 01 引言   1.1 全面理解厕所革命 厕所革命的实质是人居环境文明水平的飞跃，重点是基础设施与服务系统的升级换代，也包括支撑系统高效建设和运行维护的社会与管理系统的升级换代。卫生与环保意识的提升是厕所革命的重要组成部分，所以厕所革命要加强宣传与教育。 人居环境的基础设施及其运行维护是人类构建的用于在聚落生活中排放和处理处置生活废物的技术系统。所说的生活废物包括：以粪尿为主的人体排泄物，以食物残渣为主的厨余垃圾，用于表面清洗之后的废水，以及其它在人居生活中失去使用价值的物品及垃圾。基于粪尿的独特属性及其在人居环境的重要地位，对粪尿的排放及处理处置的水平成为人居环境文明的基石。 小厕所，大民生。厕所从小处讲，是个体生活排放的方式和文明程度，关系到家庭成员的身体健康与生活美好。从大处讲，每个家庭的卫生排放都有可能对公共健康和生态环境产生破坏性影响，因此关系到公共居住环境和生态环境的文明水平。粪尿中可能含有粪-口相传的致病细菌、病毒和寄生虫卵，其中又富含有机质、氮、磷等营养性物质，在集中居住的乡村和城镇，随意乱排势必会危害公共健康并造成环境水体的富营养化，若经过无害化处理，又有可能成为可用的资源。 厨余垃圾与粪尿同源，生化与理化性质相近，所以其对健康与环境的影响也与粪尿相似。 废水具有不同于其余生活废物的流动性，并且在现代生活中废水的产生量远远超过其它废物，导致其所携带的有害或污染物质特别容易扩散，因此对生活废水的排放与处理处置往往是整个人居环境治理成本的大头。 其它生活废品和垃圾虽然不一定包含疾病传染和富营养化风险，但是随意乱扔既影响人居环境整洁，也会破坏生态环境。尤其是现代生活用品所用材料极其复杂，且大多是矿冶和化工产品，很难通过自然的过程在较短时间内分解或腐烂，其中可能还含有有毒有害物质，必须通过反向的工业过程进行妥善的处理处置。 中国农村厕所革命的重点是适应乡村振兴和国家整体现代化发展的需求，加快构建如图1所示的现代化乡村人居环境治理的体系。
图1 农村厕所革命的内涵与外延 现代人居环境系统在建设与运行过程中需要大量消耗水、能源、物资，排放污染物质和温室气体，因此人居环境的技术系统还与人类可持续发展密切相关。 1.2 人居环境文明进阶 如图1所示，从人类开始使用厕所到可预见的未来，人居环境文明的进步共有五级阶梯：卫生、舒适、便利、达标排放、可持续发展。每一级文明阶梯都是在之前文明水平上的进一步提升。 卫生的宗旨是健康，是人类最基本的文明需求。让身体远离污秽可以防止疾病传染，因此对卫生的学术定义是：将生活废物排放到一定距离之外，以满足人对疾病传染暴露风险控制的需求。从文明伊始，人类就知道在聚落生活中不能随地大小便，从而产生了厕所和如厕行为。 舒适的宗旨是审美，是更高级别的文明需求，主要是指感觉良好，让污秽远离视觉和嗅觉，同时注重保护隐私，对舒适的学术定义是：让如厕环境与外界保持一定的隔离状态，以满足人对感觉暴露和隐私暴露风险控制的需求。将卫生需求提升到审美高度，实际上是更高级别的健康预警和防护。
图2 人居环境文明的五个层次 从上述关于卫生性和舒适性的定义可以看出，二者的内涵都是要让生活废物与生活环境满足一定程度的隔离要求。最基本的隔离要求是将生活废物排放到一定距离之外，进一步的审美要求还希望将生活废物进行一定程度的封闭，比如掩埋。在现代技术出现之前，人们主要通过简单的工具和身体力行达成卫生和舒适的距离。普通人要远离自身所产生的污秽，一种方式是让排放地点远离起居场所，还有一种方式是将排放的废物及时转移。这两种方式都对个体的卫生意志提出较高要求，人们难免因惰性而疏于打理，这是大多数传统厕所不能达成良好的卫生性和舒适性的主要原因。在现代厕所出现之前，只有少数精神上的贵族和物质上的贵族可以拥有高水平的人居环境。对普通人而言，如果没有进一步的驱动力，他（她）对卫生性和舒适性的定义差不多就等同于他（她）在日常所能忍受的与污秽物的最短距离，这也代表了个体的文明水平。 对厕所废物与居住环境隔离程度的定义，代表着社会文明的水准。大多数文明对环境隔离的定义是将生活废物排放到足够远，这种单纯排放的思维是以自我为中心。在中世纪的欧洲，居住在城市高处的居民或将厕所凌空设置，或将马桶中的粪水直接倾倒在街道上。据说那时人们在欧洲的街道上行走必须小心翼翼，否则就有可能被粪水淋头，长年堆积的粪便甚至可以使地面抬高超过数米。本文将这种人居环境文明的形态称为传统排放模式。其与文明之前的露天排放相比，主要表现在个体卫生性和舒适性的提升，但对公共居住环境的卫生性和舒适性的提升终究十分有限，导致中世纪的欧洲瘟疫流行，公共卫生状况十分糟糕。在这方面，中华文明可谓一枝独秀，道法自然并追求人与自然的和谐。在东方农耕文化背景之下，人们很早就认识到人畜粪尿的肥料利用价值。人们将粪视为'米田共’，四处收集，不使其有半点浪费，由此建立了绵延数千年的传统田园循环的文化。城市和军队的粪尿收集与销售因而成为大有利可图的产业。不仅是粪尿，传统的中国人将几乎所有的有机生活垃圾、草木灰和清扫的尘土都通过堆肥的形式转化为肥料。当粪尿成为宝贵的肥料资源后，反过来又提升了市政卫生清扫的水平。本文将这种人居环境文明的形态称为传统田园循环模式，这实际上是一种朴素的可持续发展模式，具有2.5代文明的特征，代表前现代最高的文明水准。 人居环境文明的第三级台阶是便利，其宗旨是用尽可能少的人体劳作实现卫生和舒适的目标。用机器操作取代人体劳作是现代人居环境文明的基本特征。在现代化生活卫生方式下，厕所可以安装在卧室之内，一键操作便可完成便器清洁，并使卫生废物即时远离生活起居场所。如果说最基本的卫生和舒适目标完全可以通过个体意识水平的提升予以实现，那么将人居环境文明提升到便利的高度只能通过技术革命才能实现。尤其像西方文明下的社会，只有解决了便利性，才能让粪尿的污秽离个体家庭更远一些，甚至排到城市以外的地方。这恐怕也是水冲厕所在西方文明之下才能被发明的一个重要因素吧。 有水冲洗-管道排污是达成现代人居环境文明的技术基础。在水冲管道排污技术出现之前，人体排泄的废物只能依靠自身重力下落，或者先储存在便器的下方，需要进行定期的清扫转移。水冲管道排污技术的出现，不仅使人们可以用水清洗便器，更重要的是以水为输送介质，以水力为驱动力，通过管道这种机器系统，将污秽物在水平方向上进行转移。 第四级台阶是达标排放。现代化不可避免地带来更多的水、能源和物资等的消耗，排放的废物有可能造成环境污染，尤其是当前的现代化人居环境模式是从西方的传统排放模式演变而来。为了控制生活排放所产生的环境污染问题，人居环境文明被推上第四级台阶。在这一阶段，生活卫生文明完全满足卫生、舒适和便利的要求。为控制生活排放对公共居住环境和生态环境的污染，人们将生活排放划分为污水和垃圾，对它们进行收集，并在收集的末端进行以污染指标削减为目的的处理作业，在满足一定的环境排放标准之后才能将它们排入环境。 第五级台阶是可持续发展。受限于技术和经济等多方面的因素，达标排放并不能彻底消除污染，所谓标准只是人为设定的一种妥协。目前，人类已经在各个领域开始探究可持续发展的道路，人居环境治理也不例外。目前人们所公认的人居环境可持续发展的标志是：节水、节能、降耗（物资）、减碳和资源再生。 需要特别指出的是，到目前为止，已经取得成功的人居环境现代化路径还只有一种来自于西方的模式。本文将人居环境文明划分为五个阶段也是基于这个脚本，但这并不意味着人居环境治理的现代化只有西方模式一种路径。例如，如果我们能通过现代化的技术对中华传统田园循环系统进行便利化改造，是不是也可以一步到达文明的巅峰？可惜，历史不允许有假设。