堆肥型生態(tài)廁所處理有機廢棄物的基礎(chǔ)實驗

堆肥型生態(tài)廁所處理有機廢棄物的基礎(chǔ)實驗摘要：堆肥型生態(tài)廁所具有節(jié)水、無異味、廢物資源化的特點，是有機廢棄物資源化的新技術(shù)。本文利用堆肥型生態(tài)廁所（Bio-toilet），對人體排泄的有機廢棄物的資源化進(jìn)行基礎(chǔ)實驗研究，四周的初始運行結(jié)果表明，堆肥型生態(tài)廁所對糞便降解率隨時間增加總體趨勢增高，在三周以后達(dá)到97%以上；對堆肥樣品的化學(xué)分析測試表明，C/N尚未達(dá)到肥料腐熟標(biāo)準(zhǔn)，但有機物、N、P含量較高，有利于將來作為農(nóng)肥施用。關(guān)鍵詞：堆肥型生態(tài)廁所；有機廢棄物；資源化；降解率ABasicStudyonRecycleofOrganicWastebyComposting-typeBio-toiletAbstract:Abasicstudyofrecycleoforganicwasteofhumanbeingisshowninthispaperbyusingcomposting-typeBio-toilet.Composting-typeBio-toiletisanewtechnologyandhastheadvantagesofwater-free,goododorandrecycleofwaste.Theresultsin4weeksindicatedthatthedegradationratewasincreasingwithdegradationtime,anddegradationratewasbeyond97%after3weeks.C/Nhasnotreachedthestandardofmaturity,however,thecontentoforganicmatter，NandPiscomparativelyhigh,whichcanbeafuturefertilizerinfarmland.Keywords:composting-typeBio-toilet;organicwaste;recycle;degradationrate引言人類生活中每天產(chǎn)生大量的有機垃圾，如人們每天產(chǎn)生的生活糞便、廚余等有機垃圾；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的農(nóng)作物秸稈、菜根、菜葉；畜牧養(yǎng)殖業(yè)的畜禽糞便、墊草、剩余飼料；釀造業(yè)及食品工業(yè)廢棄物等等，這些有機廢棄物占用土地，污染環(huán)境，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染與水體富營養(yǎng)化，同時造成了資源的嚴(yán)重浪費。各國有機垃圾占生活垃圾的比重為：東京，29%[1]；馬尼拉，50%[2]；中國香港，32%[1]。隨著我國城市居民生活水平的提高,垃圾增長速度加快,有機垃圾占生活垃圾的比重約為30-50%。目前垃圾處理的傳統(tǒng)方法[3][4]主要有：填埋法，焚燒法，堆肥法等。這些處理方法各有優(yōu)、劣勢，“填埋法”直接將廢物分解，占用土地、浪費能源；傳統(tǒng)的“堆肥法”處理時間長，衛(wèi)生條件差，肥效低，成本高，不利于在城市或農(nóng)村普及推廣；“焚燒法”有減量化的效益，兼有熱能回收的優(yōu)點，但會造成二次污染，且不能實現(xiàn)資源的回收利用。有機廢棄物是一種錯置的資源，本身含有大量的有機與營養(yǎng)物質(zhì)，資源化的潛力巨大。目前，生態(tài)廁所作為廢棄物資源化的新技術(shù)的已經(jīng)被研究并使用。所謂生態(tài)廁所是以減少水消耗為特點，以將廢物轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫馁Y源、對環(huán)境不造成污染為特征，并且無臭，安全衛(wèi)生的廁所。生態(tài)廁所具有廣泛的環(huán)境效益與社會效益、甚至經(jīng)濟效益。