m e n t a t i o n ， n i g h ts o ili s i nt h ea l k a l i n ec i r c u m s t a n c e sa n dw h i c hc a nb em a d ed e c r e a s i n g , i n n o c u i t x ，a n dr e c l a m a t i c nb yh i g h 。- e f f i c i e n c yd e w a t e r i n g ，f a s td r y i n g ，h i g h t e m p e r a t u r ea n ds oo n t h es y n t h e t i ca n do r g a n i c c o m p o s ta r ee s p e c i a l l yu s e f u l t oa c i d i cs o i ls u c ha sr e ds o i la n dy e l l o ws o l l ，w h i c ha r et h r o u g h o u tt h es o u t h a r e a so fy a n g t z er i v e ri nc h i n a t h em a c h i n ef o rn i g h ts o i ld e w a t e r i n gi nc h i n aa n dr e l a t i v ed a t u ma b r o a d areh a r du pi sc o n s i d e r e d ，t h ea r t i c l eh a sa n a l y z e dt h eu s u a ls l u d g ed e w a t e r i n g m a c h i n e s ，t h ec h a r a c t e r so fn i g h ts o l if r o mv a c u u m - t r a n s p o r t a t i o n - s y s t e ma n d t h em e r i t so fs l u d g ed e w a t e r i n gm a c h i n e s ，, i n t r o d u c e dt h em o d eo fs c r e wp r e s s d e w a t e r i n g ，a n dd e s i g n e das e to fs c r e wp r e s sd e w a t e r i n gm a c h i n ew h i c hw a s s u i t e dt oav a c u u m - 。t r a n s p o r t a t i o n s y s t e mu s e db yl ，0 0 0i n h a b i t a n t s k e yw o r d s ：t h ev a c u u m - t r a n s p o r t a t i o n - - - s y s t e m ，d e w a t e r i n gc h a r a c t e r s ， a l k a li n ec o m p o s t i n gt e c h n o l o g y ，s c r e wp r e s sd e w a t e r i n gm a c h i n e i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引论 随着我国人口数量的急剧膨胀和生态环境的日益恶化，粪便的处置已逐渐成为突出 的社会和环境问题。粪便是人类生活中不可避免的副产品，产量巨大( 据估计，全国一 年可产生9 5 亿t 纯粪便) 。粪便含有大量的有机物和氮、磷、钾等营养成分，是我国 传统的农业资源，粪便又含有大量的病原菌、病毒微生物和易使水体富营养化的污染物， 它的产生、储存、处理及处置过程均有可能危害环境。日益严格的排污、农用标准的制 定与实施，使我国粪便的处置问题显得更加突出和重要。 