曹昊宇，楊波，柳博，鄭向群

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所，天津 300191）

國務(wù)院辦公廳2014 年5 月16 日發(fā)布的《關(guān)于改善農(nóng)村人居環(huán)境的指導(dǎo)意見》中明確指出“推動農(nóng)村家庭改廁，全面完成無害化衛(wèi)生廁所改造任務(wù)”，這是村莊環(huán)境整治的重要內(nèi)容。農(nóng)村人居環(huán)境整治提升，廁所革命是關(guān)鍵之一，要結(jié)合實(shí)際，宜水則水、宜旱則旱，將農(nóng)村舊廁所改造成衛(wèi)生廁所。因此，對于干旱寒冷、無法滿足水沖條件的地區(qū)，在農(nóng)村廁所建設(shè)改造過程中應(yīng)因地制宜推廣衛(wèi)生旱廁。旱廁作為我國農(nóng)村最常用的一種廁所類型，根據(jù)其排污口是否采用滑道可以分為直排式和滑道式兩種。對于沒有滑道的直排式旱廁而言，不用水沖使得固體糞肥易運(yùn)輸和施用，但村民在使用時常存在“人糞見面”的現(xiàn)象，因此便后需要加灰或土進(jìn)行覆蓋，既不衛(wèi)生，又嚴(yán)重影響如廁體驗(yàn)。而使用有滑道廁所雖然減少了“人糞見面”的尷尬和難聞氣味的傳播，但由于滑道大多采用水泥板、石板等材料建造，導(dǎo)致糞便容易黏附在滑道表面，夏季氣味嚴(yán)重，冬季低溫上凍，難以清理[1]，且糞便在進(jìn)糞滑道表面的黏附和堆積使得人糞尿中的病原體不能被及時殺滅，達(dá)不到《糞便無害化衛(wèi)生要求》（GB 7959—2012），增加了由糞便病原體引起腸道傳染病與寄生蟲病的風(fēng)險(xiǎn)[2]，直接危害人體健康。

我國農(nóng)村改廁產(chǎn)品，如蹲坐便器，通常采用陶瓷、玻璃鋼或特塑材料[3]，在水沖的作用下較容易清潔糞便。而對于干旱缺水地區(qū)及寒冷地區(qū)的農(nóng)村來說，在沒有水沖設(shè)施的條件下，解決旱廁滑道的黏附問題是廁所改造和糞污無害化處理的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外對于不粘廁具材料的相關(guān)研究較少，因此對于旱廁滑道不粘材料的合理選擇顯得尤為迫切。2019年1月中央農(nóng)辦、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家衛(wèi)生健康委等8部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)農(nóng)村“廁所革命”專項(xiàng)行動的指導(dǎo)意見》，指出要強(qiáng)化農(nóng)村廁所技術(shù)支撐，包括新技術(shù)、新材料、新設(shè)備引進(jìn)推廣。農(nóng)村改廁中使用的整體式三格化糞池和雙甕化糞池，材質(zhì)通常以聚丙烯（Polypropylene，PP）、聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）和聚乙烯（Polyethylene，PE）為主，其具有很好的抗壓性和防滲性，且較容易獲得，價格不高；聚四氟乙烯[4]（Poly tetra fluoroethylene，PTFE）、超高分子量聚乙烯[5]（Ultrahigh molecular weight polyethylene，UPE）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile butadiene styrene copolymers，ABS）具有良好的耐摩擦性；聚對苯二甲酸乙二醇酯[6]（Polyethylene glycol terephthalate，PET）、聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）屬于價格適中的新型材料；不銹鋼板（SS）和水泥板（FS）是農(nóng)村較為常見的旱廁滑道材料。本研究充分考慮糞便類型、進(jìn)糞管傾斜角度以及材料市場價格等因素，將上述材料作為變量進(jìn)行試驗(yàn)研究，篩選抗黏附性較好、價格合理的旱廁滑道材料，旨在為干旱地區(qū)農(nóng)村廁所革命各項(xiàng)工作的開展提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

