污水源分离与生态排水
来源： 阅读：4800 更新时间：2011-07-26 10:59摘要：近年来不断有学者对欧洲城市化过程中所形成的城市排水模式进行反思，认为存在高耗水、高耗能、末端治理和资源流失等缺陷。污水中粪尿的量很小却是生活污水中有机物和营养盐的主要来源，因此以源头分离和资源回收循环为核心的排水模式得到重视。本文分析这一技术思想变革的背景，介绍源分离、粪尿资源化方面已有的探索实践以及其可行性，并探讨其在中国实施的意义。
关键词： 生态排水；生态卫生；源分离；排水系统；可行性
The sanitation pattern established during the early urbanisation in Europe is increasingly criticized because of the high consumption of water and energy as well as the loss of the resources. The faecal matter and urine is only a very small part of the total wastewater but contains the main load of the organic matter and the most of the nutrients. Therefore source separated and resource oriented sanitation systems gain more attention. The background of the concept change is analyzed. The research works, the application demonstration and some feasibility studies for source separation, treatment and reutilisation of faecal matter and urine are presented. Discussions are made for the importance of the implementation in China.
Key words: ecological sanitation, source separation, sanitation system, feasibility
1. 对传统城市排水模式的反思及生态排水理念的提出
欧洲早期城市化中所形成的冲水马桶排污和生活污水混合排放的水载重力排水系统已发展成为近代全球城市排水的基本模式。上世纪九十年代以来在可持续发展理念的大背景下越来越多的学者对这一模式提出反思和批判，归纳起来主要有以下几个方面：
(1) 这一传统模式从理念上把水作为收集输送废弃物的载体，存在高耗水的特征，浪费水资源。
(2) 人粪尿占污水总量仅1%但含有污水中大部分的COD和绝大部分营养盐（氮、磷、钾）[1]，传统模式中先将其成百倍地稀释，然后再消耗大量能量将其分离，在技术和经济方面严重不合理。
(3) 现代污水处理厂出水中仍含有进水中20%的氮，5%以上的磷和90%以上的钾，是受纳水体富营养化的主要原因。例如现代污水处理厂出水含磷在1mg/L水平，而流速慢的地表水为防止富营养化需要达到约0.01mg/L [2]，相差一百倍。
(4) 混合污水成分复杂，在污水处理厂各操作单元达到较高技术水平使出水指标合格后，由于污泥中的污染物和其他原因，大量污泥不得不采用填埋的方式作为最终处置。即使采用费用高的焚烧处理，所能达到的也仅是减量化，因为焚烧在能量回收上所起的作用是很有限的[3]。所以污泥的处理与资源化仍是其中一大难题。
(5) 污水处理厂污泥中营养盐的回收已有不少探索但都存在经济或技术上的局限，未能得到工业应用。磷和钾是有限的不可再生资源，制造氮肥又需消耗大量能量，农田因缺有机肥滋养而退化，农业与人居的物质交换链几乎被彻底截断。
(6) 传统模式的混合排放和远距离输送均不利于污水的资源化和城市水圈的良性循环，较高的输水费用限制了再生水在市区内的应用。
传统模式的形成和壮大发生在历史上并不缺水的工业发达国家，污水的大水量、长距离输送是末端集中处理模式中的主要费用组成，是西方国家在较长的城市化进程中几代人不断积累的结果。自上世纪70年代城市污水管网逐步进入翻修期以来，其费用对欧洲经济发达国家亦是一个巨大的经济负担。事实上，高污水处理率和较完善的污水处理厂在今天也只在为数极少的发达国家得到实现，欠发达国家，特别是发展中国家在城市人口增长的进程中很难同步实施，造成大量污水未经收集处理就排放。
城市生活废水的人均排放量约100-200升/人·天，其中人粪尿的量仅约1-2 L，约占总污水量的1-2%，但含有生活污水中含碳有机物总量的约60%，氮、磷总量的90%以上，钾的总量的60-70%和绝大部分的大肠杆菌（参见表1，Otterpohl et al.，1999）。
表1生活污水主要成份分布特征
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总量
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冲厕水杂排水
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尿
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粪
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量
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(L/人年)
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46400*
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500
