生态厕所与湖泊富营养化控制＊.doc

环境污染与防治 网络版 第5期 2004年10月生态厕所与湖泊富营养化控制*刘文英第一作者：刘文英，女，1963年生，副教授，南京大学博士生，研究方向为环境规划与管理。* 国家高技术研究发展计划（863计划）“河网区面源污染控制成套技术攻关课题”资助项目（No.2002AA601012）。 ，2 陆根法1 钱 新1 刘丽莉1 姜冬梅1 袁增伟1 高良敏1(1. 南京大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，江苏 南京 210093；2.长沙环境保护职业技术学院，湖南 长沙 410004）摘要 分析了引起中国太湖、巢湖、滇池（简称“三湖”）严重富营养化的氮磷污染的各种来源及其治理的技术可行性，指出生活污染源是湖泊氮磷的主要来源，而对生活粪便的氮磷的治理的长期忽视和治理不力是湖泊治理投资巨大而收效甚微的主要原因。分析了生态厕所的种类及特点，提出研究推广不同类型的生态厕所是治理生活粪便氮磷污染的最佳技术途径，对湖泊富营养化问题的解决会起到事半功倍的效果。关键词 富营养化 脱氮除磷 粪便污水 生态厕所Bio-toilet and the control of lake eutrophication Liu Wenying，Lu Genfa，Qian Xin，Liu Lili，Jiang Dongmei，Yuan Zengwei，Gao Liangmin.(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse， Nanjing University，Nanjing Jiangsu 210093；2.Changsha Environmental Protection Occupational College，Changsha Hunan 410004)Abstract：Based on the analysis of resources and treatment technical feasibility of nitrogen and phosphorus in Taihu，Dianchi and Chaohu，it is pointed out that nitrogen and phosphorus which are main factors resulting in lake eutrophication mainly come from domestic wastewater and the main cause of return much less than investment is neglect and low-level efficiency to the treatment of feces and urine.Based on the analysis of kinds and characteristics of different bio-toilets，it is proposed that the best way to treat nitrogen and phosphorus pollution of feces and urine is the exploitation and push of advanced technology of bio-toilet，which can effectively solve the problem of lake eutrophication.Keywords：Eutrophication Nitrogen and phosphorus removal Feces and urine Bio-toilet我国太湖、巢湖和滇池（简称 “三湖” ）由于氮磷污染严重，导致水体富营养化问题突出，严重制约了流域地区经济社会的可持续发展。