堆肥型生態(tài)廁所處理有機(jī)廢棄物的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)
摘要：堆肥型生態(tài)廁所具有節(jié)水、無(wú)異味、廢物資源化的特點(diǎn)，是有機(jī)廢棄物資源化的新技術(shù)。本文利用堆肥型生態(tài)廁所(Bio-toilet)，對(duì)人體排泄的有機(jī)廢棄物的資源化進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究，四周的初始運(yùn)行結(jié)果表明，堆肥型生態(tài)廁所對(duì)糞便降解率隨時(shí)間增加總體趨勢(shì)增高，在三周以后達(dá)到97%以上；對(duì)堆肥樣品的化學(xué)分析測(cè)試表明，C/N尚未達(dá)到肥料腐熟標(biāo)準(zhǔn)，但有機(jī)物、N、P含量較高，有利于將來作為農(nóng)肥施用。
關(guān)鍵詞：堆肥型生態(tài)廁所；有機(jī)廢棄物；資源化；降解率
引言
人類生活中每天產(chǎn)生大量的有機(jī)垃圾，如人們每天產(chǎn)生的生活糞便、廚余等有機(jī)垃圾；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的農(nóng)作物秸稈、菜根、菜葉；畜牧養(yǎng)殖業(yè)的畜禽糞便、墊草、剩余飼料；釀造業(yè)及食品工業(yè)廢棄物等等，這些有機(jī)廢棄物占用土地，污染環(huán)境，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染與水體富營(yíng)養(yǎng)化，同時(shí)造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。
各國(guó)有機(jī)垃圾占生活垃圾的比重為：東京，29%[1]；馬尼拉，50% [2]；中國(guó)香港，32%[1]。隨著我國(guó)城市居民生活水平的提高,垃圾增長(zhǎng)速度加快,有機(jī)垃圾占生活垃圾的比重約為30-50%。目前垃圾處理的傳統(tǒng)方法[3][4]主要有：填埋法，焚燒法，堆肥法等。這些處理方法各有優(yōu)、劣勢(shì)，“填埋法”直接將廢物分解，占用土地、浪費(fèi)能源；傳統(tǒng)的“堆肥法”處理時(shí)間長(zhǎng)，衛(wèi)生條件差，肥效低，成本高，不利于在城市或農(nóng)村普及推廣；“焚燒法”有減量化的效益，兼有熱能回收的優(yōu)點(diǎn)，但會(huì)造成二次污染，且不能實(shí)現(xiàn)資源的回收利用。
在我國(guó)，不同處理技術(shù)、各種類型的生態(tài)廁所已在各地開始使用。主要類型有無(wú)水打包型、生物處理制肥型、循環(huán)水沖型[5]，“無(wú)水打包型”的特點(diǎn)是將排泄物打包、密封，防止臭味外泄。廁所本身不污染周圍環(huán)境，但打包后的糞便沒有發(fā)生任何的降解反應(yīng)，最終被送到垃圾填埋場(chǎng)，寶貴的資源沒有得到有效的利用，從嚴(yán)格的意義上說不能列入生態(tài)廁所的行列；“生物處理堆肥型”一般需要另外投入菌種，糞便發(fā)酵后成為可以利用的有機(jī)肥;“循環(huán)水沖型”利用糞便處理菌對(duì)糞便廢水進(jìn)行處理,處理凈化后的水可用于再循環(huán)沖洗廁所，從而形成良性的循環(huán)系統(tǒng)，無(wú)臭味、無(wú)污染物排放，節(jié)約水資源，其不足之處是存在如何有效利用污泥、以及如何降低能源消耗和降低處理成本等幾方面的問題。
綜合來看，堆肥型生態(tài)廁所符合免水、無(wú)異味、廢物資源化的特點(diǎn)，是真正意義上的生態(tài)廁所。本文利用堆肥型生態(tài)廁所(Bio-toilet)，對(duì)人體排泄的有機(jī)廢物進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)研究，以期實(shí)現(xiàn)這種有機(jī)廢棄物資源化新技術(shù)的應(yīng)用與推廣。
1 實(shí)驗(yàn)儀器
本實(shí)驗(yàn)采用堆肥型生態(tài)廁所進(jìn)行人體排泄物的污染控制技術(shù)與資源化研究。所用主要儀器為日本正和電工株式會(huì)社生產(chǎn)的S-15型生態(tài)廁所，結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 圖1 堆肥型生態(tài)廁所結(jié)構(gòu)示意圖 |
主要參數(shù)：
外型尺寸：長(zhǎng)×寬×高，1000mm×620mm×623 mm；重量，150kg；馬達(dá)功率，40w；電熱條功率，200w；電壓，AC 100V；鋸木屑，0.15m3；最多使用人次，約16-20人次/天。
