目前，中国城镇基本实现了污水的全收集，但农村污水仍未得到较好的处理^[1]，农村厕所的排污是农村污水的主要来源，已对农村环境产生比较严重的负面影响。此外，为了应对盲目过量施用化肥导致的耕地退化问题，2015年农业部也提出了2020年化肥使用量零增长的目标^[2]。而实现这一目标的重要手段之一就是提高农村污水中粪尿的资源化利用^[3]。2017年我国人均化肥消耗量可达氮肥（以N计）每年每人15.98 kg、磷肥（以P计）每年每人5.74 kg、钾肥（以K计）每年每人4.46 kg，而将人类粪尿中富含的氮、磷、钾等营养物质经资源化处理后用作肥料在农村地区具有重大现实意义^[4-5]。

2015年，农业部印发了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，要求提高农业生产中有机肥资源利用率。2020年7月14日农业农村部等三部委印发了《农村厕所粪污无害化处理与资源化利用指南》和《农村厕所粪污处理及资源化利用典型模式》等文件，进一步指导农村资源化厕所的建设与发展。本研究对农村初步调查也表明，广大村民对于建设和使用资源化厕所有极高的热情。

近年来，粪尿资源化技术不断取得突破，出现了各种新型的资源化厕所系统，但如何在不断趋严的农村环保标准之下，将资源化厕所与农村特点相结合，为不同农村地区因地制宜地提供改厕技术方案仍然缺乏系统性的指导。因此，本研究在分析不同粪尿资源化技术研究现状的基础上，设计适合北京某农村地区的资源化公厕系统，分析在不同情境下推广资源化厕所可实现的经济与环境效益，为我国农村地区厕所资源化技术选用和农村水污染控制提供建议。

1 材料与方法 1.1 资源化厕所系统设计

为建设适用于农村地区的资源化厕所系统，笔者按照下述研究步骤开展了调研、试验与设计等工作。

（1）首先通过文献调研总结了粪尿资源化的常见技术，并通过实地调研、与专业人士交流、参观展览等方式，分析了目前资源化厕所系统的研究现状。

（2）基于调研结果，对现有的黄水资源化技术（氨氮吹脱、鸟粪石结晶、正渗透膜）进行集成，并通过小试试验验证其运行效果，试验所需原料、试剂及材料见表 1。试验步骤：取黄水500 mL于瓶中，投加5 g Ca（OH）₂，设置吹脱风量为1 L·min^-1，进行连续1 600 min的吹脱，测定反应过程中氨氮（NH₃-N）浓度变化，NH₃-N浓度通过纳氏试剂法检测；吹脱试验完成后，使用抽滤瓶及分析滤纸对1号瓶内的黄水进行过滤，对所得的固体样品进行干燥处理；将过滤后的黄水作为原料液进行水通量（J_W）测试，测试装置见图 1，测试条件见表 2。

1.2 资源化厕所系统效益评价

在完成技术验证后，笔者将集成技术和褐水厌氧发酵技术结合，考虑北京市某农村地区的特点，设计了适用于该地区的全资源回收型厕所系统，研究资源回收型厕所系统在不同应用情景下的环境效益和经济效益，并与传统水冲厕所进行对比。公厕前段，配置2个男士小便器、2个男士大便器、6个女士大便器的公共厕所每日可服务780名女士和800名男士。假设公厕后端采用不同的排放或资源化技术，具体分为情景A、B₁、B₂、C₁、C₂、C₃、C₄七种系统。公厕的前端和后端组成了完整的公厕系统。

1.2.1 情景设置

所设置的研究情景如表 3所示。

情景A：完整下水道式水冲厕所，采用常规节水便器，利用自来水进行冲厕，之后粪尿污水进入储粪池，进而通过市政排水管网排至集中式污水处理厂进行处理；情景B：部分资源回收型厕所系统，采用负压源分离便器，利用自来水及正渗透（Forward osmosis，FO）-反渗透（Reverse osmosis，RO）系统回收所得的回用水进行冲厕，对收集得到的黄水进行资源化处理（先吹脱结晶回收硫酸铵固体，再沉淀过滤获得缓释肥，最后通过FO-RO系统获得再生水），而褐水则进入化粪池，进而通过市政排水管网排至集中式污水处理厂进行处理，其中情景B₁利用太阳能电池板进行供电，而情景B₂则利用市政电网进行供电，此情景适用于有一定市政供排水管网的农村地区；情景C：完全资源回收型厕所系统，采用负压源分离便器，在完全利用FO-RO系统回收所得的回用水的基础上，情景C₁和情景C₂利用自来水补充缺少的冲厕水，情景C₃和情景C₄则利用FO-RO系统处理其他地表水来补充缺少的冲厕水，在部分资源回收型厕所系统的基础上，将褐水和其他废弃物（畜禽粪便、餐厨垃圾、作物秸秆等）混合进行厌氧发酵，其中情景C₁、情景C₃利用太阳能电池板进行供电，而情景C₂、情景C₄利用市政电网进行供电，情景C₁、情景C₂适用于有一定市政供排水管网的农村地区，情景C₃、情景C₄适用于无供排水基础设施的偏远农村地区。