近年来，为治理“三湖”富营养化，国家投入了巨资，各地政府也作出了不懈的努力，从兴建污水处理厂、限制网箱捕鱼、实行全湖禁磷、疏浚污染底泥到工业污染源达标排放等采取了众多的治理措施，然而这些并未使太湖、滇池、巢湖的水质有所好转，仅仅是缓解了水质恶化的势头。其中原因，不能不引人深思。本文从造成湖泊富营养化的氮磷的主要来源及其技术整治方面找出问题症结，探讨生态厕所作为处理生活污水氮磷污染进而减缓湖泊富营养化的新途径。1 湖泊富营养化成因分析湖泊富营养化主要由氮、磷浓度过高造成，其中磷起主要作用。造成水体富营养化的氮和磷来自多个方面，包括生活污染源、农业面源和工业污染源等。以磷为例，太湖、巢湖和滇池中各种途径总磷入湖量的比例见图1 1。图1 三湖各种途径磷的来源由图1可见，太湖中磷的来源，生活污染源占64%；农业面源（包括农田径流、畜禽养殖及水产养殖）占33%；工业废水只占3%。因此，造成太湖富营养化的主要污染物氮和磷的主要来源首先是生活污水，其次是面源污染，工业污染只占很小比例。巢湖中构成磷的污染中生活污染源占了54.02%，其中人体排泄物占40.42%；农业面源占了32.07%。滇池是污染最严重的湖泊，也是国家治理投资最多的湖泊。在20世纪80年代，污染源1/3是工业废水，2/3是生活污水；20世纪90年代以来，污染源基本上是生活污水。由此可见，湖泊成了生活污水的一个巨大化粪池，生活污染源已成为我国“三湖”氮磷排放的主要来源。因此，对各种氮磷污染源有效的脱氮除磷治理是解决由氮磷污染引起的湖泊富营养化问题的关键，尤其是对城镇及农村生活污水中氮磷的去除。2 目前湖泊富营养化治理中存在的问题目前对排入湖泊的氮磷，如农田径流、规模畜禽养殖、水产养殖、生活污水、工业废水、其他如垃圾等可以分别采取推行优质农产品建设、生物处理、控制养殖规模、禁磷、厂内脱磷除氮和回收垃圾等技术和政策方法处理，有效脱氮除磷。但对于湖泊氮磷主要来源的生活污水中的粪便污水的氮磷还未得到有效处理，原因在于传统厕所及其排水管网对粪便处理方式的不合理。对城镇家庭厕所：人体的排泄物通常通过“厕所-化粪池-城市下水道”系统输送到城市污水处理厂，处理后排向附近水体。对下水道不完善或根本没有下水管网系统的地区，人们的粪便污水往往直接排入附近的河道。后者直接加重了河流的污染，同时其中氮磷通过河流进入湖泊，增加了入湖的氮磷负荷。而目前我国已经建成运行或正在规划设计的城市污水处理厂普遍只以有机污染指标COD和BOD5去除效果作为水质处理效果的评价指标，对氮磷的去除率是较低的。若要考虑除氮脱磷，则处理工艺需要改进，处理成本也将成倍增加2。目前，太湖流域内已经建成的三十几座污水处理厂中只有几座有脱氮除磷措施。已建有脱氮除磷工艺的污水处理厂，如昆明第一、第二、第三、第四污水处理厂的脱氮除磷均能达到国家城镇污水一级排放标准，但仍不能满足解决滇池严重富营养化问题的治理要求。同时进水浓度的变化常影响处理效果的稳定3，须提高氮磷排放标准，相应的工艺技术水平和处理费用也须提高。因此，建设城市污水处理厂处理城镇生活污水和工业废水能够较大程度地降低化学耗氧量，但在目前情况下，对氮磷的去除还不能达到解决受纳湖泊富营养化问题的治理要求。由此可见，盲目建设城市污水处理厂并以此作为治理湖泊富营养化的重点工程，把湖泊富营养化控制效果不佳归咎为污水处理厂上的太少，这种概念是错误的，是治理湖泊富营养化投资方向上的一个误区。