基于新型碳中和循环生态卫生间研究

基于新型碳中和循环生态卫生间研究

占子波，张曼琪，陈佩佩，李华珍，张琼芳，周文康，何倩华

（仲恺农业工程学院，资源与环境学院，广州，510220）

摘要：

习近平总书记对“厕所革命”作出重要指示，并提出了更高的生态厕所设计和筹建要求。当前生态卫生间污水处理系统仍然以传统的有氧生物反应A2/O、SBR、MBR为主，其处理的过程中CO2不能满足当下的排放要求。基于上述情况下以污水净化技术方案开发新一代生态卫生间，该款卫生间以“碳中和”为设计宗旨和方案原则，由三大循环系统——废气循环发电系统、曝气回流反冲循环反应系统和中水回用循环利用系统组成。既实现自循环的高效节能减排，又具有处理过程安全、集成化程度高、实用性强、可推广价值高等优良特性。

关键词：生态卫生间 碳中和 传统的有氧反应 三大循环系统

1  项目背景

随着国家旅游局和环境保护部门的大力推进，中国厕所改革和清洁能源技术的发展面临着更大的挑战。为了更好地适应当前的气候和环境，我们必须遵循因地制宜、绿色节能的原则。十四五提出的“碳达峰、碳中和”绿色能源强国战略使得技术革新进一步加强，行业壁垒持续提高。中国旅游智库和南开大学的行业研究报告分析认为经过厕所革命近几年的推进，当前各地已经形成了“小厕所，大工业”的模式。一些地区在以商建厕所、以商养厕所、以商管理厕所等领域有了显著的突破，并已初步形成了“政府主导、环卫搭台、企业融资、社会筹资、市场主体和社会组织广泛参与”的多元化供给体系，构成了市场化、社会化的厕所建设管理长效机制，所以目前的生态卫生间行业结构体系比较完善，发展也比较稳定。

根据中国环境科学研究院调查显示，2018年《农村人居环境整治三年行动方案》实施以来，农村厕所革命取得积极进展。截至2020年，循环生态卫生间只有在大城市或小城市的商业发达区有一定规模的应用，到2020年底，全国农村卫生厕所普及率达68%以上；截至2021年底，全国农村卫生厕所普及率超过70%。其中东部地区和中西部城市近郊区等有基础、有条件的地区农村卫生厕所普及率超过90%。但许多农村、中小城镇等人口密集区域仍使用普通供应冲水式卫生间，甚至在很多农村仍使用旱厕，生态厕所在农村的普及率仍然很低。当前，许多发展中国家和落后地区（例如非洲大部分地区）资源极其匮乏，如水净化条件不够先进。据世界卫生组织不完全统计，不卫生的如厕条件尤其是粪便、黑水、灰水、黄水是非洲地区引发儿童死亡的主导因素，其不安全排放导致全球每年约有150万儿童感染疾病,直接经济损失每年高达2600亿美元。其中粪便污水俗称“黑水”，约占城市生活污水的1/3，所含杂物和SS较多、COD及氨氮含量较高[1]，当前生态卫生间污水处理系统仍然以传统的有氧生物反应A2/O-MBR[2]和SBR[3]为主。

2  项目研究目的及意义

2.1  研究目的

本设计理念以生态卫生间为研究对象，分析现有技术、发展趋势和用户需求。以污水净化技术方案开发新一代生态卫生间旨在探索新技术污水处理循环生态卫生间，弥补传统水冲式卫生间造成水污染的市场空白并探索碳中和理念卫生间的路径。

2.2  研究意义

通过新型碳中和循环生态卫生间的研究和设计，可以改善乡村和贫困地区卫生环境。新型碳中和循环生态卫生间技术的因地制宜改善广大群众的用厕环境，通过粪污收集从源头解决问题，粪便脱水系统以及离心分离法进行分离，极大的提升了农村资源循环利用水平，使乡村的清洁卫生和文明形象得到提升。

