19 世紀(jì)中葉開始，集中式排水管網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用有效減少了人類與自身排泄物的接觸，避免了斑疹、霍亂等疾病爆發(fā)和流行。隨后活性污泥法的推廣，生活污水、工業(yè)廢水、雨水等通過管道送至集中的污水處理廠凈化后排放，成為了城市的主流選擇。數(shù) 10 年來，隨著全球人口增長、自然資源短缺以及人們對于“排泄物”的認(rèn)識不斷提升，集中式排水系統(tǒng)的局限性日漸突出，如供排水管網(wǎng)的投資和維護(hù)費用巨大、污水處理設(shè)施能耗高、污泥的處理處置困難、水資源利用率低，氮磷等營養(yǎng)物回用難度大等。
近年來，城鎮(zhèn)污水處理朝著供排水融合、水資源循環(huán)利用、污水和固體廢物協(xié)同處理，營養(yǎng)物回收利用、低碳、碳中和甚至輸出能源等方向發(fā)展�；谖鬯捶蛛x的分散式處理系統(tǒng)具有靈活多變、水資源和廢物高效利用等特點，其對生活污水從源頭分離、分別收集、處理、資源化與能源化，灰水、黑水以及黃水的處理和回用工藝以及相應(yīng)新設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用快速推進(jìn)，應(yīng)用實例越來越多。
1 污水源分離技術(shù)的分散式處理系統(tǒng)
生活污水源分離技術(shù)是指根據(jù)污水產(chǎn)生場所和污染程度，將生活污水分為污染物含量低、潛在水資源豐富的灰水，含水量低且具有較高有機物含量和氮、磷成分的黑水和黃水，在產(chǎn)生源頭單獨收集，分別輸送至對應(yīng)的處理系統(tǒng)，以避免不同水質(zhì)之間的交叉污染，同時也利于將其中的資源、能源進(jìn)行單獨的回收利用。
分散式系統(tǒng)則相對于集中式系統(tǒng)，在一定處理規(guī)模內(nèi)建立小型的處理設(shè)施，實現(xiàn)區(qū)域化的污水處理。在新建城鎮(zhèn)化區(qū)域或遠(yuǎn)離城市排水管網(wǎng)的區(qū)域，為提高污水中的資源、能源回收和利用效率，節(jié)省遠(yuǎn)距離輸水的管道投資與運行費用，將污水源分離技術(shù)與分散式處理系統(tǒng)相結(jié)合，在一定區(qū)域內(nèi)形成資源再生利用中心，不僅可以實現(xiàn)對源分離的灰水、黑水、黃水的分質(zhì)處理，就近回收利用資源和能源，節(jié)省管道輸送費用;還將傳統(tǒng)的直線式物質(zhì)流轉(zhuǎn)變?yōu)樗c資源的循環(huán)利用，大幅削減廢物排放量，甚至達(dá)到零排放和能源零需求。
1 源分離技術(shù)的資源、能源回收潛能
1.1 灰水的再生利用
隨著人們生活水平的提高，生活污水量隨之增加。據(jù)統(tǒng)計，居民室內(nèi)用水中，用于直接飲用和烹飪的水量只占 5%，浴室、廚房所產(chǎn)生的低污染含量的污水量占 50%或更高。集中式處理系統(tǒng)中，污水處理廠大多建于城市河流或水體的下游，再生水回用需額外鋪設(shè) 1 套中水管道，投資費用巨大，因此城市污水廠的尾水大多直接排放，水資源重復(fù)利用率低。截止到 2015 年，我國京津冀地區(qū)再生水利用率達(dá)到35%，而缺水城市利用率仍不到 15%，其他的城市和縣城則低于 5%。在水 - 能關(guān)系日益緊張、城市的水循環(huán)過程能耗越來越高的形勢下，傳統(tǒng)處理模式不僅需要投入更多的能源與費用獲取新鮮水，同時對于水資源是極大的浪費。灰水，一般指生活污水中來源于洗浴、盥洗、衣物清洗、廚房水槽和洗碗機等含污染物含量較低的生活污水，大多以清洗為主，其成分隨用水習(xí)慣、用水設(shè)備、清洗劑種類甚至地區(qū)和用戶身份等差異而有所不同。灰水 COD 通常在 400～750 mg/L、TN的質(zhì)量濃度 2～20 mg/L，有機物負(fù)荷通常只有混合生活污水的 45%～75%，其水量一般占家庭排水總量的 50%～80%。采用真空馬桶和負(fù)壓排水系統(tǒng)后，灰水的水量占比可以達(dá)到生活污水量的 90%。由于污染物含量較低，灰水的處理與再生容易實現(xiàn)，采用絮凝 - 過濾、AO、AAO、MBR 以及人工濕地等工藝均能達(dá)到良好的出水水質(zhì)，再經(jīng)過消毒，就可以實現(xiàn)回用。