粪便的处置宜本着“稳定化、无害化、减量化和资源化”的原则，通过稳定化消除 恶臭，通过无害化杀灭虫卵及致病微生物等有害物，通过减量化使之便于运输处置，通 过资源化使之得到有效的回收和利用。 8 0 年代以来，我国越来越频繁的酸雨致使土壤酸化现象日益加重。大多数省市己出 现过酸雨、酸雾和酸雪现象。我国9 个重要酸雨区的酸化土壤面积已达2 0 0 万公顷：另 一方面，多年来对土地的重用轻养，化肥农药的大量使用以及水土流失和土地的沙漠化， 己使我国土壤肥力明显下降。第二次全国土壤普查结果表明：我国无障碍性耕地仅有 汽：j ，有2 3 的土地严重退化，已经严重影响了我国农业的发展。在这些情况下，粪 便的农业资源化应用对我国土壤的生态修复、生态农业的发展、绿色产品的生产和人类 生存环境的保护无疑都具有极其重要的现实作用和意义。 华中利技大学环境工程系成功研制的真空收运系统对粪便的无害化、资源化处置提 出了新的机遇和挑战1 1 2 本论文的目的和所做工作 1 2 1 目的 华中科技大学硕士学位论文 2 0 0 1 年4 月，华中科技大学坏境工程系研制成功的真空收运系统通过了湖北省科技 厅组织的专家鉴定，鉴定认为“整套技术比较成熟，可广泛用于新建城镇居民区、生态 旅游区、公共建筑以及缺水地区，还可用于火车、轮船、城市公厕等，可发展成一种新 型产业”、“本项研究成果属国内首创，主要性能达到国际同类成果的先进水平”。“1 真空收运系统具有节水、卫生、适用性强、经济性好等诸多优点。对该系统工作过 程中所收集粪便的处置是一个后续关键问题。真空收运系统的粪便独立于生活扶水和工 业废水，避免了重金属和其它有毒有害物质的污染，低的冲水量( 约为1 l 次) 也保证 了粪便较高的固含量，系统搜集的粪便若能被资源化利用，它产生的经济、社会效益会 强有力推动真空收运系统的发展和推广；反之又会妨碍该系统的进一步推广应用。鉴于 此，本人在周敬宣教授、李艳萍高工等老师的指导和课题组成员的帮助下，对真空收运 系统粪便的处置技术进行了探讨和研究。 1 2 2 本文所做工作 ( i ) 认识粪便的可利用价值及污染、传染性，讨论我国粪便的处置技术和处置现 状，论证推广真空收运系统的可行性和重要性： ( 2 ) 实验分析真空收运系统粪便的特性，提出了相应的粪便碱性生化技术，实验 证明碱性环境下粪便的脱水性能得到了显著改善，分析碱性条件下粪便的无 害化和资源化； ( 3 ) 分析我国粪便脱水设备的现状，提出粪便螺旋脱水机的设计思路，设计一套 适于千户生活小区真空收运系统的粪便螺旋脱水机： ( 4 ) 讨论分析真空收运系统粪便处置技术的进一步研究方向和任务。 2 华中科技大学硕士学位论文 2 粪便及其处置技术 2 1 粪便 粪便是人体和其它动物体| j 消化系统及泌尿系统的生理排泄物，它含有丰富的有机 物和氮、磷、钟成分( 见表2 一一) 。成年人每天排尿1 5 l ( 其中尿素等有机物和n a c l 等无机盐固含物为3 5 ) ；排泄粪便约0 4 o 4 l ，其主要是由食物残渣、代谢废物、 肠道细菌( 约占总重的2 0 3 0 ) 、脱落细胞等组成。 表2 - i新鲜粪屎养分的平均含量 粪便是农业传统的有机肥料和良好的土壤调节剂。粪便中的有机物、腐殖质能明显 改善土壤的物理、化学性质，可提高土壤微生物活性，改善土壤结构和提高保持水土能 力及抗蚀性能，是良好的土壤改良剂。粪便中的氮能促进植物茎叶的生长，其中的硝态 氮可被植物直接利用，氨氮在二| i 壤中经分解氧化后可被植物利用。磷能激发植物根部的 繁艏，加速成熟和增加植物对病虫害的抵抗能力。钾能促进植物的生长活力，是发育木 质枝干、果浆、构成叶绿素的主要成分，并能促进茎叶的生长和增加抵抗病虫害的能力。 此外，粪便还含有植物生长所必需的一些微量元素。 据历史记载，早在公元前一世纪的意大利农庄，粪肥已经是一种商品，人粪被认为 是最重要的肥料之一。据我国史学人员考究，在古代中国，“粪一一转化为施肥的意义， 最初见至于战国的古籍中，秦汉以后就很通用了”“1 。1 8 4 0 年，农业化学家创始人李 比希在 中专章论述了 ，他强调“从别 国进口粪尿与进口谷物和牲畜有同样的意义”，并指出“在中国，在面包和小麦的后面， 任何一个商品也没有肥料商品那样扩散得如此广泛”1 。 