显而易见的是，在西方文明主导之下所开发的便利性排放技术，虽然可以使个体、社区乃至一个城邦的人居环境质量达到前所未有的高度，甚至是人类目之所及的最高境界，但这种以个体为中心将负面影响在力所能及的情况下驱离得远一些的思维，终究不会将远方的人和全人类的利益放在前面考虑。反观在中华传统田园循环的文化之下，粪便等同于肥料，具有几乎可以与粮食画等号的重要价值，很难想象这里的人们会开发一种将粪尿抛弃的卫生排放技术。从另一个方面看，近代中国人未能对传统田园循环的文明进行现代化改造也非常令人惋惜。 卫生、舒适和便利主要反映个体的卫生文明水准，以利己为主要出发点；达标排放和可持续发展反映公共居住环境和生态环境的保护水平，通过追求公共利益，达到对个体利益更高水平的追求。生态文明是卫生文明的次生需求。在现代生活卫生方式出现之前，人类生活对水和物资的消耗都很少，大规模集中居住的城市也很罕见，人居环境治理的主要任务是厕所废物的清扫处置，其影响主要集中在人体健康与居住环境方面，对生态环境的影响较小。当西方人发明了水冲管道排污技术之后，生活卫生排放才开始成为环境污染，人类也不得不进入追求生态文明的纪元。 1.3 发达世界和发展中世界都需要厕所革命 人居环境文明是发展的产物，必然受经济社会发展水平的制约。当今世界有一部分人已经过上健康、美好又十分便利的现代化生活，但是由于没有妥善处理好生活卫生过程对环境的污染以及对资源的过度消耗问题，导致生态文明水平的下降。而另外也有一部分人受经济社会发展水平的限制，至今连最基本的卫生厕所都不能拥有。因此，全世界都需要开展厕所革命。 在已经拥有现代化人居环境系统的发达地区，厕所革命的重点任务是突破现有人居环境系统不符合可持续发展要求的问题，降低基础设施建设和运行过程对水、能源、物资的消耗，减少温室气体和污染排放，提升资源再生利用率。 在尚未拥有完善的现代化人居环境系统的发展中地区，厕所革命面临双重挑战。一方面应尽快对落后的人居环境进行现代化改造，另一方面应尽可能尽可能从一开始就设计和打造一条可持续发展的大道，避免重蹈覆辙。中国的农村厕所革命显然属于后者。 1.4 我国乡村人居环境治理面临的挑战 乡村人居环境治理作为一项基本的公共服务，无论是基础设施建设还是对建成后设施的运行维护，均需要一定投入。就全国平均水平而言，按现有技术模式，在满足现代化标准的前提下，仅污水处理一项，户均等价年成本就超过2000元/户/年。目前，苏南和浙江一些整县推进的地区投入水平已经达到3.5万元/户，北京一些连片治理项目甚至超过6万元/户。现代化的乡村人居环境服务的推广与普及必然会给各级财政带来巨大压力。 当前我国农村人居环境治理面临的最大障碍是资金需求与供给不足的矛盾。厕所、污水、垃圾治理属于市政基础设施建设的范畴，与广大人民群众每日生活息息相关，服务寿命长，很多设施埋设在地下，维修和重建的成本都很高，因此应对技术系统建设的质量严格把关。当前我国农村污水治理中所出现各种不好用、不能用或者晒太阳的工程，固然跟缺乏经验有关，但最大的痛点还是现有技术太贵，在资金不足的情况下，只能在工程质量和运行效果上打折扣。 相较于人口集聚度高的城镇地区，乡村聚落规模小、内部居住密度低。分散的居住格局使得在乡村地区对卫生排水或生活废物进行有规模的一体化收集和处理变得不利。在城市地区已成熟应用的集中式污水处理模式在乡村地区强行实施的成本很高。因此，在居住分散的乡村地区，分散式的污水处理往往更有优势，既可以是以自然聚落为单位的村组集中处理，也可以是最为分散的原位的分户处理。尽管通过采用分散式的污水处理模式可以有效应对居住分散的难题，但小型污水处理设施稳定运行要比城镇污水才处理设施更难，在技术上的要求更高，这是目前分散式污水处理模式所要面对的主要问题。 我国地域辽阔，多样性的自然地理气候则是我国乡村人居环境治理面临的另一个重要挑战。现有的大水冲洗的生活卫生方式更适用于水资源丰富、气候温暖的地区。目前的主流污水处理工艺都是基于生物处理的原理，通常只有当水温在15°C以上才有比较好的效果。在我国北方地区，冬季寒冷且持续时间长，小微型的污水处理设施很难保温，相应的处理效果不会好。另一方面，我国普遍存在水资源短缺的问题，包括水质型缺水和季节性缺水，节水是永恒的话题。 人居环境治理是发展后的需求，总体上要与发展的水平相适应。近年来，我国经济社会取得举世瞩目的发展成就，但存在区域发展不平衡的问题，在乡村表现得尤其显著，发展的跨度可能在60年以上。这给乡村人居环境治理带来严峻挑战。总体上，东部沿海地区经济条件较好，乡村居民对生活卫生设施的要求也高，水冲厕所在乡村有一定普及；而西部地区发展较为迟滞，乡村居民卫生意识不强，普遍还使用比较落后的厕所。人居环境基础设施的建设除了需要有大量资金支撑外，公共治理和社会配套也很重要。对于基础设施建设而言，空白并不都是缺点，后发展地区往往更有条件采用跨越性的技术。 以上各个挑战都可以归纳为技术问题，通过技术的进步，包括研发、咨询、生产、安装、运行以及工程的高效组织，基本上都可以解决得更好。但唯技术论并不能保障乡村人居环境治理一定会取得令人满意的效果。 乡村人居环境治理是一个不同于私人消费品的需求，既有个体的需求，又有公共需求，居民意识、社会舆论和公共政策是人居环境治理需要面对的核心挑战之一，其重要性可能更甚于技术。户内卫生、社区整洁、公共防疫和环境保护牵扯到的利益主体越来越广泛，直至全人类的共同利益。不同利益主体在承担义务和获得服务收益方面存在冲突，个体往往对公共投资和可持续发展缺少感觉甚至漠不关心。政府作为公共利益的代表和决策者，在乡村人居环境治理中居于主导的地位，在我国表现得尤为明显。政府并不是机械的存在，其有着人格的特点，在面对长远利益和短期利益、局部利用和整体利益的冲突时也未必总是做出理性的决策。 02 乡村人居环境现代化道路之辩 2.1 达标排放模式——当前的制式技术 2.1.1 技术来源 以水冲式便器、重力排水管道和末端污水处理为标志的达标排放模式是人类发明的第一种满足现代化人居环境要求的技术路径，也是过去一百多年来唯一的市政技术制式。 达标排放是指将废物和废水按照一定的环境保护标准进行处理，然后再排入自然环境的人居环境模式。在达标排放模式下，生活排放被划分为污水和垃圾两种物质形态，粪尿与冲洗水混合所形成厕所废水，并与其它生活杂排水一起汇入下水道形成生活污水，其它的生活废物则总称为垃圾。生活污水和生活垃圾再分别通过排水和垃圾收运系统，转移至污水处理厂（站）和垃圾处理场（厂），经达标处理后最终排入环境。 达标排放模式起源于传统排放模式。近代有记载的第一款有水冲洗的便器是16世纪末由哈灵顿爵士为英国女王伊丽莎白一世设计。但那时候还没有发明管道供水，因此拥有和使用水冲便器只能是极少数贵族的特权。到了有动力的机器年代，人类卫生文明才真正有条件发生嬗变。首先是管道供水的出现，这实际上是一套通过水泵提升水并通过管道输送水的机械系统，不仅使普通人非常便利地获得水这一生活必需品，还通过管道将水动力输送到千家万户。利用水自发从高处往低处流动的自然属性，人们可以水为介质通过有水力坡度的管道排放粪尿。从这个意义上讲，自来水也是一种可以通过网络输送和供应的动力形式。从此，人类的卫生文明进入到有水清洁-管道排污的时代，其根本性的变革是将生活卫生文明提升到便利化的高度，使普通人不需要依靠自身的体力劳作就能使生活废物远离生活的环境，满足健康和舒适的要求。人类第一次在如厕之后，通过简单的动作，比如触发按钮，就能即时地将便器冲洗干净，并使排泄物远离生活起居的场所。其带来的好处是，厕所可以安装在室内和卧室，使人类生活卫生文明达到前所未有的高度，甚至可以说是最高的境界。 水冲管道排污带来的后果是人的排泄物变得象水一样容易迁移和扩散，如不能采取妥当的措施加以控制，势必造成环境水体和饮用水源的污染。事实情况是，基于西方文明所开发的水冲厕所的普及性应用开启了人类污染环境的纪元。