王連林， 宋學秀， 朱雪冬， 張振超， 王樹柏， 高煥霞

(玉田縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 河北玉田 064100)

廁所是衡量文明的重要標志，改善廁所衛(wèi)生狀況直接關(guān)系到發(fā)展中國家人民的健康和環(huán)境狀況[1]?！皫锩笔侵笇Πl(fā)展中國家的廁所進行改造的一項舉措，最早由聯(lián)合國兒童基金會提出?！皫锩币鉀Q兩個層面的問題，首先解決廁所的清潔衛(wèi)生、使用方便問題，然后實現(xiàn)物質(zhì)資源化、節(jié)水節(jié)能、保護環(huán)境。河北省玉田縣從2019年開始進行“廁所革命”的技術(shù)創(chuàng)新研究，以解決“廁所革命”中糞污無害化處理、資源化利用等問題；2020年全面啟動建設(shè)，2021年進入實質(zhì)性運轉(zhuǎn)。建成并投入運轉(zhuǎn)的玉田縣人居糞污處理指揮中心及糞污處理廠見圖1。

圖1 玉田縣人居糞污處理指揮中心及糞污處理廠

1 “廁所革命”的技術(shù)創(chuàng)新與運行模式

1.1 液體糞污的處理技術(shù)

1.1.1 功能性微生物菌劑的篩選與創(chuàng)制

2019年，灃田寶農(nóng)業(yè)科技有限公司與韓國生命科學研究院聯(lián)合成立了唐山灃田寶微生物菌劑有限公司，在聯(lián)合進行微生物組合研究中，對韓國提供的微生物菌劑在養(yǎng)殖廢棄物上進行了多次應用性試驗研究。試驗結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù)資料顯示，缺陷短波單胞菌、日本假單胞菌、枯草芽孢桿菌、膠凍樣芽孢桿菌、米曲霉等是能夠?qū)股剡M行降解和固氮、解磷鉀、高效腐解有機物及嗜熱的菌種。經(jīng)拮抗、共生試驗，確立了合理的多菌種復合技術(shù)及調(diào)配比例，研制出了具有高嗜熱廢棄物處理功能的微生物菌劑。

(1)復合微生物菌劑的制備工藝

用平板稀釋法從樣品中分離純化不同類型的微生物菌株，選擇搭配優(yōu)勢群體，分別進行單菌株液體擴大培養(yǎng)，然后進行定量混合，即成為復合微生物菌劑，制備工藝流程見圖2。

圖2 復合微生物菌劑制備工藝流程

(2)復合功能菌種調(diào)配與主要測試效果

試驗設(shè)3個處理：CK，不加任何微生物菌劑；CM1，加入已制備的復合微生物菌劑0.10%(質(zhì)量分數(shù)，下同)；CM2，加入已制備的復合微生物菌劑0.15%。底物分解按150 h計算，耗氧速率為0時認為堆肥腐熟。通過2年的試驗研究，得到缺陷短波單胞菌、日本假單胞菌、枯草芽孢桿菌、膠凍樣芽孢桿菌、米曲霉的質(zhì)量比為1.5～2.5∶0.5～1.0∶3.0～4.0∶1.5～2.0∶1.5～2.5。在堆肥過程中，加入菌種的樣品腐熟速率明顯快于對照樣品(CK)的，試驗結(jié)果分別見表1～3。

表1 復合微生物菌劑液體堆肥試驗結(jié)果

表2 液體發(fā)酵料的氣味變化

表3 液體糞污不同處理堆制發(fā)酵前后的養(yǎng)分變化

從表2可以看出，加入復合微生物菌劑后，經(jīng)過5 d的發(fā)酵,發(fā)酵料即無臭味，而對照經(jīng)過10 d的發(fā)酵仍然有微臭，說明復合微生物菌劑的除臭效果明顯。

