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上海科学家重新发明厕所:环保,自运行,电刺激微生物降解

在上海市科学技术委员会资助(项目编号:22DZ2304300)下,澎湃新闻联合《世界科学》对获得国家及上海市科技奖励的成果进行科普化报道。
本篇报道围绕2022年上海市技术发明奖二等奖项目“资源循环型生态厕所构建及其低碳自持运行关键技术研发与应用”展开,该奖项由上海理工大学刘洪波教授领衔的团队获得。
新陈代谢是所有生物的基本特征,生物吸收营养,排出粪便。如厕是人类社会的日常所需。印度河流域文明的考古证据显示,冲水式马桶从大约公元前3000年起便已存在。
今天,各种前沿技术被应用到厕所中去,出现了很多环保厕所,但在一些中国的一些偏远农村和非洲等不发达地区,卫生状况还不是特别理想。相关统计数据显示:排泄物会污染食物和水源,引发肠道疾病,造成每年150万未满五岁的儿童丧生,比艾滋病和疟疾共同造成的死亡人数还高。联合国千年发展目标2012报告指出:“发展中地区将近一半人口(25亿)仍无法获得改善的卫生设施。”
上世纪80年代,中国推动改水、改厕、健康教育“三位一体”爱国卫生运动。以筹备亚运会为契机,中国拉开“厕所革命”序幕。20世纪90年代,中国将农村改厕工作纳入《中国儿童发展规划纲要》和中央《关于卫生改革与发展的决定》,在农村掀起了一场轰轰烈烈的“厕所革命”。在国家“十四五”规划中再次强调了农村厕所革命是乡村振兴的重要抓手。
上海理工大学环境与建筑学院水污染控制与资源化创新团队针对“厕所革命”中粪污收集运输困难、污染物超标无序排放、资源化水平低下等难题,开拓性地打造中国微生物电化学驱动环境污染物高效处理与资源化的技术体系,并将其应用到资源循环型生态厕所构建、畜禽粪污梯级资源化处理和污水深度处理中去,促进几百个环保项目在全球落地,产生了大量的经济效益,为中国和世界的环保事业作出了贡献。“资源循环型生态厕所构建及其低碳自持运行关键技术”项目荣获了2022上海市技术发明二等奖。

