三格化粪池在农村改厕中应用的误区

摘要：三格化粪池厕所因为价格低廉、运维简便，成为当前欠发达地区农村厕所革命的主打技术模式，但在实际应用中普遍存在认识误区。本文基于厕所革命宗旨，论述了化粪池在不同场景应用时的正确的功能定位和设计形式。重点指明，三格式化粪池是一种面向资源化的粪尿废水处理器，而不是面向环境排放的农村污水预处理设施。采用三格式化粪池改厕，必须坚持走粪尿资源回用于农田施肥的道路，为此只能使用清洁用水量小于1.25升/次的微水清洁厕所，否则必然导致化粪池出水直排或变向直排。针对当前农村常见的三种“三格式化粪池+”的改厕方式，分析并指出采用普通水冲式便器、管道收集+（集中型）大化粪池、收集+异地脱水干燥制肥的做法所存在的无害化缺乏保障、资源化难以实施和资源化回用效益低等的问题。针对导致上述问题的症结所在，从政策配套和技术应用两个方面提出建议。

作为衡量一个国家或地区文明程度标志之一的厕所是人们生活中不可缺少的基本卫生设施。我国政府一直高度重视农村环境卫生问题，而厕所改造是农村环境卫生的重中之重。2017 年 11 月，习近平总书记对厕所革命做出重要批示，“厕所问题不是一件小事，它是城乡文明建设的重要方面，要把它作为乡村振兴战略的一项具体工作来推进”。2018年1月，中共中央国务院发布了一号文件《关于实施乡村振兴战略的意见》，提出要坚持不懈推进农村“厕所革命”，大力开展农村用户卫生厕所建设和改造，同步实施粪污处理。2018年2月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《农村人居环境整治三年行动方案》将“厕所粪污治理”作为重点任务之一，并且鼓励各地结合实际，将厕所粪污、畜禽养殖废弃物一并处理并资源化利用[1, 2]。在国家相关政策和资金的大力支持下，改厕工作正以“大跃进”的速度在全国迅速铺展。因“预制三格式化粪池厕所”造价低廉，成为了多个省市主打的改厕模式。

厕所革命是一项系统工程，承载乡村振兴战略、生态环境建设、卫生健康、可持续发展等多项需求。本文从梳理化粪池的功能定位入手，针对当前几种常见的“化粪池+”改厕模式，分析其应用的误区，提出改进策略与建议。

1 化粪池溯源与功能定位

1.1 化粪池发展简史

化粪池是最简单的废水处理装置。其基本原理[3]，一是在重力和浮力的共同作用下，静置的粪尿废水发生分层和沉淀分离，这是物理的作用。一般而言，厕所废水静置后会逐渐分离为3层，如图1所示，即漂浮在液体上面的浮渣层、中间的液体层和底部的沉渣层。比重小于水的物质(如油类)，或者夹带气泡的絮团，会在浮力作用下上浮形成浮渣层；比重比水大的固体沉淀在底层，形成沉渣。中间层是相对澄清的液体，其中可能会含有比重跟水差不多的固体颗粒，或者粒度很细小的还来不及上浮或下沉的颗粒。

化粪池的另一个重要原理是厌氧的生化作用。人们对厌氧的生化作用的利用历史很悠久，比如发酵做馒头或者酿酒，但是认识到这是由于特定的细菌发生作用，则是近代的事情。地球上有一类细菌，可以在没有氧气等电子受体物质的参与下，将复杂的且能态更高的物质（通常是大分子，如淀粉），分解为能态更低的物质，从中获取自身生命活动所需要的能量。通过厌氧生化作用可以对广泛的生物性废物进行分解，如纤维素、淀粉、蛋白质、油脂、尿素等，主要的产物包括各种有机酸、甲烷、腐殖质、铵、溶解性的磷等。总体而言，经过化粪池内的厌氧生化作用，废水所含的能量变少，性质变得稳定。同时经过化粪池内长时间的高氨氮、高pH值等的作用，肠道寄生虫的卵等致病因子也会被杀灭，使出水和出渣的生物安全性都得到显著改善。这就是化粪池“无害化”的基本原理。