在回收粪尿资源的基础上，将粪尿二次加工利用，污泥沉降之后经过电化学氧化技术形成有机肥，变废为宝，可与农业、种植企业等企业合作，可发展生态农业、设施农业，实现精准扶贫，助力人居环境的改善。

3  国内外研究动态及现状

3.1国内研究动态

生态卫生间的研究和应用始于20世纪80年代末期，最初主要是在农村地区进行试验和推广。自2000年以来，随着中国社会经济的快速发展和城市人口的快速增长，新型碳中和循环生态卫生间研究逐步开始进入城市建设领域。目前国内许多大中城市已经开始推广生态卫生间并逐步形成了一定规模，如北京、上海、深圳等城市都已经有一些项目实施。

基于新型碳中和循环生态卫生间研究，相关的研究动态及现状集中在卫生局和智能产品等领域。现代水冲式卫生间已经经过了数百年的发展，时代的变化与人们思想观念的进步正在促进卫生间变革。2015年全国范围的厕所建设三年行动计划就已经开始，习近平总书记也多次在会议与调研中强调厕所革命刻不容缓[4]。

自厕所革命以来，卫生间的形式与载体发生了翻天覆地的变化，尤其是可满足大型活动特殊的卫生间需求与人们多种多样如厕需求的移动卫生间开始迅速发展，如单体卫生间、拖挂式卫生间、车厕一体卫生间等等。资料记载以来，第一套研制成功真空公共卫生间的是来自于华中科技大学，是一种不断以改变抽吸方式的环保生态型公共卫生间，工作原理主要是利用蹲便器与排粪管道的压力差进行排泄，当收集达到一定容量时再进行处理，具有安装方便、节水、操作简单等特点

[5]。近几年，在我国的海南洋浦港地区根据其自身环境的特点也进行过移动式循环水环保厕所的研究与应用，移动式循环水环保厕所[6]主要是将粪便污水进行生物处理、化学处理以及物理处理相结合进行回冲厕所，并且要求回冲厕所的水标准符合《城市杂用水水质标准》(GB/T18920-2002)。

3.2国外研究动态

在上个世纪八十年代，美国为了环保，修建了一座以堆肥为目的的生态公厕，与其他类型的公厕相比，这座公厕达到了可持续发展的目的。瑞士研发出了一种可回收粪便和尿液的环保公厕，这种公厕可以将粪便和尿液分别作为化肥使用[7]。瑞典也发明了一种粪尿分开的便池。像孟加拉、印度、埃塞俄比亚等几个发展中大国，也根据本国的实际情况和需求，进行了相应的调查和试验。当前，在国际上，通过物理法净化排泄物，采用生物法进行发酵处理的生态厕所，是应用比较多的一种，覆盖有免冲水型生态厕所、泡沫封堵型生态厕所、循环水型生态厕所以及节水型生态厕所等。

3.3 当前现状

3.3.1 没有切实做到绿色减排

根据“水谷智库”平台的粗略估计，2030年中国整个污水处理行业的温室气体将达到全国温室气体排放量的2.95%，因此实现低碳甚至零碳污水处理已经迫在眉睫。当前生态卫生间污水处理系统仍以传统的有氧生物反应A2/O、SBR、MBR为主，产生大量的温室气体大多在化粪池内直接排出，与自循环生态卫生间的定位有些自相矛盾。

3.3.2 处理方案受地域影响较大，耗能问题影响深远

我国北方、东北及青藏高原等寒冷高海拔地区气温水温低、空气稀薄，抑制微生物有氧呼吸；而江浙一带气候温和，很多农村引入了日本净化槽技术作为农村厕所革命的利器，这就导致行业发展不均、市场供给不平衡的问题。同时无论是传统化粪池还是净化槽的使用，都需要较高功率的机械设备进行曝气，因此在一些能源匮乏的地区，当前的生态卫生间使用前景堪忧。