本試驗(yàn)在天津市農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所鄉(xiāng)村環(huán)境建設(shè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)周期為7 d，于2020 年8 月28 日開始，2020 年9 月3 日結(jié)束。試驗(yàn)環(huán)境溫度設(shè)置為20～24 ℃。

1.1 滑道材料選擇

PTFE 板材選自九江聚邦分子有限公司，PP、PVC、PE、ABS 板材選自廣東東莞源程有限公司，PET板材選自廣東東莞粵隆有限公司，PC 板材選自廣東東莞正佳有限公司，UPE 板材選自德州鑫碩有限公司，以上板材規(guī)格尺寸均為500 mm×500 mm×5 mm；SS 板材選自山西太原太鋼有限公司，F(xiàn)S 板材選自浙江君工喜建有限公司，以上板材規(guī)格尺寸均為500 mm×500 mm×2 mm。選材依據(jù)見表1。

表1 滑道所選材料及特點(diǎn)Table 1 Selected materials and characteristics of the slide

1.2 模擬糞便原料

固體類原料組成：大米、紅薯、安徽燕子牌面包酵母粉、浙江諾一牌酵母提取物、印度綠派益康牌洋車前子殼、山東煙臺欣牌味噌、天津方正致遠(yuǎn)牌油酸、馬來西亞泰柯KLK 牌丙三醇（食用級）、河南萬邦實(shí)業(yè)牌微晶纖維素、河南新良牌食用玉米淀粉和去離子水。

液體類原料組成：廣西玉林南方牌黑芝麻粉和去離子水。

1.3 黏度設(shè)置方法與依據(jù)

依據(jù)布里斯托大便分類法（BSFS，表2），以糞便的含水量和流變性為前提，在盡量滿足糞便物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和微生物含量的基礎(chǔ)上同時考慮密度和黏度，進(jìn)而設(shè)定三類模擬物量[7]。分別將三類模擬物以兩種不同角度在10 種材料表面進(jìn)行試驗(yàn)，每個變量設(shè)置5 次重復(fù)。在滑道材料表面標(biāo)記模擬物下滑的起始位置和終止位置，保證其在所有材料表面的滑行距離相等（30 cm）。

表2 布里斯托大便分類法Table 2 Bristol stool form scale

1.3.1 第一類

BSFS 大便類型3 型＆4 型制備：紅薯383.40 g、玉米淀粉41.21 g、酵母提取物60 g、纖維素20 g、洋車前子殼35 g、味噌35 g、NaCl 4 g、KCl 4 g、CaCl22 g、海天老抽2 mL、油酸20 mL、去離子水220 mL。于2 000 mL 燒杯中將所有材料攪拌均勻，使其充分混合。用保鮮膜蓋住燒杯，室溫靜置1.5 h。加入水后，該混合物立即呈液體狀態(tài)，1.5 h 后混合物完全變成糊狀和凝膠狀。

1.3.2 第二類

BSFS 大便類型5 型＆6 型制備：大豆醬100 g、鹽20 g、大米600 g。將所制備的材料裝袋進(jìn)行碾壓，使其完全融合，放置0.5 h。

1.3.3 第三類

BSFS大便類型7型制備：黑芝麻粉200 g、去離子水850 mL。將黑芝麻粉放入2 000 mL 的燒杯，加入去離子水進(jìn)行攪拌，使黑芝麻粉混合均勻。

1.4 試驗(yàn)設(shè)置與方法

首先在10 種不同滑道材料表面標(biāo)記糞便模擬物下滑的起始位置，以材料底邊為其終止位置，保證糞便模擬物在所有材料表面的滑行距離相等（30 cm）。根據(jù)《農(nóng)村三格式戶廁建設(shè)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 38836—2020）中三格化糞池建造的基本要求，將進(jìn)糞管（滑道）的角度調(diào)至45°以上90°以下，以便在沒有水沖或微水處理的情況下有利于糞便進(jìn)入化糞池，本研究確定滑道傾斜角度為50°和75°[8-9]。第一類模擬物每次試驗(yàn)時間為3 min，第二類模擬物每次試驗(yàn)時間為5 min，第三類模擬物每次試驗(yàn)時間為7 min。