如今我们已经完全掌握了化粪池的工作机制，但化粪池从来自经验和灵感的设计到理性的认识，所花费的时间超过了100年。作为一种对水冲厕所的废水进行初级处理的设施，最早的化粪池设计可以追溯到19世纪[4]。1860年，法国人Mouras设计了一种进水管和出水管均深入液面下以形成水封的新型粪池，于1881年被Moigno在书中称为“Mouras 池”，这便是现代化粪池的先驱。1895年，英国市政建筑师Cameron和Cummins对“Mouras池”进行了改进，首次以“化粪池(septic tank)”命名并申请了专利，要点是通过厌氧生化作用强化固体物质分解。1905年，德国人Imhoff对化粪池的结构进行改进，将池子分为两格，强化了固体物质与出水的分离，让还没有充分分解的固体物质沉淀在化粪池的第一个格内，便于长期停留在化粪池内进行分解（不至于被出水带出化粪池），同时也改善了出水的水质。这种结构类型被称为Imhoff槽(Imhoff tank)，被广泛应用于对城市排水进行初级处理，如小区或大楼设置的化粪池，以及污水处理厂的初沉池。

由两格化粪池演变为三格化粪池是中国人的智慧。由于早前水冲厕所和下水道在我国还不普及，厕所用水量不多，粪尿普遍用于施肥。为了便于农民取粪、施肥，同时又不影响化粪池内必要的水力停留时间，人们在两格化粪池的后部又增加了一格，用于储存熟化的粪液。

化粪池发展的每一步在今人的眼里看起来都简单，但在实现人类的环境卫生目标和性能上，都隐含着巨大的进步，甚至是颠覆性的变化。从两格变为三格，蕴含的是我们中国人自古以来的资源利用思想，这完全不同于西方人的“用完即弃”的思维。进入近代后，中国人在生活卫生方面没有发展出用管道供水和管道输送的方式来解决排便问题的技术，根源是我们在机械化方面（这是现代化的基础）落后了，但古代中国人在排泄过程的卫生性和舒适性上并不落后于西方人。中国人自古以来就有将粪尿用于施肥的传统，在资源环境可持续发展的理念上，我们一直领先于西方国家[5]。在中国的南方地区，传统上会使用具有防渗功能的储粪池，在储存粪尿的同时，也在通过厌氧的生化作用对粪尿进行分解熟化。这样的目的并不是为了排放，而是为了更好地利用肥料。在这种意义上，化粪池在中国古已有之。

化粪池与现今各种废水处理的方法相比，最大的优势就是结构简单、运行更简单。无论是重力分离，还是厌氧发酵，化粪池都是利用了自然界自发的过程，几乎不需人工操作。由此可看出，化粪池每一步的改进设计都很有意义。每增加一格，其性能甚至功能定位都大有不同，并不是简单地增加容积或者延长流程。近来有人提出“四格”甚至“五格”化粪池的想法，若仅仅是简单地增加沉淀或厌氧的格数，则这种设想或设计就没有必要。因为化粪池主要是靠足够长的水力停留时间，来实现有效的沉淀（上浮）和厌氧生化降解。在容积相同的情况下，将化粪池再分为更多的室，对上述两种功能几乎不会产生新的贡献。如果在现有三格化粪池的后面再增加其它的废水处理操作，比如利用植物吸收营养物，或者利用好氧生化作用去除有机质，并且强行将其制作成一体化的装置，反而将失去化粪池结构简单和操作简便（除清扫之外）的优势。

1.2 卫生模式与化粪池功能定位

厕所革命说到底是一场重点针对人类排便方式的大变革，首要的目标是提升人的生活卫生文明的水平，其次是要防止因排泄物处置不当造成对生态环境的破坏，为此需要重点解决两个环节的排放问题。

第一个环节排放是如何将排泄物从起居场所内部转移至起居场所外部的问题，这个环节有逐级提升的三个文明台阶，即卫生性——避免人对排泄物的接触暴露导致疾病，舒适性——避免人对不良气味、视觉等的感觉暴露导致审美不舒适感，便利性——尽可能减少因满足卫生性和舒适性需求而产生的劳作。每提升一个台阶意味着一次生活文明的巨大进步，同时也意味着排便成本的一次增加。

