堆肥型生态厕所处理有机废弃物的基础实验
摘要：堆肥型生态厕所具有节水、无异味、废物资源化的特点，是有机废弃物资源化的新技术。本文利用堆肥型生态厕所(Bio-toilet)，对人体排泄的有机废弃物的资源化进行基础实验研究，四周的初始运行结果表明，堆肥型生态厕所对粪便降解率随时间增加总体趋势增高，在三周以后达到97%以上；对堆肥样品的化学分析测试表明，C/N尚未达到肥料腐熟标准，但有机物、N、P含量较高，有利于将来作为农肥施用。
关键词：堆肥型生态厕所；有机废弃物；资源化；降解率
引言
人类生活中每天产生大量的有机垃圾，如人们每天产生的生活粪便、厨余等有机垃圾；农业生产中的农作物秸秆、菜根、菜叶；畜牧养殖业的畜禽粪便、垫草、剩余饲料；酿造业及食品工业废弃物等等，这些有机废弃物占用土地，污染环境，导致农业面源污染与水体富营养化，同时造成了资源的严重浪费。
各国有机垃圾占生活垃圾的比重为：东京，29%[1]；马尼拉，50% [2]；中国香港，32%[1]。随着我国城市居民生活水平的提高,垃圾增长速度加快,有机垃圾占生活垃圾的比重约为30-50%。目前垃圾处理的传统方法[3][4]主要有：填埋法，焚烧法，堆肥法等。这些处理方法各有优、劣势，“填埋法”直接将废物分解，占用土地、浪费能源；传统的“堆肥法”处理时间长，卫生条件差，肥效低，成本高，不利于在城市或农村普及推广；“焚烧法”有减量化的效益，兼有热能回收的优点，但会造成二次污染，且不能实现资源的回收利用。
在我国，不同处理技术、各种类型的生态厕所已在各地开始使用。主要类型有无水打包型、生物处理制肥型、循环水冲型[5]，“无水打包型”的特点是将排泄物打包、密封，防止臭味外泄。厕所本身不污染周围环境，但打包后的粪便没有发生任何的降解反应，最终被送到垃圾填埋场，宝贵的资源没有得到有效的利用，从严格的意义上说不能列入生态厕所的行列；“生物处理堆肥型”一般需要另外投入菌种，粪便发酵后成为可以利用的有机肥;“循环水冲型”利用粪便处理菌对粪便废水进行处理,处理净化后的水可用于再循环冲洗厕所，从而形成良性的循环系统，无臭味、无污染物排放，节约水资源，其不足之处是存在如何有效利用污泥、以及如何降低能源消耗和降低处理成本等几方面的问题。
综合来看，堆肥型生态厕所符合免水、无异味、废物资源化的特点，是真正意义上的生态厕所。本文利用堆肥型生态厕所(Bio-toilet)，对人体排泄的有机废物进行初步实验研究，以期实现这种有机废弃物资源化新技术的应用与推广。
1 实验仪器
本实验采用堆肥型生态厕所进行人体排泄物的污染控制技术与资源化研究。所用主要仪器为日本正和电工株式会社生产的S-15型生态厕所，结构如图1所示。
 图1 堆肥型生态厕所结构示意图 |
主要参数：
外型尺寸：长×宽×高，1000mm×620mm×623 mm；重量，150kg；马达功率，40w；电热条功率，200w；电压，AC 100V；锯木屑，0.15m3；最多使用人次，约16-20人次/天。
工作原理：在便座下的不锈钢盒子中装入适量的锯木屑为反应介质，通过适当搅拌使得排入的粪便与锯木屑混合并在好氧条件下发生分解。同时用电热条控制其中的温度均衡并高于大气温度，使得小便中的水分以及粪便分解过程中产生的水和二氧化碳通过排气扇排入大气。粪便中的N、P等营养盐留在锯木屑中，经过一段时间后将其取出就是干燥、清洁的优质有机肥料，可施用于农田，进行有机废弃物的资源化循环利用。这一新型生态厕所的关键技术在于必须维持反应器中氧、水分和温度三者的平衡，使得排入其中的粪便和厨房有机垃圾发生好氧分解。小便中95%为水分，小便中的水分蒸发后，粪便的体积大大减少。锯木屑的高孔隙率使得粪便在好氧条件下发生分解，其分解速度快，分解过程中不发生臭味。最终的产物从某种意义上讲是被浓缩的、性状安定的、易于使用的有机肥料。[6]
其它实验仪器有：温湿度计；数字式单探头温度仪表；电子计数秤(TB-MKC-300)，最大量程300kg，精度值：20g
2 实验方法