3.3.3  “打包式”真空厕所以市场主流，处理风险高、效率低下

一些三线四线城市的公园与商圈的生态卫生间基本都是打包式真空厕所，主要进行固液分离、投放药物作灭菌处理。被分离的粪便要经过“派送”至定点位置进行处理，周期一般在5-7天，处理效率极低；另外也会为城市水处理系统带来很大负担。

4 项目研究方法及内容

4.1 研究方法

4.1.1 实地调查法

本论文中的实地调研部分，主要采取询问、观察和问卷调查等方法。

4.1.2 文献检索法

本论文在对与此有关的理论著作或文献文章进行分析的过程中，采取了由整入分的叙述方法，对数据进行了搜集，并对其进行了深入的分析，结合当前现状进行技术上的对比，为本文的研究工作提供了一定的理论支撑。

4.1.3 归纳分析

通过对文献资料和实地调查资料的全面系统分析，归纳现阶段生态卫生间技术改进需求和卫生间空间设计所在的地理位置，进行新型技术设计策略研究方案。

4.1.4 综合分析法

在调查走访数据的基础上，并与理论分析相结合，对国内南部地区公共厕所的布置情况、空间等方面进行了详细的论述和总结，并为落实本设计新思路做铺垫。

4.2 研究内容

（1）项目研究主要内容为三大循环系统技术开发设计，主要包括废气循环发电系统、曝气回流反冲循环反应系统、中水回用循环系统。为保证施工安全、厕所安全和水净化处理安全，特设计“阳极氧化”绿色消毒技术。而考虑到产品后期推广，设计系列化装备产品线，提高多场景适用性。

（2）新型碳中和循环生态卫生间主要任务包括：彻底灭活病毒、病菌，而且能够大幅降解BOD、COD及SS等有机污染物，产生清洁能源甲烷，对氮磷等营养物进行高效平衡处理,净化后的污水将达到相关排放标准、回用标准与规范。包括但不限于：环办水体函〔2022〕338号、GB/T 17217-2021公共厕所卫生规范。

5 基本研究思路

针对于城镇公共厕所的现状进行了深入的探讨，对农村传统公厕进行比较，找到问题的根源，利用现有的各项技术改进生态卫生间，从而为今后乡镇、农村一带公共厕所的资源利用提供一定的理论支持，也可以为其它地方公共厕所的设计提供一定的借鉴。

本产品研究技术是由废气循环发电系统、曝气回流循环反应系统和中水回用循环利用系统组成。中水回用系统通过电解、阳极氧化产生的羟基自由基溶液具备低pH值和强氧化性的特点，此技术克服了消毒剂的高成本、耐药性和生理毒害等缺点；废气循环发电系统将甲烷转化为电能，降低对周围环境的影响，从根本上解决了自身能源动力问题。

本设计三大循环技术的相互运行如图1所示，粪便混合物在活性炭的吸附下进入到真空发生装置，进行真空抽气、加压，让粪便进行第一次脱水处理，再利用离心分离法中的密度差进行离心，也称二次脱水处理。第二次产生污水则经过巴派克反硝化技术进入到次氯酸杀菌系统，过程所产生的废气可进行沼气发电供给到整个装置的电力系统当中；而污水则进行再次分离，一部分将进行阳极氧化新型消毒技术用做冲厕水，从而达到循环利用目的。另一部分则进行除氯技术之后进行紫外线消毒系统，利用絮凝沉淀得到的水源再返回到先前的真空发生装置当中充当水源，而少部分进行再次脱水，供给于粪便脱水系统当中。

图1 三大循环系统运行流程

6 项目特色优势

6.1 产品特色

6.1.1 实现低碳化

组合生物处理工艺。本项目系列自循环卫生间拥有全新的处理系统。项目组采用厌氧-氨氧化循环曝气等自核心技术对污水进行处理[8]。结合特色无氧组合生物工艺产生清洁能源甲烷，极少产生甚至不产生二氧化碳；同时利用循环曝气提高处理效率。

