上�？茖W家重新發(fā)明廁所：環(huán)保，自運行，電刺激微生物降解
澎湃新聞2024-06-24 11:32
【編者按】在上海市科學技術委員會資助（項目編號：22DZ2304300）下，澎湃新聞聯(lián)合《世界科學》對獲得國家及上海市科技獎勵的成果進行科普化報道。
本篇報道圍繞2022年上海市技術發(fā)明獎二等獎項目“資源循環(huán)型生態(tài)廁所構建及其低碳自持運行關鍵技術研發(fā)與應用”展開，該獎項由上海理工大學劉洪波教授領銜的團隊獲得。
新陳代謝是所有生物的基本特征，生物吸收營養(yǎng)，排出糞便。如廁是人類社會的日常所需。印度河流域文明的考古證據(jù)顯示，沖水式馬桶從大約公元前3000年起便已存在。
今天，各種前沿技術被應用到廁所中去，出現(xiàn)了很多環(huán)保廁所，但在一些中國的一些偏遠農(nóng)村和非洲等不發(fā)達地區(qū)，衛(wèi)生狀況還不是特別理想。相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：排泄物會污染食物和水源，引發(fā)腸道疾病，造成每年150萬未滿五歲的兒童喪生，比艾滋病和瘧疾共同造成的死亡人數(shù)還高。聯(lián)合國千年發(fā)展目標2012報告指出：“發(fā)展中地區(qū)將近一半人口（25億）仍無法獲得改善的衛(wèi)生設施。”
上世紀80年代，中國推動改水、改廁、健康教育“三位一體”愛國衛(wèi)生運動。以籌備亞運會為契機，中國拉開“廁所革命”序幕。20世紀90年代，中國將農(nóng)村改廁工作納入《中國兒童發(fā)展規(guī)劃綱要》和中央《關于衛(wèi)生改革與發(fā)展的決定》，在農(nóng)村掀起了一場轟轟烈烈的“廁所革命”。在國家“十四五”規(guī)劃中再次強調(diào)了農(nóng)村廁所革命是鄉(xiāng)村振興的重要抓手。
上海理工大學環(huán)境與建筑學院水污染控制與資源化創(chuàng)新團隊針對“廁所革命”中糞污收集運輸困難、污染物超標無序排放、資源化水平低下等難題，開拓性地打造中國微生物電化學驅動環(huán)境污染物高效處理與資源化的技術體系，并將其應用到資源循環(huán)型生態(tài)廁所構建、畜禽糞污梯級資源化處理和污水深度處理中去，促進幾百個環(huán)保項目在全球落地，產(chǎn)生了大量的經(jīng)濟效益，為中國和世界的環(huán)保事業(yè)作出了貢獻。“資源循環(huán)型生態(tài)廁所構建及其低碳自持運行關鍵技術”項目榮獲了2022上海市技術發(fā)明二等獎。
環(huán)保廁所。
源起于“比爾·蓋茨”基金會“重新發(fā)明廁所”公益活動
2012年，項目負責人劉洪波教授入職上海理工大學環(huán)境與建筑學院。在同濟大學環(huán)境科學與工程學院獲得博士學位后，他曾前往德國Mainz 大學進行博士后工作，接觸了大量前沿的環(huán)保技術。
2014年，“比爾·蓋茨”基金會在全球開展了“重新發(fā)明廁所”公益活動，向全球科研工作者征集科研方案，參賽者必須在沒有水、電力、化糞池的情況下，讓廁所正常運轉，每個人的使用成本不能超過5美分，完成的生態(tài)廁所要能給非洲等不發(fā)達地區(qū)進行日常使用。
看到征集通知，劉洪波想起了自己在德國所學的微生物電化學環(huán)保技術，“這個技術就是把整個污水處理廠看成是潛在的‘電池’，水就類似于‘電池’中‘電解質(zhì)’，微生物可源源不斷產(chǎn)生電能，曾有科學家認為如果把所有污水處理廠的‘電能’收集起來，將可能成為污水‘核電站’。”
設想是很好，但存在成果落地的工程困難，“事實上水的電阻很大，很難收集到足夠的電能，只停留在理想化的理論層面。”人體少量獻血會促進新陳代謝，有沒有辦法讓微生物的活動更活躍一點，劉洪波想到“電刺激”模式，他把微生物產(chǎn)生的弱電又重新返回到污水中去，這樣簡單的操作居然產(chǎn)生了神奇效果，微生物降解糞便效率大大增強，產(chǎn)生了更多的電能，只要有源源不斷的糞便進入廁所，處理裝置就可成為不斷產(chǎn)能的“永動機”。項目提交后，立刻獲得比爾·蓋茨基金會的肯定。上海理工大學團隊成為“重新發(fā)明廁所”公益活動中國賽區(qū)優(yōu)勝的四支隊伍之一，共同獲得500萬美金資助。
“永動機”模式開啟，“糞尿”作為“能源”的“環(huán)保廁所”
環(huán)保廁所的產(chǎn)業(yè)化工作也由此拉開帷幕，為了能讓成果成功落地，劉洪波和團隊成員們研發(fā)了大量的應用型技術。
首先是實現(xiàn)了“糞尿”的分離，兩者混合一起不便于高效處理，團隊研發(fā)了源分離節(jié)水負壓收集技術，打造了混排負壓坐便器和蹲便器，可以實現(xiàn)糞便和尿液的分開處理。