为了控制现代化生活卫生系统所带来的环境污染问题，才催生了环境保护和污染控制的需求，尽管对自然环境而言实际上是质量上的退化。 从18世纪末开始，有水冲洗的厕所逐渐在伦敦这样的城市的上流社区普及安装。这些人往往都居住在城市的高处，因此最初的厕所废水是直接流淌到下层市民的居住区。在随后的1个多世纪内，欧洲爆发了一场又一场的由烈性肠道传染病所导致的大瘟疫，人们开始意识到瘟疫的流行是源自于厕所废水对生活取水源的污染，由此推动伦敦在1850年代修建了近代第一个城市下水道。但是单纯地将污水通过下水道排放到更远的地方并不能彻底解决问题，其中的一个重要后果是泰晤士河的水质迅速恶化。又过了50年之后，西方人才又发明了以活性污泥法为代表的城市污水处理技术，其目的是将城市下水道收集的污水处理到一定程度再排入环境水体，由此减轻对收纳水体的污染。到这时候为止，人类第一种现代化人居环境治理模式和技术系统才基本确立。目前在全世界，以水冲厕所-下水道-污水处理厂为标志的达标平系统已经成为现代化生活的标准配置。 水冲厕所和污水处理的技术在20世纪初就由西方殖民者带到中国的上海，但要到1990年代，水冲厕所才在我国城镇地区达到基本普及。这里有两个原因，一方面是收经济发展的约束，另一方面我国农业生产长期缺肥，在化肥工业还不够发达时，将城市粪便收集转移至农村也是农业用肥的重要来源。改革开放后，我国化肥工业迅速发展，城市经济也迅速改善，城市开始普及水冲厕所，粪污既失去了肥效，农民也逐渐转向价格低廉且施用更加省力省工的化肥。随后由于城市水环境的迅速恶化，我国加快了城市污水处理厂的建设。 目前我国在县城以上的城市基本上已完全普及达标排放的人居环境治理系统，但有几个问题仍然是非常棘手。一是，我国的城镇往往都有着悠久的历史，在老城区实施排水改造十分困难。近年来城市雨污分流工程投资浩大，至今仍有很多城市没有完全完成这项工作。二是，城市污水处理厂提标改造困难。由于我国城市下水道收水质量比较差，大量的地下水或雨水涌入城市污水，导致我国城市污水处理比发达国家的更难，成本更高。三是，城市污水厂产生大量剩余污泥，合格处理的成本很高。四是，城市污水混合各种污水，成分非常复杂，新型污染物、微量污染物不断涌现，城市污水处理的标准还有进一步提高的需求。五是，受管理水平和市民素质影响，垃圾分类面临极大困难。垃圾分类的成本效益需要仔细核算。以上海市为例，其中心城区前端垃圾分类成本高达390元/吨，投入主要来源于垃圾分类督导和装备垃圾分类智能设备。我们以江苏省如皋市为样本进行过测算。在现状条件下，前端垃圾分类的投入增加为88.5 元/人/年，高于垃圾分类所带来的效益。 2.1.2 达标排放技术 达标排放模式将人居环境系统划分为生活污水处理系统和生活垃圾处理系统。进入污水处理系统的主要是粪尿、便器冲洗水和其它生活杂排水，进入垃圾处理系统的主要是厨余垃圾和其它生活废品。图3和图4分别展示了达标排放模式下的污水和垃圾治理系统。
图3 达标排放模式下的污水处理系统
图4 达标排放模式下的垃圾处理系统 由于生活垃圾不像水那样容易迁移和扩散，且单位人口产生的绝对数量只有大约1公斤/天，治理的投入需求和技术困难相对较小。垃圾治理的主要任务是清扫，然后进行收集和转运，最后再通过填埋的方式长时间封存和缓慢分解，或直接通过焚烧的方式快速分解。目前我国各地普遍建立了城乡全覆盖的村收集-镇转运-县（市）处理的农村垃圾处理系统，实际上这是一种将城市垃圾治理系统向乡村进行延伸覆盖的做法。其优点是通过集约化、进而通过高效的工业化手段解决问题，缺点是将大量的有机生活垃圾被从乡村转移到城市，既使其失去资源化利用的机会，也增加了长途运输和末端处理的成本。以厨余垃圾为主的有机垃圾成分含水量大，易于腐烂，不仅导致垃圾渗滤液处理的难题，增加填埋和焚烧成本，而且因其具有沾染性，影响垃圾分类和进一步的资源化。因此在达标排放模式下，厨余垃圾的分类排放是城市和乡村垃圾治理面临的最大难题。 比较而言，在现代化的进程中，乡村污水治理的困难更大，是当前乡村人居环境治理的主要矛盾。目前我国乡村污水治理沿用城市的达标排放模式，通过重力式水冲管道排污技术将粪尿纳入污水系统，混合的生活污水通过下水管道收集至污水处理厂站，在那里再通过生化和物化的反应过程削减一部分污染指标，主要是有机质（COD）、总氮、氨氮、总磷、总悬浮物、粪大肠杆菌等指标。 在现代化生活水平下，人均生活污水产量可能会高达200公斤/天，如都由城市的技术系统提供延伸的收集处理服务，其运输成本太高。针对乡村居住相对分散的特点，为降低污水收集的成本，须综合运用纳入城镇集中处理、村组集中处理和分户处理的站点布局方式覆盖区域内的农户。其中村组集中处理和分户处理两种布局方式的优点是减少了户均管网投入，其中分户处理的方式完全不需要公共下水道，但更小的污水处理设施意味着更高的技术要求和更高的吨水处理成本。另外，更分散的污水处理设施布局也意味着有利于降低对污染物去除的技术标准。为了降低农村小型或微型污水处理设施的运行成本，可以因地制宜地利用农村有利的自然生态条件对污水进行净化，采用诸如人工湿地、土壤渗滤等污水处理工艺，但会相应地增加土地占用成本，并且处理的效果相对难以把控。 生活污水处理主要是利用物化和生化反应去除污染物质，尤其是污染物质的最终分解需要依赖复杂和精细的生物化学过程。为了使污染去除的反应能够顺利进行，需要消耗电能，投加多种药剂。通过自然的生态系统处理生活污水可以减少电能和药剂消耗，但需要占用更多的土地资源，且污染去除的效果不够稳定。低温、水质和水量波动都会严重影响污水处理的效果。相对而言，大型污水处理厂对寒冷和水质水量波动的抵抗力较强，并且有较好的规模效应，对处理设备和运维技术的要求可以低一些。小型和微型的污水处理设施为了抵御寒冷气候和水质水量波动的影响需要增加很多设备和运维技术的投入，强调对建设与运行过程的精细化管理。 目前，有关农村污水处理的底层工艺与设备技术已经发展得很成熟，在污水处理效率和性价比上很难有大幅度提升，降低成本的空间主要在工程规划、组织管理和规模化效应方面。 2.1.3 达标排放的系统性能 人们建立人居环境治理系统的根本目的在于两个方面，一是满足家庭和社区对生活卫生排放的需求，二是满足地区、流域甚至全体人类对生态环境保护的要求。据此可以将人居环境的系统性能分解为人居功能和环境功能两大指标群。其中人居功能包括健康、舒适（审美）和便利三项性能指标，环境功能包括环境排放、水电物资消耗和资源再生三项性能指标。 达标排放系统在生活卫生服务方面几乎完全满足了普通大众对健康、舒适和便利性的追求，也因此树立了现代化生活卫生文明的标杆。任何替代性的人居环境技术方案，如果不能在这三个方面与达标排放系统相媲美，则很难被大众所接受。 达标排放系统的污染控制性能则远远没有达到完全消除污染的地步。一方面，经过多年发展，技术上面已经逐步逼近污染去除的上限，另一方面提升污染物去除率意味着要增加投入，因此基于综合的技术和经济考虑，在收集的末端对污水和垃圾进行处理不可能做到对污染物100%的去除。为此，人们不得不设立某种污染排放的技术标准，达到技术标准的允许排放，达不到技术标准的不允许排放。以污水处理为例，目前比较先进且运行管理水平也比较高的生活污水处理系统对污染物的去处率大约为80%，进一步提升的空间非常有限。 表1对比了目前城市污水处理的一级A标准、一级B标准和地表五类水标准。其中地表五类水是地表水质标准最差的一级，只能满足农业用水与一般景观用水的功能要求，不能饮用，也不能游泳。由表1可以看出，即使按照目前城市污水处理的一级A标准，城市污水处理厂的出水在主要污染指标上仍不能符合地表水五类水的水质标准，属于劣五类水。 表1 不同水质标准对比