2004年5月24日-6月20日，在南京大学内，采用堆肥型生态厕所S-15，进行室内温度、湿度测试，反应器温度测试，有机废弃物降解率测试与样品化学分析测试。
2.1 室内温度、湿度条件测试
每天上午(7.00-10.00)、中午(13.00-14.30)、下午(16.00-18.30)记录温度、湿度。
2.2 反应器温度测试
在厕所反应器内确定六个分布均匀的点，用温度计测试内部温度，取平均值为反应器的平均温度。每天上午、中午、下午测试，记录。
2.3 有机废弃物降解率测试
每天记录使用人次与有机废物投入量，并进行统计分析。
投入有机废弃物的重量Wi：使用电子秤测量投入有机废弃物的重量。使用者每次使用厕所前后称量体重，体重变化的差值⊿Wi为投入有机废弃物的重量。
实际增加的废弃物总重量Ws：每周称量厕所投入有机废弃物前后的重量,其差值为经降解后实际增加的的有机废弃物重量。
有机废弃物降解率r＝(Wi—Ws)/Wi
2.4 样品化学分析测试
按照厕所标记的六个分布均匀的点，每搅拌一次，取一次样。按开关RUN，使反应器搅拌三次，分别用固定的容器取三次，共18个点。然后混匀，取80g左右样品测试。
3 结果与讨论
3.1 室内温、湿度条件统计
厕所的实验室内条件是：温度，17.6-34.5℃，湿度，23.8%-70% 。如图2，图3所示。总体来说，上午温度低于中午和下午，但湿度比中午和下午高。中午和下午的温、湿度差别不大。25℃以上的温度占测得室内温度所有点的84.2%,湿度在45%以上的占测得室内湿度所有点的72.7%。
3.2 反应器温度条件统计
 图2 室内温度统计 图3室内湿度统计 |
日本北海道大学环境工程系的Sonoko Nakta等以大肠杆菌存活量为指标对抑制病原菌生长的因素进行了实验，发现温度与病原菌浓度存在一定关系，45℃以上的高温能明显抑制或消灭病原菌。[7]经实际测验，如图所示，反应器温度的平均值保持在39.1-51.8℃之间，45℃以上占所有测量点温度平均值的78.5%，这对病原菌的抑制非常有利。
 图4 BT反应器内温度统计 |
3.3 有机废弃物降解效率统计
每天记录使用人次与有机废物投入量，并进行统计分析,结果如表1所示。大便和小便的频次比为12：83 =1: 6.9。小便投入量较多。
表1 实验期间使用人次与有机废物投入量统计 |
对堆肥型生态厕所对有机废物的降解效率进行统计，如图5所示。实验开始，为保持湿度，加入10.45kg水，以保持一定的湿度。由图可见，堆肥型生态厕所对有机废物的降解效率非常高，四周的降解率依次为76.53%，82.91%，97.85%，97.37%，降解率在第三周之后平稳。这可能是因为本次实验运行期间尿液(含水)的比例较高，蒸发比例较大。
 图5 有机废物的降解效率 |
3.4 样品分析测试
堆肥型生态厕所完全不需用水，最终产出的是干燥、清洁的肥料。按照有机肥料的标准进行检测，并与日本Tadaharu Ishikawa等用堆肥型生态厕所所作的实验产出肥料[8]进行比较，结果如表2所示。
在7周的运行时间内，Tadaharu Ishikawa等将粪便尿液和厨房有机垃圾同时投入反应器，人体排泄物2kg/天，厨房垃圾0.4kg/天。由于食物构成不同，投入量多，时间长等原因，和本实验堆肥样品相比较，有机物和各种元素含量均较高，尤其是P、 K含量高，原因可能是厨房垃圾中P、 K含量高。C、N含量接近，可能是因为均以木屑为基质，尿液中N的含量很高。
C/N是最常用于评价腐熟度的参数。适合于微生物作用的有机物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]本实验堆肥样品与日方样品在四周、七周时间范围内C/N分别为34.63，28.50，均未到达腐熟的状态。以C/N分析，在四周内，本实验未能使微生物达到良好状态。但四周时间内累积的有机物、N、P含量较高，预计随着时间增加，将会很快达到腐熟状态，有利于将来作为农肥施用。
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表2 堆肥型生态厕所样品分析测试结果
