農村生態廁所類型分析及其應用研究
——以陜西省銅川市戶廁為例

宋曉喬，宋少花，周 濤，王衛國，呂毛毛，馮宇航，許雅雯

(西安建筑科技大學華清學院，陜西 西安 710043)

廁所是人類文明并不可缺少的一部分。農村基礎設施建設較為簡陋，且農村廁所大多以旱廁為主，糞便難以做到無害化處理。全國陸續開展農村廁所革命，而改造的核心是處理技術及使用推廣。以農村戶廁改造技術需求為導向，以編制綜合規劃改造方案為理念，提出了一套將廁所改造與農村環境生態化建設有機地結合起來的創新理念，結合陜西省銅川市的當地特點，研究新型廁所技術，從使用時長、資源節約以及設備裝置等方面進行研究，致力于打造真正適應農村經濟發展的生態環保廁所。

1 各環境因素對不同基質的影響分析

表1 不同基質各因素對比一覽表

查閱大量的文獻[1-5]，總結了各環境因素對不同基質的影響，見表1。

根據表1可以得出，除了玉米秸稈實驗裝置中采用了預加熱，反應溫度較高外，其他各基質的反應溫度均控制在40～60 ℃左右。因此確定裝置內最佳溫度控制在40～60 ℃。

人類糞便中大多數微生物宜在弱堿性和中性條件(pH值為6～8)下生存，pH值較高，NH4+離子易揮發，最終會導致堆肥后氮含量減少，而pH值在8～9的氮肥使用效果一般較好。綜合考慮，確定反應的最佳pH值在8～9之間。

各基質在反應中的含水率變化均在40%～60%左右，處理效果較好。因此，確定最佳含水率控制在40%～60%范圍內。

生態廁所的有機物降解過程是利用微生物分解和轉化糞便中的可降解的有機物質產生的CO2、水的過程。因此，好氧堆肥效果體現有機物的降解率的多少上。從表1中可以得出，純豆秸稈基質對于有機物的去除率最高，為78%，純大豆秸稈和木屑混合物基質的降解率為71%，與前者相差甚微，而稻殼基質降解率較差，為62%。前兩種基質降解率相差不大，故在反應中都可以應用，而純大豆秸稈堆肥效果較差；尿液和基質的水分對臭味的產生都有影響，大豆秸稈基質會產生部分臭味，而稻殼基質的臭味更加強烈。據晏海峰等人[2]在研究中表示10g的大豆秸稈和木屑的混合物基質能夠有效地消除20 g尿液產生的臭味，當大豆秸桿和木屑混合物基質含水率在70%以下時不會產生異味，因此其可以作為一種較為良好的基質；木屑的反應周期最長可達6個月，大豆秸桿與木屑的混合基質反應周期是19天，其余各基質的反應周期均在19～30天。單獨用木屑作為基質可減少對基質的更換次數，但是其去除率較大豆秸桿與木屑的混合基質去除率低。綜合考慮，選用大豆秸稈與木屑的混合基質。

豆秸稈和木屑的混合基質及玉米秸稈基質的堆肥效果顯著，因為其本身N、P、K含量較高，故堆肥后的營養物質含量較為豐富。

結合對溫度、pH值、含水率及反應前后的有機物含量等多重因素對比，豆秸桿與木屑的混合基質的綜合反應效果較好，易于到達最佳反應條件，并且大豆秸稈和木屑的混合物基質含水率在70%以下時，不會產生異味，而其他基質會產生甚微臭味，但好氧堆肥會去除大量的有機物，在安裝通氣管和排氣扇的情況下，最終的除臭效果依然顯著。

2 裝置設計

在結合多重反應裝置以及基質的對比分析下，最終采用了日本的S-15型生態廁所(見圖1)，在以S-15的模型為基礎上設計了雙螺旋攪拌器和用易拉罐改造的太陽能空氣加熱器，能極大降低裝置的造價成本，也能提升裝置的堆肥效果，可以推廣至廣大農村投入使用。

圖1 實驗裝置采用S-15型生態廁所

2.1 組合裝置分析

查閱大量相關文獻[6-10]，以及通過對市面上所能查閱到的多種生態廁所處理方式的處理裝置進行一定的歸納整理(如表2所示)，其中包括：霧化處理式、空氣沖洗式、臥式滾筒好氧堆肥反應器、烘干機的無水式以及風能無水式。

在旱廁中，通過蹲廁的設計將干濕分開收集，滾筒好氧堆肥反應器的反應較好，將干濕分離和滾筒攪拌相結合，在集糞池中利用手工代替電機攪拌，進而節約安裝及使用成本。

表2 不同組合裝置對比一覽表

由表2可以看出，經過改進后的裝置都更先進，具有結構簡單、使用方便和易于推廣等特點。霧化處理式需要水，暫不考慮，后面5種都不需要水，符合本次設計的要求。在旱廁中，滾筒好氧堆肥反應器的反應較好，將干濕分離和滾筒攪拌相結合，不排放污染物，無臭味，就地處理效果好，安裝及使用成本中等，相對其他幾種，價格便宜，可接受。故最終選擇臥式滾筒好氧堆肥反應器。

2.2 實驗裝置改造創新

2.2.1 雙轉軸攪拌器

裝置采用同軸內外兩側式(見圖2)，外側旋轉攪拌使兩側壁上糞便輸送至中間，內側旋轉軸攪拌使混合物更加均勻，內外兩攪拌軸采用逆反方向旋轉，可以極大地提升攪拌效果。

圖2 反向式雙軸攪拌器

2.2.2 太陽能空氣加熱器

太陽能空氣加熱器的吸熱裝置是生活中極為常見的空易拉罐，當易拉罐的表面噴上黑漆之后，便可在太陽光的照射下加熱空罐中的空氣，通過熱空氣的流動可以加熱與之相連的S-15中的反應裝置(見圖3)，為微生物的好氧堆肥反應創下有利條件。

圖3 太陽能空氣加熱器原理

2.2.3 實驗測定過程

圖4 太陽能空氣加熱器內溫度讀數

環境溫度25 ℃的條件下，4×4的太陽能空氣加熱器能使箱體升溫至54 ℃,能達到各種反應基質的初始溫度要求(見圖4～圖5)，故在春夏秋季節里可以滿足反應裝置對于溫度的要求，由于時間問題，冬天的使用情況并不明確，所以接下來會進一步驗證。

裝置所采用的安裝材料方便獲取，價格低廉，組裝簡單，可以在節省大量成本的情況下實現反應裝置的正常運行，而且還可以變廢為寶。

3 結論

生態廁所裝置內用大豆秸稈和木屑混合物基質，其最佳溫度控制在40～60 ℃，反應的最佳pH值在8～9之間，最佳含水率控制在40%～60%范圍內，最終降解率可達71%。

a.易拉罐改造前 b.易拉罐改造后

圖5 易拉罐模擬太陽能加熱器

裝置采用同軸內外兩側式，且內外兩攪拌軸采用逆反方向旋轉，增大攪拌，提高處理效果。利用自制易拉罐太陽能板裝置的一種新型清潔能源，降低成本，節省農村用電。這種無水生態戶廁可以節能減排的作用，具有一定的推廣價值。