農(nóng)村廁所糞污再生肥便捷化還田施用技術(shù)裝備

陳月鋒， 董世平， 黃允魁， 高 威， 李君曉， 李保明

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100083； 2. 現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司，北京 100083）

0 引言

農(nóng)村“廁所革命”是我國(guó)當(dāng)前一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略部署，是農(nóng)村人居環(huán)境整治的重要工作任務(wù)。自2018 年農(nóng)村人居環(huán)境整治3 年行動(dòng)實(shí)施以來(lái)，全國(guó)各地區(qū)全面扎實(shí)推進(jìn)農(nóng)村人居環(huán)境整治，村莊環(huán)境基本實(shí)現(xiàn)干凈整潔有序，農(nóng)民群眾環(huán)境衛(wèi)生觀念發(fā)生可喜變化，生活質(zhì)量普遍提高，為全面建成小康社會(huì)提供了有力支撐。2021 年12 月，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《農(nóng)村人居環(huán)境整治提升五年行動(dòng)方案（2021－2025 年）》，指出加強(qiáng)廁所糞污無(wú)害化處理與資源化利用，積極推進(jìn)農(nóng)村廁所糞污資源化利用，統(tǒng)籌使用畜禽糞污資源化利用設(shè)施設(shè)備，逐步推動(dòng)廁所糞污就地就農(nóng)消納、綜合利用。盡管我國(guó)農(nóng)村廁所革命已取得成效，但仍存在技術(shù)支撐不到位、對(duì)糞便資源化利用重視不夠、傳統(tǒng)水沖廁所不能滿(mǎn)足不同地區(qū)實(shí)際需求等問(wèn)題[1]。

2020 年，由清華大學(xué)牽頭，聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心、中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司、上海華杰生態(tài)環(huán)境工程有限公司等10 家單位共同承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“農(nóng)村人居環(huán)境整治技術(shù)研究與集成創(chuàng)新”項(xiàng)目。項(xiàng)目圍繞農(nóng)村人居環(huán)境整治關(guān)鍵技術(shù)難題，以“高效資源化”為核心，針對(duì)不同地區(qū)，開(kāi)展多種模式農(nóng)村廁所糞污等資源化利用集成方案研究與示范應(yīng)用。本研究圍繞農(nóng)村三格化糞池廁所糞污無(wú)害化處理后的小規(guī)模再生肥資源化利用，開(kāi)展便捷化施用技術(shù)與設(shè)備研究。

1 農(nóng)村廁所糞污資源化利用價(jià)值

劉銘輝[2]認(rèn)為糞液雖然達(dá)不到液體肥料的技術(shù)指標(biāo)，但化糞池糞渣中含有豐富的氮、磷、鉀和大量有機(jī)質(zhì)，可為農(nóng)作物施肥。趙暢[3]認(rèn)為尿液氮素含量多，肥效迅速，可作為速效氮肥施用，常用作農(nóng)作物追肥、跟外追肥和優(yōu)質(zhì)浸種液使用，液態(tài)糞肥養(yǎng)分全面，肥效釋放快速，可看作速效氮肥，作為追肥施用。柳博[4]發(fā)現(xiàn)施用糞污可提高種植空心菜的灰鈣土脲酶活性（SUE），降低種植小白菜的潮土中細(xì)菌群落多樣性和豐富度（P<0.05），提高灰鈣土與潮土上種植的蔬菜產(chǎn)量，提高灰鈣土上種植的小白菜可溶性糖含量，降低潮土上種植的小白菜可溶性糖含量，提高灰鈣土上種植的小白菜維生素C 含量（P<0.05）等。宋洪鋒等[5]認(rèn)為農(nóng)村廁所糞污具有較高的肥料化利用價(jià)值，糞污合理發(fā)酵施用于土壤，有利于改善土壤肥效、提高作物品質(zhì)、改良土壤性質(zhì)等。實(shí)施農(nóng)村廁所糞污資源化利用，采用低成本的處理和還田技術(shù)，發(fā)揮廁所糞污的肥料化價(jià)值，實(shí)現(xiàn)改善人居環(huán)境，養(yǎng)分循環(huán)、改良土壤，提高作物品質(zhì)等綜合效應(yīng)。