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4．结论
堆肥型生态厕所是有效的有机废物处理有效、实用的新技术。经实验证明，反应器内部45℃以上的温度值占所有测量点温度平均值的78.5%，这对病原菌的抑制非常有利。BT对有机废物的降解效率随时间增加总体趋势增高，在三周以后达到97%以上，四周对人体排泄物的降解率依次为76.53%，82.91%，97.85%，97.37%。虽然在四周的时间范围内未到达腐熟的状态, C/N为34.63。但本实验堆肥样品的有机物、N、P含量较高，预计随着时间增加，将很快达到腐熟状态，有利于将来作为农肥施用。
由于时间所限，仅针对人体排泄物——粪便与尿液，对四周的废弃物处理情况作以说明。更长期的实验累计结果尚需详细统计分析；实际运用过程中的节能方式、对范围更广的有机废弃物的处理效果等需进一步研究；与该技术配套的收集与管理措施，规划等尚需深入调查与分析。
参考文献
[1] 铃木胖，《循环工程学》，日本，能量与资源学会出版，1992：25.
[2] Tatsuo O., Emerlinda R. R., Metro Manila in Search of a Sustainable Future. Philippines: University of the Philippines Press, 2000.
[3] 城市垃圾处理技术及应用前景. 吴洪均. 环境保护，2000年12月: 14-16.
[4] 城市垃圾处理方法综述. 王丰春，田新珊，蔡广宇. 电力环境保护，2003,19(1): 46-48.
[5] 杜兵,司亚安,孙艳玲.生态厕所的类型及粪污处理工艺.给水排水，2003,29(5):60-62.
[6] Ishikawa T., Ushijima K., Shinozawa K., et al.. A Preliminary Study for Improvement of Water Environment in Metro Manila by On-site Treatment of Organic Waste. Proceedings of The International Symposium on Biomass Waste Treatment Using Sawdust as an Artificial Soil Matrix, Hokkaido University, November 4-7, 2002.
[7] NAKATA S., LOGPEZ ZAVALA M.A., FUNAMIZU N., et al.. Temperature Effect On Pathogens Decline On Aerobic Biodegradation Of Feces In The Bio-Toilet System Using Sawdust As An Artificial Soil Matrix. Proceedings of The International Symposium on Biomass Waste Treatment Using Sawdust as an Artificial Soil Matrix, Hokkaido University, November 4-7, 2002.
[8] Tatsuo O., Emerlinda R. R., Metro Manila in Search of a Sustainable Future, Philippines：University of the Philippines Press, 2000：243-251.
[9] 郑健雄，蔡宜峰，张惠真. 农村社区家庭垃圾堆肥化的规划与处理技术.
[10] 李承强，魏源送，樊耀波等. 堆肥腐熟度的研究进展. 环境科学进展，1999,7(6)：1-12.
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