灰水凈化后用途包括沖廁、灌溉、路面清洗等。研究顯示，灰水就近處理后回用，可以減少 25%～40%的新鮮水消耗，還能減少污水的收集與輸送費用。MARIANA 等采用移動床生物膜反應(yīng)器(MBBR)工藝中試處理校園混合灰水 COD、TOC 和總大腸菌群的去除率分別能達(dá)到 78%、75%和 97%，出水回用于室外公園和草坪的灌溉�；宜畠艋笪廴疚镆驯挥行コ偕疅o色無味，與室外用水相比，用于室內(nèi)沖廁，一方面可以保障回用水量，使用頻率更高且無季節(jié)性影響，因此，國外已有不少灰水凈化后用于沖廁的具體案例。HU 等采用改良 MBR 工藝處理灰水，出水 BOD5 低于 5 mg/L，其它項指標(biāo)滿足 EPA 對于沖廁回用水的要求。西班牙濱海略雷特的一所三星級酒店，將浴室和盥洗池的灰水單獨收集處理并回用于沖廁后，每年可節(jié)省新鮮水用量 10×103 m3 。SHASHI 采用活性炭與多級膜過濾的集成設(shè)備處理某大學(xué)城洗浴、洗衣以及洗手池的混合灰水，對于濁度、BOD5 和總大腸菌群的去除了分別為 99.6%、99.9%和 84.2%，出水甚至可以達(dá)到除飲用以外的室內(nèi)用水水質(zhì)要求。
1.1 黑水中能源的回收利用
生活污水源分離的黑水，主要來源于廁所的排泄物及其沖洗水，一部分廚房廢水也可以納入黑水范疇，其中尿液和糞便及其沖洗水更進(jìn)一步被劃分為黃水與褐水。黑水的特點是含有高含量的有機物、氮、磷，微量污染物以及病原體。單獨收集處理可以最大程度避免清潔水體污染。一般黑水水量較灰水低，因此國內(nèi)外大多采用能耗低、占地小且不用保證連續(xù)進(jìn)水的厭氧處理工藝就近處理。
研究表明，廚房廢水與褐水進(jìn)行協(xié)同厭氧消化，產(chǎn)甲烷產(chǎn)量最高達(dá)到 520 mL/g;向系統(tǒng)中添加比例為體積分?jǐn)?shù) 6%的黃水時，系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷量可提高至 560 mL/g，同時可以將系統(tǒng)的產(chǎn)氣穩(wěn)定期提前 6 d。WASIELEWSKI 等采用連續(xù)攪拌反應(yīng)器(CSTR)處理黑水，CH4 產(chǎn)量在啟動階段即可達(dá)到 222 L/kg，CH4 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)能達(dá)到 66%;進(jìn)一步提高黑水的比例后，CH4 產(chǎn)量提高到 332 L/kg。
傳統(tǒng)的沖水便器對新鮮水消耗大，對黑水中的有機物有一定的稀釋作用，增加黑水的厭氧發(fā)酵的難度。采用新型的真空馬桶和室外負(fù)壓收集系統(tǒng)，可以有效減少新鮮水消耗，同時對黑水的稀釋降到最低，可以保證厭氧消化的底物含量。分散式衛(wèi)生處理和資源回用理論(Decentralized Sanitation and Reuseconcept，DESAR) 即建立在黑水的源分離基礎(chǔ)上，采用真空馬桶與負(fù)壓收集的方式，將黑水分為褐水和黃水單獨收集與處理，常用的處理技術(shù)有升流式厭氧污泥床水解酸化池(Up-flow Anaerobic Sludge Blanket Septic Tank，UASBST)與培養(yǎng)馴化反應(yīng)器(Accumulation Reactor，AC)反應(yīng)器。