2 農(nóng)村廁所糞污資源化利用存在的問(wèn)題

人們很早就認(rèn)識(shí)到糞尿的肥料價(jià)值，并建立了具有悠久歷史的以糞肥回用為主的傳統(tǒng)田園循環(huán)模式。隨著社會(huì)發(fā)展，傳統(tǒng)田園循環(huán)模式難以滿(mǎn)足衛(wèi)生性、舒適性和便利性，尤其是便利性要求，而傳統(tǒng)的人工清掏、搬運(yùn)方式因存在對(duì)人體健康的潛在影響和不舒適感而逐漸被中青年人所嫌棄[6]。當(dāng)前我國(guó)農(nóng)村采用三格化糞池廁所方式進(jìn)行改廁和糞污治理，其出發(fā)點(diǎn)是既要改善農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生水平，又要規(guī)避農(nóng)村生活糞污收集與處理的高昂成本。三格化糞池因不消耗動(dòng)力、無(wú)害化程度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于啟動(dòng)和管理、處理效果好、造價(jià)相對(duì)完整下水道水沖式廁所低，在我國(guó)農(nóng)村得到了廣泛應(yīng)用[7]。截至2017 年，三格化糞池廁所的數(shù)量超過(guò)8 000 萬(wàn)個(gè)[8]。但在當(dāng)前政策高壓狀態(tài)下，地方政府將“廁所革命”重點(diǎn)放在“改”上，一味強(qiáng)調(diào)衛(wèi)生廁所數(shù)量及衛(wèi)生廁所普及率，忽視廁所糞污的“治”。任麗華等[9]調(diào)研發(fā)現(xiàn)，三格化糞池?cái)?shù)量所占比例為94.18%，而在化糞池出口的排放方式中，僅約50%納入污水管道，其余則直接滲入土壤或排放入水體，同時(shí)僅有36.5%的農(nóng)戶(hù)使用化糞池第3 格出水作為液肥。因此，當(dāng)前我國(guó)農(nóng)村廁所糞污實(shí)際上并未得到低成本、便捷化的資源化循環(huán)利用。

3 農(nóng)村廁所糞污資源化利用對(duì)策與思路

農(nóng)村廁所糞污資源化道路是農(nóng)村廁所糞污治理的必由之路，應(yīng)積極探索適應(yīng)不同地區(qū)的糞污資源化利用模式，加快糞污資源化利用技術(shù)的攻關(guān)和綜合模式示范。通常所說(shuō)的農(nóng)村廁所糞污資源化道路有2 種路徑：一種是“水沖廁所+化糞池+污水處理”模式，化糞池作為污水預(yù)處理措施；另一種是“廁所+化糞池+糞污利用”模式，廁所污水進(jìn)入化糞池后，腐熟的糞液和清掏的糞渣以農(nóng)田施肥為主[10]。按照現(xiàn)代生活文明和生產(chǎn)文明的標(biāo)準(zhǔn)，并從降低資源回用成本的角度，化糞池糞水應(yīng)就近施用于農(nóng)田，減少不必要的長(zhǎng)途輸送和額外產(chǎn)生的處理需求。因此，采用適合我國(guó)農(nóng)村的小型便捷機(jī)械化、自動(dòng)化處理方式實(shí)現(xiàn)廁所糞污、糞水就地或就近還田和灌溉農(nóng)作物是當(dāng)前我國(guó)農(nóng)村廁所糞污治理的“現(xiàn)代田園循環(huán)”模式的發(fā)展方向。