达标排放系统在水、电、物资等的消耗方面，以及在温室气体排放和资源回用方面与可持续发展的要求相距甚远。以污水为例，达标排放模式使用大量清洁水排放厕所废物，仅此一项所消耗的清洁水就可能达到15吨/人/年。由于混入大量的有机生活废物（主要是粪尿和餐厨废物），生活污水的处理难度及其能耗和材料消耗大幅增加，以吨污水耗电0.6度计算，仅污水处理厂耗电就达到100度/人/年。污水处理的一项重要任务是将有机物分解为二氧化碳和水，因此污水处理会直接释放大量二氧化碳，这还不包括系统在建设和运行过程中所间接排放的二氧化碳。 有机生活废物本身是一种资源。尤其在中国，传统上粪尿是非常优质的肥料。但在达标排放模式下，粪尿被大量水稀释后就不再具有资源利用价值。尽管很长时间以来国内外都在试图研究从污水中提取氮磷等植物营养元素，但到目前为止还没有出现一个有实用价值的工程案例。 2.1.4 达标排放系统的成本 人居环境治理系统的成本包括直接经济成本和环境成本。 直接经济成本由建设成本和运行成本构成，采用贴现率的方式也可以计算等价年成本。 环境成本则是指人居环境系统在生命周期内对生态环境的负面影响所折算的经济损失。产生负面影响的因素既包括人居环境系统所排放的污染物和温室气体等，也包括对清洁水、能源和物资等的消耗。由于生活中所产生的废物和废水都具备再生利用的价值，因此计算环境成本时应考虑资源再生利用的价值。直接经济成本事关近期财政负担以及向居民的收费，因而实施人居环境治理工程时最为敏感的考量因素。与此相对，环境成本则很少收到关注，这主要是受环境政策影响。目前只有极少数的环境成本有法定的计算依据和征收管理办法，比如二氧化碳减排。但不管怎么说，环境成本也是客观存在，只不过其负面影响是由大众乃至地球人分摊，或者是由子孙后代来买单，因而在当前的工程决策中可以被无视。 在进一步讨论农村人居环境治理的直接经济成本前需要先达成两点共识。 第一，乡村人居环境治理必须保证质量，尤其是基础设施建设，因此评价乡村人居环境治理的成本必须基于有质量保障的工程建设与运行。大量不合格或晒太阳的工程不能用来平均环境治理的成本。 第二，评价乡村人居环境治理的直接经济成本应以生命周期内的系统总成本为依据，包括收集和处理系统的建设成本与运行成本，并且主要以户均或人均成本为比较的参照系。在城镇地区通常以收集处理吨水或吨垃圾的费用作为主要评价指标。在乡村地区，提供全覆盖的均等化服务是主要目标，收集处理的成本与吨水（垃圾）的关联性弱，而与服务人口或户数的关联性较强。 我国的城镇普遍已建立全覆盖的达标排放系统，因此关于达标排放直接经济成本的统计数据比较齐全。但在乡村地区，人居环境现代化的进程才刚刚启动，达标排放模式的应用还缺乏在县域全覆盖的尺度上具有代表性的工程样本，要想全面评价和预测我国农村人居环境质量现代化的直接经济成本有一定困难。 以污水处理为例，由于乡村居住分散，导致户均污水处理的成本远高于城镇。在聚落尺度上，乡村聚落的人口密度是城镇人口密度的1/2~1/10。而在区域尺度上，乡村人口密度与城镇相比可能更低。这就导致如采用管网+中心厂站的污水收集处理方式开展乡村污水处理，管道的建设成本可能是城市的数倍。如在人口稠密、经济发达的苏南和浙北地区，一些基于厂-网布局方式实施的县域全覆盖农村污水治理工程，其管网建设成本平均在35000元/户的水平甚至更高。比较而言，在乡村地区采用分散的污水处理方式更为有利，不过由于缺乏规模效应，分散处理对设备、工程与运行质量的控制要求高于城镇污水处理。受限于我国的行业技术、管理水平和乡村建设资金保障能力，我国采用分散处理的方式治理农村生活污水的成功案例不多，尤其在县域及以上的尺度。 为了使读者对采用达标排放模式实现农村人居环境治理现代化的成本有一个基本认识，本文给出如下数据供参考： （1）农村污水处理，按照污染控制水平相当于城镇污水处理一级B的水准测算（约相当于各地方标准的一级水平）。在优化组合纳管处理、村组处理和分户处理的站点布局的前提下，不包括户内生活卫生设备的建设与运行，乡村污水处理的建设成本为2万元/户，运行成本为500元/户/年，或者按贴现率4%计算的户均等价年成本为2000元/户/年。 （2）农村垃圾处理，按照服务水准达到城镇水平和贴现率4%测算，户均等价年成本为800元/户/年。 上述数据是以苏浙沪平原地区的乡村为样本。在山区和气候寒冷的地区，污水和垃圾处理的成本可能会更高。 2.2从传统田园循环到现代田园循环——迟到的中国方案 2.2.1 呼唤下一代厕所技术 随着人们对达标排放模式的不可持续性进行深入地反思，国内外的研究者们相继提出了生态卫生理念、可持续卫生理念等，这些新的思想均着眼于在满足基本人居生活与控污减排的基础上，通过源分离-资源再生利用，减少废水废物排放和处理过程中的物质与能源消耗，降低直接经济成本和环境成本。 早在100多年前，德国建筑师Leberrecht Migge提出了生态卫生系统的概念，并在城市地区进行应用。在20世纪后期，随着淡水资源的日益紧缺，保护环境和实施可持续发展战略日益深入人心，发达国家开始着眼于有关卫生设施、排水系统的更新与改造的研究，试图通过开发新型厕所来彻底解决水冲式便器与下水道以及污水处理所带来的桎梏。 在20世纪70年代，瑞典成功开发了无水厕所，并应用于其他国家。80年代的美国和加拿大推出了堆肥式厕所，并进行不断的优化升级。德国、瑞典、瑞士等发达国家和部分发展中国家相继开展生态排水与新型厕所的研究和实践。2000年9月的联合国千年会议明确表明，水资源的不可持续开发利用模式将被逐渐淘汰。当年10月，生态卫生系统国际研讨会汇聚了来自世界各国200多位专家，共同商议了生态排水。2001年国际水协在德国柏林举办以Ecological Sanitation（生态卫生排放）命名的国际会议，并正式成立Ecological Sanitation工作组，随后相继在德国吕贝克和中国北京召开国际会议。2007年， Ecological Sanitation研究组更名为Resources Oriented Sanitation System（ROSS，资源化卫生排放）工作组，并一直沿用至今。 厕所冲洗水以外的其他洗涤水仅含有较少比例的营养物质和较低浓度的污染物质，但在家庭污水体积中占多数。如能将高浓度的厕所废水与其他洗涤水在源头进行分离并单独处理，可以大幅度地节省废水处理费用，并且便于进行营养元素的回收利用。但是在传统排水系统中，厕所废水与其他洗涤水在通常情况下是混合排放，人的排泄物被大幅度的稀释，因此难以对废水中的营养元素进行回收利用。生态卫生排水核心要点可以归纳为：1、有机生活废物（包括粪尿与餐厨废物）应采用低能耗的处理技术，例如厌氧发酵与堆肥技术；2、回收人体排泄物和其他有机生活废物中的营养元素，并进行安全高效的利用，从而形成闭路循环系统；3、通过对处理后的废水进行安全利用或作为补充水源，构建水资源的循环系统。总体而言，是从可持续发展战略的角度去思考不同废水在生态圈和水圈中的作用，利用构建一种生态型的、具有良好技术经济性的废水排放与处理系统实现水资源与营养元素的回收利用。 生态卫生排放系统的源分离与资源化利用是一项系统性的工程，需要从室内卫生、废物排放或收集、终端处理利用等各方面进行统筹管理。国际上有关源分离资源化模式的研究和应用主要起源于欧洲。在全世界范围内积极进行源分离技术推广的国际组织包括：德国技术合作公司（GIZ）、斯德哥尔摩环境研究院（SEI）、瑞士联邦水科学研究院（EAWAG）、国际水协（IWA）、联合国儿童基金会（UNICEF）、世界卫生组织（WHO）和比尔·梅琳达盖茨基金会（盖茨基金）等。 盖茨基金在其第6批探索大挑战（GCE，2010）项目中向全球募集“下一代卫生排放”的创意，对入选的研究计划给予资金支持。