另一方面，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，病人的粪便含有多种肠道致病菌、 华中科技大学硕士学位论文 寄生虫卵和病毒( 见表2 - 2 ) “1 ，发展中国家约7 0 的疾病与粪便的生物性传染有关n 1 。 表2 - 2粪便中的部分病原微生物 钏曲 致病忡人肠杆菌、沙门氏菌属，赞氏菌属、分支杆菌属、链球菌属、芽孢杆菌屈、变形杆菌属、 甲胞杆菌屈、沙雷氏杆菌属、钠端螺旋体属、土拉巴氏杆菌、霍乱弧菌等 j i j j 礴 骨髓扶质炎嫡毒、柯萨摧病毒，人肠道致自胞稍变孤儿病毒、腺病毒、肝炎病毒、胃肠炎病毒等 j 0 0 | | 奉i 觚i 啦虫、溶纰织内阿米巴、结肠小袋虫、钩虫、蛲虫、蛔虫、鞭虫、牛肉涤虫、猪肉涤虫等 因此，按照减量化、无害化和资源化的原则处置我国粪便具有非常重要的现实意义。 2 2 粪便的处置现状 2 2 1 国外的粪便处置概况 粪便在国外也同样被认为是传统的农业肥料。但自2 0 世纪以后，将粪便排入完善 的下水管道与生活污水混合，通过污水处理厂得到有效的无害化处置已经是发达国家普 遍采用的粪便处置方法”。”。 欧美国家市区内单独的粪便和化粪池污泥处置系统基本上已不复存在，它们高普及 率的城市下水道和城市污水处那厂保证了市区粪便的无害化处置，少部分城市污水处理 厂服务不到的地区( 如：农村) ) 采用了化粪池与土壤吸附床或砂滤床等构成的局部处理 设施进行无害化处置。化粪池和生活污水处理厂产生的污泥，一般是被作为固体废弃物， 与产生的生活垃圾一道进行无害化处置“0 1 ； 闩本、韩国等国家单独的粪便和化粪池污泥收运处理系统仍然在使用，如在韩国， 分别约有4 0 的粪便是经过下水管道和吸粪车进行收运，它们基本上是将粪便作为生活 废弃物来进行无害化处理，而不再进行相应的资源化处置”1 。 但发达国家和地区的粪便处置系统依然存在着无害化不彻底、资源配置浪费等生 念、经济和社会的一系列问题“。 2 2 2 国内的粪便处置现状 目前我国粪便的无害化处置和资源化利用率都很低，仅约3 0 的粪便被作为粪肥1 。 ( 1 ) 城镇粪便基本上不再被利用 城镇粪便曾是我国重要的农业肥料。据1 9 7 6 年统计，全国粪便为农业提供了三分 华中科技大学硕士学位论文 之一以上的肥料”“，1 9 8 0 年，我国约9 0 的城镇粪便被运往农村。8 0 年代后，这种城乡 之m 良好的物质循环关系己不复存在，在1 9 9 0 年，全国化肥使用量占肥料总用量的百 分比已吐l1 9 4 9 年的o 1 提高到6 3 3 “。近年来，农民拒绝使用城镇粪便作肥料，主 要是因为城镇粪便固含量的大幅度下降，旱厕粪便的固含量是6 9 ，而现在水冲厕所 粪便的固含量还不足o 1 ，失去了原有的利用价值；污水粪渣中混入了大量重金属和有 毒难降解物质，因此，不宜利用污水处理厂的污泥制作农田肥料进入食物链；化肥的卫 生、速效也影响了农民对城镇粪便的需求积极性。 ( 2 ) 城镇粪便的无害化处置率很低，造成了不同程度的环境污染 据1 9 9 7 年统计，我国的6 6 8 座设市城市年清运粪便2 9 0 0 万吨，做到无害化处理的 不到1 2 ，更多的则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。 如北京市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1 1 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理。我国城镇粪便的低处置率 和污水处理厂的低普及率直接相关，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) - l u 清运设备严重不足，化粪池也达不到应有效果，一些现代大都市的污水处 理率还不足l o ，造成全国9 0 以上的污水粪便得不到及时、有效的处理就直排江河湖 海，致使城市流经河段8 6 的水质超标“川。 ( 3 ) 农村粪便大多用作粪肥，但利用率和无害化处理率都很低 在我国，农用粪便集中处理制成厩肥、土粪、沤肥、粪干的仅占1 6 ，农民多将人 粪尿未经杀毒灭菌直接施于农阳，不仅影响农作物吸收，并污染环境，导致疾病传染。 