將滑道材料采用可調(diào)式角度規(guī)墊起，調(diào)整傾斜度，分別保持50°、75°不變，使其終止位置離開地面并在底部放置一個已知質(zhì)量mp的培養(yǎng)皿進(jìn)行承接。對第一類和第二類模擬物進(jìn)行試驗(yàn)時，將模擬物裝入塑封袋測定質(zhì)量得m0，后用剪刀開口并模擬糞便擠壓過程，從起點(diǎn)開始滴落于10 種材料板上進(jìn)行試驗(yàn)。對擠壓過后的塑封袋再次測定質(zhì)量得m1，最終稱量培養(yǎng)皿及所承接的模擬糞便質(zhì)量之和m2。對于第一類和第二類模擬物從起點(diǎn)到終點(diǎn)的等待時間分別為3 min 和5 min。對第三類模擬物進(jìn)行試驗(yàn)時，將模擬物倒入50 mL 燒杯中測定質(zhì)量得m0，在起點(diǎn)處快速傾倒。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用Excel 2020 整理原始數(shù)據(jù)，通過公式（1）～（4）計(jì)算最終結(jié)果和均值，采用方差分析檢驗(yàn)不同處理數(shù)據(jù)間的差異顯著性（P＜0.05），采用SPSS 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用Origin 2020做圖。

計(jì)算公式為：

式中：mG為理論滑動質(zhì)量，g；m0為原始質(zhì)量，g；m1為原始剩余質(zhì)量，g；m2為培養(yǎng)皿及承接質(zhì)量，g；m3為實(shí)際滑動質(zhì)量，g；mp為培養(yǎng)皿質(zhì)量，g；m為黏附質(zhì)量，g；W為黏附率。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同材料對第一類糞便模擬物的黏附作用

第一類BSFS 大便類型3 型＆4 型試驗(yàn)結(jié)果見圖1。在第一類糞便模擬物中，材料UPE、PE 和PET 的黏附率相對較小，當(dāng)滑道材料傾斜至50°時（圖1a），UPE 和PET 材料的黏附率最小，分別為0.25%和0.18%，與其他各組差異明顯；不銹鋼和水泥板的黏附率為100.00%，糞便在這兩種材料板上無法滑動。當(dāng)滑道材料傾斜至75°時（圖1b），PE和UPE材料的黏附率較小，分別為0.03%和0.06%，PE 與其他各組差異明顯；水泥板的黏附率仍為100.00%，與其他各組差異顯著（P＜0.05）。結(jié)果表明，在糞便類型為3 型＆4 型且滑道傾斜角度為75°時，選擇PE 和UPE 作為旱廁滑道材料，糞便的黏附性較小。

圖1 傾斜角度50°和75°時不同材料對第一類BSFS大便類型的黏附率Figure 1 Adhesion rate of different materials to the first type of BSFS feces at the inclination angle of 50°and 75°

2.2 不同材料對第二類糞便模擬物的黏附作用

第二類BSFS大便類型5型＆6型試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。在第二類糞便模擬物中，當(dāng)滑道傾斜角度為50°時（圖2a），所選10 種材料中，UPE 和PP 的黏附率相對較小，其中UPE 的平均黏附率最小，僅為12.56%；PVC、不銹鋼和水泥板的黏附率均為100.00%。當(dāng)滑道傾斜至75°時（圖2b），黏附率相對較小的材料為PE、PC、ABS，其中PE 黏附率最小，為10.22%，UPE 黏附率為17.64%，水泥板在該試驗(yàn)中黏附率為100.00%。以上結(jié)果表明當(dāng)糞便類型為5型＆6 型且滑道傾斜角度為75°時，選擇PE 作為旱廁滑道材料可以有效減少糞便黏附。

圖2 傾斜角度50°和75°時不同材料對第二類BSFS大便類型的黏附率Figure 2 Adhesion rate of different materials to the second type of BSFS feces at the inclination angle of 50°and 75°

