堆肥型生態廁所處理有機廢棄物的基礎實驗
摘要：堆肥型生態廁所具有節水、無異味、廢物資源化的特點，是有機廢棄物資源化的新技術。本文利用堆肥型生態廁所(Bio-toilet)，對人體排泄的有機廢棄物的資源化進行基礎實驗研究，四周的初始運行結果表明，堆肥型生態廁所對糞便降解率隨時間增加總體趨勢增高，在三周以后達到97%以上；對堆肥樣品的化學分析測試表明，C/N尚未達到肥料腐熟標準，但有機物、N、P含量較高，有利于將來作為農肥施用。
關鍵詞：堆肥型生態廁所；有機廢棄物；資源化；降解率
引言
人類生活中每天產生大量的有機垃圾，如人們每天產生的生活糞便、廚余等有機垃圾；農業生產中的農作物秸稈、菜根、菜葉；畜牧養殖業的畜禽糞便、墊草、剩余飼料；釀造業及食品工業廢棄物等等，這些有機廢棄物占用土地，污染環境，導致農業面源污染與水體富營養化，同時造成了資源的嚴重浪費。
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、劣勢，“填埋法”直接將廢物分解，占用土地、浪費能源；傳統的“堆肥法”處理時間長，衛生條件差，肥效低，成本高，不利于在城市或農村普及推廣；“焚燒法”有減量化的效益，兼有熱能回收的優點，但會造成二次污染，且不能實現資源的回收利用。
在我國，不同處理技術、各種類型的生態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境，但打包后的糞便沒有發生任何的降解反應，最終被送到垃圾填埋場，寶貴的資源沒有得到有效的利用，從嚴格的意義上說不能列入生態廁所的行列；“生物處理堆肥型”一般需要另外投入菌種，糞便發酵后成為可以利用的有機肥;“循環水沖型”利用糞便處理菌對糞便廢水進行處理,處理凈化后的水可用于再循環沖洗廁所，從而形成良性的循環系統，無臭味、無污染物排放，節約水資源，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廁所。本文利用堆肥型生態廁所(Bio-toilet)，對人體排泄的有機廢物進行初步實驗研究，以期實現這種有機廢棄物資源化新技術的應用與推廣。
1 實驗儀器
本實驗采用堆肥型生態廁所進行人體排泄物的污染控制技術與資源化研究。所用主要儀器為日本正和電工株式會社生產的S-15型生態廁所，結構如圖1所示。
 圖1 堆肥型生態廁所結構示意圖 |
主要參數：
外型尺寸：長×寬×高，1000mm×620mm×623 mm；重量，150kg；馬達功率，40w；電熱條功率，200w；電壓，AC 100V；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介質，通過適當攪拌使得排入的糞便與鋸木屑混合并在好氧條件下發生分解。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等營養鹽留在鋸木屑中，經過一段時間后將其取出就是干燥、清潔的優質有機肥料，可施用于農田，進行有機廢棄物的資源化循環利用。這一新型生態廁所的關鍵技術在于必須維持反應器中氧、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生好氧分解。小便中95%為水分，小便中的水分蒸發后，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生分解，其分解速度快，分解過程中不發生臭味。最終的產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；數字式單探頭溫度儀表；電子計數秤(TB-MKC-300)，最大量程300kg，精度值：20g
2 實驗方法
2004年5月24日-6月20日，在南京大學內，采用堆肥型生態廁所S-15，進行室內溫度、濕度測試，反應器溫度測試，有機廢棄物降解率測試與樣品化學分析測試。
2.1 室內溫度、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 反應器溫度測試
在廁所反應器內確定六個分布均勻的點，用溫度計測試內部溫度，取平均值為反應器的平均溫度。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，并進行統計分析。
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)/Wi
2.4 樣品化學分析測試
按照廁所標記的六個分布均勻的點，每攪拌一次，取一次樣。按開關RUN，使反應器攪拌三次，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 結果與討論
3.1 室內溫、濕度條件統計
廁所的實驗室內條件是：溫度，17.6-34.5℃，濕度，23.8%-70% 。如圖2，圖3所示。總體來說，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溫度所有點的84.2%,濕度在45%以上的占測得室內濕度所有點的72.7%。
3.2 反應器溫度條件統計
 圖2 室內溫度統計 圖3室內濕度統計 |
日本北海道大學環境工程系的Sonoko Nakta等以大腸桿菌存活量為指標對抑制病原菌生長的因素進行了實驗，發現溫度與病原菌濃度存在一定關系，45℃以上的高溫能明顯抑制或消滅病原菌。[7]經實際測驗，如圖所示，反應器溫度的平均值保持在39.1-51.8℃之間，45℃以上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。
 圖4 BT反應器內溫度統計 |
3.3 有機廢棄物降解效率統計
每天記錄使用人次與有機廢物投入量，并進行統計分析,結果如表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計 |
對堆肥型生態廁所對有機廢物的降解效率進行統計，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。這可能是因為本次實驗運行期間尿液(含水)的比例較高，蒸發比例較大。
 圖5 有機廢物的降解效率 |
3.4 樣品分析測試
堆肥型生態廁所完全不需用水，最終產出的是干燥、清潔的肥料。按照有機肥料的標準進行檢測，并與日本Tadaharu Ishikawa等用堆肥型生態廁所所作的實驗產出肥料[8]進行比較，結果如表2所示。
在7周的運行時間內，Tadaharu Ishikawa等將糞便尿液和廚房有機垃圾同時投入反應器，人體排泄物2kg/天，廚房垃圾0.4kg/天。由于食物構成不同，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，尿液中N的含量很高。
C/N是最常用于評價腐熟度的參數。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C/N分別為34.63，28.50，均未到達腐熟的狀態。以C/N分析，在四周內，本實驗未能使微生物達到良好狀態。但四周時間內累積的有機物、N、P含量較高，預計隨著時間增加，將會很快達到腐熟狀態，有利于將來作為農肥施用。
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表2 堆肥型生態廁所樣品分析測試結果
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4．結論
堆肥型生態廁所是有效的有機廢物處理有效、實用的新技術。經實驗證明，反應器內部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未到達腐熟的狀態, C/N為34.63。但本實驗堆肥樣品的有機物、N、P含量較高，預計隨著時間增加，將很快達到腐熟狀態，有利于將來作為農肥施用。
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果尚需詳細統計分析；實際運用過程中的節能方式、對范圍更廣的有機廢棄物的處理效果等需進一步研究；與該技術配套的收集與管理措施，規劃等尚需深入調查與分析。
參考文獻
[1] 鈴木胖，《循環工程學》，日本，能量與資源學會出版，1992：25.
[2] Tatsuo O., Emerlinda R. R., Metro Manila in Search of a Sustainable Future. Philippines: University of the Philippines Press, 2000.
[3] 城市垃圾處理技術及應用前景. 吳洪均. 環境保護，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. 電力環境保護，2003,19(1): 46-48.
[5] 杜兵,司亞安,孫艷玲.生態廁所的類型及糞污處理工藝.給水排水，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] 鄭健雄，蔡宜峰，張惠真. 農村社區家庭垃圾堆肥化的規劃與處理技術.
[10] 李承強，魏源送，樊耀波等. 堆肥腐熟度的研究進展. 環境科學進展，1999,7(6)：1-12.
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