造成上述现象的原因有：a 农民只注重粪便的肥分，而忽视粪便无害化的重要性；b 农 村缺乏简单有效的粪便无害化技术：c 农民的经济状况制约了粪便的无害化； d 小规模的经营模式限制了先进的粪便无害化、资源化技术与设备的推广。 ( 4 ) 粪便的资源利用( 尤其是在我国) 仍有存在和发展的必要 毋庸置疑，在近期的历史发展阶段中，提高粮食产量仍为全球各国农业的主要发展 方。大量施肥。是2 0 世纪5 ( ) 年代以来农作物增长的一项重要措施，第二次世界大战 后，世界化肥的产量约1 0 年就翮一番。化肥在粮食增产中的作用见下表2 3 1 ： 华中科技大学硕士学位论文 表2 - 3 化肥在粮食增产中的作用 2 0 世纪8 0 年代后，随着化肥、农药、农业机械的广泛应用，农业生产力得到了大 幅度提高，但从土壤培肥的角度而言，由于化肥投入量的不断增大，使得土壤板结和环 境污染现象同趋严重；粪肥等有机肥投入量的逐渐减少，使土壤肥力和土壤有机质含量 急剧降低“”1 。对可持续发展的策略思想而言，这无异于饮鸩止渴。由于粪肥等有机肥具 有化肥所不可取代的作用，因此，现代化的绿色农业急需更多高效、无害化的粪肥还罔。 我国使用粪肥等有机肥的优良传统和经验是得到了世界公认的。长期使用有机肥 料，依靠农业内部的物质循环，保持地力和稳定产量是可能的。而化肥也并不排斥有机 肥的使用，即使是化肥在肥料结构中占主导地位的今天，有机肥仍旧是重要的肥源，以 德国为例，从1 8 5 0 1 9 6 5 的1 1 5 年间，化肥从无到有，直至平均使用量增至0 3 吨养 分公顷，施用于农田的有机肥也从1 8 2 吨公顷增至为8 9 吨公顷“”。 方兴未艾的生态农业排斥化肥转而注重有机肥的使用，在西方发达国家，集成化的 农场运作方式能很好地完成秸秆返f 只，农场在不依靠粪肥的情况下就能得到充足、稳定 的有机肥，而在我国，由于秸秆仍为广大农村的重要燃料来源，再加上承包到户的运作 方式限制了机械化的发展，秸秆还田率很低，而农户粪便( 含家畜粪便) 来源简单、稳 定，这些因素决定了粪肥仍在我国的有机肥中占有举足轻重的地位。 ( 5 ) 粪便的利用率与收运系统的终端息息相关 在水厕大范围取代旱厕以前，若不考虑旱厕粪便的渗沥、挥发以及降雨量等的影响， 旱厕粪便的固含量是6 9 ，这样浓度的粪便对农民是有很大吸引力的。而现在大多数 城镇已经普及的重力冲水厕所，所需冲水量不小于6 l 次。再加上它固有的黑水( 粪便 水) 、扶水( 生活杂洗水) 混流排污方式，则每天人均约0 4 5 l 的大便就融入到1 6 0 l 左右 的用水量，这样，下水管道中粪便的固含量就不足0 1 。这也就不难解释现在农民为什 么对城镇水冲粪便不感兴趣而对农家旱厕粪便仍情有独钟。 华中科技大学硕士学位论文 随着水资源日益紧张和公民节水意识的提高，新型环保节水厕所( 真空厕所、免冲 生物厕所等) 逐渐为人们所看好。它们共同特点是在有效节水的同时，低的冲水量和黑 水、灰水的分离特性，决定了它所收集粪便的高固含量。如果有一部分冲水厕所能被环 保厕所取代，城镇粪便的资源化就又会成为新的可能。 ( 6 ) 粪便的处置方式与城市化进程和农村的发展密切相关 欧美等发达国家的城市化进程起步早、发展快、程度高，1 9 9 5 年，英国、德国的城 市化水平分别为8 9 2 3 和8 6 5 ，日、法、美等国也为7 5 左右，它们城镇完善的下水 管网、污水处理厂系统已经解决了全国大部分人的粪便无害化处置问题，而我国十三亿 人口中有八亿在农村，1 9 9 5 年的城市化水平仅为2 9 0 4 咖1 ，城镇的下水管网和污水处 理厂系统只能解决少部分人的粪便处置问题，在中国的广大农村，粪便仍需要走无害化 和资源化相结合的道路。 ( 7 ) 影响粪便被利用的其它因素 国内外大规模养殖场中大量的高浓度粪便是适于资源化利用的，另外，随着社会的 进步，除了飞机的真空厕所外，越来越多的列车、客车集便式厕所也为粪便的资源化处 理带来了可能。与粪便的无害化处理相比，仍有诸多因素制约着粪便的利用率，如人们 的厌恶心理和发展相对滞缓的粪便运输、储存、资源化技术( 除臭、灭菌、脱水等) 等。 