第二个环节排放是将排泄物从人类社会转移至大自然的问题，这个环节也有两个逐级提升的文明台阶。第一个台阶是把污染程度降低到一个环境经济的水平——达到某个环境标准。第二个台阶是完全满足资源与环境可持续发展的要求——这是目前人类排放所能达到的最高境界。

在卫生模式上，东西方文化在长期发展中形成两条截然不同的路线。西方人倾向将排泄物当作“无用的污秽”，按照抛弃的思维处理，并伴随着近代以后以机械化为代表的技术大爆炸，逐步发展出以水“冲管道输送+末端处理”的卫生模式，简称处理排放模式。由于这一模式用现代化的工具，实现了第一环节排放的高度文明，因此迅速在全世界得到推广。处理排放模式最主要的缺点是用水浪费，粪尿中所包含的有用资源无法利用，污水处理成本高，不符合可持续发展的理念。以中华文明为主的东方文化则在很早就认识到粪尿的肥料价值，并建立了具有悠久历史的收集+积肥+施肥的传统田园循环模式。这一模式从一开始就在第二排放环节达到了高度的文明水准，不足之处是没有经过现代化的升级，尤其是在第一排放环节不够便利，逐渐为现代人所嫌弃。但是目前已经完全可以按照现代生活文明和生产文明的标准重构田园循环模式，我们称之为“现代田园循环”模式[6]。构建田园循环模式，首要是在第一排放环节杜绝用大量水稀释粪尿。显然，厕所废物的资源回用价值随清洗水量增加而降低。现代田园循环模式以及改良的传统田园循环模式推荐使用无水清洁厕所（如堆肥厕所）或微水清洁厕所（低于1.5L/次）（如抽吸管道厕所）。

卫生模式的不同——重点是厕所形制的不同——决定了化粪池功能定位的不同。

当厕所形制为水冲厕所时，化粪池的定位为建筑物排水的预处理设施。在使用水冲厕所的情况下，由于冲厕用水量大（通常不少于6L/次），其中氮磷的浓度被稀释得很低，几乎不具备作为肥料使用的价值，厕所废水最终的去向以排入环境为主。为避免对环境的污染，必须对管道末端的厕所废水（通常是与其它生活污水一起）进行处理，达到规定的水质标准后才能最终排放。作为建筑物排水的预处理设施时，通常采用两格化粪池（Imhoff池）即足够。根据《建筑给水排水设计规范（GB50015-2003）》的要求，用于水冲厕所排水的化粪池容积满足水力停留时间12-24小时即可。并且我们可以发现，由于后端还会接排水和污水处理的设施，对化粪池出水并没有卫生学指标的要求。

当厕所形制为无水清洁厕所或者微水清洁厕所时，对化粪池的功能定位则转变为资源化处理器，要求化粪池具备无害化（杀灭病虫卵）、资源化（腐熟）以及一定的储存能力（第三格）。实际上三格化粪池的发明，已经不是常规意义上的化粪池，而是与中国传统的田园循环理念相结合的产物。当化粪池前端设置为无水或微水清洁厕所时，便器与化粪池之间可采用直落式或斜管式连接，尽可能改善第一排放环节的舒适性和便利性，如图3和图4所示。

1.3 三格化粪池厕所的历史使命

厕所革命的最终目的是要全面实现农村环境卫生与污染治理的现代化。目前已知的现代化路径有两条，一种是对污水和垃圾进行末端的常规达标处理，另一种是现代田园循环模式。相对而言，针对农村特征所建立的分散的末端处理技术具有更加广泛的成熟应用。按照现有价格水平，采用末端处理技术实施农村改厕的系统成本，包括改厕、污水收集和污水处理在内，综合应用纳入城镇管网、村组集中处理和分户处理三种形式进行区域范围的优化设计，在保证质量的前提下，平均的建设成本约在2万元/户。如综合考虑建设与运行成本，并按照5%的贴现率计算，户均等价年成本约在2000元/户/年[7]。对于我国绝大部分农村而言，这样的成本目前还难以接受，同时这种处理排放的模式也不符合可持续发展的原则[8]。