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50
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化学耗氧量
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Kg/(人年)
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30
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41%
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12%
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47%
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N
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Kg/(人年)
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4-5
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3%
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87%
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10%
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P
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Kg/(人年)
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0.75
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10%
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50%
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40%
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K
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Kg/(人年)
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1.8
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34%
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54%
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12%
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*根据德国耗水量数据本文作者补充
随着淡水资源危机加剧和水污染的加重，针对传统模式的弊端以及人粪尿和生活污水在质和量上的巨大反差，上世纪末特别是瑞典、德国、瑞士等国家学者相继提出分散排水与再利用（DeSAR - Decentralized Sanitation and Reuse）），替代排水（Alternative Entwaesserung），可持续排水（Sustainable Sanitation），生态排水（Ecological Sanitation）等新概念，其核心是源分离（Source Separation）或源管理（Source Management），即将人粪尿与生活杂排水分离并进行能量和资源回收，污染程度低的杂排水与雨水分散资源化。国际水协2001年以来已举办三届以Ecological Sanitation（EcoSan）命名的国际会议，EcoSan作为概括这一新理念的术语也越来越流行。
我国学者在文章中将Ecosan分别翻译成生态卫生（排水）[4]、生态卫生[5]、生态排水[6]。英文中Sanitation这里指排污系统而中文卫生的含义却很广，鉴于“给、排水”在中文中已广为流行，笔者在本文中采用生态排水。
2．源分离对策与技术手段
归纳目前已有的应用，源分离手段可分为以下几类：
(1) 不冲水的堆肥干厕：该类厕所与中国农村现在仍广为流行的干厕区别在于尿液与粪便分离。尿液从便器的小便区单独排出，大便收集后添加约与粪便量相同的锯末或灰土，通过堆肥发酵实现粪便稳定化（参见Winblad等[7]）。欧洲在低人口密度的乡村已有较多应用，但在人口密度高、多层建筑、使用频率高等情况下，应用困难。
(2) 尿液分离的冲水厕具：通过在便器的小便区单独设立排污口将尿液分离，如厕只是小便时，仅对小便区冲少量的水（在0.1-0.5升），尿液靠重力流单独收集。单独收集尿液可以减少排水中磷负荷约50%，氮负荷近90%。该类源分离在欧洲已有较多示范。
(3) 极少量冲水的负压厕具或尿液分离负压厕具：传统厕具排污驱动力是水冲厕时形成的很有限的液位差，节水潜力有限。负压冲厕利用排污管道中的负压与常压的压力差（4-7米水柱），可显著节水（冲厕耗水约1升）并同时得到高浓度的粪尿，在小便区单独设立尿液排污口（小便冲厕耗水约0.1升）实现尿液的单独收集。德国在一个350人口的小区使用负压厕具进行粪尿源分离
(Otterpohl,1999)，在我国也开始有示范应用（如清华大学环境节能楼）。
