邢東倫，黃允魁，申文龍，楊軍太，景全榮，陳月鋒，孫長征，董世平

(中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083)

0 引言

我國城市生活污水中的主要污染物來源——尿液中含有87%的氮、50%的磷和54%的鉀，按照生態(tài)環(huán)保理論，將源分離尿液回收并最終回歸到農(nóng)田是最佳途徑[1-3]。當前，在高寒缺水農(nóng)村地區(qū)，源分離生態(tài)廁所在大力推廣，但面臨的最大困境是糞尿源分離之后，含營養(yǎng)物質(zhì)豐富的尿液還不能得到有效的貯存、處理和利用，而且在處理過程中會造成二次污染，體現(xiàn)不出糞尿源分離生態(tài)廁所的優(yōu)越性[4-7]。我國對尿液處理技術(shù)的研究較少，農(nóng)民也基本都是自然放置尿液后直接施用農(nóng)田[8]。但世界衛(wèi)生組織(WHO)報告指出，尿液在自然狀態(tài)下腐熟需180 d以上才能安全使用[9]。目前，針對尿液的處理技術(shù)有磷酸銨鎂沉淀(鳥糞石法)、微生物法、吸附法、離子交換法及膜分離法等，這些技術(shù)基本是對尿液凈化并對營養(yǎng)物質(zhì)進行回收，處理工藝難度大、處理不經(jīng)濟[10-14]。因此，研究開發(fā)源分離尿液的資源化處理技術(shù)，實現(xiàn)尿液快速有效的腐熟，直接利用還田,在農(nóng)村地區(qū)是最便利、最有效的方法。目前對尿液直接資源化處理應用方面國內(nèi)研究還比較少，針對這一問題，本文設計出一套尿液腐熟設備，并進行了腐熟試驗，該設備殺菌快、腐熟高效，能直接生產(chǎn)液態(tài)肥進行還田施用，打通了農(nóng)村廁所、資源化利用生態(tài)閉環(huán)，對打破源分離生態(tài)廁所推廣應用的瓶頸，具有非常重要的意義。

1 尿液腐熟處理設備整體設計

本設備設計采用臭氧殺菌+好氧腐熟工藝路線，如圖1所示。設有臭氧發(fā)生器供應臭氧，對尿液快速殺菌，達到安全性目的；對尿液通過空壓機供氧，好氧腐熟達到資源化目的；設有自吸泵將尿液箱中的尿液送入好氧發(fā)酵罐中；設有臭氧殺菌系統(tǒng)、腐熟系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)。

1.臭氧發(fā)生器 2.好氧腐熟罐 3.自吸泵 4.尿液箱 5.空壓機圖1 腐熟設備整體設計Fig.1 Overall design of urine compost equipment

1.1 臭氧殺菌系統(tǒng)設計

臭氧殺菌系統(tǒng)主要包括臭氧發(fā)生器、臭氧通氣管、臭氧曝氣盤及臭氧尾氣處理器等。臭氧發(fā)生器與臭氧通氣管連接處設有開關(guān)閥門，臭氧通氣管采用不銹鋼材質(zhì)，臭氧通氣管沿著尿液腐熟罐內(nèi)壁進入罐內(nèi)底部，在尿液發(fā)酵罐底部設有兩個臭氧曝氣盤，采用鈦合金材質(zhì)。臭氧發(fā)生器制取臭氧，臭氧通過進氣管進入曝氣盤，進行臭氧曝氣殺菌，臭氧尾氣處理器與尿液腐熟罐頂部的氣體出口連接，進行尾氣處理。

臭氧發(fā)生器如圖2所示，采用先進的物理制氧原理，通過制氧塔的變壓吸附作用，在常溫常壓下直接將空氣中的氧和氮分離，取得高純度的氧氣；然后在常壓下使氧氣在高頻高壓電場作用下產(chǎn)生電暈放電生成臭氧。本系統(tǒng)采用臭氧最大產(chǎn)量為20 g/h的臭氧發(fā)生器。

臭氧是無毒的安全氣體，談到它的危險性主要是其強氧化能力。在我國國家標準GB/T 18202—2000《室內(nèi)空氣中臭氧衛(wèi)生標準》中規(guī)定：室內(nèi)空氣中1 h平均臭氧容許最高濃度0.1 g/m3。臭氧尾氣處理器如圖3所示，主要是將剩余的臭氧通過高溫催化，與臭氧分解催化劑進行反應，從而使臭氧分解形成氧氣排放。該高溫催化反應為可逆反應，所以臭氧分解催化劑為可循環(huán)使用，幾乎不用更換。處理流程：臭氧尾氣(含水分)進入臭氧尾氣處理器→水氣分離→高溫分解→催化分解→反應分解為氧氣→排出臭氧尾氣處理器。

圖2 臭氧發(fā)生器Fig.2 Ozone generator

圖3 臭氧尾氣處理器Fig.3 Ozone exhaust treatment equipment

1.2 好氧腐熟系統(tǒng)設計

整個好氧腐熟罐由罐體、支腿、攪拌軸、槳葉、電機減速機、進出口和電加熱等部分組成，如圖4所示。

好氧腐熟罐設計為圓柱形，有利于尿液在罐內(nèi)的混合流動，頂部設有減速機，帶動腐熟罐內(nèi)部中央的攪拌軸，攪拌軸上設有多層功能構(gòu)件。攪拌軸最上層設有傘狀分液盤，尿液進入時通過分液盤而形成薄層狀，增大接觸氧面積，提高氧的利用率；分液盤下層設有釘齒狀消泡槳，主要是為了消除尿液在殺菌腐熟過程中產(chǎn)生的泡沫；最下層設有兩層分散槳葉，槳葉呈凹弧狀，且每層兩片槳葉呈45°傾斜，這樣可以使尿液在攪動時形成“湍流”，利于尿液流動的均勻性。腐熟罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.臭氧及氧氣閥門 2.進氣管 3.減速電機 4.尾氣排氣口5.分液盤 6.消泡漿 7.分散槳 8.曝氣盤 9.加熱棒圖4 尿液腐熟罐Fig.4 Urine compost tank

