我国农村化粪池技术发展现状及趋势

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　　摘要 随着农村改厕的不断推进，截至2017年底三格化粪池厕所的数量超过8 000万个，在无害化卫生厕所中占比最大。三格化粪池不消耗动力，无害化程度高，因此深入了解化粪池对于农村改厕具有重要意义。为此通过Derwent Data Analyzer软件对中国、美国和日本的化粪池专利进行聚类分析，介绍了“厕所+化粪池+粪污利用”和“水冲厕所+化粪池+污水处理”2种改厕模式下化粪池技术的发展现状。通过分析总结，认为粪污资源化是农村化粪池未来重要发展方向，负压微水冲的节水技术和粪便减量化技术等可促进资源化，同时可采取“化粪池+”技术等改善粪便污水的处理效果。
　　关键词 化粪池;农村改厕;粪污处理;资源化
　　中图分类号 X703  文献标识码 A
　　文章编号 0517-6611（2020）19-0069-04
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.019
　　Abstract With the constant progress of toilet improvement in rural areas，the number of threeseptictank toilet had reached more than 80 million by the end of 2017.It accounted for the largest proportion of harmless sanitary toilets.Threesquared septic tank did not consume power and has a high degree of harmless.Therefore，it was of great significance to understand septic tank toilets in rural areas.In this paper，Derwent Data Analyzer was used to conduct cluster analysis on the patents of septic tanks in China，the United States and Japan.Furthermore，introduced the technology development of septic tanks under “toilet + septic tank + fecal utilization”and “water flushing toilet + septic tank + sewage treatment” models.By the analysis and summary，it was concluded that the resource utilization of feces would be an important development direction of rural septic tank in the future.The watersaving technology of negative pressure microflushing and the reduction technology of feces could promote the resource utilization.Moreover，“septic tank +” technology could be adopted to improve feces treatment.
　　Key words Septic tank;Toilet improvement in rural areas;Manure disposal;Resource recovery
　　基金項目 国家重点研发计划项目（2018YFD1100500）