对城市公厕：我国传统的公共厕所大多是旱厕，水冲厕所较少，公共厕所的粪便污水基本没有资源化，对水环境污染很大，是亟待解决的难题。据统计，目前我国28个大城市共有公共厕所11万个，年产粪便3000多万t，其中90%的粪便被排入了城市河湖。对农村厕所：在农村仍然沿用着老式的粪坑式的厕所，多是未加处理直接排放到附近的河流中。即使在江苏湖泊流域河网地区，广大农村集镇的改厕工作已经比较成功，革掉了马桶，改用冲水厕所，有的还设立了化粪池，卫生面貌有所改观，但是多数仍没有完善的排水系统，对化粪池处理过后的有机废物也没有有效地收集并资源化，最终仍然随径流进入了水环境。家庭圈养畜禽的排泄物虽有部分堆积成厕肥，进入农田，但相当部分动物排泄物还是随流水进入河流。由此可见，传统厕所无论在城市还是农村，无论是旱厕还是水冲厕，都未对粪便中排放的氮磷进行有效的治理，而是直接或间接地排入河流和湖泊。这种单向的处理模式不仅造成河流湖泊污染，导致湖泊氮磷过高；而且浪费了大量的水资源，粪便中可作为有机肥料的氮磷也白白流失了，而同时作物肥料的补充仍依赖于大量使用化肥，通过径流流失的氮磷进一步加深了受纳湖泊的富营养化。为什么粪便中氮磷等有用物质不能变成肥料，为什么要用清洁的水来冲洗厕所，为什么要把粪便污水和生活污水混合，再建设昂贵的下水管网排放这些废水？需要进行一场厕所革命，寻找一种方便实用的生活粪便污水处理技术，从根本上解决湖泊水质富营养化问题，生态厕所应运而生。3 生态厕所的产生及发展所谓生态厕所是以减少水消耗为特点，以废物能转变为有用的资源、对环境不造成污染为特征，是无臭，安全、卫生的厕所。其核心思想是使水资源和营养物质以闭合循环方式运行，并以安全、经济、可靠的方式完成这一闭合循环，以达到节约水资源、在使用和运行过程中不产生对环境有害物质为目的。生态厕所是以生态原理为指导的，符合可持续发展基本原理，并能经济运行。出于对传统卫生系统诸多问题的质疑和反思，世界各国开展了对生态厕所的研究和推广。美国国家环保局早在20世纪80年代就支持建立了一批带有堆肥功能的厕所，并在相关法律中增加了支持和鼓励生态卫生排水系统发展的内容。瑞士最近开展了生态厕所的研究，包括新型厕所对尿液分别收集和控制的研究、用尿液生产制造农业用肥料的研究等。瑞典近年研究开发了一种非混合型马桶或称分离式厕所，即将尿液单独流入一贮罐，贮存半年以后，残留物分解后用作农肥，粪便作堆肥处理。该种装置已有3000余套在该国应用。欧洲一些国家最近还开始使用一种真空抽水马桶，每次冲洗仅需0.71.0 L，冲厕粪便水同家庭有机垃圾破碎后一同在半集中式沼气池中处理，产生的沼气作为天然气的补充能源。一些发展中国家，如尼日利亚、赞比亚、埃塞俄比亚、印度和孟加拉等国也结合本国具体情况在有关生态卫生（排水）系统不同层次的问题方面进行了广泛的研究和实践。目前开发的生态厕所可适用于城市、乡镇、农村、旅游景点、家居、临时集会和车船等不同场合使用；进入日常家庭中的小型生态厕所，能有效处理家庭产生的粪便和厨余，为行动不便的老年人和残障人士提供方便；另外，还可用于畜牧场、规模养殖场的畜禽粪便处理。我国已有上千年历史的与堆肥相结合的厕所是早期、原始的生态卫生厕所。近年其他一些类型的生态厕所也正在全国各地发展并应用起来4。4 生态厕所在我国的应用情况根据用水情况，将生态厕所分为免水冲洗生态厕所、水冲洗生态厕所两大类。4.1 免水冲洗生态厕所4.1.1 无水打包型 该厕所的核心是由可生物降解的膜制成的包装装置、机械装置和储便桶三部分组成。用厕者便后离开，牵引装置自动启动将排泄物打包、密封，防止臭味外泄，包装后的粪便由环卫部门收集送往垃圾填埋场处理。这种厕所可以做到不污染厕所用地环境、不留下残留物，且无需用水。