上述干厕应用中粪尿采用人工和车辆清运。在已实施的重力流尿液分离冲水厕具示范中，尿液也多采用就地利用或车辆清运的方式。对于在城市区域较大规模实施尿液分离，Larsen等[8]建议利用现有的污水管网在夜间排水低峰时，将尿集中排入污水管道在污水处理厂收集、处理和资源化。也有学者认为，尿的收集可沿用垃圾清运的思路，因为平均每人每天1升多的尿液仅是每人每天产生垃圾容积的三分之一（按每人每天1kg垃圾，密度0.3t/m3计）。
相比之下，以负压便器为基础的源分离可以将厕具与负压排水很好的结合起来，从而可较方便地实现粪尿集中收集。由于粪尿量较小和冲厕水量的大幅度降低，粪尿在几公里以内的负压输送或负压与压力管道相结合的输送方式具备较好的经济可行性和应用前景，同时，相应与此输送距离的人居区，所收集到的粪尿量可以达到较深度的处理与资源化设施所需要的处理规模。
3．源分离后的处理与资源化
3.1杂排水处理与利用
粪尿分离后的杂排水在量和质上与传统混合污水相比都显著降低，通过不同的处理途径以较小的费用得到再生水，可用于绿化或作为地表景观水。由于我国在小区中水回用已有不少类似实践，这里不再赘述。
3.2尿液资源化
对于人口密度低的地方，如农村，尿液经过一定的储存期后达到稳定化，可直接作为肥料使用。对于人口密度高的地方，如城市，为更好解决收集与储运，对尿液进行浓缩和处理就很必要。
Gulyas对尿液进行冷冻（-8- -16oC）结晶[9]，但过程复杂和耗能高。Gulyas的计算显示[10]，与未经浓缩的原始尿液的输送相比，只有在居住人口大于50万人，输运距离超过75公里时，这种处理方法在能耗上才划得来。
Mayer报道瑞士对尿液蒸发浓缩的研究[11]，根据该研究结果设计的反应器可将尿液体积缩小十倍，每公斤氮耗电7MJ，耗燃料11 MJ。反渗透用于浓缩尿液的试验显示将尿液浓缩五倍时耗能约为5-10kwh/m3，与每公斤氮肥生产耗能153 MJ[12]相比，仍具有能量上的优势。
磷酸铵镁盐沉淀是回收磷、氮的另一种可能途径。Von Wolffersdoorf 13向尿液中投加价格便宜的MgO回收磷酸铵镁盐，混凝后磷酸根浓度由171.2mg/L降至0.63mg/L。磷的去除率或回收率较高，但是系统中仍有较高浓度过剩的铵氮未被去除，需要进一步的处理。
另一种减容和回收氮肥的途径是尿液的吹脱处理。Behrendt等[13]报道尿液吹脱回收10%浓度的氨水实验并设计了一个以1万人为规模的工业装置，回收的氨水体积是原来尿液体积的5%，所需主要设备为直径不到1米，高约10米的吹脱塔和吸收塔。而相同人口规模传统污水处理厂脱氮则需要3000m3的构筑物。
3.3粪便或粪尿混合废水资源化
上述尿液处理中提及的反渗透、吹脱吸收、MAP沉淀法在处理饲养场动物粪尿中已有不同规模的工业应用，可以作为人粪尿处理的借鉴。
在一个居住人口为350人的新建住区，高浓度粪尿通过负压厕具和负压排水管网收集，与粉碎后的厨余垃圾混合，并在55 ℃下停留10小时杀菌。系统在37 ℃下发酵，发酵罐容积为50m3。在相应的农田边建造一个储存量为8个月的储罐，以调节不同季节对施肥量的需求。Feng等[14]对粪尿及粪尿加厨余垃圾发酵回收能量和稳定化的反应动力学研究显示粪尿水厌氧发酵反应时间可控制在10天内，研究还显示粪尿的水解反应速度比厨余垃圾快很多。
Lopez等对粪便的好氧生物氧化进行研究[15]，在30-60℃范围内，12小时内生物活性（好氧速率）达到高峰，24小时以后系统趋于稳定，生物活性降低。也有作者建议（如Peter-Froehlich, 2006）在采用尿液分离的同时将大便废水过滤，然后进行生物好氧处理，一方面就近实施资源回收，另一方面节省市政排水系统费用。
针对粪尿含N,P，特别是N浓度很高的特点，张镜汤[16]建议在厌氧消化以后先加入CaO或MgO，一方面沉淀磷，同时提高系统pH值。上清液或滤液用空气将NH3吹脱，然后加硫酸将氮以硫酸铵的形式回收。
3.4粪尿农用与污水处理厂污泥农用的比较
粪尿可替代化肥并是良好的肥料已被很多对比试验证实。Palmquist对粪尿农用所需营养盐进行分析并说明粪尿是理想的肥料[17]，作者同时将尿、大便、杂排水、有机垃圾以及污水处理厂（为增加可比性作者选择不含工业废水的污水处理厂）污泥中所含有毒有害物质与所含养分（氮和磷）的比值进行比较。结果发现人粪尿的有毒有害物质含量最低，污水处理厂污泥有毒有害物质相对最高，绝大部分指标高出粪尿数倍到数百倍。所以，源分离后的粪尿农用比污泥农用更安全。
4.环境与经济效益及技术可靠性
4.1乡村区域
即使不考虑源分离，由于技术和经济方面的原因，传统排水模式应用于乡村污水收集时受到局限[18]。除农业生态效益外，人口密度低的乡村地区采用干厕在减量和污染控制上经济优势也很突出，干厕尿液分离解决了生活污水主要污染物的控制问题，而杂排水也可因地制宜地得到经济的处理。
Lechner等[19]针对奥地利农村以100人口（25座住宅）为基准的三种对策，A混和污水管网和处理厂的传统模式，B水冲厕但尿液分离，C尿分离的干厕及杂排水分散处理进行比较，除了环境和生态效益外，B和C在经济性上明显优于传统模式A。
4.2城市区域
德国Wuppertal研究所以1.5万人规模为单位在德国应用条件下对传统模式及负压厕具收集粪尿的源分离模式（粪尿和厨余垃圾厌氧稳定化处理并回收能量，杂排水植物处理、消毒，作为地表水并反渗地下水）进行了分析与比较[20]，[21]。研究显示源分离的污水排水系统在材料消耗上仅为传统模式的1/3—1/2。传统污水模式能量消耗为-110 KWh/人·年，而源分离能回收能量+108 KWh/人·年（其中含节约肥料生产能耗60 KWh/人·年）。传统污水排水系统及处理厂的总费用为每个居民每年346—431欧元，源头分类的污水收集与处理为每个居民每年270－316欧元。源头将粪尿分离后排水中大部分有机物得到去除，营养盐N、P去除率达到90％以上，已经达到和超过了传统污水处理厂的去除率，不含粪尿的杂排水通过进一步处理，污染物总排放量显著小于传统排水模式（见表2）。
表2：污染物排放总量对比
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污染物种类