美國國家環(huán)保局早在80年代就支持和建立了一批帶有堆肥功能的廁所，并在相關(guān)法律中增加了支持和鼓勵生態(tài)衛(wèi)生排水系統(tǒng)發(fā)展的內(nèi)容。歐洲近年來研究開發(fā)了一種非混合型的分離式廁所，即將尿液貯存后用作農(nóng)肥，糞便作堆肥處理。日本也研制出堆肥型生態(tài)廁所，無需用水，無味，無須投入菌種，廚余和糞便經(jīng)好氧發(fā)酵后可以作為優(yōu)質(zhì)的有機肥使用。在我國，不同處理技術(shù)、各種類型的生態(tài)廁所已在各地開始使用。主要類型有無水打包型、生物處理制肥型、循環(huán)水沖型[5]，“無水打包型”的特點是將排泄物打包、密封，防止臭味外泄。廁所本身不污染周圍環(huán)境，但打包后的糞便沒有發(fā)生任何的降解反應(yīng)，最終被送到垃圾填埋場，寶貴的資源沒有得到有效的利用，從嚴(yán)格的意義上說不能列入生態(tài)廁所的行列；“生物處理堆肥型”一般需要另外投入菌種，糞便發(fā)酵后成為可以利用的有機肥;“循環(huán)水沖型”利用糞便處理菌對糞便廢水進(jìn)行處理,處理凈化后的水可用于再循環(huán)沖洗廁所，從而形成良性的循環(huán)系統(tǒng)，無臭味、無污染物排放，節(jié)約水資源，其不足之處是存在如何有效利用污泥、以及如何降低能源消耗和降低處理成本等幾方面的問題。綜合來看，堆肥型生態(tài)廁所符合免水、無異味、廢物資源化的特點，是真正意義上的生態(tài)廁所。本文利用堆肥型生態(tài)廁所（Bio-toilet），對人體排泄的有機廢物進(jìn)行初步實驗研究，以期實現(xiàn)這種有機廢棄物資源化新技術(shù)的應(yīng)用與推廣。實驗儀器本實驗采用堆肥型生態(tài)廁所進(jìn)行人體排泄物的污染控制技術(shù)與資源化研究。所用主要儀器為日本正和電工株式會社生產(chǎn)的S-15型生態(tài)廁所，結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要參數(shù)：外型尺寸：長×寬×高，1000mm×620mm×623mm；重量，150kg；馬達(dá)功率，40w；電熱條功率，200w；電壓，AC100V；鋸木屑，0.15m3；最多使用人次，約16-20人次/天。工作原理：在便座下的不銹鋼盒子中裝入適量的鋸木屑為反應(yīng)介質(zhì)，通過適當(dāng)攪拌使得排入的糞便與鋸木屑混合并在好氧條件下發(fā)生分解。同時用電熱條控制其中的溫度均衡并高于大氣溫度，使得小便中的水分以及糞便分解過程中產(chǎn)生的水和二氧化碳通過排氣扇排入大氣。糞便中的N、P等營養(yǎng)鹽留在鋸木屑中，經(jīng)過一段時間后將其取出就是干燥、清潔的優(yōu)質(zhì)有機肥料，可施用于農(nóng)田，進(jìn)行有機廢棄物的資源化循環(huán)利用。這一新型生態(tài)廁所的關(guān)鍵技術(shù)在于必須維持反應(yīng)器中氧、水分和溫度三者的平衡，使得排入其中的糞便和廚房有機垃圾發(fā)生好氧分解。小便中95%為水分，小便中的水分蒸發(fā)后，糞便的體積大大減少。鋸木屑的高孔隙率使得糞便在好氧條件下發(fā)生分解，其分解速度快，分解過程中不發(fā)生臭味。最終的產(chǎn)物從某種意義上講是被濃縮的、性狀安定的、易于使用的有機肥料。[6]其它實驗儀器有：溫濕度計；數(shù)字式單探頭溫度儀表；電子計數(shù)秤（TB-MKC-300），最大量程300kg，精度值：20g圖1堆肥型生態(tài)廁所結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Structureofcomposting-typeBio-toilet2實驗方法2004年5月24日-6月20日，在南京大學(xué)內(nèi)，采用堆肥型生態(tài)廁所S-15，進(jìn)行室內(nèi)溫度、濕度測試，反應(yīng)器溫度測試，有機廢棄物降解率測試與樣品化學(xué)分析測試。