王连林， 宋学秀， 朱雪冬， 张振超， 王树柏， 高焕霞

(玉田县农业农村局 河北玉田 064100)

厕所是衡量文明的重要标志，改善厕所卫生状况直接关系到发展中国家人民的健康和环境状况[1]。“厕所革命”是指对发展中国家的厕所进行改造的一项举措，最早由联合国儿童基金会提出。“厕所革命”要解决两个层面的问题，首先解决厕所的清洁卫生、使用方便问题，然后实现物质资源化、节水节能、保护环境。河北省玉田县从2019年开始进行“厕所革命”的技术创新研究，以解决“厕所革命”中粪污无害化处理、资源化利用等问题；2020年全面启动建设，2021年进入实质性运转。建成并投入运转的玉田县人居粪污处理指挥中心及粪污处理厂见图1。

图1 玉田县人居粪污处理指挥中心及粪污处理厂

1 “厕所革命”的技术创新与运行模式

1.1 液体粪污的处理技术

1.1.1 功能性微生物菌剂的筛选与创制

2019年，沣田宝农业科技有限公司与韩国生命科学研究院联合成立了唐山沣田宝微生物菌剂有限公司，在联合进行微生物组合研究中，对韩国提供的微生物菌剂在养殖废弃物上进行了多次应用性试验研究。试验结果及相关数据资料显示，缺陷短波单胞菌、日本假单胞菌、枯草芽孢杆菌、胶冻样芽孢杆菌、米曲霉等是能够对抗生素进行降解和固氮、解磷钾、高效腐解有机物及嗜热的菌种。经拮抗、共生试验，确立了合理的多菌种复合技术及调配比例，研制出了具有高嗜热废弃物处理功能的微生物菌剂。

(1)复合微生物菌剂的制备工艺

用平板稀释法从样品中分离纯化不同类型的微生物菌株，选择搭配优势群体，分别进行单菌株液体扩大培养，然后进行定量混合，即成为复合微生物菌剂，制备工艺流程见图2。

图2 复合微生物菌剂制备工艺流程

(2)复合功能菌种调配与主要测试效果

试验设3个处理：CK，不加任何微生物菌剂；CM1，加入已制备的复合微生物菌剂0.10%(质量分数，下同)；CM2，加入已制备的复合微生物菌剂0.15%。底物分解按150 h计算，耗氧速率为0时认为堆肥腐熟。通过2年的试验研究，得到缺陷短波单胞菌、日本假单胞菌、枯草芽孢杆菌、胶冻样芽孢杆菌、米曲霉的质量比为1.5～2.5∶0.5～1.0∶3.0～4.0∶1.5～2.0∶1.5～2.5。在堆肥过程中，加入菌种的样品腐熟速率明显快于对照样品(CK)的，试验结果分别见表1～3。

表1 复合微生物菌剂液体堆肥试验结果

表2 液体发酵料的气味变化

表3 液体粪污不同处理堆制发酵前后的养分变化

从表2可以看出，加入复合微生物菌剂后，经过5 d的发酵,发酵料即无臭味，而对照经过10 d的发酵仍然有微臭，说明复合微生物菌剂的除臭效果明显。

试验结果表明，该复合微生物菌剂具有快速腐解、固氮、解磷、脱硫、除臭等突出效果。一般情况下，经过处理后，粪便中氮的质量分数为26.9～27.0 g/kg，全磷(以P2O5计)的质量分数为21.6～22.0 g/kg，全钾(以K2O计)的质量分数为9.9～10.4 g/kg。另外，通过微生物的活化作用，液体粪便废弃物中的有机质、有机酸等活化物质含量增加，成为较好的液体有机肥。通过区域性分部处理，按作物灌溉周期，随灌溉合理利用处理后的厕所、养殖废水，对实现农业可持续发展、节本增效，具有十分重要的意义。

1.1.2 主要处理技术路线

利用具有高嗜热废弃物处理功能的微生物菌剂，采用生物好氧-兼氧处理技术进行厕所粪污、污水处理，达到农田灌溉及液体肥料标准后，施于农田，实现资源循环利用。具体工艺流程如下。