　　作者简介 赖竹林（1994—），男，江西赣州人，硕士研究生，研究方向：污水处理与资源化。*通信作者，教授，从事污水处理与资源化研究。
　　收稿日期 2020-05-11
　　厕所是人们日常所用的基础设施，可体现一个民族的卫生文化和国家的文明程度。国内外研究表明，农村80%的传染疾病，如儿童腹泻、血吸虫病等，是由厕所粪便污染和不安全饮水引起的，通过改水改厕可以有效控制粪源性传染病的传播[1-2]。我国农村基础设施薄弱，厕所已经成为改善农村卫生环境的重要短板，发展无害化卫生厕所显得尤为重要。2018年国务院发布的《农村人居环境整治三年行动方案》，要求到2020年农村卫生厕所普及率达到85%左右。截至2017年底，全国农村卫生厕所的普及率达到了81.8%[3]，其中三格化粪池厕所的比例为37.6%，取得了显著的环境效益。
　　在我国农村改厕主要有2种路径，一种是“厕所+化粪池+粪污利用”模式（简称模式一），厕所污水进入化粪池后，腐熟的粪液和清掏的粪渣以农田施肥为主;另一种是“水冲厕所+化粪池+污水处理”模式（简称模式二），化粪池作为污水预处理措施。在两种路径下，虽然化粪池的基本原理和结构相似，但由于其功能定位和运用场景不同，对化粪池的要求也有所差异。
　　许多学者对农村化粪池做了研究，陈杰等[4]介绍了不同类型的化粪池在实际生活中的选用，范彬等[5]概述了化粪池技术在分散式污水处理中的运用，武海霞等[6]探讨了化粪池的管理模式，但未结合农村改厕路径，对化粪池技术发展进行系统的梳理。基于此，笔者根据前期实地调研、文献资料和数据分析软件（derwent data analyzer，DDA），探讨了我国农村化粪池的发展现状，并分析了未来发展趋势。
　　1 三格化粪池的应用现状
　　2002—2017年，全国农村卫生厕所普及率从47.6%提高到81.8%，截至2017年，三格化粪池厕所的数量超过8 000万个[3]。如图1所示，东部占比为64%，沿海省份如浙江省和江苏省的三格化粪池厕所分别占省内卫生厕所的81.5%和79.5%，中部、西部地区各占17.9%、18.1%，呈现出“东高西低”的格局。 　　2 化粪池的技术发展现状
　　化粪池作为一种原始的厌氧反应器，最早可以追溯到19世纪的欧洲。1860年，法国人在住宅与粪坑之间建造了一个“箱”，减少了固体量，产生的澄清液体可直接排入土壤里，法国《宇宙》杂志称之为“MOURAS”池。随着1895年英国研究人员申请了将“MOURAS”池改进为化粪池（septic tank）的专利，此后在世界范围内对化粪池的研究也逐渐增多[7]。
　　为了更好地分析国内化粪池的技术发展趋势，该研究利用专利检索分析系统（derwent innovation）和DDA数据分析软件，以化粪池（septic tank）为主要关键词，对全球化粪池专利（截至2019年11月）进行检索，进行二次筛选和标引，同时对申请量排名前三的国家（日本、中国和美国）的化粪池专利进行聚类分析，以21世纪为分界线，但由于中国21世纪前的专利数量较少，远远低于美国和日本，故仅对21世纪后中国的专利进行详细分析，分为2000—2008年、2009—2014年及2015—2019年3个时间段，得到的ThemeScape专利地图如图2所示。
　　从图2中可以发现，全球化粪池的发展大致经历了2个阶段，第 Ⅰ 阶段是对化粪池材质和结构的优化，第 Ⅱ 阶段是强化化粪池的污水处理。
　　由图2（a）和图2（b）可知，在21世纪前，1985年日本开始实施《净化槽法》[8]，对化粪池的材质和结构进行改良，利用不饱和酯合成不同性质的壳体材料。在化粪池中设置膜分离器可以有效地去除生活污水中的污染物。而美国相应地出台了《化粪池系统房主指导手册》，主要采用由化粪池、排水场等组成的化粪池/土壤系统处理家庭生活污水[9]。
　　随着科学技术的发展，21世纪后日本的化粪池逐渐向固液分离、预制式化粪池及研发微生物载体等方向发展，逐渐改良为具备处理污水功能的小型设施。而美国更加侧重于改善化粪池性能，通过提高密封性，安装循环装置，提高厌氧效率。