工作原理：在便座下的不銹鋼盒子中裝入適量的鋸木屑為反應(yīng)介質(zhì)，通過適當(dāng)攪拌使得排入的糞便與鋸木屑混合并在好氧條件下發(fā)生分解。同時(shí)用電熱條控制其中的溫度均衡并高于大氣溫度，使得小便中的水分以及糞便分解過程中產(chǎn)生的水和二氧化碳通過排氣扇排入大氣。糞便中的N、P等營(yíng)養(yǎng)鹽留在鋸木屑中，經(jīng)過一段時(shí)間后將其取出就是干燥、清潔的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料，可施用于農(nóng)田，進(jìn)行有機(jī)廢棄物的資源化循環(huán)利用。這一新型生態(tài)廁所的關(guān)鍵技術(shù)在于必須維持反應(yīng)器中氧、水分和溫度三者的平衡，使得排入其中的糞便和廚房有機(jī)垃圾發(fā)生好氧分解。小便中95%為水分，小便中的水分蒸發(fā)后，糞便的體積大大減少。鋸木屑的高孔隙率使得糞便在好氧條件下發(fā)生分解，其分解速度快，分解過程中不發(fā)生臭味。最終的產(chǎn)物從某種意義上講是被濃縮的、性狀安定的、易于使用的有機(jī)肥料。[6]
其它實(shí)驗(yàn)儀器有：溫濕度計(jì)；數(shù)字式單探頭溫度儀表；電子計(jì)數(shù)秤(TB-MKC-300)，最大量程300kg，精度值：20g
2 實(shí)驗(yàn)方法
2004年5月24日-6月20日，在南京大學(xué)內(nèi)，采用堆肥型生態(tài)廁所S-15，進(jìn)行室內(nèi)溫度、濕度測(cè)試，反應(yīng)器溫度測(cè)試，有機(jī)廢棄物降解率測(cè)試與樣品化學(xué)分析測(cè)試。
2.1 室內(nèi)溫度、濕度條件測(cè)試
每天上午(7.00-10.00)、中午(13.00-14.30)、下午(16.00-18.30)記錄溫度、濕度。
2.2 反應(yīng)器溫度測(cè)試
在廁所反應(yīng)器內(nèi)確定六個(gè)分布均勻的點(diǎn)，用溫度計(jì)測(cè)試內(nèi)部溫度，取平均值為反應(yīng)器的平均溫度。每天上午、中午、下午測(cè)試，記錄。
2.3 有機(jī)廢棄物降解率測(cè)試
每天記錄使用人次與有機(jī)廢物投入量，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
投入有機(jī)廢棄物的重量Wi：使用電子秤測(cè)量投入有機(jī)廢棄物的重量。使用者每次使用廁所前后稱量體重，體重變化的差值⊿Wi為投入有機(jī)廢棄物的重量。
實(shí)際增加的廢棄物總重量Ws：每周稱量廁所投入有機(jī)廢棄物前后的重量,其差值為經(jīng)降解后實(shí)際增加的的有機(jī)廢棄物重量。
有機(jī)廢棄物降解率r＝(Wi—Ws)/Wi
2.4 樣品化學(xué)分析測(cè)試
按照廁所標(biāo)記的六個(gè)分布均勻的點(diǎn)，每攪拌一次，取一次樣。按開關(guān)RUN，使反應(yīng)器攪拌三次，分別用固定的容器取三次，共18個(gè)點(diǎn)。然后混勻，取80g左右樣品測(cè)試。
3 結(jié)果與討論
3.1 室內(nèi)溫、濕度條件統(tǒng)計(jì)
廁所的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)條件是：溫度，17.6-34.5℃，濕度，23.8%-70% 。如圖2，圖3所示。總體來說，上午溫度低于中午和下午，但濕度比中午和下午高。中午和下午的溫、濕度差別不大。25℃以上的溫度占測(cè)得室內(nèi)溫度所有點(diǎn)的84.2%,濕度在45%以上的占測(cè)得室內(nèi)濕度所有點(diǎn)的72.7%。
3.2 反應(yīng)器溫度條件統(tǒng)計(jì)
 圖2 室內(nèi)溫度統(tǒng)計(jì) 圖3室內(nèi)濕度統(tǒng)計(jì) |
日本北海道大學(xué)環(huán)境工程系的Sonoko Nakta等以大腸桿菌存活量為指標(biāo)對(duì)抑制病原菌生長(zhǎng)的因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溫度與病原菌濃度存在一定關(guān)系，45℃以上的高溫能明顯抑制或消滅病原菌。[7]經(jīng)實(shí)際測(cè)驗(yàn)，如圖所示，反應(yīng)器溫度的平均值保持在39.1-51.8℃之間，45℃以上占所有測(cè)量點(diǎn)溫度平均值的78.5%，這對(duì)病原菌的抑制非常有利。
 圖4 BT反應(yīng)器內(nèi)溫度統(tǒng)計(jì) |
3.3 有機(jī)廢棄物降解效率統(tǒng)計(jì)
每天記錄使用人次與有機(jī)廢物投入量，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表1所示。大便和小便的頻次比為12：83 =1: 6.9。小便投入量較多。