農(nóng)村廁所糞污在三格化糞池經(jīng)過(guò)足夠的水力停留時(shí)間之后，多數(shù)糞污轉(zhuǎn)化為液體，分為兩層，上層是清液，雜質(zhì)較少，為細(xì)微顆粒物，主要是溶解性的氮、磷、鉀等作物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定，上層的液態(tài)再生肥經(jīng)過(guò)稀釋后可直接就近對(duì)菜地、果園、農(nóng)田進(jìn)行還田施用，可采用改進(jìn)的水肥一體化設(shè)施進(jìn)行就近自動(dòng)還田利用。本研究任務(wù)建設(shè)示范點(diǎn)所在地為江蘇如皋縣，該地農(nóng)村水系相對(duì)發(fā)達(dá)，農(nóng)戶(hù)門(mén)前屋后農(nóng)田灌溉渠、河道水資源相對(duì)較多，也為三格化糞池再生肥便捷化還田施用提供了便利條件。下層為難分解的高固形物固態(tài)渣肥，呈漿狀，具有流動(dòng)性，需要定期清掏。池底形成的高固形物固態(tài)渣肥可作為土壤改良劑或底肥施用，可以通過(guò)固態(tài)再生肥小型便捷化設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)清掏和就近轉(zhuǎn)運(yùn)施肥還田利用。

4 液態(tài)再生肥便捷化施肥系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

三格化糞池上層液體再生肥肥料雜質(zhì)較少，經(jīng)過(guò)過(guò)濾和一定比例的稀釋后即可達(dá)到系統(tǒng)還田施用要求。同時(shí)，為了滿(mǎn)足作物對(duì)水肥的施用需求，通過(guò)設(shè)計(jì)自動(dòng)化液態(tài)肥施肥系統(tǒng)方案，滿(mǎn)足液態(tài)再生肥和水溶性化肥自動(dòng)配比等自動(dòng)化、便捷化施用要求。

液態(tài)再生肥便捷化施肥技術(shù)可借助壓力系統(tǒng)，將液體再生肥按土壤養(yǎng)分含量和作物種類(lèi)的需肥規(guī)律和特點(diǎn)，或添加可溶性化肥配兌成的肥液，一定比例的灌溉水稀釋?zhuān)ㄟ^(guò)可控管道系統(tǒng)供水、供肥，使水肥相融后，通過(guò)管道、噴槍或噴頭形成噴灌或者滴灌，均勻、定時(shí)、定量地噴灑在作物發(fā)育生長(zhǎng)區(qū)域，使主要發(fā)育生長(zhǎng)區(qū)域土壤始終保持疏松和適宜的含水量，同時(shí)根據(jù)不同作物的需肥特點(diǎn)，土壤環(huán)境和養(yǎng)分含量狀況，進(jìn)行需求設(shè)計(jì)，把水分、養(yǎng)分定時(shí)定量按比例直接提供給作物。通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化水肥配施技術(shù)參數(shù)，集成監(jiān)測(cè)、投配、施用及預(yù)警功能于一體的自動(dòng)化再生肥施用技術(shù)與系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 液態(tài)再生肥便捷化施肥系統(tǒng)Fig. 1 Convenient fertilization system of liquid regenerated fertilizer

4.1 過(guò)濾系統(tǒng)

基于液態(tài)再生肥中雜質(zhì)的類(lèi)型、密度和田間灌水器的抗堵能力，可選擇不同的過(guò)濾設(shè)備進(jìn)行搭配組合。常見(jiàn)的過(guò)濾設(shè)備有離心過(guò)濾器、砂石過(guò)濾器、疊片過(guò)濾器和網(wǎng)式過(guò)濾器，不同的過(guò)濾器在沉積雜質(zhì)的容量、反沖洗效率、維護(hù)方便性等方面各有優(yōu)劣，可根據(jù)實(shí)際情況及預(yù)算限制來(lái)進(jìn)行合理配置。

離心過(guò)濾器是根據(jù)離心沉降和密度差的原理，當(dāng)水流在一定的壓力下，從除砂器進(jìn)口以切向進(jìn)入設(shè)備后，產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于砂水密度不同，在離心力、向心浮力、流體曳力的作用下因受力不同，從而使密度低的清水上升，由溢流口排出，密度大的砂由底部排砂口排出，從而達(dá)到除砂的目的。在一定范圍和條件下，除砂器進(jìn)水壓力越大，除砂率越高，并可多臺(tái)并聯(lián)使用，適用于蔬菜、果樹(shù)、溫室、花卉、茶園、綠地及大田各類(lèi)農(nóng)作物的灌溉。

