上�？茖W(xué)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(xué)技術(shù)委員會資助（項目編號：22DZ2304300）下，澎湃新聞聯(lián)合《世界科學(xué)》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(shù)發(fā)明獎二等獎項目“資源循環(huán)型生態(tài)廁所構(gòu)建及其低碳自持運行關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用”展開，該獎項由上海理工大學(xué)劉洪波教授領(lǐng)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(shù)被應(yīng)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(guān)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(shè)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(guān)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(xué)環(huán)境與建筑學(xué)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(xué)驅(qū)動環(huán)境污染物高效處理與資源化的技術(shù)體系，并將其應(yīng)用到資源循環(huán)型生態(tài)廁所構(gòu)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(gòu)建及其低碳自持運行關(guān)鍵技術(shù)”項目榮獲了2022上海市技術(shù)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(zé)人劉洪波教授入職上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院。在同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院獲得博士學(xué)位后，他曾前往德國Mainz 大學(xué)進行博士后工作，接觸了大量前沿的環(huán)保技術(shù)。
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(zhuǎn)，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(xué)的微生物電化學(xué)環(huán)保技術(shù)，“這個技術(shù)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(xué)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(shè)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(xué)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(yīng)用型技術(shù)。
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(shù)，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(shù)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(qū)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(zhuǎn)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(yīng)器及配套設(shè)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(xué)耦合技術(shù)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(xué)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(shù)挑戰(zhàn)，我們也進行了解決，將其采用電化學(xué)的方法定向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)”，“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(jié)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(shè)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(xué)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(yīng)用。應(yīng)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(yīng)用，受到了廣泛好評。
“我們測算下來，已實現(xiàn)應(yīng)用的‘環(huán)保廁所’每年服務(wù)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(quán)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(dǎo)》《農(nóng)村公共廁所運行管護技術(shù)規(guī)范》等國家及行業(yè)報告/標準/專業(yè)指導(dǎo)書籍的制定。
在此基礎(chǔ)上，劉洪波帶領(lǐng)團隊完成了“微生物弱電驅(qū)動畜禽糞污梯級資源化關(guān)鍵技術(shù)與裝備”和“微生物電化學(xué)輔助低C/N污水深度脫氮理論與技術(shù)”，前者將微生物弱電技術(shù)應(yīng)用到畜禽類的糞便資源化管理中去，后者利用該技術(shù)進行污水深度處理。微生物弱電環(huán)保技術(shù)也成為了國內(nèi)外備受關(guān)注的新型環(huán)保技術(shù)。
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(shù)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(shù)升級，滿足更多用戶的需求。”劉洪波說。
吳苡婷
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