2 3 对我国粪便处置的建议 我国粪便的减量化、无害化和资源化处置现状不容乐观，原因很多，其中粪便的收 运系统和资源化技术落后是两个症结所在。结合我国的粪便处置现状和社会发展的实际 情况，谨对粪便的处置提出下列几点建议。”： 2 3 1 大中城市旧城区 我国城镇现行的粪便收运处置系统是由重力冲水厕所、化粪池、黑水与狄水的混台 排污管网( 或吸粪车) 、污水处理厂( 或粪便消纳站) 等组成。应完善下水管网，加强对化 粪池的管理，新建或改进污水处理厂；研究相应工艺并降低运行成本，增强系统对水冲 粪便的消纳、处理能力，使粪便及其粪渣确实达到无害化排放；设法处理污水粪渣中的 重金属和有毒难降解物质，生产用于栽培树木、花草的有机复合肥。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 2 大中城市新城区 在新城区，下水管网和污水处理厂得到了统一规划和建设，它本身可做到粪便的无 害化处理，有条件的地区还可与老城区并网，缓解老城区的治理压力。但传统的重力冲 水厕所一下水管网一污水处理厂系统是使用大量的自来水冲走粪肥，再耗巨资使其无害 化排放的，浪费了自来水和粪肥。我国是一个水、肥、资金缺乏和生态环境渐趋恶化的 发展中围家。以水为例，我国人均淡水资源只占世界平均水平的2 7 ，约有4 0 0 座城市 缺水，而水厕冲水去耗掉居民约三分之一的自来水，高b o d 、t g 粪水在污水处理厂处理 之前，还需大量耗水加以稀释。因此，对于有条件的新城区，也可采用新型的粪便收运 系统，如真空收运系统，既能节约自来水资源，又便于粪便的无害化和资源化。 2 3 3 新型小城镇 移民建镇是农村建设发展的趋势。几万人口的新型小城镇采用传统方法收运处理粪 便，难以承担庞大的建设投资和运行费用，应该采用薪的技术和工艺。作为方案之一， 可运用真空收运系统收集粪便，并用新的制肥工艺与设备实现粪便的无害化和资源化。 2 3 4 农村 我国十三亿人口中有八亿在农村，在全国农村推广下水管网和污水处理厂系统难度 很大。在有条件的地区，可对分散农户逐步推广粪便的沼气资源化技术，将厕所、畜圈 和沼气池融为一体，厕所和畜圈的粪便及有机废弃物直接排入沼气池，在缺氧条件下， 利用厌氧微生物对其分解，促使有机物液化与气化，除去8 0 8 5 的b o d ，并产生沼气供 农户照明和做饭，高温厌氧消化后的粪便，是经过杀毒且富含腐殖质的优良有机肥料， 肥效比通常的农家肥高，这样，既做到了粪便的无害化，又对粪便进行了综合资源化。 2 3 5 规模化畜禽养殖场 我国畜禽养殖场的粪便大多未经卫生收集和无害化处理，而是长期堆置或直接排 放，严重恶化了周边环境，正成为比工业废水和生活污水更大的污染源，如畜禽养殖每 年排入太湖约3 0 万吨c o d c r ，己成为该流域内最大的污染源。因此，必须加强对畜禽粪 便的卫牛收运和处理，如用真空收运系统收集畜禽粪便，可有效防止粪便流失产生的污 染。 华中科技_ _ 起学硕士学位论文 2 4 推广粪便真空收运系统的可行性 2 4 1 真空收运系统 2 0 0 1 年4 月，由华中科技大学环境工程系研制成功的真空厕所系统通过了湖北省科 技厅组织的专家鉴定，鉴定认为“整套技术比较成熟，可广泛用于新建城镇居民区、生 念旅游区、公共建筑以及缺水地区，还可用于火车、轮船、城市公厕等，可发展成一种 新型产业”、“本项研究成果属国内首创，主要性能达到国际同类成果的先进水平”。 真空收运系统是出真空厕所、真空破碎抽吸器、阀件、管网、真空泵、真空罐、排 污泵及控制柜等组成“”，如图2 - 1 所示 图2 1 真空收运系统 2 4 2 真空收运系统的特点 ， 真空收运系统和现行的粪便收运系统相比，有下述特点“： ( 1 ) 节水：真空厕所的冲水量约为l l 次，对于1 0 万居民的新城区，采用真空收 运系统，每年可节约冲厕用水1 2 0 万余t ； ( 2 ) 粪便与生活灰水的独立收集，降低了灰水处理和中水回用的成本，可使中水 回用的设备投资与运行费用分别降为原来的1 2 与1 3 ； ( 3 ) 有利于粪便的资源化：真空收运系统粪便的固含量约为2 ，是传统重力冲水 厕所的二十余倍，有比较高的利用价值，若我国有1 亿人使用真空收运系统，收集的粪 