MARTHE 等用 UASBST 反應(yīng)器處理真空馬桶收集的高濃褐水，進(jìn)水 COD 在 7.7～9.8 g/L，去除率達(dá)到 74%以上，產(chǎn)氣量 200 L/(m3·d)，其中甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 78%，每人可轉(zhuǎn)化 56 MJ/a 的電能與 84 MJ/a的熱能。
生活污水的產(chǎn)能成分主要集中在黑水，黑水的水量相對于灰水來說很低，因此通過污水的源分離技術(shù)，避免黑水稀釋，高濃度的有機物經(jīng)過厭氧消化產(chǎn)生沼氣，既可以通過熱能的形式直接利用，也可以轉(zhuǎn)化為電能，但是考慮到轉(zhuǎn)化過程中的損失，熱能的利用一般被優(yōu)先考慮。
1.2 黃水中氮、磷等營養(yǎng)物的回收與富集污水源分離后的黑水，富含有機物和氮磷成分，其中大量的氮、磷和少量的有機物集中在黃水中。一般來說，尿液為生活污水總量的 1%，卻貢獻(xiàn)了生活污水磷的 50%和氮的 80%。研究表明，當(dāng)尿液分離后不僅可以大幅減輕污水廠的負(fù)荷。從污染物的去除和資源的回收來說，處理未經(jīng)稀釋和混合的原尿液比處理稀釋后的混合污水效率更高，直接從尿液中回收氮和磷，相比于進(jìn)入污水廠后的回收更經(jīng)濟有效。具體聯(lián)系污水寶或參見http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
從營養(yǎng)物回收的角度看，尿液單獨收集處理的優(yōu)勢突出。一方面，糞尿分離可以減小黑水處理系統(tǒng)的體積，而且尿液的氮磷含量高而可降解 COD 很低，對于厭氧消化產(chǎn)氣貢獻(xiàn)不高;另一方面，尿液由于體積小而富含氮、磷、鉀等成分，將尿液中氨部分氧化得到的硝酸銨是作為農(nóng)業(yè)肥料的最佳選擇，雖然尿液穩(wěn)定化過程中容易產(chǎn)生亞硝酸鹽積累，通過控制反應(yīng)系統(tǒng)的堿度或采用化學(xué)方法將其氧化。UDERT 等采用曝氣生物濾池和膜過濾組合工藝，將尿液中的有機物去除同時將 50%氨氮氧化，最后濃縮得到質(zhì)量分?jǐn)?shù) 70%硝酸銨。ALEXANDRA采用生物穩(wěn)定技術(shù)將一半氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，同時采用 50 kPa 蒸發(fā)濃縮的方式得到富含硝酸銨的濃溶液，氨氮和硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度分別提高到 23.100g/L 和 24.400 g/L。CHRISTOPHE 等利用尿液硝化濃縮后得到的肥料種植黑麥草，發(fā)現(xiàn)植物對于肥料中氮元素的利用率可以達(dá)到 75%，說明植物可以極大程度利用尿液中的氮。
磷屬于不可再生資源，在傳統(tǒng)污水處理過程中從污水進(jìn)入污泥，最后被填埋或其它方式處置，回收利用難度高;傳統(tǒng)污水處理過程中即使回收，成本高昂。我國的磷礦石基礎(chǔ)儲量約為 3.4 Gt，僅次于摩洛哥位于世界第 2，約占世界磷礦石儲量的 5.5%。但是我國富磷礦(P2O5 的質(zhì)量分?jǐn)?shù) >30%)少，而貧磷礦(P2O5 的質(zhì)量分?jǐn)?shù) <18%)多，貧磷礦的儲量約占全國探明磷礦儲量的 50%(我國磷礦石 P2O5 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為 16.85%)。據(jù)預(yù)測，中國等發(fā)展中國家的對磷礦石需求量預(yù)計在 2020-2050 年才能到達(dá)峰值，屆時每年磷標(biāo)礦需求量達(dá)到 43～47 Mt。因此從黃水中回收磷元素，可以有效提高有限資源的利用率，避免磷礦的過量消耗，而尿液分離式馬桶的出現(xiàn)極大促進(jìn)了尿液中磷元素的回收技術(shù)的發(fā)展。