糞便中的液體被稱為“黑水”，而尿液被稱為“黃水”，糞便和尿液所含的物質(zhì)是不一樣的。另外，在收集糞便和尿液的時候，負壓收集技術和新型液位氣控閥門可以在不耗電的情況實現(xiàn)糞便的高效收集，其中負壓排水驅動力可以達到常規(guī)便器靜壓排水動力的40～50倍，單次沖廁水的水量從6升降低到2升，分離收集系統(tǒng)還充分考慮到了在運轉過程隔絕和消除臭味。
其次是改變傳統(tǒng)思維，發(fā)明了基于微生物弱電調(diào)控的廁所污染物全譜資源化反應器及配套設備，可以“自維持”同時完成微生物發(fā)電和“糞尿”資源化工作，還能將糞便中的污水深度凈化為沖廁所的回用水。
“我們可以采用微生物電化學耦合技術回收‘糞尿’中的氮磷鉀物質(zhì)，可以獲得人工鳥糞石和菱鎂礦等高價值肥料，鳥糞石俗稱磷酸銨鎂，其在水中的溶解度極低，可作為一種磷肥生產(chǎn)的原材料或緩釋肥料，用于農(nóng)作物生長。菱鎂礦的化學成分是碳酸鎂，菱鎂礦除提煉金屬鎂外，還可用作耐火材料和制取鎂的化合物。過去糞便中鉀鹽的提取是一個難點，存在技術挑戰(zhàn)，我們也進行了解決，將其采用電化學的方法定向轉變成磷酸鎂鉀肥料。我們測算過在電流密度為每立方厘米3.5毫安的情況下，系統(tǒng)對‘糞尿’中磷的回收率可以達到88.5%，對鉀的回收率也可以達到35.4%。”劉洪波介紹說。因為使用了配套專用的菌劑和微生物弱電刺激方法，從某種程度上說，整個系統(tǒng)就是一個可以不斷接納和處理的“永動機”，只要有“糞尿”進來，系統(tǒng)就可以不斷地自我運轉，可以把“糞尿”看成是該套系統(tǒng)的“能源”，如廁就意味著讓系統(tǒng)開始“自動運轉”，“環(huán)保廁所”的人均如廁耗電每天不到0.05度。
十分驚艷的是該系統(tǒng)可以“自動”運行12個月以后，運行2年才需清掏一次殘渣和淤泥。而普通的環(huán)保廁所運行一年就需要進行清理，糞污清掏周期延長一倍以上。
最后是將資源化結束后的污泥同時“吃干榨盡”，也讓其產(chǎn)生經(jīng)濟效益。“我們可以將殘渣和污泥優(yōu)先進行就地資源化，比如可將富氮污泥與農(nóng)作物秸稈等進行合理配比，通過智能發(fā)酵設備生產(chǎn)有機肥料，也可以根據(jù)規(guī)模統(tǒng)一清運到污泥資源化中心進行集中穩(wěn)定化處理和資源化利用。”
環(huán)保廁所。
廣受好評，“環(huán)保廁所”已經(jīng)揚名海內(nèi)外
在國內(nèi)某個火箭海上發(fā)射平臺上，上海理工大學的“環(huán)保廁所”成果已經(jīng)變成了現(xiàn)實，白色的廁所中，三分之二空間是如廁區(qū)域，三分之一空間放置了“自運行處理裝置”，不需要使用外部電源，整個廁所十分干凈衛(wèi)生，這里每天最多可接待一千多人如廁。
像這樣的“環(huán)保廁所”在國內(nèi)已經(jīng)誕生了一百多個，已經(jīng)在北京、上海、江蘇、浙江、河南、內(nèi)蒙古、青海等地得到了應用。應用的單位有方艙醫(yī)院、石油公司、物流公司等，“環(huán)保廁所”還隨著一些央企漂洋過海在位于非洲的中國援建工程中得到應用，受到了廣泛好評。
“我們測算下來，已實現(xiàn)應用的‘環(huán)保廁所’每年服務超過千萬人，減少有機污染物5000噸左右，回收1000余噸氮肥，節(jié)約沖廁用水200多萬噸，近三年新增產(chǎn)值超過2億元。”劉洪波說。
項目授權專利17項，其中發(fā)明專利有10項，共發(fā)表論文28篇（其中SCI論文有23篇）。團隊成員們主編或參與了《城市公共廁所系統(tǒng)衛(wèi)生安全發(fā)展報告》《鄉(xiāng)村廁所革命實踐與指導》《農(nóng)村公共廁所運行管護技術規(guī)范》等國家及行業(yè)報告/標準/專業(yè)指導書籍的制定。
在此基礎上，劉洪波帶領團隊完成了“微生物弱電驅動畜禽糞污梯級資源化關鍵技術與裝備”和“微生物電化學輔助低C/N污水深度脫氮理論與技術”，前者將微生物弱電技術應用到畜禽類的糞便資源化管理中去，后者利用該技術進行污水深度處理。微生物弱電環(huán)保技術也成為了國內(nèi)外備受關注的新型環(huán)保技術。
團隊成員徐蘇云副教授說，目前大家還在全力對微生物弱電技術的機理進行更加細致和深入的研究。
“我們希望繼續(xù)深入探究微生物資源化處理背后的弱電釋放機理，更好地對其進行調(diào)控，希望其能釋放更多的電能，未來能對環(huán)保廁所進行系統(tǒng)的技術升級，滿足更多用戶的需求。”劉洪波說。
吳苡婷
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