当前农村采用“三格化粪池厕所”的方式改厕，其出发点就是既要大幅度地改善农村生活卫生水平，又要规避农村污水收集与处理的高昂成本，这是一种在有限的经济条件下，针对农村环境卫生与污染治理的现代化需求所做出的过渡性安排。这种过渡性安排的实质，是对功能性和经济性的矛盾进行妥协，在确保卫生性（无卫生公害）和环保性的前提之下，重点突破如厕的舒适性（包括体感、嗅觉、视觉等的舒适），适当改善使用的便利性。

确保卫生性是改厕的第一前提。简单地说，为了有效杀灭寄生虫卵，化粪池前两格的水力停留时间不能低于30天。一般而言，第三格储肥为适应农时需求，水力停留时间也应达到30天。因此三格化粪池的综合水力停留时间一般不得低于60天。水力停留时间=化粪池的体积/每天的厕所排水量。通常化粪池的体积不大于2m3，因此可以计算厕所排水量不应大于33L/户/天。按户均4口人、每人每天使用厕所5次计算，则每次厕所排水量应不大于1.65L，换算成每次大小便平均的清洁用水量不宜大于1.25L。因此，三格式化粪池厕所必须采用微水清洁的便器，如直落式陶瓷蹲便器或坐便器。目前市售的中低档水冲便器清洁用水量一般都在6L/次以上，高档的节水型水冲便器清洁水用量也在3L/次以上。这就意味着市售的水冲便器均不能与化粪池搭配使用。

确保环保性是改厕的第二前提，简单而言，就是要杜绝化粪池出液直接排放。理论上可以对化粪池的出水进行达标处理，但实际上考虑到高昂的污水收集处理成本，在农村地区基本上不具备可实施性。因此三格式化粪池的出液只有一个去向，即用于农田施肥。

基于当前国家还缺乏鼓励农民使用粪肥的政策，从降低资源回用成本的角度，化粪池出液应就近就用于农田施肥，尽可能减少不必要的长途输送和额外的处理需求。

2 当前农村化粪池改厕的误区

2.1 误区之一：户用化粪池+水冲厕所

首先，“户用化粪池+水冲厕所”的改厕方式基本上不能满足无害化的要求。目前市场上常见的水冲厕所每次冲水量6L，按照每人每天如厕5次计算，4口之家每日可产生120L厕所废水。如果按60天最短停留时间（第一室20天、第二室10天、第三室30天）设计，则化粪池所需体积为7.2m3。这样庞大的体积不仅在造价上难以接受，而且在用地方面也很难得到保障。事实上，当前的户用化粪池体积普遍小于2m3，并非是针对水冲厕所的用水量需求设计的。

其次，水冲厕所废水的肥料利用价值低，不适合用于农田施肥。采用水冲厕所的方式大幅稀释了粪尿中的养分浓度，肥效大打折扣，对粪肥使用需求的农户并非经济、高效的选择。此外，水冲收集的粪液含水率高，施入土壤后养分容易随水渗入地下或通过径流流失，导致水体富营养化，降低肥料利用率，进一步降低肥料价值。长期以来，保障粮食供给是我国非常重要的战略，国家通过各种政策性的补贴，形成了更有利于化肥生产与使用的环境。曾经作为重要肥源的人粪尿因肥效慢、使用成本高，逐渐被农民嫌弃。在这种情况下，被大量水稀释的水冲厕所废水更难为农民所接受。

目前国家没有对化粪池出液用于农田施肥的肥效进行规定。化粪池出液与沼气池出液的性质非常相似，因此可以参照沼气池出液的农用技术标准。根据《沼肥施用技术规范(NY/T2065-2011)》，沼肥的理化性状要求“沼液水分含量96%-99%，总养分含量应>=0.2%”。对重庆和浙江水冲式卫生厕所与三格化粪池无害化效果的现状调研显示[9, 10]，化粪池出水中COD 165~926mg/L、TN 112~386mg/L、NH3-N 82~300mg/L、TP 2.5~31.6mg/L，难以满足施肥要求。

失去了肥料利用价值的化粪池出水最终出路只能是作为污水排放。在没有后续下水道和污水处理设施的情况下，对农村居民而言，最简便和实用的方式就是把化粪池的出水排入地下[11]。迄今为止，我国没有从法律上禁止农村厕所废水直排地下，但即使设立相关法规，也难以有效地监管执法。因此，若选用化粪池，应停止选择当前市场常见的水冲厕所，才能避免后续的厕所废水直排。