GCE对下一代卫生系统的定义包括以下要点：（1）节水；（2）资源再生回用；（3）建设与运行成本低；（4）适应分散居住。2011年GCE又举办“厕所创新大赛”，通过资助优秀开发者，并进行商业推广，这一计划被称为“重新发明厕所挑战”（Reinvent The Toilet Challenge）。全球多个知名高校参与这一计划，随后基金会又举办了第一届创新厕所展览会，各个国家的团队展示了自己的设计模型。基金会希望通过大赛的形式促进厕所技术的变革，从而形成既满足生活卫生要求又环境友好的厕所技术。 德国联邦政府经济与合作发展部（BMZ）于2001年完成了生态卫生系统计划，名称为“生态经济型可持续发展的废水管理和卫生规划（Ecosan-ecologically and economically sustainable wastewater management and sanitation system）”。通过两年时间制定可应用于指导国家和国际发展生态卫生系统的导则；在城市地区建立生态卫生系统示范工程，并形成产业化生产的产品，建立一个全球共享系统的信息知识网络，传播和交流有关生态卫生系统开发研究的情况。丹麦政府于1997年决定资助4200万丹麦元重点研究废水的生态处理方法，解决营养物质及雨水的回收利用问题。美国国家环保局早在80年代就支持建立一系列带有堆肥功能的厕所，并鼓励此类生态卫生系统的建设以及应用。澳大利亚CSIRO研究所于20世纪末开展“城市水计划”（Urban Water Program, UWP）项目研究，旨在节约用水和减少废水处理对生态环境的影响，同时降低供水、排水和雨水相关设施服务的成本。瑞士通过开展尿液分离并用于生产制造农业用肥料的研究，建立了两个小规模的示范点。 管道化供水与排水是近代以来城市运转的技术支柱之一，也是现代人居环境系统的标志技术，其不仅解决了生活取水的便利性问题，而且解决了卫生废物（粪尿）的清扫运输问题。就目前人类目光所及的科技进步而言，站在普罗大众应用的角度，还没有比管道更为便捷的生活排放方式。所以，开发下一代环境卫生模式的关键在于大幅降低有水清洁-管道排污厕所的冲洗水量。 中办和国办在2022年初发布《农村人居环境整治提升五年行动计划（2021-2025年）》，当中明确提出“要在水冲厕所改造中积极推广节水型、少水型水冲设施”。这是中国第一次在官方提出的行动计划中提出类似的要求。显然计划中所说的“少水型厕所”的用水量应显著低于“节水型厕所”。 本文作者在牵头研究的农业农村部“少水冲厕所建设标准”项目中拟将少水冲厕所用水量限定在1.5升/次以下，这个数值综合考虑了施肥成本、二次污染风险和现有户用化粪池容量，以及当前市面上已经出现的抽吸式管道排污技术的用水量。 重力式管道排污作为全世界普遍应用的独一无二的现代化卫生排放技术，已经有超过100年的历史，其节水空间已经接近极限，这意味着重新发明厕所应突破重力排水技术的限制。 2.2.2 现代田园循环模式 中国有数千年传统田园循环的历史，其所蕴含的资源与环境可持续发展的理念更是东方农耕文明之塔上迸射出的最耀眼光华之一，在近代技术出现之前实际上代表了世界人居环境技术的最高水平。在我国传统农业社会中，粪尿、草木灰、畜禽粪便等均被视为重要的养分来源，粪尿还田的理念牢牢地印刻在文化基因中。中国民众在朴素循环理念的影响下，通过收集人的粪尿并作为肥料用于农业种植，同时改良土壤的品质。在水冲厕所尚未在城市普及的上世纪8、90年代，郊区的农民会到城镇购买粪尿用于施肥。目前，农村地区尚未安装水冲厕所的农户仍会将粪肥还田；即使在发达地区的乡村，年长一些的人仍偏爱将粪尿另行收集用于种植自家食用的粮食和蔬菜。振兴中华田园循环文明，既可以大幅降低农村污水垃圾治理的经济成本和资源环境成本，又可破解过量使用化肥所带来的农业生态破坏与环境污染问题，并可形成引领世界的下一代人居环境治理的技术与产业。 传统田园循环主要的缺点是生活端和资源利用端不符合现代化对便利性的要求。相比而言，对施肥过程进行现代化改造要容易一些，关键在于重新发明只需要少量冲洗水的管道厕所。 常规水冲厕所之所以需要用大量水冲洗，主要是因为便器清洗和废物的长距离管道输送均需要依靠水自身的重力，水量过小一是不能保证便器清洁效果，二是固体易于在管道中沉淀进而导致堵塞。我国现行技术标准（《GB6952-2015卫生陶瓷》）对便器用水量的规定，普通型坐便器≤6.4升/次、节水型坐便器≤5.0升/次，蹲便器的用水量要更高一些。考虑到人一次排便的量大约在350ml左右，这意味着人所排放的粪尿要被稀释近20倍，将这样的厕所废水用于施肥，不仅肥效低，而且再生处理和运输等成本都很高，缺乏可行性。 通过抽吸管道排污的方法可以有效解决上述问题，实现少水冲管道排污的效果。目前市场上已有两种抽吸管道排污的技术可供选用，一种是真空管道排污技术，还有一种是拔风抽吸管道排污技术，两种技术都能将管道排污厕所的便器冲洗水量控制在约1升/次左右，足以支撑构建现代田园循环的系统。有关拔风抽吸管道排污的技术将要在后面做重点介绍。 真空管道排污技术的发明历史超过100年，将其大量用于飞机、高铁等特定场合的厕所也有约50年的历史。其原理是将便器通过真空阀连接到真空管道系统上，在真空管道系统的末端设真空泵站以维持系统内的气压低于外界大气压，一般为-0.2~-0.6个大气压。当需要对便器进行排污时，控制系统首先向便器中加入清洗水，然后开启真空阀，便器内的废物连同清洗水便在瞬时发生的巨大抽吸力作用下被吸入真空管道，进一步在真空抽吸力的作用下向管道末端输送。由于真空系统可以提供很大的抽吸力，便器冲洗水量甚至可以低至0.3升/次。 中国科学院生态环境研究中心乡村人居环境研究团队在盖茨基金等项目的支持下，开发了一种基于真空源分离的现代田园循环系统，如图5所示。该系统通过真空系统同时收集粪污和厨余垃圾，主要设备包括每户内安装的真空便器和真空厨洁器，用于连接每户与中心真空泵站的真空管道，以及位于收集管道末端的资源化中心，其中包含真空泵站和资源化处理设备，处理后的粪肥满足无害化和资源化的要求，就近还田利用。其余的生活污水主要是洗涤废水，污染程度不高，通过每户设置的土壤渗滤系统净化后就可以原位排放。由于解决了厨余垃圾的排放问题，其余的生活垃圾经进一步分类后，治理的成本可以降低80%。真空源分离-现代田园循环模式的建设成本约为1.5万元/户，已经比达标排放模式下的污水处理系统更有经济优势，而且其运行成本可以比达标排放模式降低60%。该系统同时具有节水、节能、减排和资源再生的优势，基于生命周期评价，其可持续发展指数较达标排放模式提升60%，充分显示了现代田园循环的技术和经济优势。