砂石過(guò)濾器利用砂作為過(guò)濾介質(zhì)，由進(jìn)水口、出水口、過(guò)濾罐體、砂床和排污孔等部分組成。砂石過(guò)濾器需要定期進(jìn)行反沖洗，雙罐或多罐砂石過(guò)濾器在反沖洗過(guò)程中也能同時(shí)向系統(tǒng)供水。砂石過(guò)濾器既可過(guò)濾有機(jī)質(zhì)也可過(guò)濾無(wú)機(jī)雜質(zhì)。砂石過(guò)濾器適于處理有機(jī)物含量超過(guò)10 mg/L 的河水、水庫(kù)水、渠道水、湖水，或市政循環(huán)水等含有大量懸浮污物的管道水或地溝水。砂石過(guò)濾器是介質(zhì)過(guò)濾器之一，其砂床是三維過(guò)濾，具有較強(qiáng)的截獲污物能力，是農(nóng)業(yè)微灌等系統(tǒng)中用來(lái)清除水中污物的理想設(shè)備。砂石過(guò)濾器系統(tǒng)通常為多罐聯(lián)合運(yùn)行，以便用一組罐中濾后的水來(lái)反沖其他罐中雜質(zhì)，過(guò)流量越大需要并聯(lián)運(yùn)行的罐也越多。

疊片式過(guò)濾器由過(guò)濾單元并列組合而成，其過(guò)濾單元主要是由一組帶溝槽或棱環(huán)狀增強(qiáng)塑料濾盤(pán)構(gòu)成，上下兩層盤(pán)片中間溝槽起到過(guò)濾攔截的作用。過(guò)濾時(shí)污水從外側(cè)進(jìn)入，盤(pán)片在單元內(nèi)為緊密壓實(shí)疊加在一起，相鄰濾盤(pán)上的溝槽棱邊形成的輪緣把水中固體物截留下來(lái)；反沖洗時(shí)水自環(huán)狀濾盤(pán)內(nèi)部流向外側(cè)，將截留在濾盤(pán)上的污物沖洗下來(lái)，經(jīng)排污口排出。疊片式過(guò)濾器是一種新型高效的過(guò)濾器，具有濾速快、反洗省時(shí)省水、占地面積小、維護(hù)簡(jiǎn)單和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可以替代絕大多數(shù)的傳統(tǒng)過(guò)濾器，廣泛應(yīng)用于超濾反滲透離子交換等的前置過(guò)濾、地下水去除濁度、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、城市污水回用系統(tǒng)等多種場(chǎng)合。

網(wǎng)式過(guò)濾器是園林、農(nóng)業(yè)灌溉等各種水處理的良好產(chǎn)品。其工作原理是利用濾料組成的孔隙，將原水中的泥砂、膠體、懸浮物等雜質(zhì)截留住。由于濾料進(jìn)行了科學(xué)分布，所以濾床對(duì)雜質(zhì)的截留效果很好，出水質(zhì)量也大大提高。過(guò)濾器的過(guò)濾精度最高可達(dá)10 μm。同時(shí)，濾床對(duì)水中的雜質(zhì)是逐步截留的，這樣罐體中的各層濾料將得到充分均勻的利用，有效濾層高，從而延長(zhǎng)了濾料的使用周期，減少設(shè)備的運(yùn)行成本（降低了反洗次數(shù)和反洗水耗）。濾芯有不銹鋼網(wǎng)、尼龍網(wǎng)，規(guī)格多，組合性強(qiáng)，安裝清洗非常方便。

根據(jù)農(nóng)村廁所三格化糞池液態(tài)再生肥特點(diǎn)和就近還田施用需求，為防止細(xì)懸浮物和微顆粒物等造成施肥系統(tǒng)的堵塞，本研究采用離心過(guò)濾、砂石過(guò)濾與反沖洗疊片式過(guò)濾器組合裝置，避免泥砂、膠體、懸浮物等進(jìn)入系統(tǒng)，并具備反沖洗功能，便于進(jìn)行清理維護(hù)，防止發(fā)生系統(tǒng)堵塞。

4.2 灌溉施肥系統(tǒng)

