農(nóng)村分散式生活污水源分離技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析

張奇譽，劉來勝

(1.華北水利水電大學水利學院，鄭州 450046；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

0 引 言

根據(jù)國家統(tǒng)計局2017年發(fā)布的人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國農(nóng)村人口有57 661 萬人，占總人口的41.48%，農(nóng)村人口基數(shù)龐大。隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，農(nóng)民的生活水平得到了極大提高，其生活方式也發(fā)生了巨大變化，衛(wèi)生潔具的革新和自來水的入戶使得農(nóng)村生活污水排放量急劇增加。農(nóng)村生活污水的無序排放，以及未經(jīng)處理的糞便隨意堆放嚴重污染了水環(huán)境和土壤環(huán)境，成為農(nóng)村環(huán)境的重要污染源。2016年，我國農(nóng)村污水處理率不足22%，污水排放量達到202 億t，預測到2020年可達到300 億t，污水排放量體量巨大，污水處理的市場需求旺盛。

我國農(nóng)村生活污水一般分成兩類：一類是由廚房用水、家庭洗滌和日常洗漱等產(chǎn)生的灰水，占農(nóng)村生活污水總量的50%～80%，主要為有機和無機污染物，污染程度低[1]；一類是由人體排泄物和沖洗用水等產(chǎn)生的黑水，包含了黃水和棕水，主要為生理污物，幾乎含有生活污水中所有的氮、磷、鉀等營養(yǎng)物[2]，污染物質(zhì)和病原菌含量高，后續(xù)處理要求高。我國農(nóng)村生活污水對流域水環(huán)境磷的貢獻率達到8%，對氮的貢獻率達到10%[3]。相對于城市污水，農(nóng)村生活污水具有隨機性和波動性，不同時段排放量波動明顯，屬于典型的間歇排放，日變化系數(shù)一般在3.0～5.0之間[4]。城市污水處理廠建設費用昂貴，需要配套大量的管網(wǎng)收集系統(tǒng)，僅建設一個中等的處理廠就要耗費上億元資金[5]。我國農(nóng)村呈現(xiàn)“大聚居，小分散”的特點，集中式的城市污水處理模式不適用于管網(wǎng)設施與基建設施落后的農(nóng)村[6]。

目前，我國農(nóng)村水環(huán)境自然修復體系已經(jīng)遭到了破壞，農(nóng)村水環(huán)境的整治重點在于如何能夠在經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護之間找到平衡點[7]。農(nóng)村分散式生活污水源分離技術從資源重復利用和污染負荷源頭消減的角度探尋農(nóng)村水環(huán)境治理的新出路，不僅能夠從源頭削減生活污水排放量，降低后續(xù)處理工藝的難度與能耗，而且還能夠資源回收再利用，適合我國農(nóng)村生活污水分散治理與糞尿資源還田的實際需求。源分離技術在我國的應用實例已經(jīng)越來越多，如移動床生物膜反應器(MBBR)處理校園混合灰水、UASBST反應器處理真空馬桶收集的高濃度污水、利用鳥糞石回收磷等[8]。

1 源分離技術的產(chǎn)生與發(fā)展歷程

糞便和尿液體積僅占生活污水總量的約1%～2%，卻是生活污水中主要污染負荷，含碳有機物占總量的60%、氮和磷占總量的90%以上、鉀占總量的60%～70%以及，以及絕大部分的大腸桿菌[9]。隨著可持續(xù)發(fā)展理念的普及以及居民對生態(tài)環(huán)境的要求日益提高，現(xiàn)行的污水混排方式和集中式污水處理廠的局限性日益凸顯，如水資源浪費、排入水體導致富營養(yǎng)化、后續(xù)處理工藝高耗能高投資、氮磷鉀資源未回收、產(chǎn)生的污泥難以處理等等[10]。相對于混合污水，體積小但濃度高的黑水單獨收集并處理，更容易實現(xiàn)資源化[11]。從生態(tài)環(huán)境保護的角度考慮，源頭分離比末端混合后處理更加合理[12],國內(nèi)外已經(jīng)開始從末端集中處理逐步轉向源頭分離處理[13]。源分離技術并不改變原有的便器或者排水設施的主體結構，只是在原有結構的基礎上加以改進,實現(xiàn)黑水和灰水、尿液和糞便源頭分離[14]。源分離技術的核心理念是通過源分離技術將生活污水在源頭進行分離后，后續(xù)加以處理后利用，其關鍵部分是糞尿分離、灰水與黑水分離、后續(xù)污水處理以及資源回收利用。