試驗結(jié)果表明，該復合微生物菌劑具有快速腐解、固氮、解磷、脫硫、除臭等突出效果。一般情況下，經(jīng)過處理后，糞便中氮的質(zhì)量分數(shù)為26.9～27.0 g/kg，全磷(以P2O5計)的質(zhì)量分數(shù)為21.6～22.0 g/kg，全鉀(以K2O計)的質(zhì)量分數(shù)為9.9～10.4 g/kg。另外，通過微生物的活化作用，液體糞便廢棄物中的有機質(zhì)、有機酸等活化物質(zhì)含量增加，成為較好的液體有機肥。通過區(qū)域性分部處理，按作物灌溉周期，隨灌溉合理利用處理后的廁所、養(yǎng)殖廢水，對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、節(jié)本增效，具有十分重要的意義。

1.1.2 主要處理技術(shù)路線

利用具有高嗜熱廢棄物處理功能的微生物菌劑，采用生物好氧-兼氧處理技術(shù)進行廁所糞污、污水處理，達到農(nóng)田灌溉及液體肥料標準后，施于農(nóng)田，實現(xiàn)資源循環(huán)利用。具體工藝流程如下。

(1)廁所糞污收集：由糞污抽提車將糞污抽提后統(tǒng)一運輸至所在區(qū)域收集池內(nèi)。

(2)自然沉淀固液分離：糞污通過大三格化糞池自然沉淀進行固液分離，然后分別導入發(fā)酵池進行生化處理。

(3)發(fā)酵處理：將分離后的固體、液體糞污分別進行加菌發(fā)酵處理，固體糞污經(jīng)碳氮比、氮磷比調(diào)節(jié)后進行好氧發(fā)酵，發(fā)酵后作為有機肥或商品有機肥原料；液體糞污經(jīng)混凝處理，去除反應生成的絮團和沉淀，以減輕后續(xù)處理的負荷并降低糞污水中的磷酸鹽含量。

(4)水解酸化處理：經(jīng)混凝沉淀池處理后的糞污廢水進入水解酸化池，將糞污廢水中難降解的物質(zhì)降解為易降解的物質(zhì)，大分子物質(zhì)分解為小分子物質(zhì)；水解酸化池內(nèi)投加復合水解酸化菌劑，一般處理時間為20 h。

(5)接觸氧化處理：經(jīng)酸化處理后的糞污廢水用污水提升泵打入接觸氧化池，在鼓風曝氣的作用下，接觸氧化池中的生物好氧菌對廢水進行生物降解，降低生化需氧量(BOD)和化學需氧量(COD)，一般需時24 h。

(6)深度處理：經(jīng)接觸氧化處理的廢水再經(jīng)過濾離心機將小于120 μm的沉淀物濾出，檢測濾清液中的氮、磷、鉀、中微量元素及有機質(zhì)、有機酸，依據(jù)檢測結(jié)果和目標作物，適量添加相應的營養(yǎng)元素，即可用作農(nóng)田液體肥料。

1.2 運行模式的設(shè)計與運行方式

1.2.1 運行模式的設(shè)計

為確保建立長效機制，實現(xiàn)資源的有效、長期、穩(wěn)定、合理利用，并牽動“廁所革命”糞污處理資源全利用，借助電力、物業(yè)中水電的管理模式，設(shè)計智能化管理系統(tǒng)，搭建3個運行平臺，實施在線監(jiān)控管理。

(1)建立液體廢棄物生產(chǎn)戶、使用用戶互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管運行系統(tǒng)平臺。

(2)建立液體糞污收集、運輸、處理監(jiān)測管理系統(tǒng)平臺。

(3)建立液體糞污資源化利用服務系統(tǒng)平臺。

3個平臺均建立在互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，開發(fā)設(shè)立單個液體糞污生產(chǎn)戶、農(nóng)戶應用、第三方處理過程監(jiān)測、客戶技術(shù)服務、運輸管理、總指揮、總監(jiān)管等7個界面，通過手機自動或人為操作指令運行。