灌溉施肥效率取決于肥料罐容量、用水稀釋肥料稀釋度、稀釋度精確程度、裝置可移動(dòng)性、設(shè)備成本及其控制面積等。肥料注入裝置和容器應(yīng)安裝于過(guò)濾器前面，以防未溶解的化肥顆粒堵塞滴水器。肥料的注入方式有3 種：第1 種是用小水泵將肥液壓入干管；第2 種是利用干管上的流量調(diào)節(jié)閥所造成的壓差，使肥液注入干管；第3 種是射流注入。常見(jiàn)的將肥料加入灌溉系統(tǒng)的方法可分為重力自壓施肥法、泵吸肥法、泵注肥法、旁通罐施肥法、文丘里施肥法、比例施肥法等。

自動(dòng)施肥機(jī)可檢測(cè)水肥管道內(nèi)的電導(dǎo)率及酸堿度，并通過(guò)PID 運(yùn)算方法控制肥料通道吸肥泵的轉(zhuǎn)速，從而精準(zhǔn)地把肥料養(yǎng)分注入灌溉主管道中，最終到達(dá)作物根部，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥。同時(shí)，該設(shè)備具備定時(shí)、定量灌溉功能，可設(shè)置多個(gè)灌溉區(qū)域，每個(gè)區(qū)域可以使用不同的灌溉方案。根據(jù)作物栽培的要求，提供一天多次的定時(shí)灌溉模式或者提供多天一次的定時(shí)灌溉模式，滿(mǎn)足客戶(hù)多方面的灌溉要求。

自動(dòng)施肥機(jī)主要由混合系統(tǒng)、主管路系統(tǒng)、注肥系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機(jī)架組成。混合系統(tǒng)由混肥管路、注肥管路組成，肥料與清水在此混合。主管路系統(tǒng)由水泵和相應(yīng)管路組成，為系統(tǒng)提供壓力和水流量。注肥系統(tǒng)由吸肥泵、電子流量計(jì)、浮子流量計(jì)、備壓閥和相應(yīng)管路組成，其中吸肥泵是關(guān)鍵組件，由控制系統(tǒng)控制其轉(zhuǎn)速?gòu)亩{(diào)節(jié)吸肥量，背壓閥保證肥液注入主管道的壓力。檢測(cè)系統(tǒng)主要由pH 傳感器、EC 傳感器、電子流量計(jì)組成，pH 傳感器用于測(cè)量肥水混合液的酸堿度，EC 傳感器用于測(cè)量肥水混合液中的電導(dǎo)率以反映肥料的濃度值，pH 值、EC 值可在對(duì)應(yīng)儀表顯示和校準(zhǔn)，電子流量計(jì)對(duì)流量進(jìn)行數(shù)字化計(jì)量。控制系統(tǒng)則由控制器、顯示屏、閥門(mén)控制器、其他電氣部件組成，是整個(gè)施肥機(jī)的核心，所有的邏輯運(yùn)算、施肥控制、灌溉計(jì)劃、模擬量檢測(cè)等均由它處理，通過(guò)人機(jī)交互接口顯示屏，既能接受人工輸入的設(shè)置及指令，也能顯示檢測(cè)、設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)等信息，閥門(mén)控制器控制外部電磁閥、水泵的啟閉。

針對(duì)液態(tài)再生肥容易滋生細(xì)菌造成系統(tǒng)堵塞的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了定時(shí)清洗程序，即在每次施肥結(jié)束后，進(jìn)行一定時(shí)間的清水沖洗，以減少系統(tǒng)管路內(nèi)肥液的殘留，避免因滋生細(xì)菌堵塞系統(tǒng)。

4.3 輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)