表1 實(shí)驗(yàn)期間使用人次與有機(jī)廢物投入量統(tǒng)計(jì) |
對(duì)堆肥型生態(tài)廁所對(duì)有機(jī)廢物的降解效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)開始，為保持濕度，加入10.45kg水，以保持一定的濕度。由圖可見，堆肥型生態(tài)廁所對(duì)有機(jī)廢物的降解效率非常高，四周的降解率依次為76.53%，82.91%，97.85%，97.37%，降解率在第三周之后平穩(wěn)。這可能是因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)運(yùn)行期間尿液(含水)的比例較高，蒸發(fā)比例較大。
 圖5 有機(jī)廢物的降解效率 |
3.4 樣品分析測(cè)試
堆肥型生態(tài)廁所完全不需用水，最終產(chǎn)出的是干燥、清潔的肥料。按照有機(jī)肥料的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，并與日本Tadaharu Ishikawa等用堆肥型生態(tài)廁所所作的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出肥料[8]進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。
在7周的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，Tadaharu Ishikawa等將糞便尿液和廚房有機(jī)垃圾同時(shí)投入反應(yīng)器，人體排泄物2kg/天，廚房垃圾0.4kg/天。由于食物構(gòu)成不同，投入量多，時(shí)間長(zhǎng)等原因，和本實(shí)驗(yàn)堆肥樣品相比較，有機(jī)物和各種元素含量均較高，尤其是P、 K含量高，原因可能是廚房垃圾中P、 K含量高。C、N含量接近，可能是因?yàn)榫阅拘紴榛|(zhì)，尿液中N的含量很高。
C/N是最常用于評(píng)價(jià)腐熟度的參數(shù)。適合于微生物作用的有機(jī)物C/N介于20:1至30:1[9]。Golueke指出腐熟的堆肥C/N值小于20。[10]本實(shí)驗(yàn)堆肥樣品與日方樣品在四周、七周時(shí)間范圍內(nèi)C/N分別為34.63，28.50，均未到達(dá)腐熟的狀態(tài)。以C/N分析，在四周內(nèi)，本實(shí)驗(yàn)未能使微生物達(dá)到良好狀態(tài)。但四周時(shí)間內(nèi)累積的有機(jī)物、N、P含量較高，預(yù)計(jì)隨著時(shí)間增加，將會(huì)很快達(dá)到腐熟狀態(tài)，有利于將來作為農(nóng)肥施用。
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表2 堆肥型生態(tài)廁所樣品分析測(cè)試結(jié)果
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4．結(jié)論
堆肥型生態(tài)廁所是有效的有機(jī)廢物處理有效、實(shí)用的新技術(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，反應(yīng)器內(nèi)部45℃以上的溫度值占所有測(cè)量點(diǎn)溫度平均值的78.5%，這對(duì)病原菌的抑制非常有利。BT對(duì)有機(jī)廢物的降解效率隨時(shí)間增加總體趨勢(shì)增高，在三周以后達(dá)到97%以上，四周對(duì)人體排泄物的降解率依次為76.53%，82.91%，97.85%，97.37%。雖然在四周的時(shí)間范圍內(nèi)未到達(dá)腐熟的狀態(tài), C/N為34.63。但本實(shí)驗(yàn)堆肥樣品的有機(jī)物、N、P含量較高，預(yù)計(jì)隨著時(shí)間增加，將很快達(dá)到腐熟狀態(tài)，有利于將來作為農(nóng)肥施用。
由于時(shí)間所限，僅針對(duì)人體排泄物——糞便與尿液，對(duì)四周的廢棄物處理情況作以說明。更長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)累計(jì)結(jié)果尚需詳細(xì)統(tǒng)計(jì)分析；實(shí)際運(yùn)用過程中的節(jié)能方式、對(duì)范圍更廣的有機(jī)廢棄物的處理效果等需進(jìn)一步研究；與該技術(shù)配套的收集與管理措施，規(guī)劃等尚需深入調(diào)查與分析。
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