便被资源化，每年可转化为3 0 0 万t 高品位复合有机粪肥，能创造2 4 亿元的经济效益 ( 按8 0 0 元t 计) ，可有效减少化肥使用量、改良土壤状况和促进绿色农业的发展： 9 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 卫生：真空管道臭气控制好，不易招惹蚊蝇造成二次污染； ( 5 ) 适用性强：真空管网管径小( 巾5 0 巾2 5 0 ) ，管道可随地形上升4 5 m ，管道安 装土方丌挖量小，施工方便，适用多种地形安装；管网工作半径可达3 4 k m ，系统可大 可小，既可用在交通运输工具上，又适合于旅游生态区、城镇和养殖场的粪便收运； ( 6 ) 真空收运系统有比较好的经济性，当系统为2 0 0 0 户和5 0 0 0 户时，总投资回收 期分别为l o 年和8 年，规模越大，收效越明显。以2 0 0 0 户为例分析如下“1 。 表2 - 4 真空收运系统经济分析 此外，厨余物等易腐性垃圾占我国大中城市生活垃圾总量的5 0 以上，若在居民厨 房内安装真空破碎抽吸器，可破碎、抽吸、真空收运厨余物等易腐性垃圾，进入真空管 网与粪便混合，按正确c n 调制，生产有机复合肥，很好地解决了厨余物这类易腐性垃 圾的收运、处理和资源化问题。 2 5 真空收运系统粪便的处置 结合粪便特性和真空收运系统的特点，我们开发了粪便碱性生化技术。垓技术具有 粪便制肥成本低、效率高、臭i 床小等优点，且粪肥肥效高，同时可达到相应的卫生标准。 完成真空收运系统粪便的无害化和资源化。“1 2 6 本章小结 粪便既可制为粪肥，但又可污染环境和传染疾病，我国粪便的减量化、无害化和资 源化现状不容乐观，原因很多，其中粪便的收运系统和资源化技术落后是两个症结。在 缺水、人口相对分散的和污水处理厂服务不到的地区推广真空收运系统，可有效改善我 国粪便的处置现状。 华中科技大学硕士学位论文 3 真空收运系统粪便的碱性生化资源化技术 3 1 粪便的常规资源化处置技术 针对有较高浓度的粪便( 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：厌氧制沼气和好氧堆肥。 3 1 1 厌氧制沼气 厌氧制沼气是指将粪便排入沼气池，在缺氧条件下，利用厌氧微生物对其分解，促 使有机物液化与产生沼气， 厌氧消化后的粪渣，通常作为有机肥料或饲料。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；需进一步改 善沼气池结构及工艺，保证其高效、稳定和安全运行。 3 1 2 好氧堆肥 好氧堆肥是指将粪便脱水，加入除臭、发酵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1 0 3 0 天的动态、强通风发酵，产生有机粪肥。其不足之 处是运行周期长、成本高、容易造成二次污染等。 3 1 3 制约粪便资源化的其它因素 除了上述各种方法所特有的缺点，粪便的除臭、脱水、微生物菌剂的培养与生产等 环节也制约着粪便资源化技术的发展。 ( 1 ) 除臭：粪便含有许多臭气物质，如短链脂肪酸、硫化氢和氨气。现有的化学除 奥剂主要有p h 值调节剂、氧化剂和杀菌剂，药剂用量多、耗资大，并有可能影响粪肥 的质量，生物除臭剂主要是指活菌剂和酶制剂，现有的生物除臭剂效果不稳定，一种除 臭剂只能消除一种或几种臭气成分，有待进一步研究开发适于粪便处置的高效专用除臭 剂； ( 2 ) 脱水：堆肥工艺要求物料的含水率为5 5 左右，厌氧消化后的粪渣需要浓缩和脱 水，粪便水是一种富含有机质、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，国内尚缺乏系统的研究，因此需耗巨资引进国外的粪 便脱水设备，如北京高碑店粪便处理厂引用德国r o s 3 型滚筒式脱水机”1 。 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 研究开发高效的微生物菌剂：高效的生物菌剂可以促进粪便的腐熟，提高发酵 速度，缩短处理时间，减小占地面积和建设投资及运行费用，并可进行有效的防臭，防 止二次污染的发生。