2.1室內(nèi)溫度、濕度條件測試每天上午（7.00-10.00）、中午（13.00-14.30）、下午（16.00-18.30）記錄溫度、濕度。2.2反應(yīng)器溫度測試在廁所反應(yīng)器內(nèi)確定六個分布均勻的點，用溫度計測試內(nèi)部溫度，取平均值為反應(yīng)器的平均溫度。每天上午、中午、下午測試，記錄。2.3有機廢棄物降解率測試每天記錄使用人次與有機廢物投入量，并進(jìn)行統(tǒng)計分析。投入有機廢棄物的重量Ｗi：使用電子秤測量投入有機廢棄物的重量。使用者每次使用廁所前后稱量體重，體重變化的差值⊿Ｗi為投入有機廢棄物的重量。實際增加的廢棄物總重量Ｗs：每周稱量廁所投入有機廢棄物前后的重量,其差值為經(jīng)降解后實際增加的的有機廢棄物重量。有機廢棄物降解率r＝（Ｗi—Ｗs）／Ｗi2.4樣品化學(xué)分析測試按照廁所標(biāo)記的六個分布均勻的點，每攪拌一次，取一次樣。按開關(guān)RUN，使反應(yīng)器攪拌三次，分別用固定的容器取三次，共18個點。然后混勻，取80g左右樣品測試。3結(jié)果與討論3.1室內(nèi)溫、濕度條件統(tǒng)計℃，濕度，23.8%-70%。如圖2，圖3所示?？傮w來說，上午溫度低于中午和下午，但濕度比中午和下午高。中午和下午的溫、濕度差別不大。25℃以上的溫度占測得室內(nèi)溫度所有點的84.2%,濕度在45%以上的占測得室內(nèi)濕度所有點的72.7%。圖2室內(nèi)溫度統(tǒng)計圖2室內(nèi)溫度統(tǒng)計Fig.2Housetemperature圖3室內(nèi)濕度統(tǒng)計Fig.3Househumidity3.2反應(yīng)器溫度條件統(tǒng)計圖4BT反應(yīng)器內(nèi)溫度統(tǒng)計Fig.4TemperatureinreactorofBT日本北海道大學(xué)環(huán)境工程系的SonokoNakta等以大腸桿菌存活量為指標(biāo)對抑制病原菌生長的因素進(jìn)行了實驗，發(fā)現(xiàn)溫度與病原菌濃度存在一定關(guān)系，45℃以上的高溫能明顯抑制或消滅病原菌。[7]℃之間，45℃圖4BT反應(yīng)器內(nèi)溫度統(tǒng)計Fig.4TemperatureinreactorofBT3.3有機廢棄物降解效率統(tǒng)計每天記錄使用人次與有機廢物投入量，并進(jìn)行統(tǒng)計分析,結(jié)果如表1所示。大便和小便的頻次比為12：83=1:6.9。小便投入量較多。表1實驗期間使用人次與有機廢物投入量統(tǒng)計Tab.1Frequencyofusersandweightoforganicwaste使用人次(次)排泄物重量（kgg）大便小便總計大便小便總計第1周01100.160.16第2周441451.829.2811.1第3周526311.565.987.54第4周316190.983.564.54總計1283954.3618.9823.34圖5有機廢物的降解效率Fig.5Degradationrateoforganicwaste圖5有機廢物的降解效率Fig.5Degradationrateoforganicwaste對堆肥型生態(tài)廁所對有機廢物的降解效率進(jìn)行統(tǒng)計，如圖5所示。實驗開始，為保持濕度，加入10.45kg水，以保持一定的濕度。由圖可見，堆肥型生態(tài)廁所對有機廢物的降解效率非常高，四周的降解率依次為76.53%，82.91%，97.85%，97.37%，降解率在第三周之后平穩(wěn)。這可能是因為本次實驗運行期間尿液（含水）的比例較高，蒸發(fā)比例較大。3.4樣品分析測試堆肥型生態(tài)廁所完全不需用水，最終產(chǎn)出的是干燥、清潔的肥料。按照有機肥料的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，并與日本TadaharuIshikawa等用堆肥型生態(tài)廁所所作的實驗產(chǎn)出肥料[8]進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。