　　 由于日本和美国的下水管网系统发达，粪便污水以达标处理排放为主，而国内化粪池技术发展与农村改厕运动密切相关，由图2（c）可知，化粪池专利申请主要集中在2015—2019年，在材料（树脂）、结构（安装环、固液分离）、粪污处理与资源化（人工湿地、发酵罐、酸化、芽孢杆菌）等得到全面发展，处于第Ⅰ和第Ⅱ阶段的并行时期。
　　为了进一步深入分析我国农村化粪池的发展趋势，笔者将结合目前主要两种化粪池改厕路径进行介绍。
　　2.1 材质改良
　　随着经济和技术的发展，化粪池的材质得到了迅速发展，在建筑形式上也有很大的改变。从早期的砖砌化粪池、现浇钢筋混凝土化粪池的现建式，到预制钢筋混凝土化粪池、玻璃钢化粪池和塑料化粪池的整体式，在一定程度上解决了易泄漏、易腐蚀的问题。调查显示，目前市场主流改厕产品是以塑料注塑为工艺生产的双瓮和三格化粪池[10]。
　　2.2 发展模式
　　在农村改厕中，化粪池从单格化粪池、双格及多格化粪池和“化粪池+”技术，逐步实现了粪便污水的无害化、资源化和达标处理排放。结合农村的自然环境和经济条件，形成了以“厕所+化粪池+粪污利用”和“水冲厕所+化粪池+污水处理”为主的农村化粪池改厕路径。
　　2.2.1 模式一：厕所+化粪池+粪污利用。在这个模式下，大致可分为3个阶段，每个阶段的特点有所不同，解决的问题也有所侧重。
　　第 Ⅰ 阶段是以粪便贮存为主要功能的单格化粪池。
　　20世纪60年代，在我国农村开展了“两管五改”活动，建造不渗漏的粪缸、粪坑来管理收集粪便。化粪池以一大格为主，可临时储存粪便，但底泥容易受到池内产生气体的扰动，导致出水中悬浮固体浓度较高影响农田回用而逐渐被淘汰。
　　第 Ⅱ 阶段是以实现粪便无害化与资源化的两格、三格化粪池。
　　20世纪90年代，为改善饮水和卫生条件，开始在农村进行改水改厕，南方地区开始使用两格、三格式化粪池。颜维安等[11]、杭德荣等[12]等的研究表明两格式化粪池的粪便无害化效果较好，适合在农村中推广。
　　为了便于取用腐熟后的粪液，在户厕改造中用三格化粪池取代两格化粪池。三格化粪池一般呈“目”字或“品”字型排列。过粪形式由窗口式过粪口、直通管和“U”字型，向“/”型（斜管式）、倒“L”字型转变。
　　三格化粪池对粪便中的大肠杆菌和寄生虫卵均有显著的杀灭作用，但池型、过粪管和密封性都会影响无害化效果。研究发现，斜管式过粪管比窗口式过粪口更能发挥三格化粪池的截留粪皮粪渣和除卵作用[13]，节水型高压水冲便器可保证粪便无害化所需要的时间，同时有机物浓度也利于发酵[14]，如上海市农村在1993年开始采用节水型水冲式座便器配套2 m3三格化糞池的户厕。但由于户用化粪池的粪液抽取周期与农业需求周期不一致，导致粪液不能及时利用，此外劳动强度与应用技术也会影响粪污生态还田的程度。任丽华等[15]、钟格梅等[16]的调查发现农村厕所粪便用作农田肥料的比例只有34.32%～48.65%，粪污资源化程度较低。
　　第 Ⅲ 阶段为完善化粪池其他功能，如清掏技术、粪便减量化技术等。
　　化粪池会产生大量的粪便污泥，最大清掏周期可达到1～2年，其清掏方式发生了很大的改变。从人工掏粪、真空吸粪车到无泵吸粪车、多功能吸粪车，大大缩短了吸粪时间，实现粪渣和粪液的固液分离。
　　为了减少粪便污泥量，宋珍霞等[17]投加0.5%的复合菌剂（HBH-II）、黄川等[18]添加0.005 ～ 0.10%的有效微生物（EM）和多功能复合微生物制剂（MCMP）来分解粪便污泥，对TS、SS均有显著的减量效果，可使浮渣层厚度和臭氧浓度维持在较低水平[19]。
　　2.2.2 模式二：水冲厕所+化粪池+污水处理。
　　由于对总氮、总磷的处理效率低，化粪池是地表水营养元素排放的潜在来源[20]。王玉华等[21]评价了江苏省168户农村三格化粪池的污水处理效果，对COD、TN和TP的平均去除率分别为48.51%、6.83%和23.92%，与城镇污水处理厂综合排放标准（GB 18918—2002）、农田灌溉水质标准（GB 5084—2005）的要求仍有很大差距，直接排放会导致对环境的污染风险。 　　在模式二中，形成了小三格化粪池+大三格化粪池、化粪池/土壤渗滤、化粪池/人工湿地及化粪池的微生物强化等“化粪池+”技术。