(1)厕所粪污收集：由粪污抽提车将粪污抽提后统一运输至所在区域收集池内。

(2)自然沉淀固液分离：粪污通过大三格化粪池自然沉淀进行固液分离，然后分别导入发酵池进行生化处理。

(3)发酵处理：将分离后的固体、液体粪污分别进行加菌发酵处理，固体粪污经碳氮比、氮磷比调节后进行好氧发酵，发酵后作为有机肥或商品有机肥原料；液体粪污经混凝处理，去除反应生成的絮团和沉淀，以减轻后续处理的负荷并降低粪污水中的磷酸盐含量。

(4)水解酸化处理：经混凝沉淀池处理后的粪污废水进入水解酸化池，将粪污废水中难降解的物质降解为易降解的物质，大分子物质分解为小分子物质；水解酸化池内投加复合水解酸化菌剂，一般处理时间为20 h。

(5)接触氧化处理：经酸化处理后的粪污废水用污水提升泵打入接触氧化池，在鼓风曝气的作用下，接触氧化池中的生物好氧菌对废水进行生物降解，降低生化需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)，一般需时24 h。

(6)深度处理：经接触氧化处理的废水再经过滤离心机将小于120 μm的沉淀物滤出，检测滤清液中的氮、磷、钾、中微量元素及有机质、有机酸，依据检测结果和目标作物，适量添加相应的营养元素，即可用作农田液体肥料。

1.2 运行模式的设计与运行方式

1.2.1 运行模式的设计

为确保建立长效机制，实现资源的有效、长期、稳定、合理利用，并牵动“厕所革命”粪污处理资源全利用，借助电力、物业中水电的管理模式，设计智能化管理系统，搭建3个运行平台，实施在线监控管理。

(1)建立液体废弃物生产户、使用用户互联网监管运行系统平台。

(2)建立液体粪污收集、运输、处理监测管理系统平台。

(3)建立液体粪污资源化利用服务系统平台。

3个平台均建立在互联网系统中，开发设立单个液体粪污生产户、农户应用、第三方处理过程监测、客户技术服务、运输管理、总指挥、总监管等7个界面，通过手机自动或人为操作指令运行。

1.2.2 平台运行方式

(1)操作界面

3个平台的运行均建立在玉田县液体粪污资源管理系统中。

首先在农村居民户、养殖户中设立在线实时监测系统，液体粪污达到一定存储量后，总指挥界面自动或人为发出指令，通知运输单位实时将液体粪污清运至第三方处理机构进行处理。

第三方处理机构在集中处理站(中心)完成微生物发酵、分离净化、产品调配等工作，在线平台全程监测各种处理技术的参数，供用户查询、了解。

对于农户应用界面，为方便农户应用，在农户的使用地点(农田机井位置)建设容量5～8 t的液体肥料存储罐，在存储罐上加装网络可控管理计量装置和用户设定使用量操作界面(或插卡式计量流量器)，用户可用手机或特定应用卡开启使用，达到设定使用量时自动关闭；当存储罐内液体肥料存量降至不足1 t时，向总指挥界面自动发出指令信息，并转发至运输管理界面通知运送补充，同时在存储罐上加装防盗报警装置；全部操作系统均与总指挥界面相连，发生事故时及时通知技术服务人员进行处理。以目前玉田县粮食、蔬菜种植面积为基本单元，以农田灌溉机井为储液罐设立网点，全县初步设立2 400只存储罐。

在客户技术服务界面，设立县农业农村局相关专家问答、技术指导板块，为用户应用液体粪污肥料提供相关技术指导，并对应用中出现的问题进行解答。

总监管界面为玉田县政府所属主管业务部门——玉田县农业农村局、玉田县环境保护局设立，该界面的负责人可随时进入系统，监督检查液体粪污的收集、运输、处理、使用等情况，并随时提出监查意见。