图5 基于真空源分离的现代田园循环模式 目前国内有多家公司可以提供真空排污技术，而且在天津皂甲屯已经实施了服务规模超过万户的农村真空排水工程，充分表明现代田园模式在技术经济上具有可行性。 03 微冲宝-现代田园循环技术  真空管道排污技术的不足之处是技术要求比较高。这一方面使得建设成本难以大幅度下降，二是运行的可靠性不太令人放心，因此与“重新发明厕所”的世纪性目标还有差距。但抽吸管道排污的思路为“重新发明厕所”指明了方向。 经过长期探索与试验，中国科学院生态环境研究中心乡村人居环境研究团队于2020年提出拔风抽吸-微水冲管道排污的原理，将抽吸排污与重力管道排污相结合，用重力管道的成本实现了抽吸排污的效果。研究团队将这一原创的新型管道排污技术命名为“微冲宝®”技术，开发出系列的微冲宝厕所和微冲宝厨洁器，分别用于粪尿与厨余垃圾收集，并进一步集成开发有机生活废水资源化处理技术和生活杂排水生态排水技术，形成微冲宝-现代田园循环模式及其成套技术装备。 3.1 拔风抽吸管道排污原理与主要设备 拔风抽吸管道排污又叫微冲宝管道排污，是利用在排污管中实施与冲水操作相同步的拔风操作，结合独特而又简单的后续排污设计，实现用微量水清洁便器和管道输送的排污效果。 如图6a所示，微冲宝排污系统由卫生洁具、冲水机构、排污管、拔风机构、废水储槽、控制机构等技术单元组成。其中连接卫生洁具与废水储槽的排污管必须按照重力排水的方式布置，不允许向上提升排水，这一点不同于真空排水。在排污管末端的顶部铰接可自由向外打开的单向阀片，该单向阀片在常态下自然悬挂并贴合在管道末端；当管道内部产生抽吸力时，单向阀片能有效阻止外部空气进入。在邻近单向阀的管道上连接拔风机构，其内部结构如图6b所示，运转其中设置的拔风电机可在瞬间将管道内部的气压降低至大气压以下，通常可达-10KPa。控制机构的功能是接受冲水机构的信号，控制拔风机构启动和延时停止。一般设定拔风机构启动后延时运行0.3-1秒，这个时间长度可以根据排污管长度进行调节。当需要对卫生洁具进行排污时，按动冲水器上的冲水按钮，同步启动拔风器，在瞬间即可完成自卫生洁具向废水储槽的排污过程。微冲宝厕所的主要技术参数见表2。
图6拔风抽吸管道排污原理，a-拔风抽吸排污系统，b-拔风器 表2微冲宝厕所主要技术参数
与常规重力管道排污系统相比，微冲宝管道排污主要是增加一个管道拔风器。拔风器技术简约，制造成本低，四口之家年耗电量仅约3度。微冲宝厕所中的卫生陶瓷的制作成本比常规卫生陶瓷低。综合考虑微冲宝厕所带来的节水效益，用户购置使用微冲宝厕所比使用常规重力水冲厕所更为划算。 微冲宝排污系统在节水性能方面与真空排污系统相近，但二者在设备和系统设置方面的技术要求不可同日而语。管道拔风器是利用与排水同步的拔风作用实现短时微负压的抽吸排污效果，在性能要求上比真空排水用的常规真空泵低很多。微冲宝管道排污系统不需要维持高品质的真空环境，管道无须严格密封，也不需要设置高精度的真空阀门，因此微冲宝系统设置和运行维护的成本远比真空排污系统低。 微冲宝系统还有一个独特的优势，就是当拔风电机失效比如停电时，可以切换到常规重力排水模式，加大便器的冲水量就可满足临时性排污需求，因此不会影响居民的日常生活。而真空排污一旦系统真空失效，连接在真空系统上的卫生洁具就不能用于排污。发生这种情况势必会对日常生活带来极大不便。 当用于坐便时，微冲宝厕所的用水量≤1.5升/次。与目前市售的常规水冲厕所相比，微冲宝厕所可将粪污产量降低约70%，浓度提升超过3倍，通过普通户用三格化粪池处理粪污就可以满足《GB7959-2012粪污无害化卫生要求》。以5口之家为例，假设每人每天在家如厕3次，每次排便量300ml，便后冲洗水量1.5升/次，则每天产生的粪污总量为27升/天，选择2立方米三格化粪池可保证60天的容量。而如果使用常规水冲厕所，则至少需要选用6立方米的化粪池才能满足去除大肠杆菌和虫卵等致病风险的要求。 微冲宝管道排污不仅可用于厕所废物排放，也可用于对粉碎后的厨余垃圾进行微水冲管道排放。厨余垃圾中有机质含量更高，合并收集也有利于优化再生肥的碳氮比。 3.2 微冲宝-现代田园循环系统 基于微冲宝管道排污原理，建立以有机生活废物高浓度管道化收集、无害化处理与资源化利用为核心的人居环境系统，被称为微冲宝-现代田园循环系统。完整的微冲宝-现代田园循环系统工艺流程如图7所示。
图7 微冲宝-现代田园循环系统 微冲宝-现代田园循环模式是在传统田园循环模式的基础上经现代化改造而形成的新一代人居环境模式，其指导思想是面向资源化，核心技术是微水冲管道排污，系统设置的关键技术原则包括源头分离分类、就近处理利用、生活生产协同。对图7所示的工艺流程与技术原则说明如下。 室内卫生排放源头分离分类。将户内生活卫生排放从源头分割为有机废物、无机废物和杂排水。取决于经济条件与生活习惯，有机生活废物的卫生排放，既可以选择基于微水冲管道排污的湿式排放模式，以高浓度有机废液的形式进行收集；也可以选用干式排放模式，以固体废物的形式进行收集。无机废物是指除有机废物以外的生活垃圾。生活杂排水是指生活中以洗涤为主要目的所产生的废水，包括洗澡、洗衣、厨房漂洗等废水。应尽可能避免将高浓度有机废液混入生活杂排水中排放。经微冲宝排污系统收集的有机废液在无害化和资源化处理后还田利用，有条件的地区可以考虑构建统筹的农村有机废物田园循环系统，将畜禽粪便和秸秆治理纳入这个系统，并与农业面源污染控制协同规划。无机废物进一步进行垃圾分类和处理、处置与回用。生活杂排水则通过生态排水或强化处理后达标排放。 有机废液再生处理与利用。采用以厌氧消化为主的无害化与资源化处理工艺即可满足要求。户内厌氧消解器的选型设计必须满足《GB7959-2012粪污无害化处理要求》。如选择三格化粪池，其前两格水力停留时间不得少于30天，推荐1~3口之家选型1.5m³规格的三格式化粪池，4~5口之家选型2m³规格的三格化粪池。粪渣与粪液的清掏及利用，既可以由农户自行实施，也可以采用社会化服务和集中利用的方式。沼液的集中转运可以选择吸粪车方式，也可以通过管道+地头储肥池的方式进行收集。 生活杂排水治理。因地、因村、因户制宜制定卫生排水与控污减排的工艺方案。为降低管网建设与污水处理设施运行成本，对生活杂排水提倡在加强管理的基础上采取有序排水、原位处理、生态净化的治理工艺。具体的工艺形式有三种选择： （1）原位生态排水 适用场景：家庭用水量小且环境不敏感地区。 工艺流程：采用以渗坑为主的方式收集和排放户内生活杂排水。针对户内多点排放，渗坑排水点宜合则合，宜分则分。 （2）原位强化生态处理-达标排放 适用场景：家庭生活用水量大，地区环境保护要求高，户内有可利用空间。 工艺流程：属于分户处理模式。在户内设置强化的生态处理装置，达标处理、原位排水。可供选择的处理工艺包括湿地、亚表层土壤渗滤、生态塘等。一种以地下生物滴滤床为主的生态净化工艺如图8所示。生活杂排水经预处理除渣和厌氧水解后自流进入地下生物滴滤床，其中填充砾石或轻质陶粒等生物介质，处理达标后的水原位排水。当厨房排水点远离预处理器时，须加装隔油器。
图8 分户式原位强化生态处理工艺 （3）雨杂合流-截留处理 适用场景：村内居住密集，房前屋后无可用土地，地面硬化率高。 工艺流程：属于集中处理模式。在严格实施粪污源分离治理的前提下，利用村内原有雨水沟渠收集杂排水，并在下游设置截留井，提升纳管处理，或就近建设生活杂排水处理设施。推荐采用以强化生态处理为主的处理工艺，如湿地、亚表层土壤渗滤等，达标处理后排放。工艺流程如图9所示。
图9 雨杂合流-截留式人工湿地处理 无机废物治理。垃圾分类存放，定期收集，废品回收利用，其余垃圾填埋或焚烧。 3.3 技术创新性和先进性 3.3.1 创新性 拔风抽吸-微水冲管道排污是自水冲厕所发明以来最大的技术革新，通过与冲洗水同步的瞬时拔风，结合独特的重力管道-化粪池系统设计，实现用微量水冲洗便器并在水平方向转移粪污的卫生排放功能，微冲宝便器结构简单，运行可靠，维护简便，制造与使用成本低廉，完美地攻克了“重新发明厕所”的世界性难题。基于拔风抽吸-微水冲管道排污技术所构建的微冲宝-现代田园循环系统通过有机生活废物的源头分离-资源化利用，大幅降低生活污水和生活垃圾污染控制的需求，与现有技术相比，建设成本降低和运维成本分别降低70%以上和90%以上，并且具有节水、节能、降耗、减排、低碳和资源回用的可持续发展优势，具有颠覆性创新意义。 3.3.2 先进性 微冲宝-现代田园循环模式与系统技术为原创性技术，系统的卫生服务性能、污染控制性能和可持续发展性能均达到世界先进，具体表现在： 卫生服务性能：满足现代生活卫生要求。 建设成本：降低70%以上。 运行成本：直接运行成本降低90%以上。