4.1.2 生物处理制肥型 该厕所的特点是将粪便经生物处理后变成肥料，分为以下3种。（1）粪尿分离型。这种生态卫生厕所设计为粪尿分别收集，基本不需水冲，无污水排放。尿可直接利用，粪便经脱水干燥后，加偏碱性覆盖物提高pH达到无害化，杀灭粪中的致病菌及寄生虫卵，终产物则成为良好的土壤改良剂。这种厕所由联合国组织推荐、欧盟等国家捐建，已在广西、湖南等地农村为农户使用。（2）粪尿混合型。该厕所的核心是安装了一个生化反应器，反应器中有可定期补充的生物填料。微生物通过填料的高比表面积得以繁殖，有机物经微生物降解，粪便发酵完成后变成有机肥。在日本建有这种生态厕所。它是在座便器下方建造一长方形池，内填充锯木屑作为载体，并辅以较小的动力搅拌，通过有氧微生物的放热发酵，将排泄物转化为无臭味的气体（水和二氧化碳）和较干燥的有机肥，整个过程不需用水冲。（3）户用人畜粪便混合沼气池。将人畜粪便混合，通过沼气池内微生物厌氧发酵，产生的沼气可供农户家用照明和烧饭，产生的有机肥用于自家农田生产无公害或绿色蔬菜。农户沼气池的发展已有很长的历史，至今技术已很成熟，是国家小型公益事业重点扶持的项目之一。它不仅彻底消除了人体粪便和牲畜粪便污染，还取得了良好的经济效益。作为农户人畜粪便污染的一种处理方式，也是一种生态厕所。4.1.3 循环水冲洗型 这种生态厕所的特点是利用特别培养驯化的粪便处理活性菌泥处理粪便污水，对粪便进行分解、脱臭、净化，将粪便转化为二氧化碳和水。水可用于再循环冲洗厕所，从而形成良性的循环系统。该种厕所无臭味、节约了水资源、减轻或消除了污染物排放。北京、成都、深圳等地已有这样的生态厕所。4.2水冲型生态厕所 这种厕所的特点是不改变原有的水冲厕所用厕方式，但对其产生的粪便污水进行生物处理，使之转变为无污染的净水，或回用或排放。4.2.1 沼气净化池 将水冲式公厕的粪便污水经生物厌氧处理可使废物完全利用。产生的沼气可加以利用，产生的沼液可利用来浇灌植物。这样可取消下水管网，将粪便污水无害化处理，同时改善了周边环境。浙江金华推广运行的这种生态厕所证明了这点。4.2.2 生活污水沼气净化池 采用生活污水沼气净化池代替传统化粪池，将生活污水（粪便污水加洗涤生活污水）经过厌氧发酵、就地分散、无害化处理，处理的出水可达到或接近二类综合排放水要求，其中对氮的去除率达65%69%5。生活污水净化沼气池既不同于普通的化粪池也不同于沼气池，普通化粪池能去除一些悬浮物和沉积物，但处理效果差；普通沼气池主要用于制取沼气，池容小，处理效果也差；而生活污水沼气净化池主要是以净化污水为目的。这种方法已在全国各地推广使用，证明可除去排水中的有机质，明显减轻城镇污水处理厂的负荷，不失为在我国现有排水管道系统（粪便污水和生活洗涤污水合流）下，对生活污水的一种较好的处理方式。许多地方政府作出规定，所有新建、扩建、改建的生活污水排放项目都推广这种生活污水沼气净化池。4.2.3 土地处理型 这种厕所是建立土地渗滤系统，利用地表下栖息的土壤植物、动物、植物根系以及土壤所具有的物化特性净化来自水冲厕所化粪池的粪便污水，经处理后出水可回用于冲厕或绿化。 表1为各类生态厕所和传统厕所的类型及特点6。生态厕所将粪便废物资源化、无害化，技术上是可行的，其经济可行性成为推广运用的关键。各类生态厕所因其结构和功能不同，投资和运行费用不一。对免水冲型生态厕所，由于省去了“接管费”或利用回用水代替净水或有相关副产品产生，系统的建设、运行和维护的综合经济效益是好的。对水冲型的生态厕所，尽管仍有下水管网，经处理后能达标排放，相比建设城市污水处理厂来说，因其就地处理，其成本和效果都要好的多。