圖5 分液盤及兩層分散槳Fig.5 Liquid separation turntable and two layer dispersion propeller

加熱保溫系統(tǒng)采用電加熱方式，在腐熟罐的底部設有兩個電加熱棒，設計夾套結(jié)構(gòu)，加熱層注滿加熱介質(zhì)，通過加熱棒對加熱介質(zhì)進行加熱。在加熱層外面設有保溫層，保溫層填充PU保溫棉。

供氧系統(tǒng)設有空壓機提供氧氣，設有三通及閥門，進氣管與罐內(nèi)的臭氧管相連。進行好氧腐熟時，關(guān)閉臭氧進氣管閥門，當進行臭氧殺菌時，關(guān)閉空氣進氣管閥門。

1.3 自動控制系統(tǒng)

本智能控制系統(tǒng)執(zhí)行元件設有電磁閥、氣動閥、電機等，加上傳感元件、電路板、PLC等，實現(xiàn)操作的自動化。具體功能主要包括進出料啟?？刂疲爝^程中的曝氣、控溫、攪拌等各參數(shù)的設定、自動控制。整個腐熟過程自動控制，一鍵操作，如圖6所示。

圖6 尿液腐熟控制柜Fig.6 Urine compost control cabinet

2 尿液腐熟試驗

尿液好氧腐熟資源化試驗，首先考慮資源的安全性，采用臭氧殺菌技術(shù)，研究對病菌的消殺效果，從殺菌時間和臭氧量影響因素進行研究；其次研究好氧腐熟技術(shù)，在微生物的幫助下，對腐熟溫度和腐熟時間兩個影響因素進行研究。

2.1 殺菌時間對尿液殺菌效果的影響

試驗尿液：收集公廁小便池的尿液。室溫下，把尿液導入兩個10 L的玻璃容器內(nèi)，用最大產(chǎn)臭氧量10 g/h的臭氧發(fā)生器對其進行臭氧殺菌試驗。試驗結(jié)果如圖7所示，通過對尿液菌落總數(shù)的測定，原始尿液的菌落總數(shù)為3.8×106CFU/mL，隨著殺菌時間的延長，菌落總數(shù)下降，經(jīng)過10 min后數(shù)量快速下降，達到2 000 CFU/mL。尿液殺菌試驗前后對比如圖8所示，臭氧殺菌后，尿液顏色變淺，臭味明顯下降。

2.2 尿液腐熟試驗

腐熟劑選擇液態(tài)菌種，可以方便直接使用。該菌種是由酵母菌、枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、雙岐菌、醋酸菌、乳酸菌、放線菌、糞腸球菌等經(jīng)特殊工藝研制而成的濃縮型復合微生物菌種。每克含有益總菌數(shù)≥50億CFU。菌種添加量為尿液的0.1%，對腐熟的主要影響因素溫度和時間進行研究。

圖7 殺菌過程中菌落總數(shù)變化Fig.7 Variation of total bacterial count number in process of sterilization

圖8 尿液殺菌試驗前后對比Fig.8 Urine status before and after sterilization test

不同溫度(15、25和35 ℃)下氨氮濃度的變化規(guī)律如圖9所示。在25 ℃下，尿液在腐熟菌劑的催化下，其總氮、氨氮濃度變化規(guī)律如圖10所示。

從圖9、圖10可以看出，氨氮濃度隨著溫度的增高而迅速增加，在腐熟5～7 d后，氨氮濃度增長緩慢，顯示進一步腐熟比較困難；而在15 ℃下氨氮濃度一直增長緩慢，這表示菌種活性弱，腐熟沒有有效進行；在25 ℃下，總氮濃度一直降低，表明自由氮在揮發(fā)而導致氮損失，綜合考慮氮損失及腐熟度，以腐熟7 d左右為最佳。

圖9 不同溫度下氨氮含量隨腐熟時間的變化Fig.9 Variation of ammonia nitrogen content on different temperature

圖10 25 ℃下總氮及氨氮含量隨腐熟時間的變化Fig.10 Variation of total nitrogen and ammonia nitrogen content at 25 ℃

3 結(jié)論

本文設計的源分離尿液好氧腐熟設備，融合臭氧殺菌系統(tǒng)和腐熟系統(tǒng)處理工藝為一體，能夠使尿液快速殺菌、高效腐熟，解決了現(xiàn)有的尿液處理技術(shù)往往以單一工藝為主而不能將尿液徹底進行資源化處理的問題，最終實現(xiàn)了氮、磷等營養(yǎng)元素的回收，制得液態(tài)肥。這種以資源化回收為目的的高效、安全、產(chǎn)品附加值高的處理設備與技術(shù)比起以污染物去除為目的的尿液凈化處理技術(shù)更符合環(huán)保生態(tài)的需求，更能體現(xiàn)源分離生態(tài)廁所的優(yōu)越性，特別是在高寒缺水農(nóng)村地區(qū)具有很大的應用前景。