1.2.2 平臺運行方式

(1)操作界面

3個平臺的運行均建立在玉田縣液體糞污資源管理系統(tǒng)中。

首先在農(nóng)村居民戶、養(yǎng)殖戶中設(shè)立在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，液體糞污達到一定存儲量后，總指揮界面自動或人為發(fā)出指令，通知運輸單位實時將液體糞污清運至第三方處理機構(gòu)進行處理。

第三方處理機構(gòu)在集中處理站(中心)完成微生物發(fā)酵、分離凈化、產(chǎn)品調(diào)配等工作，在線平臺全程監(jiān)測各種處理技術(shù)的參數(shù)，供用戶查詢、了解。

對于農(nóng)戶應用界面，為方便農(nóng)戶應用，在農(nóng)戶的使用地點(農(nóng)田機井位置)建設(shè)容量5～8 t的液體肥料存儲罐，在存儲罐上加裝網(wǎng)絡(luò)可控管理計量裝置和用戶設(shè)定使用量操作界面(或插卡式計量流量器)，用戶可用手機或特定應用卡開啟使用，達到設(shè)定使用量時自動關(guān)閉；當存儲罐內(nèi)液體肥料存量降至不足1 t時，向總指揮界面自動發(fā)出指令信息，并轉(zhuǎn)發(fā)至運輸管理界面通知運送補充，同時在存儲罐上加裝防盜報警裝置；全部操作系統(tǒng)均與總指揮界面相連，發(fā)生事故時及時通知技術(shù)服務人員進行處理。以目前玉田縣糧食、蔬菜種植面積為基本單元，以農(nóng)田灌溉機井為儲液罐設(shè)立網(wǎng)點，全縣初步設(shè)立2 400只存儲罐。

在客戶技術(shù)服務界面，設(shè)立縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局相關(guān)專家問答、技術(shù)指導板塊，為用戶應用液體糞污肥料提供相關(guān)技術(shù)指導，并對應用中出現(xiàn)的問題進行解答。

總監(jiān)管界面為玉田縣政府所屬主管業(yè)務部門——玉田縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局、玉田縣環(huán)境保護局設(shè)立，該界面的負責人可隨時進入系統(tǒng)，監(jiān)督檢查液體糞污的收集、運輸、處理、使用等情況，并隨時提出監(jiān)查意見。

初步設(shè)定為農(nóng)戶免費提供液體糞污肥料2年，每年每畝(1畝=667 m2，下同)設(shè)定用量2 t，超出部分適當收取費用。

1.2.3 平臺運行實施的效果

農(nóng)村廁所和養(yǎng)殖場(戶)具有分布區(qū)域廣、布局分散的特點，為此玉田縣以政府倡導、扶持、引導為引領(lǐng)，積極搭建第三方服務平臺，實現(xiàn)了區(qū)域全覆蓋的糞污處理及資源化利用。目前已投入運行的指揮中心操作平臺見圖3(左側(cè)為農(nóng)戶信息界面，右側(cè)為各處理場及收集點監(jiān)管界面)，操作平臺界面的相關(guān)信息展示見圖4。

圖3 指揮中心操作平臺

圖4 操作平臺界面的相關(guān)信息

(1)糞污處理實現(xiàn)“全域化”

充分利用財政部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)村“廁所革命”整村推進獎補資金、河北省先進地區(qū)整縣推進農(nóng)村人居環(huán)境整治項目專項資金，進行全縣整體布局規(guī)劃，分區(qū)劃片投資建設(shè)農(nóng)村人居糞污集中處理中心4個、大三格化糞池25座(總?cè)莘e10 000 m3)、糞污轉(zhuǎn)運站16個，徹底解決了全縣20個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、750個村、17萬戶糞污轉(zhuǎn)運、集中處理問題，并實現(xiàn)了鄉(xiāng)鎮(zhèn)糞污處理站建設(shè)全覆蓋。

(2)運行監(jiān)管實現(xiàn)“智能化”