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传统城市排水污染物排放总量
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源分离模式污染物排放总量
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COD kg/人·年
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3.6
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0.8
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N kg/人·年
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0.73
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0.2
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P kg/人·年
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0.07
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0.01
|
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K kg/人·年
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＞1.7
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＜0.6
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柏林试验研究城市新建区域3种不同的对策，并将实际产生的直接费用进行对比。一种替代方案是尿液分离，大便废水经过滤后制作堆肥，滤液与杂排水一起进入下水道系统，汇集后进行湿地处理（替代方案1），另一种对策是采用粪尿负压收集处理，杂排水通过下水道集中收集进行湿地处理（替代方案2）。三种方案分别对两个人口规模672人和5000人进行直接费用的对比。结果显示对于人口规模672人，替代方案2的费用略低于传统模式，替代方案1比传统方案节省约30%。随着人口规模的增加替代方案2的经济性改善明显，当人口规模为5000人时，与传统模式相比替代方案2节省支出约20%，替代方案1比传统方案节省约35%[22]，作者认为，如果水资源短缺的话，替代方案2的经济性将更为明显。在两个替代方案中的杂排水以及替代方案1中的粪尿滤液仍采用重力流地下输水，目前该项目正在进行杂排水的膜生物处理试验，在水力停留时间2小时情况下处理效果良好，采用处理效率更高的膜技术处理杂排水，可望为高密度住区实施生态排水提供更适合的途径，最大程度地减少下水道的费用，以明渠蓄水、渗水和输水取代地下排水管网。
尽管已有的对策分析和案例示范已经显示污水源头控制的环境与经济效益，目前城市区域的应用还十分有限。除了生态排水理念近十年才得到重视外，一方面发展中国家城市化中习惯地参照延续了一百多年的传统排水模式，另一方面发达国家城市已经通过多年的建设积累具备了完善的传统，很难再进行较大规模的系统改造。
4.3技术可靠性分析
源分离手段，粪、尿、杂排水处理及排水模式的变更更多的是理念和技术组合上的创新，并非是与已有的污水废水处理截然不同的崭新技术。干厕是人类最早的如厕方式，需要变更的是卫生和排泄物的稳定化，尿液分离后的污水处理手段在其他水处理和化工等领域已有工业规模应用。负压粪尿分离源于负压排水技术，而负压排水已在19世纪末欧洲大城市如柏林、巴黎得到过应用[23]，有一百多年的历史。负压排水与重力流排水相比人们通常会感觉技术过于复杂，而实际上负压排水不过是自来水供水的逆过程，系统由输送管道（水管或负压排污管）和动力源（泵站或负压站）组成，在用户终端有相应的阀门。而考虑负压站的维护需求时，人们常常忽略重力流排水中所需要的泵站的维护，负压排水系统要设负压站，需要维护，重力流排水系统需要设泵站，也要维护。
5．思考
中国在大规模高速城市化中一方面对水资源和水环境构成巨大压力，另一方面在如何实现可持续用水排水模式上历史负担小，有更多机遇。中国城镇发展中的以下几个特征更显示探索替代排水方案的必要性：
(1) 中国已有的城镇区域基础排水设施仍很薄弱，缺乏历史积累，与此同时中国每年以上千万的人口在高速城市化。
(2) 中国城市污水处理率不到一半，城镇排水与处理处于起步阶段。已有的排水系统难以适应不断扩大的需求，已有的污水处理系统在完善程度上与发达国家仍有很大距离（如除磷脱氮，污泥的稳定化和进一步的处理等）。
(3) 中国由于人口密度高，环境容量小，即使达到西方国家的污水控制水平，从污染物总量上仍有可能超过受纳水体的环境容量，如郑兴灿等[24]对江浙平原河网地区的案例研究显示即使全部城市污水都达到GB18918-2002中一级B的要求，水污染问题仍然难以真正消除。
(4) 中国人均资源短缺，从废水中回收能量和农业营养盐对城乡良性物质交换具有战略意义。
(5) 水资源有明显的地域性，中国水资源短缺，源分离的生态排水在节水、水的再生和城市水环境良性循环上的意义比西方国家更重要。
需要指出的是，城市、乡镇的扩展和老城的现代化改造是中国城市化发展的两大模式，这给十万以上乃至上百万人规模的排水与污水控制的规划、实施带来了很大的不确定性，几千人至数万人为单元实施源分离的生态排水对策将会是一个较理想的替代方案。另外，很多城镇在历史积累贫乏，需求又高速增长的背景下，资金来源是排水污水控制的最大障碍，源分离的生态排水对策与房地产开发有机地结合起来会有效地解决资金来源问题。
参考文献
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