　　近年来，在积极引进日本净化槽的同时，国内学者开展了对化粪池的结构、生物载体及反应条件等研究。
　　用3个化粪桶或2个水泥涵管取代3个方池，可降低建造成本，提高密闭性。搅拌器或三相分离器的设置，消除了粪便结壳，提高了粪便的分解速率和污水与微生物的接触面积。针对山区特殊地质条件，有些地区采用“农户小三格化粪池+村内大三格化粪池”进行粪污处理。为了强化微生物的处理效果，汤克敏等[22]、付婉霞等[23]通过化粪池中添加填料，如球形陶粒填料、半软性填料，与此同时范建伟等[24]、陈志强等[25]、韦昆等[26]将之改为填料/折流式化粪池，均提高了化粪池对污水的净化效果。王昶等[27]联用多户化粪池，王立东等[28]将三格化粪池改造为预处理曝气池、厌氧发酵池和接触氧化池等，较大改善了处理效果。为优化化粪池内部结构，吴珊等[29]利用示踪实验和Fluent 软件对传统化粪池的内部流场进行了数值模拟，并提出了在进出口附近添加挡板和改变化粪池截面形状等改进建议。
　　由于化粪池处理能力有限，可运用生物生态组合技术来处理化粪池尾水。宋伟民等[30]利用渗坑土壤过滤处理化粪池出水，结果表明周边土壤1、5、10 m均低于国家标准限值，但需要考虑土壤的纳污承受能力[31]，刘雯等[32]、徐德星等[33]的研究均表明人工湿地处理化粪池出水，对COD、TP有较好的处理能力。
　　在北方及高海拔的寒冷地区，调查发现寒冷季节冻结问题是影响农户改厕意愿的主要因素之一。可通过外部加设保温结构、太阳能加热[34]等方式来增强化粪池的抗冻性能，目前，防冻型户厕多采用增加埋深的方式，超过冻土层厚度。孙成军[35]研究了聚苯乙烯保温板对改性聚丙烯污水处理设备在低温下（-10 ℃和-20 ℃）的保温效果，结果表明水体的最低温度随保温板覆盖面积增大而有所提高，但未对保温的持久性进行深入研究。针对在不同覆土深度下的化粪池受力变化情况，赵猛等[36]结合有限元软件，分析出危险区域，提出了增设加固件的加强方案。
　　2.3 现有的相关标准
　　农村早期的化粪池达到一定容积就可实现贮存粪便的功能，随着人们对环境卫生认知的程度不断加深，农村改厕的需求也向无害化、資源化的方向转变。在1990年开始根据《中国村镇厕所及粪便无害化处理设施图选》建设农村卫生厕所。目前在城市化粪池设计规范的基础上建立了相关规范标准，如表2所示。
　　 在《农村户厕卫生规范》中规定了对户厕的设计、安装、卫生指数等，《农村三格式户厕建设技术规范》重点强调了安装、施工及工程验收，《农村三格式户厕运行维护规范》对粪污管理、日常维护给予了详细指导。虽然在产品要求中规定了壳体抗压性、隔板密封性等，但对于制造工艺及包装运输的要求有待于完善。在模式二中沿用了《建筑给水排水设计规范》中城市化粪池的规定，但对于适用于农村化粪池处理污水的各池容积之比缺少详细的研究。
　　3 展望
　　粪污生态还田技术是处理农村粪污的未来重要发展趋势，但我国农村经济发展不平衡，有些农村地区不具备下水管网条件，在模式二下，需要建立较为完整的污水处理系统，是农村化粪池的一种“过渡模式”。结合我国农村改厕路径，针对目前化粪池存在的不足，提出以下几点思考与建议：
　　 （1）在模式一中，针对高、寒地区，探索经济有效的化粪池保温方式，在旱、孤地区，在设计和施工时重点考虑清掏周期与转运条件，可开发粪便减量化的高效菌剂免清掏技术。发展负压节水技术，保留农户使用粪肥的习惯，建立全生态的化粪池系统，通过庭院消纳、农田施肥、沼气发酵等手段，提高粪污资源化程度。
　　 （2）在模式二中，针对不同地区的农村污水排放标准与典型区域的生态要求，构建化粪池系统的模块化处理技术，在不同的应用场景下形成化粪单元的生物强化处理、化粪单元与生态耦合处理和化粪单元排泄物的就地处理等技术。
　　 （3）建立适宜农村地区化粪池标准与管理体系，完善多元化投入机制，积极培育改厕服务市场。
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