初步设定为农户免费提供液体粪污肥料2年，每年每亩(1亩=667 m2，下同)设定用量2 t，超出部分适当收取费用。

1.2.3 平台运行实施的效果

农村厕所和养殖场(户)具有分布区域广、布局分散的特点，为此玉田县以政府倡导、扶持、引导为引领，积极搭建第三方服务平台，实现了区域全覆盖的粪污处理及资源化利用。目前已投入运行的指挥中心操作平台见图3(左侧为农户信息界面，右侧为各处理场及收集点监管界面)，操作平台界面的相关信息展示见图4。

图3 指挥中心操作平台

图4 操作平台界面的相关信息

(1)粪污处理实现“全域化”

充分利用财政部、农业农村部农村“厕所革命”整村推进奖补资金、河北省先进地区整县推进农村人居环境整治项目专项资金，进行全县整体布局规划，分区划片投资建设农村人居粪污集中处理中心4个、大三格化粪池25座(总容积10 000 m3)、粪污转运站16个，彻底解决了全县20个乡镇、750个村、17万户粪污转运、集中处理问题，并实现了乡镇粪污处理站建设全覆盖。

(2)运行监管实现“智能化”

为确保“厕所革命”长效机制的建立，筹备建设了“一中心一平台”。“一中心”即综合监控中心1个，集培训、会议、观摩、监控、调度等功能于一体，占地200 m2；“一平台”即综合信息监管平台1个，采取“一图+一网+四大系统”模式运行。“一图”指粪污综合利用信息监管一张图，兼容各个工作节点信息，是以大数据可视化技术为基础的分析、监管、指挥一站式平台；“一网”指粪污综合利用信息监管服务网，线上为物联网，互联网及移动互联网技术对相关设备及App进行信号传输；“四大系统”指抽厕登记信息管理系统、视频监控管理平台系统、车辆作业调度管理系统、智能预警管理系统，使各项工作可防、可控、可预警、可调度。

(3)生物工程技术的开发与应用，实现粪污“资源化”利用

为实现农村人居粪污的综合化利用，保证全县农村人居粪污综合利用长效机制运行，提升全县农村人居环境整治整体水平，安排专项资金400万元，采取政府购买第三方运营服务主体的方式，承担全县厕所粪污抽取、运输、处理，并通过“无偿+有偿”的方式用于农田，就地、就近资源化利用，实现厕所粪污治理与生态循环农业发展有机衔接。

2 技术与运行模式的效果

(1)解决了农村人居环境的问题

三大运行、管理模式的建立，有效解决了农村环境与资源可持续利用问题，将排泄物转化为资源和能源，实现真正的绿色生态循环。

(2)实现了高效无害化处理与资源全利用

针对厕所粪污研发了具有除臭、固氮、解磷、脱硫功能的复合微生物菌剂，3 d可消除臭味90%以上，养分转化利用效果提高3%以上。

为验证腐熟粪污有机肥对小麦、玉米产量的影响，开展了田间试验。田间试验共设3个组：第1组，施腐熟粪污有机肥300 kg/亩；第2组，施复合肥料60 kg/亩；第3组，不施肥(对照)。结果(见表4)表明，腐熟粪污有机肥增产效果显著，作物产量可提高15%以上。

表4 腐熟粪污有机肥对小麦、玉米产量的影响

(3)创新了农村“厕所革命”中资源全利用模式

玉田县“厕所革命”运行机制的建立，形成了“户收集+乡转运+集中处理+加工转化+科学还田”人居粪污综合利用长效运转模式，年预计产生固态有机肥原料100 kt、液态有机肥原料200 kt，实现“变粪为肥”“变废为宝”，最终惠及于民。

(4)管理模式引入了智能化系统，便捷高效

在“厕所革命”建设中设计了智能化管理系统，搭建了液体废弃物生产户、使用用户互联网监管运行系统，液体粪污收集、运输、处理监测管理系统，液体粪污资源化利用服务系统等3个运行平台，实施在线监控管理；设立的单个液体粪污生产户、农户应用、第三方处理过程监测、客户技术服务、运输管理、总指挥、总监管等7个界面，可通过手机自动或人为操作指令运行。