1.2.2 经济性评价方法

目前大多数政府部门和国际机构都采用费用- 效益分析（Cost-benefit analysis，CBA）作为公益性项目的主要经济性评价方法。费用-效益分析中需要剔出转移支付的影响，并利用影子价格体系，确保分析中的价格能真实反映实际情况，同时将间接费用或间接效益等外部效益内部化，以便从整个国家或社会的角度全面分析项目的经济性，在费用-效益分析中，经济净现值（Economic net present value，ENPV）可反映出项目运行周期内的经济性，目前已被较多地用于评估厕所系统的经济性。本研究采用经济净现值法评估上述7种不同厕所系统的经济效益，其计算公式如式（1）所示：

(1)

式中：n 为项目计算年限，a，本研究中将各个厕所系统的使用年限统一为20 a；B_t为厕所系统在第t 年的总效益，万元；C_t为厕所系统在第t 年总费用，万元；i 为社会折现率，本研究中厕所系统的社会折现率取8%。

1.2.3 环境效益分析方法

本研究采用生命周期评价（Life cycle assessment，LCA）来分析资源化厕所应用后的环境效益。LCA是一种评价产品（或服务）生命周期内环境影响的方法。由于可以同时考虑建造、使用、废弃等各个阶段，该方法目前广泛应用于市政基础设施的可持续性评估中。假设厕所使用年限为20年。建设阶段、使用阶段、粪尿处理阶段、资源回收阶段、报废阶段的输入输出均纳入研究的系统边界内。LCA计算过程在Gabi 8.0软件中实现，背景数据来自软件自带的数据库。本研究选取的环境影响类别有：化石燃料类非生物资源消耗潜势（Abiotic depletion potential-fossil，ADP-f）、元素类非生物资源消耗潜势（Abiotic depletion potentialelements，ADP-e）、酸化潜势（Acidification potential，AP）、富营养化潜势（Eutrophication potential，EP）、淡水水生生态毒性潜势（Freshwater aquatic ecotoxicity potential，FAETP）、100年全球变暖潜势（Global warming potential，GWP100）、人类毒性潜势（Human toxicity potential，HTP）、海洋水生生态毒性潜势（Marine aquatic ecotoxicity potential，MAETP）、臭氧层破坏潜势（Ozone layer depletion potential，ODP）、光化学物质生成潜势（Photochemical oxidation potential，PCOP）、土壤生态毒性潜势（Terrestrial ecotoxicity potential，TETP），各类环境影响均通过CML-IA方法计算。

2 结果与讨论 2.1 资源化厕所系统设计

粪尿资源化技术的处理对象根据粪尿收集、贮存、转运设备的不同而有所区别，主要可分为三类：①黄水，即尿液或含少量冲厕水的尿液；②褐水，即不含尿液的粪便污水；③黑水，即粪便、尿液和冲厕水的混合物。其中黄水的氮、磷、钾等营养物质含量较高，而褐水、黑水的干物质含量较高^[6]。故对黄水的资源化处理目标主要是从黄水中回收氮、磷、钾、水等物质，对褐水、黑水的资源化处理目标主要是获得有机肥、沼气等资源或能源。

目前黄水资源化的趋势为先利用浓缩减量技术对尿液进行富集浓缩，之后搭配产氢、产电、鸟粪石结晶、氨氮吹脱等技术实现资源的回收^[7-9]，相关的资源化技术可分为氮回收技术、磷回收技术、电化学技术和膜技术四类，技术原理和采取的方法详见表 4。

褐水和黑水资源化的主要思路是创造厌氧、高温等不适于粪大肠菌群等病原体生存的环境，在实现粪便无害化、减量化的同时，回收产生的沼气以及其他富含腐植酸类有机物的肥料，主要的技术包括堆肥、厌氧消化、干化焚烧等。表 5总结了目前常见的褐水和黑水资源化技术，对技术的成熟度、粪污减量化效果、资源回收效果以及操作条件和成本进行了总结，并归纳了目前技术存在的问题。

搭配前端的粪尿收集装置，可将上述多种资源化技术集成用于设计厕所系统，表 6总结了已有的不同技术成熟度的资源化厕所系统。

笔者所在的研究团队在充分调研目前资源化厕所系统开发现状的基础上，在满足用户舒适度体验和公共厕所卫生规范（GB/T 17217—1998）条件下，综合考虑了各种粪尿资源化技术的特点，将吹脱回收氨、结晶回收磷、正渗透膜回收水等黄水资源化技术进行集成。集成技术验证试验结果如图 2所示。结果表明：在黄水资源化过程中，该系统可以固态肥料（氮肥和缓释复合肥）的形式高效回收黄水中的氮、磷、钾，回收率分别可达97.43%、99.44%、31.95%；营养物质的回收使得黄水中氨氮浓度大幅降低，试验进行1 000 min后，黄水中氨氮浓度从1 400 mg·L^-1降低至50mg·L^-1；当使用3 mol·L^-1 NaCl溶液作为汲取液时，4 h连续运行正渗透膜水通量平均可达3.58 L·h^-1·m^-2，水回收率可达74.67%。以上结果表明，氨氮吹脱-鸟粪石结晶-正渗透膜集成技术可有效地对黄水进行资源化处理。