表1 生态厕所的类型及特点生态厕所类型具体形式臭味下水道粪尿利用对环境污染应用实例免水冲无水打包型无水打包型无无填埋无九寨沟等生物制肥型粪尿分离型无无利用无广西、湖南、北京、广州等地农村粪尿混合型无无利用无北京、日本等地农户沼气池轻无利用无全国各地农村部分地区循环水冲型循环水冲洗型无有利用小北京、成都、深圳等地水冲传统水冲厕污水处理型沼气净化池无无利用无浙江金华等全国各地土地处理型无无无无农村等地生活污水净化沼气池无有无无全国各地部分城镇及农村集中住户5 生态厕所控制湖泊富营养化的设想综上所述，生态厕所理论上是有依据的、技术上是可行的、经济上也是合理的。生态厕所能减少水资源用量，有的可以取消下水管网的铺设费用，或水资源再回用等，经济效益显著；有的生态厕所能将人畜粪尿中的氮磷回收并制成有机肥料，施用于农田，有利于减少化肥的使用量，改善土壤质量，提高农产品质量；减少了生活污染源粪便污水中氮磷对周围河流和湖泊的排放，减少或根除人类粪便造成的富营养化污染；同时生态厕所的建设和使用改善了卫生条件，提高了人民生活质量。推行生态厕所是减少生活污染源氮磷向河流湖泊排放的有效技术途径。对控制城镇和农村粪便污水中氮磷的排放、减轻湖泊富营养化意义重大。根据生活污水的不同来源形式，可选择相适应的生态厕所。对城市，居民住户有传统排水管网的原有老式化粪池，可用生活污水净化沼气池技术进行改造；对新建城市居民住户的化粪池，应新建生活污水净化沼气池；对城镇的新建公共厕所，适宜采用无水打包型、免水冲型及生活污水净化沼气池型生态厕所。对农村，根据农村卫生系统的特点，可设计成这样的流程：将洗浴废水与厕所粪便污水分流，成为低负荷废水，经过简单处理后排入附近水体，不会造成水体污染。将粪尿和家庭产生的有机垃圾合在一起，用生态厕所技术处理，产物可作为农肥施于农田。由此达到废物的循环利用，实现经济效益、环境效益和社会效益的统一。对于湖泊流域广大的农村地区的农户来说，适于建造使用方便、容易建造、占地少、废物可完全利用的生态厕所，可采用农户用沼气池式生态厕所，土地处理型生态厕所和免水冲粪便利用的生态厕所。6 推行生态厕所的对策6.1 大力宣传和推广生态厕所技术 应进一步广泛宣传生态卫生（排水）系统，要使相关的政府主管部门决策人员、城市规划和住宅建设人员、相关企业、院校和科研单位人员、用户和居民了解有关生态厕所方面的知识和意义，发挥各自作用，促进生态厕所的推行。如使用免水冲生态厕所，需要使用者改变传统的用水厕习惯，需要做好宣传工作。6.2 加强生态厕所技术的研究开发研究提高生态厕所性能、降低造价的途径；研究不同填料的可行性，比如用农业废弃秸秆、稻草和锯木屑，以适应不同地区条件填料原料的供应；研究与生态厕所相应的肥料收集、运输、包装、回用、设备安装、维修等配套工程，建立完整服务体系。6.3 加强政策扶持力度应对成熟的生态厕所技术给予政策上的支持，使生态厕所的推广有强有力的制度、法律上的保障，有力地促进生态厕所的发展。应建立相关法规，增加支持鼓励发展生态厕所的内容。应将各种生态厕所设施纳入到整个供水排水系统的规划和建设中。并建立示范点，取得经验，由点到面，逐渐推广。6.4 加强配套服务体系研究生态厕所的管理和运作最好采用市场化的办法，使服务产业化。比如采取公司化运作，全部或单个厕所拍卖经营权，承包收费和设施保护等。要建立完善的生态厕所配套服务体系，包括技术指导、日常维护以及肥料收集、运输，生物菌种的供应等，以保证生态厕所正常高效运行。可由政府资助相关组织对生态厕所进行维护。还应探讨其他辅助性的社会经济管理措施以及相关部门如环卫、城建、交通、卫生等部门的协调配合。6.5 加强资金投入 作为对湖泊氮磷最大来源的生活粪便污水中氮磷的脱除，生态厕所是快捷有效的途径。与建设污水处理厂相比