2.3 不同材料對第三類糞便模擬物的黏附作用

第三類BSFS大便類型7型試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。7 型糞便模擬物含水率最高，呈水樣狀態(tài)。在該類糞便模擬物中，滑道材料傾斜至50°時（圖3a），UPE 對糞便的黏附率最小，為38.92%，水泥板的糞便黏附率為100.00%?；纼A斜至75°時（圖3b），黏附率最小的材料為UPE，其對模擬糞便的黏附率為38.75%。上述結(jié)果表明對于水樣糞便而言，選擇UPE 作為旱廁滑道材料，在滑道角度為75°時能夠盡可能減少糞便黏附于滑道的現(xiàn)象。

圖3 傾斜角度50°和75°時不同材料對第三類BSFS大便類型的黏附率Figure 3 Adhesion rate of different materials to the third type of BSFS feces at the inclination angle of 50°and 75°

2.4 10種材料對糞便模擬物黏附性的比較

將試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過LSD 進(jìn)行分析，對不同角度下10種材料的抗黏附性進(jìn)行比較。如圖4所示，水泥板作為黏附率最高的材料，在傾斜50°條件下，其平均黏附率為100.00%，而在傾斜角度為75°條件下平均黏附率為93.10%。在兩個傾斜角度下UPE均為糞便黏附率最小的材料。當(dāng)滑道傾斜角度為50°時，PTFE、UPE、PE、PET 和PP 之間無顯著差異（P＞0.05），不銹鋼材料在該角度黏附性較大。在傾斜75°時，除水泥板外，其他9 種材料對糞便黏附性差異均不顯著（P＞0.05）。兩個傾斜角度下，水泥板作為滑道材料的抗黏附性均最差，且與除PVC 和SS 外的其他材料具有顯著差異（P＜0.05）。如圖5 所示，試驗(yàn)所設(shè)置的兩個傾斜角度之間，材料的黏附率無顯著差異，綜合考慮認(rèn)為將滑道角度設(shè)置為75°更有利于糞便通過。結(jié)果表明，10 種材料中抗黏附性最強(qiáng)的材料為UPE，抗黏附性最差的材料是水泥板。水泥板不適合用作旱廁滑道材料，不銹鋼材料則僅適合在糞便類型相對固定的特定條件下使用。

圖4 傾斜角度50°和75°時10種試驗(yàn)材料的平均黏附率Figure 4 Average adhesion rate of ten test materials to feces at the inclination angle of 50°and 75°

圖5 兩種傾斜角度下糞便的黏附率Figure 5 Feces adhesion rate at two angles

3 討論

廁所是文明和發(fā)展水平的重要衡量標(biāo)志之一，我國在進(jìn)行農(nóng)村人居環(huán)境整治過程中，應(yīng)因地制宜選擇合適的改廁模式。旱廁作為缺水地區(qū)的首要選擇，在農(nóng)村改廁過程中，其滑道材料的選擇對于環(huán)境衛(wèi)生、糞污后續(xù)處理及資源化利用意義非凡。與直排式旱廁相比，滑道式旱廁是減少“人糞見面”和臭味傳播的重要途徑，也是避免糞便暴露、減少疾病傳播和蚊蠅滋生的有效方式。因此除了對糞污進(jìn)行無害化資源化處理以外，滑道材料的合理選擇也是推進(jìn)農(nóng)村人居環(huán)境整治、提高改廁效果的關(guān)鍵手段之一。