2 0 0 1 年4 月，科技部、农业部和建设部联合召开了有机物制肥研讨 会，提出开发具有我国自主知识产权的制肥菌种技术。国内应在功能菌的种类、菌株组 合相互作用和菌剂的使用方法上有所创新，还应简化菌种培养工艺，降低成本，促进粪 便微生物菌剂的产业化，避免菌剂生产成为粪便无害化、资源化的瓶颈。 结合粪便特性和真空收运系统的特点，我们开发了粪便碱性生化资源化工艺。该技 术具有粪便制肥成本低、效率高、臭味小等优点，且粪肥肥效高，同时可达到相应的卫 生标准。 3 2 粪便的碱性生化资源化技术工艺简介 粪便碱性生化技术是利用碱性工业材料石灰或其它碱性工业废料如：石灰渣、水 泥渣、化工厂废料等，通过碱性p h 值改善粪便的脱水性能、进行高效螺旋压榨脱水、 钝化有毒会属、抑制恶臭、杀灭病原物和本土微生物化等生化作用，得到卫生可达标的 粪肥，有效、低成本地完成了粪便的无害化和资源化“。 工艺路线如 处理和利州 它碱性- l i , l k 废料 图3 - 2粪便资源化： 艺简图 真空收运系统集粪罐中的粪便经强力排污泵被输入至沉淀池，药剂输送设备将石 华中科技大学硕士学位论文 灰等碱性混凝剂输送至沉淀池，沉降处理后的上清液及后续脱水机产生的滤液经处理后 被利用或排放，沉淀池内的沉降物被输送至螺旋脱水机进行脱水处理，滤饼在混料箱内 和凋节剂( 调节含水率和p h 值) 充分混合后进入发酵稳定箱进行碱性生化处理，传同 念粪便得到无害化处置，以利于真空收运系统粪便的进一步资源化利用。 3 3 真空收运系统粪便的基本特性测定 3 3 1 粪便的含水率 ( 1 ) 测定步骤 将6 0 毫升的蒸发皿放在烘箱内以1 1 0 c 的温度烘干2 小时，取出后放在干燥器内冷 却半小时，用分析天平称重，记录重量w 。再用粗天平称2 0 克新鲜大便置于烘干后的 蒸发 吐中，用水浴锅蒸千。然后放入1 1 0 的烘箱内烘2 小时，取出放入干燥器内冷却 半小时，用分析天平称重，记录重量w ，代入下式计算含水率： 。：坠! 墨二当丝 2 0 p 人便的含水率( ) w 空蒸发皿重( g ) w ：蒸发皿重加样重( g ) 2 ( ) 所取样的重量( g ) ( 2 ) 测定结果 连续5 天取不同的样分别进行测试，测得 w ，t = 4 1 2 5w tz = 4 1 3 1w a = 4 1 2 8w - 一= 4 1 3 0w - 5 = 4 1 3 4 ： w 2 , = 4 7 9 7w 。= 4 8 0 7w 。= 4 8 0 2w = 4 7 9 8w ：s = 4 8 0 4 ， 依上式算得：p ；= 6 6 4 m = 6 6 2 p ：i = 6 6 3 m = 6 6 6 p s = 6 6 5 ， 收其平均值为：6 6 4 。 依据统计数据，成年人每天大、小便量分别为o 4 l 和1 5 l ，考虑到1 l 次的冲水 量，则真空收运系统粪便的固含量为： ( 1 - - 6 6 4 ) 0 4 ( 0 4 + 1 5 + 6 ) = 1 7 ，粪便的含水率为9 8 3 。 3 3 2 粪便的挥发性固体含量 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 测定步骤 将测定完含水率的粪便放在电炉上碳化，再放入6 0 0 。c 高温炉中，灼烧半个小时， 然后降温至1 1 0 。c 左右。取出放入1 1 0 。c 的烘箱内烘半小时，取出放入干燥器内干燥半 小时，用分析天平称重，记录重量w 。，代入下式计算挥发性固体含量： a = ( w ：- - w 。) ( w 。- - w 。) a 一挥发固体含量( ) w 广_ 构烧后的蒸发皿重加样重( g ) ( 2 ) 测定结果 连续5 天测得的数据分别为： w 。= 4 1 8 8 w 。= 4 1 9 2w ，l _ 4 1 9 1w = 4 1 9 1 眠。= 4 1 9 4 ，代入上式计算得： a = 9 0 6 3 a ：= 9 0 9 8 a ，= 9 0 6 5 a = 9 0 8 7 a 6 = 9 1 0 4 取平均值得：a - - - - 9 0 8 。同样，依据统计数据，则得真空收运系统粪便的挥发性固 体含量为：9 0 8 xl - 7 = 1 5 。 