环保厕所。
源起于“比尔·盖茨”基金会“重新发明厕所”公益活动
2012年,项目负责人刘洪波教授入职上海理工大学环境与建筑学院。在同济大学环境科学与工程学院获得博士学位后,他曾前往德国Mainz 大学进行博士后工作,接触了大量前沿的环保技术。
2014年,“比尔·盖茨”基金会在全球开展了“重新发明厕所”公益活动,向全球科研工作者征集科研方案,参赛者必须在没有水、电力、化粪池的情况下,让厕所正常运转,每个人的使用成本不能超过5美分,完成的生态厕所要能给非洲等不发达地区进行日常使用。
看到征集通知,刘洪波想起了自己在德国所学的微生物电化学环保技术,“这个技术就是把整个污水处理厂看成是潜在的‘电池’,水就类似于‘电池’中‘电解质’,微生物可源源不断产生电能,曾有科学家认为如果把所有污水处理厂的‘电能’收集起来,将可能成为污水‘核电站’。”
设想是很好,但存在成果落地的工程困难,“事实上水的电阻很大,很难收集到足够的电能,只停留在理想化的理论层面。”人体少量献血会促进新陈代谢,有没有办法让微生物的活动更活跃一点,刘洪波想到“电刺激”模式,他把微生物产生的弱电又重新返回到污水中去,这样简单的操作居然产生了神奇效果,微生物降解粪便效率大大增强,产生了更多的电能,只要有源源不断的粪便进入厕所,处理装置就可成为不断产能的“永动机”。项目提交后,立刻获得比尔·盖茨基金会的肯定。上海理工大学团队成为“重新发明厕所”公益活动中国赛区优胜的四支队伍之一,共同获得500万美金资助。
“永动机”模式开启,“粪尿”作为“能源”的“环保厕所”
环保厕所的产业化工作也由此拉开帷幕,为了能让成果成功落地,刘洪波和团队成员们研发了大量的应用型技术。
首先是实现了“粪尿”的分离,两者混合一起不便于高效处理,团队研发了源分离节水负压收集技术,打造了混排负压坐便器和蹲便器,可以实现粪便和尿液的分开处理。
粪便中的液体被称为“黑水”,而尿液被称为“黄水”,粪便和尿液所含的物质是不一样的。另外,在收集粪便和尿液的时候,负压收集技术和新型液位气控阀门可以在不耗电的情况实现粪便的高效收集,其中负压排水驱动力可以达到常规便器静压排水动力的40~50倍,单次冲厕水的水量从6升降低到2升,分离收集系统还充分考虑到了在运转过程隔绝和消除臭味。
其次是改变传统思维,发明了基于微生物弱电调控的厕所污染物全谱资源化反应器及配套设备,可以“自维持”同时完成微生物发电和“粪尿”资源化工作,还能将粪便中的污水深度净化为冲厕所的回用水。
“我们可以采用微生物电化学耦合技术回收‘粪尿’中的氮磷钾物质,可以获得人工鸟粪石和菱镁矿等高价值肥料,鸟粪石俗称磷酸铵镁,其在水中的溶解度极低,可作为一种磷肥生产的原材料或缓释肥料,用于农作物生长。菱镁矿的化学成分是碳酸镁,菱镁矿除提炼金属镁外,还可用作耐火材料和制取镁的化合物。过去粪便中钾盐的提取是一个难点,存在技术挑战,我们也进行了解决,将其采用电化学的方法定向转变成磷酸镁钾肥料。我们测算过在电流密度为每立方厘米3.5毫安的情况下,系统对‘粪尿’中磷的回收率可以达到88.5%,对钾的回收率也可以达到35.4%。”刘洪波介绍说。因为使用了配套专用的菌剂和微生物弱电刺激方法,从某种程度上说,整个系统就是一个可以不断接纳和处理的“永动机”,只要有“粪尿”进来,系统就可以不断地自我运转,可以把“粪尿”看成是该套系统的“能源”,如厕就意味着让系统开始“自动运转”,“环保厕所”的人均如厕耗电每天不到0.05度。
十分惊艳的是该系统可以“自动”运行12个月以后,运行2年才需清掏一次残渣和淤泥。而普通的环保厕所运行一年就需要进行清理,粪污清掏周期延长一倍以上。
最后是将资源化结束后的污泥同时“吃干榨尽”,也让其产生经济效益。“我们可以将残渣和污泥优先进行就地资源化,比如可将富氮污泥与农作物秸秆等进行合理配比,通过智能发酵设备生产有机肥料,也可以根据规模统一清运到污泥资源化中心进行集中稳定化处理和资源化利用。”

环保厕所。
广受好评,“环保厕所”已经扬名海内外
在国内某个火箭海上发射平台上,上海理工大学的“环保厕所”成果已经变成了现实,白色的厕所中,三分之二空间是如厕区域,三分之一空间放置了“自运行处理装置”,不需要使用外部电源,整个厕所十分干净卫生,这里每天最多可接待一千多人如厕。
像这样的“环保厕所”在国内已经诞生了一百多个,已经在北京、上海、江苏、浙江、河南、内蒙古、青海等地得到了应用。应用的单位有方舱医院、石油公司、物流公司等,“环保厕所”还随着一些央企漂洋过海在位于非洲的中国援建工程中得到应用,受到了广泛好评。
“我们测算下来,已实现应用的‘环保厕所’每年服务超过千万人,减少有机污染物5000吨左右,回收1000余吨氮肥,节约冲厕用水200多万吨,近三年新增产值超过2亿元。”刘洪波说。
项目授权专利17项,其中发明专利有10项,共发表论文28篇(其中SCI论文有23篇)。团队成员们主编或参与了《城市公共厕所系统卫生安全发展报告》《乡村厕所革命实践与指导》《农村公共厕所运行管护技术规范》等国家及行业报告/标准/专业指导书籍的制定。
在此基础上,刘洪波带领团队完成了“微生物弱电驱动畜禽粪污梯级资源化关键技术与装备”和“微生物电化学辅助低C/N污水深度脱氮理论与技术”,前者将微生物弱电技术应用到畜禽类的粪便资源化管理中去,后者利用该技术进行污水深度处理。微生物弱电环保技术也成为了国内外备受关注的新型环保技术。
团队成员徐苏云副教授说,目前大家还在全力对微生物弱电技术的机理进行更加细致和深入的研究。
“我们希望继续深入探究微生物资源化处理背后的弱电释放机理,更好地对其进行调控,希望其能释放更多的电能,未来能对环保厕所进行系统的技术升级,满足更多用户的需求。”刘洪波说。
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