最后，笔者所在的研究团队将集成黄水资源化技术和褐水厌氧发酵技术结合，设计了全资源化回收型厕所系统，为了更好地在农村地区应用，研究团队利用草木灰中和氨氮吸收过程中过量的酸，并将农作物秸秆用于混合厌氧发酵过程，最终形成了适用于农村地区的全资源回收型厕所系统，见图 3。

2.2 资源化厕所技术效益分析

各个系统的费用-效益流量表如表 7所示，ENPV结果如图 4所示。

由图 4可知，尽管所有厕所系统的ENPV均小于0，但情景B₁、情景B₂与完整下水道水冲式厕所系统的经济效益接近，而情景C₁~C₄的效益则优于完整下水道水冲式厕所，其ENPV相对情景A的ENPV分别提高了72.96、49.65、52.28、24.05万元，增幅分别为81.74%、55.62%、58.57%、26.94%。对粪尿均进行无害化、资源化处理的厕所系统（情景C₁~C₄）的经济效益优于仅对尿液进行资源化处理的厕所系统（情景B₁~B₂），这主要是因为情景B₁~B₂对黄水进行资源化处理后剩下的高浓度黄水和褐水的处理成本过高，而资源化获得的产品带来的经济补偿较低。使用太阳能电池可以较好地提高资源回收型厕所系统的经济效益，情景B₁相对于情景B₂提高了37.46万元，情景C₁相对于情景C₂提高了23.31万元，情景C₃相对于情景C₄提高了28.23万元，这主要是因为太阳能电池板的使用虽然增加了厕所系统的建设成本，但相对电网供电的环境效益，其环境成本（间接效益中减少环境退化成本）大幅降低，故而提升了情景B₁、情景C₁、情景C₃的经济效益。独立于市政供排水管网的厕所系统（情景C₃、情景C₄）相对于依靠市政给水管网的厕所系统（情景C₁、情景C₂）而言，经济效益更差，情景C₃相对于情景C₁下降了20.68万元，情景C₄相对于情景C₂下降了25.61万元，这主要是因为与情景C₃、情景C₄依靠FO-RO膜系统处理地表水相比，自来水厂生产清洁水具有规模效应故而经济成本和环境成本均更低。此外，RO出水的水质高于自来水厂，处理过程的大量电耗带来了额外的环境成本，在实际应用过程中，可考虑将地表水进行简单地絮凝、沉淀、过滤处理，之后用作冲厕水以降低这部分成本。

从表 7可以看出，情景B₁~B₂和C₁~C₄的固定成本远高于情景A，但在运行期间的净收益则优于情景A。各个厕所系统的ENPV仍为负值（表明经济上项目不可行），主要是因为所采用的吹脱、结晶、正渗透等设备为自制设备，成本和运维、折旧费用较高，但随着相关技术的不断革新，以及资源回收型厕所系统大规模推广建设后带来的设备和产品的规模化、规范化生产效应，相关设备的价格会逐渐下降，从而提升厕所系统的经济效益，最终使得资源回收型厕所项目达到经济可行。各厕所系统的ENPV结果变化情况如图 5所示。LCA结果如图 6所示。从图 6可以看出，将粪尿中的碳、氮、磷、钾等营养物质全部回收的情景C₁~C₄，其环境效益最优，相对于情景A，情景C₁~C₄在除TETP之外的所有环境影响类型上均具有更优的环境效益，具体的降幅如表 8所示。

将资源回收型厕所系统的ENPV和环境效益结合起来分析可知，相对于完整下水道水冲式厕所（情景A），情景C₁~C₄在经济、环境效益上均更具优势。在有供排水管网的农村地区，应优先利用市政供水管网，选择情景C₁或者情景C₂，情景B₁也可作为替代完整下水道水冲式厕所的选择，而情景B₂在目前阶段则不适于应用；在无供排水管网的农村地区可选择情景C₃或情景C₄。在能源利用方面，资源回收型厕所系统在应用时，应充分利用太阳能等清洁能源以取得更好的经济和环境效益。

3 结论

（1）将吹脱回收氮、结晶回收磷、正渗透膜回收清洁水、厌氧发酵回收沼气等技术集成用于农村地区，实现粪尿污染物的无害化、减量化、资源化，具有较好的运行效果。

（2）在本研究的公厕规模条件下，对粪尿均进行无害化、资源化处理的厕所系统的经济、环境效益均优于仅对尿液进行资源化处理的厕所系统和传统水冲厕所。

（3）在进行农村资源化厕所技术比选时，应充分考虑当地的供水供电条件，在缺乏供排水管网、供电网等基础设施的农村地区，建设对粪尿均进行无害化、资源化处理的厕所系统综合效益最大。