6.1.2 三循环系统

新型碳中和循环生态卫生间运营期间需要根据不同建造位置、不同污水类型、不同回用需求设计其对应的循环系统，产品设计三种循环系统，包括废气循环发电系统、曝气回流循环反应系统和中水回用循环系统，满足多种污水回用需求，高效的同时切实做到了节能减排。农村政府和商圈旅游投资者使用本产品后，只需定期注入少量水源和电源，配合智能化卫生间控制系统，即可做到自循环污水净化。

6.2 技术创新

（1）在本质上，将降解有机物、除磷脱氮、固液分离、污泥消化稳定等作用集中在一个主体反应器池内，因而无需污泥回流和内循环，无需设二沉池、污泥浓缩池和污泥消化池，工艺流程十分简单，占地面积较少，设备投资和运行费用较低。

（2）基于阳极氧化绿色消毒新技术，通过电解、阳极氧化产生的羟基自由基溶液具备低pH值和强氧化性。该技术克服了使用消毒剂的高成本、耐药性和生理毒害等缺点，具有操作简单、成本低、能效高、缓解消毒剂耐药性、无二次污染、绿色环保安全等优点。

（3）水循环系统设计，无公害排放，废弃物资源的升值利用突出。电力系统循环设计，将清洁能源甲烷转换为电能，变废为宝，降低对周围空气环境的影响。只需要定期输入少量的水，电能源即可维持运行，降低污染，节能环保。

7 结论

生态卫生间作为重要的服务场所，是活动场所必不可少的公共设施。其管理不得当，不仅会影响到人们的观赏心情，而且还会污染环境。随着十四五生态文明建设、社会主义新农村建设和城市文明旅游建设提出的更高要求，传统的生态卫生间已经不再符合当前的政策，生态卫生间的改革已成为必然的趋势。新型碳中和生态卫生间循环不仅解决了传统卫生间的占地面积大、成本高和CO2排放较多等问题，而且还将甲烷转化为电能，从根本上解决了能源供给问题，而固液分离也实现了水资源的循环利用。基于此背景下，新型碳中和生态卫生间循环研究必将有很大的市场应用前景。

参 考 文 献

[1]曹瑞奇,桑义敏,初庆东,鲁涛涛,滕志远,戴铁诚,刘畅,金思.粪便污水生物组合处理工艺及其在生态卫生间的应用研究进展[J].北京石油化工学院学报,2021,29(04):62-70.

[2]黄珠慧,朱艳臣,王久龙,陶炳池,周刚,陈军.混凝+两级A/O+MBR工艺处理粪便滤后液[J].中国给水排水,2022,38(24):115-119.

[3]周凯,邓帮武,雷春元,潘军,李东,黄青飞.SBR法在农村生活污水处理设施改造中的应用[J].建设科技,2021,(07):112-114.

[4]中华人民共和国中央人民政府.习近平对深入推进农村厕所革命作出重要指示.新华社,2021.

[5]周燕, 梅小乐, 杜兵等. 国内外生态厕所类型分析及其应用研究. 北方环境, 2013, 25(6):21-25.

[6]钟良生, 张侯国. 港口作业区生态厕所的零排放技术探讨. 净水技术, 2019, 38(S1): 234-236+253.

[7]蒋善庆.尿液中营养物回收的蒸发-结晶及土壤基肥料制备技术研究.[西安建筑科技大学硕士论文]西安:建筑科技大学，2017.

[8]刘云洲,王艳.厌氧氨氧化技术处理光伏行业高氨氮废水[J].工程建设与设计,2023,(07):140-142.

作者简介：第一作者姓名：占子波，出生年月：2000年12月，性别：男，民族：汉族，籍贯：广东湛江，邮编：510220，学历：本科在读，研究方向：环境科学