為確?！皫锩遍L效機制的建立，籌備建設(shè)了“一中心一平臺”?！耙恢行摹奔淳C合監(jiān)控中心1個，集培訓、會議、觀摩、監(jiān)控、調(diào)度等功能于一體，占地200 m2；“一平臺”即綜合信息監(jiān)管平臺1個，采取“一圖+一網(wǎng)+四大系統(tǒng)”模式運行?！耙粓D”指糞污綜合利用信息監(jiān)管一張圖，兼容各個工作節(jié)點信息，是以大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)為基礎(chǔ)的分析、監(jiān)管、指揮一站式平臺；“一網(wǎng)”指糞污綜合利用信息監(jiān)管服務網(wǎng)，線上為物聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)及移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對相關(guān)設(shè)備及App進行信號傳輸；“四大系統(tǒng)”指抽廁登記信息管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控管理平臺系統(tǒng)、車輛作業(yè)調(diào)度管理系統(tǒng)、智能預警管理系統(tǒng)，使各項工作可防、可控、可預警、可調(diào)度。

(3)生物工程技術(shù)的開發(fā)與應用，實現(xiàn)糞污“資源化”利用

為實現(xiàn)農(nóng)村人居糞污的綜合化利用，保證全縣農(nóng)村人居糞污綜合利用長效機制運行，提升全縣農(nóng)村人居環(huán)境整治整體水平，安排專項資金400萬元，采取政府購買第三方運營服務主體的方式，承擔全縣廁所糞污抽取、運輸、處理，并通過“無償+有償”的方式用于農(nóng)田，就地、就近資源化利用，實現(xiàn)廁所糞污治理與生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展有機銜接。

2 技術(shù)與運行模式的效果

(1)解決了農(nóng)村人居環(huán)境的問題

三大運行、管理模式的建立，有效解決了農(nóng)村環(huán)境與資源可持續(xù)利用問題，將排泄物轉(zhuǎn)化為資源和能源，實現(xiàn)真正的綠色生態(tài)循環(huán)。

(2)實現(xiàn)了高效無害化處理與資源全利用

針對廁所糞污研發(fā)了具有除臭、固氮、解磷、脫硫功能的復合微生物菌劑，3 d可消除臭味90%以上，養(yǎng)分轉(zhuǎn)化利用效果提高3%以上。

為驗證腐熟糞污有機肥對小麥、玉米產(chǎn)量的影響，開展了田間試驗。田間試驗共設(shè)3個組：第1組，施腐熟糞污有機肥300 kg/畝；第2組，施復合肥料60 kg/畝；第3組，不施肥(對照)。結(jié)果(見表4)表明，腐熟糞污有機肥增產(chǎn)效果顯著，作物產(chǎn)量可提高15%以上。

表4 腐熟糞污有機肥對小麥、玉米產(chǎn)量的影響

(3)創(chuàng)新了農(nóng)村“廁所革命”中資源全利用模式

玉田縣“廁所革命”運行機制的建立，形成了“戶收集+鄉(xiāng)轉(zhuǎn)運+集中處理+加工轉(zhuǎn)化+科學還田”人居糞污綜合利用長效運轉(zhuǎn)模式，年預計產(chǎn)生固態(tài)有機肥原料100 kt、液態(tài)有機肥原料200 kt，實現(xiàn)“變糞為肥”“變廢為寶”，最終惠及于民。

(4)管理模式引入了智能化系統(tǒng)，便捷高效

在“廁所革命”建設(shè)中設(shè)計了智能化管理系統(tǒng)，搭建了液體廢棄物生產(chǎn)戶、使用用戶互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管運行系統(tǒng)，液體糞污收集、運輸、處理監(jiān)測管理系統(tǒng)，液體糞污資源化利用服務系統(tǒng)等3個運行平臺，實施在線監(jiān)控管理；設(shè)立的單個液體糞污生產(chǎn)戶、農(nóng)戶應用、第三方處理過程監(jiān)測、客戶技術(shù)服務、運輸管理、總指揮、總監(jiān)管等7個界面，可通過手機自動或人為操作指令運行。