综合考虑节水与再生肥料的经济价值，系统运行可产生正效益。 地理气候适应性：广泛适应各种地理气候条件，在高海拔、干旱和寒冷气候下应用的优势更加显著。 人口波动适应性：系统运行不会因人口波动产生显著影响。 污染减排：直接减排常规污染指标10%-50%，包括化肥替代的减排效益更高。 节水性能：便器冲洗水量降低70%以上，人均节水10吨/年。 节能：系统能耗降低90%以上。 再生肥料：以氮磷钾计6公斤/人/年。 二氧化碳减排：160公斤/人/年。 3.3.3 助力乡村振兴 总书记说绿水青山就是金山银山。过去40年，先是农药的不当使用破坏了农村生物多样性，后是化肥滥用和生活污水直排导致农村几乎所有水体黑臭化。由于长期施用化肥，土壤无机化严重，粮食品质下降，人们对食品健康充满担忧。微冲宝-田园循环模式为重构农村生态环境提供了无限的想象空间。 乡村比城市更贴近自然，是新鲜食物、安全供水和清新空气的策源地，更是有助于心灵安宁的家园。社会越富裕，人们越来越愿意为健康与环境买单，美好的生态环境将会被赋予越来越高的市场价值。可以预期，随着交通和远程技术的进步，将会有越来越多的人愿意到乡村小憩或常住，享受美好的田园生活。微冲宝-田园循环模式的出现让我们可以大胆展望，未来在大中城市周边地区和人口稠密的东部发达地区，将会出现以生态农业为卖点的现代化田园产业这一新型业态，典型的如： 庭院循环服务业。微冲宝-庭院循环模式让每个乡村家庭都可以在自家庭院内消纳自己产生的粪尿和餐厨废物。未来城乡人口双向交流后，将有一部分非农业人口移居乡村，因此并不是居住在乡村的每一个家庭都擅长农业。因此可以由市场来提供庭院循环的服务，包括户内生活卫生系统的维护以及田园种植系统安装、种子和栽培技术指导、定期打理服务等。 生态农庄服务业。以村落为单位的微冲宝-田园循环模式需要对生态有机肥进行集中利用。承担区域运维的公司可以打造生态农业品牌为抓手，依托集中收集的生态有机肥，以加盟的方式在每个村落建设生态农庄。公司为农庄提供品牌、农业技术及延伸经营技术，经营这些生态农庄的人同时承担本村环卫设施的运维。依托这些生态农庄既可以打造乡村餐饮、旅游见习、休闲康养等系列服务业，亦可以由公司统一销售所出产的生态农产品。 3.4 微冲宝-现代田园循环模式的适用范围 微冲宝-现代田园循环模式可适应各种地理气候地区和发展水平的乡村。建设（改造）成本的优势受既有基础设施影响。总体上，微冲宝-现代田园循环系统的成本优势排序如下：新建农村住宅>尚未安装水冲厕所的农户改造>已安装水冲厕所但厕所废水单独排放的农户改造>已安装水冲厕所且室内污水混合排放的农户改造。由于微冲宝-现代田园循环系统需要对已安装水冲厕所进行改造，随户内待拆除-重装便器数量增加，户内改造成本相应提高。考虑到微冲宝-现代田园循环系统在降低运行成本和可持续发展方面的颠覆性优势，建议国家在技术推广初期为安装和改造微冲宝厕所提供政策性补贴。 3.5 工程案例 案例一 灌南县李集镇二圩村、渔涝村微冲宝厕所粪污治理 灌南县隶属于江苏省连云港市，地势平坦，冬季最低气温-10°C左右，经济社会发展水平在江苏省内居后。当地农村住宅多为独立建筑，平房或二层楼房，房屋周边通常有小片菜地，村内部分路面硬化，水电条件良好。工程实施前，部分农户室内已安装常规水冲厕所，同时室外保留旱厕，多数农户未安装化粪池，也没有下水道，室内水冲厕所不常使用，居民主要还是使用室外旱厕。农村生活垃圾通过分散设置的生活垃圾收集站进行收集，后通过垃圾转运车统一收集外运。 0221年7月，中国科学院生态环境研究中心在国家重点研发计划课题（2020YFD1100105）支持下，与灌南县李集镇签订合作示范协议，在李集镇二圩村和渔涝村开展微冲宝-现代田园循环的示范工程。 工程目标：厕所及粪污治理。 设计标准：（1）厕所符合现代化生活卫生要求，室内安装，有水清洁，管道排污。（2）粪污处理符合《GB7959-2012 粪污无害化处理要求》。 治理规模： 65户，包括二圩村50户居民和渔涝村15户居民。 工艺路线：微冲宝厕所+户用三格化粪池处理+农田施肥。 安装工程：每户安装1套压力冲水后排式微冲宝便器（WCB01K02S00-B03Y），1座1.5m³三格式化粪池。除全部设施设备安装外，还包括涉及厕所安装所需的室内供水管和配电线路改造，部分用户须对原有便器拆除并做地面恢复，少数用户须实施室内源分离排水改造。 实施时间：2021年8月-10月。 工程造价：5000元/户。 运行维护 （1）化粪池第三格出液由农户自行取用施肥。 （2）化粪池第一格清掏周期3-5年，清掏的固渣经高温堆肥还田利用。 （3）机电设备由厂家提供质保，并委托村电工负责简单维修。 （4）运维成本：30元/户/年，主要用于机电设备维护。质保期内配件由厂家免费提供。 实施效果 厕所有水清洁、管道排污，卫生性、舒适性和便利性达到现代化生活卫生要求，冬季无冻坏和不能用的现象，粪污无害化处理和资源化利用。农户反馈：（1）卫生效果好；（2）节约用水；（2）粪液肥效好。示范工程得到地方政府部门肯定，还收到连云港市及江苏省有关部门关注。 厕所是农村生活污水的主要污染物来源。本案例表明，由于采用源头分离排水和粪污资源化的技术路径，微冲宝-现代田园循环系统在相对落后地区应用具有分阶段投资的特别优势。在这些地区，可通过安装微冲宝厕所+户用三格化粪池系统，先行解决农村厕所现代化和绝大部分生活污水的污染问题，相当于农村改厕和污水治理的减配版。待经济条件改善、需求提升后很容易增加生活杂排水处理系统，达成完全治理的目标。 案例二 如皋市杭桥村微冲宝-现代田园循环系统 示范地点位于江苏省如皋市东城镇，地处长江下游北岸，平原地形，冬季气温通常不低于-5°C。本地属长三角发达地区，除卫生排水与污水治理外，农村其它基础设施基本与城镇看齐。农村住宅以二层独栋楼房为主，沿主要道路或河流分布，前屋后普遍设置菜园；多数家庭在室内安装常规水冲厕所，也有不少农户保留室外旱厕。很多家庭有粪肥使用习惯。杭桥行政村历史上不止实施过一次改厕，一些农户安装不止一座混凝土三格化粪池，但也有相当一部分农户没有化粪池。现状无正规排水及污水处理设施，农户污水呈多点直排。农村生活垃圾以“村收集-镇转运-集中治理”模式治理。 2021年12月，如皋市住建局与中科院生态中心签订合作协议，出资50万元，委托后者在杭桥村开展微冲宝-现代田园循环示范工程的研究。中国科学院生态环境研究中心在国家重点研发计划课题（2020YFD1100105）支持下，具体实施100户工程示范。 工程目标：全面生活污水治理。 设计标准：（1）厕所符合现代化生活卫生要求，室内安装，有水清洁，管道排污。（2）粪污处理符合《GB7959-2012 粪污无害化处理要求》，沼液沼渣满足农田施肥要求。（3）农户生活杂排水全收集，消除地表漫流和直排。（4）生活杂排水处理适用《DB32/T 3462-2018 江苏省村庄生活污水治理水污染物排放标准》，分户处理设施出水按1级B标准设计。 工程规模： 100户。 工艺路线： （1）厕所及粪污。微冲宝厕所+户用三格化粪池处理+农田施肥。 （2）生活杂排水。分户处理，原位排水。洗涤废水采用“预处理隔渣+地下生物滴滤床工艺”，厨房废水采用“隔油池+亚表层土壤渗滤工艺” 安装工程：每户安装1套压力冲水后排式微冲宝便器（WCB01K02S00-B03Y）+1座2m³玻璃钢三格式化粪池（厕所及粪污），1个洗涤水预处理器+1组地下生物滴滤床模块（洗涤废水），1个隔油池+1个1.5㎡亚表层土壤渗滤系统（厨房废水）。除全部设施设备安装外，还包括涉及厕所安装所需的室内供水管和配电线路改造，涉及洗涤废水和厨房废水的排水改造，部分用户须对原有便器拆除并做地面恢复，少数用户须实施室内源分离排水改造。 