磷酸銨鎂(Mg(NH4)PO4·6H2O，又稱鳥糞石)結(jié)晶是較為常見的黃水中磷回收技術(shù)，常見的鎂源有MgCl2、MgO、Mg(OH)2 等。KEALAN 等向 NoMix 馬桶收集的尿液投加 MgCl2，得到含鳥糞石的肥料，通過適當(dāng)?shù)?pH 控制使尿液中磷的回收率達(dá)到 90%以上，經(jīng)過分析，所得固體物質(zhì)各成分含量符合歐盟 ABPR 1774/2002 標(biāo)準(zhǔn)。SONIA 等比較了不同的水力條件下、鎂源種類以及Mg、P 比例的磷回收效果，發(fā)現(xiàn)以 MgO 為鎂源，在 Mg、P 的摩爾比為 2、水力條件 30 r/min 下，實現(xiàn)99%的最高磷回收效率，得到了粒徑在 50～100 μm的鳥糞石晶體。成本分析發(fā)現(xiàn)，采用 MgO 與 MgCl2的成本接近，雖然 MgO 的價格是 MgCl2·6H2O 的5.5 倍，但是 MgO 的 Mg 含量更高，同時自身的 pH緩沖能力可以使得 pH 保持在 8.5 左右，有利于鳥糞石晶體析出。MANUEL 等以廢棄礦場的菱鎂礦作為鎂源，在 700 ℃左右焙燒 1 h 后得到鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 54%(MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 60%)的沉淀物，再用于尿液的磷回收，從礦石的焙燒至鳥糞石成品的產(chǎn)生過程中總成本為 0.12 美元 /kg，處理成本降低了 20%。此外，采用鎂電極為陽極的電解系統(tǒng)，控制電壓維持溶液中 Mg2+ 的含量，當(dāng) Mg、P 的摩爾比為 1.5 時，可以對尿液中的磷實現(xiàn) 100%的回收，但是成本相對而言更高。
1 生活污水源頭分離收集和輸送系統(tǒng)
1.1 收集系統(tǒng)
將污水從源頭單獨收集，是污水源分離實現(xiàn)的基礎(chǔ)。其中黃水與褐水分離是生活污水源分離的難點和熱點。研究者總結(jié)、比較了國內(nèi)外 36 個源分離應(yīng)用工程，發(fā)現(xiàn)其中涉及黃水、褐水源分離的工程占97%。新型源分離式便器是實現(xiàn)黃水與褐水源分離的關(guān)鍵。
糞尿分離式新型便器通過設(shè)置前后 2 個排放口，分別收集尿液與糞便并分別與后續(xù)輸送管道相連，中間設(shè)置隔板，從而實現(xiàn)黃水與褐水的分離，再通過重力收集或負(fù)壓輸送。對于濕式?jīng)_水馬桶，小便的沖水量僅為 0.1～0.2 L/ 次，大便區(qū)采用負(fù)壓收集系統(tǒng)時，沖廁水量僅需 1.0～1.5 L/ 次，常見的雙排放口便器有瑞士的 NoMix Toilet，以及結(jié)合負(fù)壓收集的微水氣沖尿液分離負(fù)壓廁所等。此外，荷蘭 TheoBrandwijk 設(shè)計的 Piet Toilet Diversion Toilet，在排污管采用傳感器和三通閥，通過傳感器自動調(diào)節(jié)三通閥角度，將糞便與尿液導(dǎo)入不同的管道中，僅用 1個排放口實現(xiàn)糞尿分離，同時進(jìn)一步縮小了便器的體積。