2.2 误区之二：户用化粪池+集中转运+脱水干燥制肥

目前各地为强化厕所革命实施的效果，在改厕的同时，纷纷建立对化粪池出液进行集中清掏的服务体系。这一做法的初衷是好的，可以提升化粪池清扫以及后续资源处理和利用的专业化与集约化程度，对于保障运行、降低成本有利。但是集中清掏的厕所废液（粪液）和废物（粪渣）如何处理？这是个非常值得思考的问题。

很多地方设计了“集中转运+集中处理”的技术路线，其中集中处理主要是对清掏的化粪池第一格和第二格的粪渣（浮渣+沉渣）进行脱水、干燥制肥或堆肥，但是如何处理化粪池第三格的出液通常都不提及。这里面有两个问题值得探讨。

(1)化粪池清扫物中的液体去哪里？以使用微水清洁厕所为例，厕所废水中固体含量（粪渣）通常不高于2%，其余超过98%的都是液体。其中粪渣主要是没有分解的有机质和其余杂质，粪尿中99%以上的氮、磷、钾元素都是以溶解性的物质存在于厕所废水中，包括从化粪池第三格抽取的液体和粪渣脱水产业的液体。无论是从污染控制的角度，还是从资源回用的角度，化粪池产生的液体才是处理或利用的重点。如果不能解决液体的去向问题，仅仅是对粪渣进行脱水干燥和利用，对化粪池运行维护的贡献微乎其微。如果是将液体直排环境，则违反了环境保护的前提[12]；如果是将液体送到污水处理厂处理，不仅浪费资源，更需要花费很高的成本，违背了“化粪池厕所”这一过渡性安排的初衷。

(2)粪渣脱水干燥制肥的价值如何？对于农田施肥而言，经过足够的水力停留时间之后，化粪池的出液和出渣实际上都已经满足直接施肥的卫生要求和肥料要求。粪渣中的固体物质（以经过熟化的有机质为主）可以作为土壤改良剂，溶解性营养盐（主要是氮、磷、钾）是作物生长必须营养元素，水也是作物生长所必须的物质，通过人为的手段将固体与液体分开，不会增加任何的肥力，但却要消耗很多的物质与能量，从资源与环境的角度这并不合理。

我国城市普遍建有专门的粪便处理厂，对城市环卫收集的粪便废水以及清扫的化粪池污泥进行处理，国家也针对城市粪便处理颁布了一系列标准和规范。城市粪便处理工艺包括固液分离、脱水、絮凝及深化处理/堆肥等，产生的上清液制作液肥或并入污水处理厂处理，固体部分可以制作成有机肥，也可以进行最终的填埋或焚烧[13]。如果对区域（比如县域）内的农村化粪池清扫废物（粪渣和粪液）进行集中的收集，那么对收集物的处理就应该仿照城市粪便管理的措施进行处理或资源化利用。但显然，在农村地区实施集中管理，其收集的成本将远远高于城市，实际上并不具备经济可行性。强行实施的后果，只能使化粪池出渣和出液的集中收集处理流于形式。

(3)长距离输送粪液粪渣增加了运输成本。客观地说，化粪池清扫的粪液粪渣的经济价值毕竟有限，任何不进一步增加资源回用价值的操作都不是好的操作，应尽可能缩减。在农村地区倡导粪尿资源回用的主要原因，就是因为村庄或农村住宅紧邻农田，资源回用成本低。如果将集中清扫的粪尿再通过长途输送、异地回用，无异于舍近求远。

集中的清扫服务本意是提供好的环境卫生服务，不能做好的背后具有深层次的原因。一是当前农用土地的使用权和化粪池运行维护权分属不同的利益主体，他们之间缺乏有效沟通。二是没有把化粪池清扫维护及后续粪便处理利用的成本需求与农田施肥的投入产出绩效统筹考虑。如果能把节省的清扫服务与后续处理的费用奖励给农田施肥环节，就近就地利用的问题不难解决。

2.3 误区之三：户用化粪池+管道+大化粪池

目前有些地方针对化粪池运行维护问题提出“户用化粪池+管道+大化粪池”的技术设想，试图通过管道收集消除人工清扫、特别是须入户清扫化粪池的需求，以及用车载运输粪水的需求。这一技术设想比“集中收集+脱水干燥”更进一步，强调了就地就近资源化利用。该设想的主要问题是可行性，重点是经济可行性。实际应用中提出该设想的地区，多采用了“水冲厕所+”的改厕方式。这个问题已在前文论述，这里假设这一技术路线使用“微水清洁厕所”。