輸配水管網(wǎng)通常由干管、支管、毛管組成。干管一般采用PVC 或HDPE 管材，支管一般采用PE 管材或PVC 管材。管徑根據(jù)流量分級(jí)配置，滴灌毛管目前多選用內(nèi)鑲式滴灌帶或邊縫迷宮式滴灌帶。干管或分干管的首端進(jìn)水口設(shè)閘閥，支管和輔管進(jìn)水口處設(shè)球閥。輸配水管網(wǎng)的作用是將處理過(guò)的水，按照要求輸送到灌水單元和灌水器，終端可采用兩種方式滴管和微噴方式，毛管是微灌系統(tǒng)的最末一級(jí)管道，在滴灌系統(tǒng)中，即為滴灌管，在微噴系統(tǒng)中，毛管上安裝微噴頭。滴灌適合多季節(jié)果蔬類(lèi)作物，微灌適合單季糧食、蔬菜類(lèi)作物。為避免和減少液態(tài)再生肥就近還田施用時(shí)異味揮發(fā)，影響農(nóng)村農(nóng)戶(hù)房前屋后周?chē)諝猸h(huán)境，采用滴灌管淺埋的方式，將滴灌帶埋置于表層土以下5～10 cm，以盡可能地減少異味的揮發(fā)，同時(shí)能最大限度地保持液態(tài)再生肥肥效。

5 固態(tài)渣肥小型清掃轉(zhuǎn)運(yùn)施肥一體機(jī)研發(fā)

為了能保持三格化糞池有較好的容量和水力停留時(shí)間，需要對(duì)池底沉渣進(jìn)行定期清掏。為適合我國(guó)農(nóng)村便捷化使用要求，開(kāi)發(fā)了基于模塊化設(shè)計(jì)和多功能部件系統(tǒng)集成的小型再生肥清掃還田施肥一體化設(shè)備，該設(shè)備能夠同時(shí)滿(mǎn)足三格化糞池池底固體渣肥清掏和還田施用的需求。固態(tài)渣肥小型清掃還田施肥一體化設(shè)備主要包括底盤(pán)、駕駛室、動(dòng)力系統(tǒng)、清掃系統(tǒng)、儲(chǔ)肥罐和開(kāi)溝施肥裝置，如圖2 所示。

圖2 固態(tài)渣肥抽吸與施肥車(chē)結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of solid slag fertilizer suction and fertilizer truck

5.1 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

本研究關(guān)鍵部件在于抽吸清掃裝置和開(kāi)溝施肥裝置。由于池底渣肥具有一定的流動(dòng)性，可采用負(fù)壓抽吸的方法進(jìn)行抽吸清掃，因此，小型再生肥清掃還田施肥一體化設(shè)備清掃系統(tǒng)配備了真空抽吸泵，可將儲(chǔ)肥罐中的空氣排空，使罐體內(nèi)形成負(fù)壓，池底渣肥經(jīng)過(guò)進(jìn)料抽吸管，進(jìn)入儲(chǔ)肥罐體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)池底清掃抽吸。根據(jù)農(nóng)村三格化糞池特點(diǎn)和研發(fā)任務(wù)書(shū)要求，設(shè)計(jì)最大抽吸深度4 m，滿(mǎn)足化糞池抽吸清掃的要求。

開(kāi)溝施肥裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，為獨(dú)立懸掛配置，可作為一個(gè)獨(dú)立模塊懸掛在底盤(pán)的后方，開(kāi)溝施肥裝置包括施肥分配管道、機(jī)架、出肥管、開(kāi)溝施肥器、限深輪和覆土板組成，如圖3 所示。

圖3 施肥裝置與施肥器Fig. 3 Fertilization device and fertilizer applicator

根據(jù)田間作業(yè)需要可配置2-n組施肥器，以滿(mǎn)足不同作業(yè)幅寬的需要，兩個(gè)施肥器之間的行間距可根據(jù)作物種植行間距和施肥要求進(jìn)行左右靈活調(diào)整。開(kāi)溝施肥器包括開(kāi)溝犁尖、分土板、防纏草輪等。分土板前下部裝有開(kāi)溝犁尖，采用犁鏟形式，用于施肥時(shí)的入土開(kāi)溝，分土板可將土往兩邊分形成深溝槽；分土板前上部裝有防纏草輪，可以自轉(zhuǎn)，用于防止雜草纏繞；分土板中部裝有固定架用于將施肥器固定于機(jī)架上；分土板后部裝有施肥管，可將沼渣布施于深溝槽中。開(kāi)溝施肥裝置的進(jìn)肥口通過(guò)軟管與再生肥儲(chǔ)肥罐的出肥口相連，可以完成液態(tài)肥料在儲(chǔ)肥罐壓力作用下通過(guò)施肥管布施到土壤中。