3 3 3 粪便的密度 ( 1 ) 测定步骤 将5 0 0 m l 的烧杯洗净凉干，用托盘天平称重w 。后，小心向烧杯内注入粪便至5 0 0 m 1 后称重w ：，代入下式粗算粪便的密度： p = ( w ：一w ) 5 0 0 w ，烧杯重量( g ) w 。烧杯重加5 0 0 m l 粪便重( g ) ( 2 ) 测定结果 取不同的样测三次，结果分别如下： w 1 = 5 0 8 4w 2 = 5 0 3 3w 3 = 5 0 2 7 代入上式计算得：p1 = 1 0 1 7 p2 - - - - - 1 0 0 7p3 - - - - 1 0 0 5 取平均值得：p = 1 0 1 9 c m 。 3 3 4 粪便的p h 值 选用p h 试纸测定真空收运系统粪便的p h 值约为6 7 。 华中科技大学硕士学位论文 3 3 5 粪便的污染特性 该部分数据是参考冲水量相当的公用厕所推算而来“。 3 3 6 粪便的总体特性 大便的匝i 含量和挥发固含量分别约3 3 6 和9 0 8 。真空收运系统粪便的特性如下： 表3 - 5 真空收运系统粪便的特性 3 4 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。 粪便中的固体物主要是胶质微粒，有复杂的结构，与水的亲和力很强，其中的水分主要 有自由水、毛细结合水、表面粘附水和内部水。所谓自由水是存在于粪便固体颗粒之间 的水分，约占粪便中水分的6 0 9 6 ，相对较容易被去除。毛细水是指在粪便颗粒接触面上 出毛细压力结合，存在于固体颗粒的裂隙和间隙中的水分，体系中毛细水的含量取决于 孔隙的数量、尺寸和水的表面张力，约占总量的2 5 ，此类水的去除需施加与毛细水表 面张力的合力相反方向的作用力。水是一种极性很强、表面张力很大的液体，它很容易 粘附在同样具有极性的粪便小颗粒表面形成水化膜，即表面粘附水，即使在压力作用下 也很难去除，往往需要添加表面活性物质、电解质等辅助进行分离。内部水是存在于粪 便固体颗粒和微生物细胞内部的水分。“。 影响粪便脱水性能的因素很多，如粪便的密度、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，粪便的脱水性能很差，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r o s 3 型滚 筒式脱水机m ， 3 4 1 粪便的脱水性能与比阻 粪便脱水属于固液两相流分离的范畴，其基本要点是悬浮液在作用力差f 的作用 华中科技大学硕士学位论文 下产生固液两相间的相对运动，常用的推动力类型有：重力、负压、正压、惯性离心力 和其它作用力。粪便脱水是依靠过滤介质( 多孔型物质) 两面的压力差，使水分强制通 过过滤介质，固体颗粒被截留在介质上，以达到脱水的目的。固液分离的运动方式基本 上可分为液体受限、固体运动( 如；重力沉降、离心沉降、浮选等) 和固体受限、液体运 动( 如：深层过滤、动态过滤、真空过滤、压滤、磁分离、离心过滤、脱水筛等) 两大种 “”。由于绝大多数的固液分离都是取决于过滤介质两侧的压力差，故对粪便的脱水过程 作以下分析： 三三；= 。 = = 。 鬻黼糍戮 l 。 滤饼 过滤介质 图3 - 3 过滤示意图 如图3 - 3 ，过滤开始时，滤液只需克服过滤介质的阻力。当滤饼逐渐形成后，滤液 还需克服滤饼本身的阻力。滤饼是由粪便的颗粒堆积而成的，也可视为一种多孔性的过 滤介质，孔道属于毛细管。因此真正的过滤层包括滤饼和过滤质m 1 。滤液流过滤饼，可 认为是经由大量曲折的毛细管的流动。研究滤饼中的一根毛细管，因其孔径很小，可看 成是层流状态。滤液经过毛细管所造成的压力差为： p - - - - h * y 。= ( 1 d ) 木( u 2 2 9 ) y 。 ( 3 1 ) 式中p 过滤压力( n m 2 ) h 水头损失 y 。滤液容重( k g m 3 ) 摩阻系数( n k g ) 华中科技大学硕士学位论文 1 毛细管陈度( m ) d 毛细管孔径( m ) u 滤液流过毛细管的流速( m s ) g 重力加速度9 8 1 ( m s 2 ) 层流时：九= 6 4 r