然而環(huán)境友好型便器在發(fā)展和應(yīng)用中也出現(xiàn)諸如結(jié)垢、發(fā)臭、用戶體驗差等現(xiàn)象。源分離便器節(jié)省了沖水用量，但高濃尿液使得小便收集口、水封彎處結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重。UDERT 等比較了不同廁所的小便管的垢成分，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)沖水是便器的垢成分主要為碳酸鈣，而源分離廁所中則以鳥糞石為主�？梢娫谠捶蛛x廁所的黃水收集輸送管道鳥糞石結(jié)晶沉淀，一方面堵塞管道，另一方面也降低了磷回收效率。
便器中隔板的設(shè)計雖然實現(xiàn)了黃水與褐水的有效分離，但是加大了清潔的難度，其零件更換、維修成本高，無法適應(yīng)居民的使用習(xí)慣等，都嚴(yán)重影響了源分離理念的推廣。由清華大學(xué)開發(fā)的新一代源分離式便器，通過以平滑坡形隔離堰代替垂直的隔離擋板、增設(shè)清潔蓋的方式，減輕了清潔的難度，同時還達(dá)到了防臭的目的。
1.1 輸送系統(tǒng)
污水源分離系統(tǒng)的輸送系統(tǒng)，根據(jù)驅(qū)動力的不同，可以分為重力流和負(fù)壓收集 2 種方式。
傳統(tǒng)的混合式生活污水收集系統(tǒng)大多采用重力流的方式，利用污水管道的坡度實現(xiàn)污水自流至處理系統(tǒng)，坡度隨管徑、管材和地形的變化而相應(yīng)改變;負(fù)壓收集系統(tǒng)通過負(fù)壓泵在管道內(nèi)部形成負(fù)壓，將污水由源頭通過管網(wǎng)輸送至處理系統(tǒng)，工作壓力通常在 60～70 kPa。
負(fù)壓排水系統(tǒng)具有管內(nèi)流速快、管徑小、埋深淺，不易發(fā)生滲漏等優(yōu)勢。通過對負(fù)壓站和排水管道的監(jiān)控，可以在管道出現(xiàn)故障時可以迅速響應(yīng);而重力流系統(tǒng)經(jīng)常等到故障擴大一定程度后才能發(fā)現(xiàn)，在負(fù)壓系統(tǒng)中 86%的故障都可以在 2 h 以內(nèi)得到修復(fù)，有效縮短了維護(hù)時間。負(fù)壓系統(tǒng)中真空閥是維持管道內(nèi)部負(fù)壓環(huán)境的重要部件，63%的負(fù)壓系統(tǒng)的真空閥平均每個月都至少出現(xiàn) 1 次故障，成為影響負(fù)壓排水系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素。由上海某研究院研發(fā)的水封式負(fù)壓排水收集技術(shù)，在各集水井采用水封管代替了傳統(tǒng)的真空閥，簡化了設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)，同時有效節(jié)省了投資和維護(hù)費用。
傳統(tǒng)的重力流排水技術(shù)較為成熟，短距離的輸送所需要的高程差相對較低，成本低。在長距離輸送時，排水管除需要一定的坡度外，還需要維持水量避免懸浮物堵塞，長距離輸送時還需要設(shè)置提升泵站。就水量而言，灰水的水量比褐水、黃水高，而且懸浮物含量低，流動性強，灰水仍然可以采用重力流為主的收集方式，在一定區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)灰水的集中收集、處理與回用，避免了長距離輸送的管道投資、運行和管理費用，就近回用可以提高水資源利用效率。鄭林靜認(rèn)為，對于源分離的灰水重力流收集系統(tǒng)的管道投資而言，日處理量 3 000 m3/d 是最為合理的規(guī)模。褐水的水量僅占生活污水總量的 30%～50%(采用真空馬桶的比例更低)、含固率較高、流動性差，若采用重力流，則要求排水管道的坡度大，需要頻繁提升，且容易沉積堵塞。而采用負(fù)壓排水管道輸送，則解決了堵塞和坡度問題，降低了投資成本，采用室內(nèi)節(jié)水便器，還可進(jìn)一步降低褐水水量，提高有機物含量;黃水的水量最低，但流動性比褐水強，短距離內(nèi)可以采用重力流輸送，但是黃水中尿素易發(fā)生水解使 pH 升高，增加了結(jié)垢風(fēng)險。因此在黃水的收集過程中，應(yīng)合理控制在管道中的停留時間，進(jìn)而選擇合適的處理規(guī)模。