5.2 樣機(jī)試制

在三維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，開(kāi)展了小型清掃還田施肥一體化設(shè)備樣機(jī)試制，如圖4 所示。小型清掃還田施肥一體機(jī)底盤(pán)選用了小型農(nóng)用三輪車(chē)底盤(pán)，采用8 擋后驅(qū)動(dòng)橋，可以保證較好的驅(qū)動(dòng)性能。發(fā)動(dòng)機(jī)采用16 kW單缸柴油機(jī)，性?xún)r(jià)比相對(duì)較高，經(jīng)濟(jì)廉價(jià)，更適合農(nóng)村推廣使用。儲(chǔ)肥罐采用全密封裝置，位于真空吸污泵后方的底盤(pán)上，進(jìn)出料口都裝有封閉閥門(mén)，再生肥收集后可使儲(chǔ)肥罐體處于密封狀態(tài)，避免轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中溢出臭味。

圖4 小型清掃轉(zhuǎn)運(yùn)施肥一體機(jī)Fig. 4 Small integrated fertilizing machine

工作過(guò)程：三格化糞池池底固態(tài)渣肥清掃時(shí)，與儲(chǔ)肥罐進(jìn)肥口相連的進(jìn)肥管深入三格化糞池池底部，真空吸污泵通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，將儲(chǔ)肥罐里的空氣排空，使罐體內(nèi)部形成負(fù)壓，高固形物再生肥經(jīng)過(guò)進(jìn)肥管進(jìn)入儲(chǔ)肥罐，罐體裝滿(mǎn)再生肥后，關(guān)閉進(jìn)肥閥門(mén)，待再生肥轉(zhuǎn)運(yùn)至田間，將開(kāi)溝施肥裝置通過(guò)液壓油缸放下調(diào)整至工作位置，調(diào)整開(kāi)溝器合適深度，結(jié)合真空吸污泵，選擇壓氣檔，將空氣壓入罐體，機(jī)器在田間行走時(shí)，開(kāi)溝犁尖入土開(kāi)溝，固形物再生肥在罐體氣壓的作用下通過(guò)出肥管和施肥器排到土壤溝槽內(nèi)，施肥器后方有覆土板，可將浮土掩埋施肥后的溝槽上，避免異味揮發(fā)，完成整個(gè)施肥動(dòng)作。

設(shè)備優(yōu)勢(shì)：采用小型自走式輪式底盤(pán)裝置，可一次作業(yè)完成三格化糞池池底沉淀的固態(tài)渣肥的抽吸、清掃、裝灌、轉(zhuǎn)運(yùn)、田間開(kāi)溝布施、覆土填埋作業(yè)，整機(jī)造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)適用，轉(zhuǎn)場(chǎng)靈活，操作簡(jiǎn)單方便，施肥便捷高效，能滿(mǎn)足當(dāng)前農(nóng)村廁改后三格化糞池的定期清理和便捷化就近就地還田施用需求，可實(shí)現(xiàn)高固形物再生肥清掃和就近還田施肥一體化作業(yè)。

6 結(jié)束語(yǔ)

廁所糞污生態(tài)還田技術(shù)是處理農(nóng)村廁所糞污的重要發(fā)展趨勢(shì)。本文雖然提出了農(nóng)村廁所糞污便捷化施用技術(shù)和小型化清掃轉(zhuǎn)運(yùn)還田設(shè)備，但目前僅適合部分地區(qū)水沖廁所和微水沖廁所三格化糞池?zé)o害化處理后的再生肥進(jìn)行就近就地還田利用，由于受氣候和水資源環(huán)境等條件限制，該技術(shù)裝備對(duì)北方高寒地區(qū)仍有一定的局限性。因此，結(jié)合我國(guó)農(nóng)村改廁路徑，農(nóng)村廁所糞污資源化利用應(yīng)因地制宜地構(gòu)建化糞池系統(tǒng)的模塊化處理技術(shù)體系，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下形成資源化就地利用的技術(shù)裝備，服務(wù)于不同地區(qū)的農(nóng)村“廁所革命”市場(chǎng)需求。