本研究表明，在無潤滑條件下材料處于干滑動狀態(tài)時，材料表面的特性在很大程度上影響粘滑作用。摩擦可以隨極性表面能的增加而增加，即PVC、PC 和PTFE 三者相比，PVC 摩擦振蕩的平均振幅最大，其次是PC 和PTFE。通過對PTFE、PVC 和PC 三者進(jìn)行彈性模量和抗拉強(qiáng)度測試，得出其力學(xué)性能（彈性性能、塑性性能）大小依次為PC、PVC 和PTFE。研究表明，使用表面能低極性組分和高模量的聚合物可以實(shí)現(xiàn)無明顯粘滑的平滑滑動[10]，比較PVC、PC 和PTFE 三者摩擦系數(shù)的平均振幅，得到PTFE 的表面能極性最低，聚合物的模量最高，隨后依次為PC、PVC[11]。而本次滑道試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同條件下，PTFE、PC 和PVC 三者黏附性能差異不明顯，且PETF 相較于其他兩者的抗黏附率最強(qiáng)，與上述研究結(jié)論一致。由此推斷UPE 在所選的10種材料中，其表面能極性最低、模量最高，相反，水泥板擁有最高的表面能極性。因此，在選擇滑道材料時，需要充分考慮表面能低極性組分和高模量的聚合物。聚合物的摩擦和磨損主要是由表面粗糙度決定。有研究顯示改性的ABS 材料動靜摩擦系數(shù)差值為0.03，而ABS材料的動靜摩擦系數(shù)差值是0.08，使得改性ABS 粘滑傾向變低，最終得出粘滑作用隨著載荷和摩擦速度降低而減弱[12]。

以目前農(nóng)村廁所改造使用的三格化糞池和雙甕化糞池為例，其材質(zhì)以PE、PP 和玻璃鋼為主[3]。以化糞池所用材料作為滑道（進(jìn)糞管）連接廁具和化糞池能使糞便更容易進(jìn)入化糞池。就目前市場價格來說，所選用的10 種材料中，PTFE 板的價格最高，水泥板的市場價格最低（表3）。

表3 10種材料的市場價格（元·m-2）Table 3 Current market prices of the ten materials（yuan·m-2）

根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果，盡管水泥板的價格最低，但其不滿足清潔衛(wèi)生要求，因此仍是最不適宜作為滑道的材料。PTFE 材料雖對糞便的黏附性較低，但其市場價格高，不符合《農(nóng)村三格式戶廁建設(shè)技術(shù)規(guī)范》中要求的安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、適用的原則。以不銹鋼作為進(jìn)糞管的材料時，其對角度和糞便類型的要求比較高，需要將滑道角度固定在75°，且糞便類型滿足BSFS分類的6型以下時才能體現(xiàn)其抗黏附作用。但是糞便類型通常不可控，且不銹鋼的市場價格相對較高，因此不適宜將不銹鋼作為滑道材料使用。綜上，UPE對糞便的黏附率最小，其次是PE和PP，在綜合考慮研究結(jié)果與經(jīng)濟(jì)因素的情況下，UPE是旱廁滑道材料的最佳選擇。

4 結(jié)論

在我國改善農(nóng)村人居環(huán)境、推進(jìn)“廁所革命”的時代大背景下，選擇合適的改廁產(chǎn)品可以滿足不同地區(qū)的改廁需求，將前端使用與后端處理有效銜接。旱廁滑道材料的選擇主要以減少糞便在滑道上黏附為首要條件。本研究選用10 種常見材料在兩種傾斜角度的對比下，發(fā)現(xiàn)目前使用最多的水泥板無法很好地解決糞便黏附問題（黏附率＞75%），而相較于水泥板，其他材料均可不同程度地減少糞便黏附。本研究得出如下結(jié)論：

（1）在滑道傾斜角度為50°時，超高分子量聚乙烯（UPE）對三類糞便模擬物的抗黏附性優(yōu)勢大于其他材料，其對糞便的黏附率最低，僅為17.24%；在滑道角度為75°時，UPE、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚乙烯（PE）三種材料的黏附率差異不顯著，抗黏附性能皆較為突出。在綜合考慮抗黏附性和市場價格的情況下，UPE是旱廁滑道材料的最佳選擇。

（2）相比于傾斜角度為50°的滑道，75°的傾斜角度對于材料的抗黏附性有較好的輔助作用，傾斜角度75°使糞便能夠較為順暢地通過滑道。但就廁所結(jié)構(gòu)而言，傾斜角度的設(shè)置還需綜合考慮使用地區(qū)、廁屋廁具以及使用體驗(yàn)等。