黑水和黃水的沖洗水越少，有機物、營養(yǎng)元素含量越高，其能源和資源回收的潛力越大。以黃水的磷回收為例，正常成年人每日排尿量約為 1.5～2 L，磷酸鹽的質(zhì)量濃度約為 631 mg/L。在 100%回收率情況下，每天得到 1 kg 鳥糞石晶體需收集約 134 人的尿液，而一天中排尿低谷時期管道中尿液的量很小，因此為了有效實現(xiàn)黑水資源化，宜采用小范圍設(shè)中間儲存系統(tǒng)，再經(jīng)由統(tǒng)一的運輸至處理系統(tǒng)，一方面形成規(guī)�；Y源回收，另一方面也減小了處理設(shè)施的管理和維護(hù)難度。
重力流系統(tǒng)雖然利用了污水自流屬性，但是考慮到遠(yuǎn)距離的輸送所需要的管道提升、維護(hù)費用，其經(jīng)濟性并不明顯;而采用負(fù)壓真空收集的方式，雖然前期收集端投入較高，但較低的運行費用、基礎(chǔ)設(shè)施的簡化以及管徑的減小帶來的收益卻超過了傳統(tǒng)的重力流收集方式。
賈海峰以我國北方某典型的居民小區(qū)為對象(居住人口 6 678 人)，比較了重力流排水系統(tǒng)和源分離的負(fù)壓收集系統(tǒng)在建設(shè)、運行方面的投資、污水處理和運行費用情況，發(fā)現(xiàn)源分離系統(tǒng)管道系統(tǒng)建設(shè)費用上比傳統(tǒng)排水系統(tǒng)增加了 29%，污水處理設(shè)施基建費用減少 48.23%，雖然總體基建投資增加142.3 萬元，但是管道系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)的年運行費用分別減少 67.48%和 50.49%，平均每年節(jié)省運行費用 37.3 萬元，不考慮任何資源、能源再利用和生態(tài)效益情況下，4 年后源分離負(fù)壓系統(tǒng)即可抵消基建差額。
4 結(jié)束語
隨著對資源認(rèn)識的提升，傳統(tǒng)的污水處理理念已不再適合當(dāng)前的發(fā)展形勢，城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的功能應(yīng)當(dāng)向“水工廠、能源廠和資源廠”等新型功能方面轉(zhuǎn)變。經(jīng)過不斷的發(fā)展，源分離處理技術(shù)種類呈現(xiàn)出多樣化，在不同污水流的污染物去除、資源能源的回收方面都已經(jīng)能達(dá)到很好的效果，更能靈活適應(yīng)不同的水質(zhì)條件，可以針對不同的情況靈活選擇;新型源分離潔具和負(fù)壓排水技術(shù)的發(fā)展，也為污水的源分離提供了強大的技術(shù)支撐。
源分離技術(shù)與分散式系統(tǒng)相結(jié)合，根據(jù)源分離程度合理選擇處理規(guī)模，污水處理后可以就近回用，減少長距離輸送的成本，形成規(guī)�；馁Y源回收與輸出，又能在一定程度上實現(xiàn)集中管理，適合于快速城鎮(zhèn)化地區(qū)的發(fā)展模式。當(dāng)前，這種形式在初始投資方面成本較高，但隨著源分離技術(shù)、設(shè)備的不斷發(fā)展，經(jīng)濟成本也將隨之降低，同時考慮到潛在的資源效益和生態(tài)效益。綜合來看，基于污水源分離的分散式處理系統(tǒng)，在未來還是有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展的空間。(來源：同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院)