“户用化粪池+管道收集+大化粪池”的做法是将社区内的户用化粪池第三格的出液用管道收集到一个公用的大型储粪池（具有沉淀与厌氧处理功能），这与对生活污水进行集中的管道收集和污水处理在设计思路上有相似之处。该做法的不可行体现在以下两个方面。

一是因小失大。将户用化粪池第三格的出液收集到集中建设的大化粪池的管道造价，与将每户的生活污水收集到集中的污水处理设施的造价，在建设投资强度上相差不大。主要的差别是二者在终端设施的造价和运行成本上。众所周知，在农村污水收集处理系统中，超过80%的建设成本是用在管道上面，只有不到20%的成本用在处理设施上，主要的成本并不减少。对比大化粪池和污水处理设施的建设与运行成本。“大化粪池”的造价一般在2000元/m3体积。大化粪池的主要功能是储存，考虑到作物生长和施肥周期，储存时间一般需要30天。假设微水厕所清洁用水量为1升/次，则人均粪水产率约为7L/人/天。大化粪池造价=2000元/m3×（7L/人/天×30天）=420元/人。村组集中型的污水处理设施造价一般在7000元/(吨/天)污水，人均污水产率约为100L/人/天，则污水处理设施造价=7000元/(吨/天) ×100L/人/天=700元/人。可以看到相比于完整的下水道+末端污水处理，管道+大化粪池的方式所节约的建设成本有限。管道修建的成本随居住的密集度和管道开挖难度而变动，通常农村地区合格管道的建设成本约为2000元~6000元/人。由此造成的高投入实际上已与基于过渡期的改厕目的不吻合了。

二是管道维护的问题。管道维护的重点是清理管道沉积物。管道内是否容易产生沉淀，一是与悬浮物的浓度有关，浓度越大，越容易在管道内产生沉淀；二是与管道内的流速有关，流速越小，越容易产生沉淀。从这两方面看，用于收集化粪池第三个出液的管道沉淀现象肯定会趋于严重。如果使用微水清洁厕所，化粪池出液量大约只有生活污水量的1/14，势必对管道设计和维护带来难题。

此外，采用管道收集化粪池出液的方式还有隐忧。“微水厕所+户用化粪池+管道+大化粪池”在提供便利卫生服务的同时，如何避免部分村民私自安装水冲厕所，或者将洗涤废水也排入管道？若不能得到有效解决，则问题又回到了原点。

3 讨论与建议

本文所指出的三格化粪池厕所在实际应用中所存在的问题仅针对普遍性应用而言。对于特殊情况下所作出的因地制宜的安排尚需小心求证，不在本文讨论范围之中。

虽然化粪池并无复杂的技术问题，易于生产、易于安装、易于运行，但并不意味着对应用化粪池改厕就不需要进行辨证的思考、科学的设计和精细化的管理。当前很多地方正积极地推进“化粪池+”的改厕策略，虽然户均投入不大，但覆盖面极广，并将对未来农村环境卫生现代化的影响深远。若对化粪池进行不合理的使用，势必造成难以挽回的损失。建议：

（1）进一步明确农村厕所革命的总体目标，坚持系统性思维，各地应因地制宜，科学规划从落后的现状到未来完全现代化的最佳技术路径；尚不能一次实现完全现代化的前提下，可实行诸如“化粪池+”的过渡性改厕策略，但应尽可能让过渡性的设施在未来长期性的系统中也能发挥作用，减少投资浪费。

（2）充分认识到水冲厕所在面向第二排放环节需求时的局限性，确定资源利用的原则，跨越末端污水处理陷阱。

（3）深刻把握化粪池的功能定位，避免赋予化粪池“过渡性污水处理设施”的不可承受之重。

（4）加快制定化粪池出料（液肥、渣肥）回用于农田施肥的鼓励性政策，消除运营维护权与本地农田使用权相分离的制度性障碍，落实就近就地用肥原则，避免无附加价值增长的深度处理。