施工时间：2022年2月-2022年6月。 工程造价：7500元/户。 运行维护： （1）三格化粪池清掏利用及机电设备维护同前。 （2）洗涤废水预处理器和厨房废水隔油池定期清渣，农户自行实施。 （3）运维成本：匡算50元/户/年，主要用于机电设备维护，质保期内配件由厂家免费提供。 实施效果 本案例完全按照现代化生活卫生与环境保护的标准实施，农户所有生活废水的排水与污染控制问题全部得到有效解决。本案例表明微冲宝-现代田园循环系统适用东部发达地区农村污水治理。 案例三：第九师167团微冲宝-现代田园循环系统 第九师位于新疆维吾尔自治区塔城地区与哈沙克斯坦接壤的边境地带，当地冬季寒冷，极限低温低于-40°C，常年不冻层在1.8米以下。工程地点167团2连和4连地势平坦，职工住宅为统一规划的院落布局，主房和附房均为平房，院落占地大，院内设菜园和果园，通电通水，大部分职工在团部有住宅，连队住宅主要在夏季使用，但也有部分职工冬季留居连队。原有厕所为旱厕。由于缺水和气候寒冷，连队改厕及污水处理面临特别困难。 2022年8月兵团九师农业农村局与中科院生态中心签订合作协议，实施微冲宝-现代田园循环示范。2022年10月安装10户，由于当年冬季运行效果良好，因此在2023年6月又实施58户安装，总计68户。 该项目为完整的农村改厕+污水治理工程，粪污和污水处理全部采用分户模式。职工住宅的主房内安装1套压力冲水后排式微冲宝便器（WCB01K02S00-B03Y），在住宅外邻近厕所的位置安装1.5m³三格化粪池，在邻近生活杂排水排水点的附近安装“生活杂排水预处理器+地下生物滴滤床（砾石）”，厨房废水加装隔油池，处理后的出水原位下渗排水。经合格处理的三格化粪池的沼液和沼渣由连队提供吸粪服务，然后由职工自行用于院内菜园果园施肥。 工程造价：15000元/户。 实施效果 本案例在改厕、厕污处理利用和生活杂排水处理方面完全达到现代化要求，突出的效果是验证微冲宝-现代田园循环工艺能够较好地适用于寒冷地区，并使建设与运维成本大幅降低。 本案例实施后，极大地改善了兵团职工（农户）的生活卫生条件，并且与现有技术模式相比，成本节约超过50%，因此也得到各级主管部门的肯定。目前有关部门及九师已计划进一步推广。 案例四：江西上犹横岭村微冲宝-现代田园循环系统 上犹县隶属于江西赣州，属亚热带季风气候，地形以丘陵山地为主，无冻土层。村庄多沿河谷和道路分布，居住相对分散。当地为赣南革命老区，近年来社会经济发展迅速。农村住宅以2层独栋楼房为主，通水通电，水冲厕所普及率高。上犹县高度重视农村改厕与污水治理，并得到大量中央专项资金支持，圩镇及周边农村可纳管污水处理基本完成，目前农村污水治理工程正逐步向圩镇以外村庄推进。在本项目实施之前，上犹县农村污水治理全部采用污水处理模式，主要工艺包括人工湿地、氧化塘、一体化化设施等，综合改厕与农村污水处理的成本达到2.5万元-3完元/户,运维成本需求在300-500元/户/年。 为降低农村污水治理成本，上犹县生态环境局积极探索农村污水治理的新模式，计划于2023年在6个村庄点实施总数为550户的微冲宝-现代田园循环工程，其中水岩乡横岭村现地田园循环系统于2023年4月开始安装，到7月底全部完工。 工程目标：农村生活污水处理。 设计标准：（1）厕所符合现代化生活卫生要求，室内安装，有水清洁，管道排污。（2）粪污处理符合《GB7959-2012 粪污无害化处理要求》，沼液沼渣满足农田施肥要求。（3）农户生活杂排水全收集，消除地表漫流和直排。（4）生活杂排水处理适用《DB36/1102-2019 江西省村庄生活污水治理水污染物排放标准》，分户处理设施出水按3级标准设计。 工程规模：设计102户，实际完成 95 户。 工艺路线： （1）厕所及粪污：微冲宝厕所+三格化粪池处理+农田施肥。 （2）生活杂排水：分户处理，原位排水。以“厌氧水解预处理+地下生物滴滤床” 工艺为主，生物介质为砾石。对于接入困难的厨房废水，另行采用“隔油池+亚表层土壤渗滤工艺”进行处理。 安装工程：计划每户安装2套重力冲水后排式微冲宝便器（WCB01K02S01-B01ZJ），1个生活杂排水预处理器+1套地下生物滴滤床，必要时对部分农户加装1个隔油池+1个1.5㎡亚表层土壤渗滤系统用于厨房废水排水和处理，并对缺失或不合格的化粪池进行补装或改装。实际工程新装微冲宝厕所 123 套，改造原有直落式蹲便系统36套，实施生活杂排水处理90户，改造和新装三格化粪池44户。此外，安装工程还包括涉及厕所安装所需的室内供水管和配电线路改造，涉及洗涤废水和厨房废水的排水改造，部分用户须对原有便器拆除并做地面恢复。 工程造价：9317元/户（102户预算审计价） 运行维护：维护需求与杭桥村案例相同。运维成本匡算为90元/户/年，主要用于吸粪服务和机电设备维护，质保期内配件由厂家免费提供。 实施效果 本项目工程表明微冲宝-现代田园循环系统在山区应用具有显著的经济优势。厕所、粪污处理利用及生活杂排水治理完全达到设计要求。本项目工程获得包括国家农业农村部社会司、生态环境部土壤司农村污水处及江西省、赣州市有关行业领导等多次调研，有关领导及专家给与积极评价。赣州市农业农村局在横岭村召开各县分管副县长参加的现场交流会。目前上犹县正积极申报县域农村人居环境整治项目，计划将微冲宝-现代田园循环模式在全县推广。 04 结论与展望 普及现代化乡村人居环境基础设施与服务已经提上国家的议事日程。现有以达标排放为主旨的污水垃圾处理模式的建设与运行成本过高，是制约当前农村厕所革命推进与实施质量的瓶颈。中国科学院生态环境研究中心原创微冲宝管道排污技术，将便器冲洗水量降至目前国家节水标准的1/4，技术简约，运行可靠，制造和使用成本低廉，完美攻克了“重新发明厕所”的世界性难题。基于微冲宝管道排污技术所建立的现代田园循环模式及其系统技术，通过对生活有机废水的源分离高浓度收集与资源化利用，大幅降低生活污染控制的需求，且具有显著的节水、节能、降耗、减排和低碳的可持续发展优势，是厕所革命的理想模式。主要结论如下： （1）微冲宝-现代田园循环模式将农村改厕与污水治理的建设与运行分别成本降低70%和90%以上，突破了当前农村改厕与污水治理的瓶颈。 （2）微冲宝-现代田园循环模式可有效破解人居环境治理可持续发展的难题，重新构建绿色和健康的农村农业生态系统，助推乡村振兴，为世界人居环境可持续发展贡献中国方案。 （3）微冲宝-现代田园循环模式不仅适用于农村，未来亦可开发适用于城镇的技术系统。推广这一模式，在提升我国城乡生活污染控制水平的同时，还有望使我国在环卫领域引领世界科技与产业发展。 由于微冲宝-现代田园循环系统是一个从室内排放源头开始进行创新的人居环境系统，在技术思想、卫生排放体制、配套技术产品等诸多方面与现有与达标排放系统有不相兼容之处。由于达标排放是当前人居环境的标准制式，导致微冲宝-现代田园循环系统在当前的应用面临挑战： （1）行政管理体制障碍。微冲宝-现代田园循环系统在改厕、污水、垃圾、再生肥利用与农业面源污染控制方面具有综合优势，二当前上述业务分属多个政府部门管理，协调难度大，可能存在整体成本优势与局部创新的矛盾冲突。 （2）行业技术标准障碍。现有的行业技术标准主要基于达标排放模式建立，与新模式可能存在冲突。 （3）涉及入室改造，在用户协调方面面临挑战，并且可能增加施工成本。 建议国家参照新能源汽车的相关政策，从降低农村人居环境治理成本、促进可持续发展和布局行业领域科技升级的角度，出台系统性政策、标准、发展规划等，鼓励应用和发展微冲宝-现代田园循环模式。 |
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