在7周的運行時間內(nèi)，TadaharuIshikawa等將糞便尿液和廚房有機垃圾同時投入反應(yīng)器，人體排泄物2kg/天，廚房垃圾0.4kg/天。由于食物構(gòu)成不同，投入量多，時間長等原因，和本實驗堆肥樣品相比較，有機物和各種元素含量均較高，尤其是P、K含量高，原因可能是廚房垃圾中P、K含量高。C、N含量接近，可能是因為均以木屑為基質(zhì)，尿液中N的含量很高。C/N是最常用于評價腐熟度的參數(shù)。適合于微生物作用的有機物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]本實驗堆肥樣品與日方樣品在四周、七周時間范圍內(nèi)C/N分別為34.63，28.50，均未到達(dá)腐熟的狀態(tài)。以C/N分析，在四周內(nèi)，本實驗未能使微生物達(dá)到良好狀態(tài)。但四周時間內(nèi)累積的有機物、N、P含量較高，預(yù)計隨著時間增加，將會很快達(dá)到腐熟狀態(tài)，有利于將來作為農(nóng)肥施用。表2堆肥型生態(tài)廁所樣品分析測試結(jié)果Tab.2Determinationandanalysisofcomposting-typeBio-toiletsample本實驗堆肥樣品測測試結(jié)果*TadaharuuIshiikawa等等測試結(jié)果N（%）1.211.514P（P2O5）（%）1.033.704k（K2O）（%）0.3015.055C（%）41.9043.146有機物（%）95.23--C/N34.6328．50*本實驗檢測依據(jù)：NY/T304-95，JY/T02023-96，JY/T017-964．結(jié)論堆肥型生態(tài)廁所是有效的有機廢物處理有效、實用的新技術(shù)。經(jīng)實驗證明，反應(yīng)器內(nèi)部45℃以上的溫度值占所有測量點溫度平均值的78.5%，這對病原菌的抑制非常有利。BT對有機廢物的降解效率隨時間增加總體趨勢增高，在三周以后達(dá)到97%以上，四周對人體排泄物的降解率依次為76.53%，82.91%，97.85%，97.37%。雖然在四周的時間范圍內(nèi)未到達(dá)腐熟的狀態(tài),C/N為34.63。但本實驗堆肥樣品的有機物、N、P含量較高，預(yù)計隨著時間增加，將很快達(dá)到腐熟狀態(tài)，有利于將來作為農(nóng)肥施用。由于時間所限，僅針對人體排泄物——糞便與尿液，對四周的廢棄物處理情況作以說明。更長期的實驗累計結(jié)果尚需詳細(xì)統(tǒng)計分析；實際運用過程中的節(jié)能方式、對范圍更廣的有機廢棄物的處理效果等需進(jìn)一步研究；與該技術(shù)配套的收集與管理措施，規(guī)劃等尚需深入調(diào)查與分析。參考文獻(xiàn)[1]鈴木胖，《循環(huán)工程學(xué)》，日本，能量與資源學(xué)會出版，1992：25.[2]TatsuoO.,EmerlindaR.R.,MetroManilainSearchofaSustainableFuture.Philippines:UniversityofthePhilippinesPress,2000.[3]城市垃圾處理技術(shù)及應(yīng)用前景.吳洪均.環(huán)境保護，2000年12月:14-16.[4]城市垃圾處理方法綜述.王豐春，田新珊，蔡廣宇.電力環(huán)境保護，2003,19(1):46-48.[5]杜兵,司亞安,孫艷玲.生態(tài)廁所的類型及糞污處理工藝.給水排水，2003,29（5）:60-62.[6]IshikawaT.,UshijimaK.,ShinozawaK.,etal..APreliminaryStudyforImprovementofWaterEnvironmentinMetroManilabyOn-siteTreatmentofOrganicWaste.ProceedingsofTheInternationalSymposiumonBiomassWasteTreatmentUsingSawdusta