1973年，真空廁所系統(tǒng)由美國波音公司研發(fā)并且投入使用，這也是最早應用源分離技術到實際生產(chǎn)的例子之一，但由于其單套高額的設備成本，推廣難度很大。1985年，Uno Winblad先生在《Sanitation With-out Water》一書中明確提出“糞與尿不要混合，糞不要與水混合”的糞污處理思想，這是源分離技術近現(xiàn)代的早期理念[15]。近代最早的源分離實體裝置始于20世紀90年代中期，學者Kirchmann等介紹了在沒有污水管網(wǎng)鋪設的瑞典部分農(nóng)村，為了控制氮磷的污染而建設的糞尿分離式廁所，希望通過該工藝對人體的排泄物進行就地源分離并處理利用，減輕對水體的污染[16]。20世紀末，歐洲一些學者相繼提出了分散排水與再利用、替代排水、可持續(xù)排水、生態(tài)排水等新概念，將糞尿與生活雜排水分離并進行能量和資源的回收[17]。2000-2006年，瑞士聯(lián)邦水科學與技術研究所完成了一項名為Novaquati的研究項目，該項目針對尿液分離技術和消費者接受度等相關內(nèi)容進行了研究。荷蘭的源分離研究正蓬勃開展，目前約有20多個試點工程。

我國自農(nóng)耕文化起，糞便就作為農(nóng)家肥返田再利用，這樣的生活、生產(chǎn)方式在我國已盛行了幾千年,是生態(tài)排水理念的先驅(qū)，也是我國應用源分離技術的雛形。近幾年我國關于農(nóng)村分散式生活污水源分離技術應用越來越廣泛，如賈海峰以我國北方某典型的居民小區(qū)為對象[18]，證明了負壓源分離排水系統(tǒng)具有很好的生態(tài)效益；清華大學中意節(jié)能環(huán)境樓驗證了源分離排水系統(tǒng)技術指南的可行性[19]；北京市奧林匹克森林公園應用源分離系統(tǒng)，處理后的棕水和黃水再用于景觀河流或植物灌溉，節(jié)約了大量水資源，形成了小型的生態(tài)閉合圈[20]。

2 農(nóng)村分散式生活污水源分離處理技術分類

2.1 農(nóng)村源分離生態(tài)廁所

農(nóng)村源分離生態(tài)廁所是指從源頭入手，將便器升級為糞尿分離裝置，將糞尿通過分別的排泄口進行收集，儲存于對應的儲尿箱和儲糞池中，最后再加以處理。目前農(nóng)村源分離生態(tài)廁所存在以下幾種基本類型：

(1)免沖水式堆肥干廁。其核心為便池和堆肥箱，原理在于將排泄物統(tǒng)一收集至堆肥箱與基質(zhì)充分混合，由好氧微生物降解為CO2、H2O及有機糞肥[21]。該類廁所源于我國農(nóng)村傳統(tǒng)旱廁，區(qū)別在于尿液與糞便能夠分開收集，是一種新型生態(tài)旱廁，其主要處理工藝即在堆肥箱中加入鋸末、食物垃圾等，使糞便充分發(fā)酵堆肥。該類廁所在歐美地區(qū)，以及我國農(nóng)村地區(qū)已經(jīng)有很多實際應用，如趙軍營等在馬家方莊示范應用了糞尿分集式廁所與堆肥池[22]，將糞便統(tǒng)一收集產(chǎn)能，處理過后的尿液用于農(nóng)田滴灌，效果良好。

(2)尿液分離式?jīng)_水廁所。主體構造是糞尿分離收集，優(yōu)勢在于節(jié)省水量。以3/6升的節(jié)能型抽水馬桶為例，一個三口之家使用抽水馬桶就要消耗水90 L/d，一個月耗水量為2.7 m3。而對糞尿分離式?jīng)_水廁所的用水量進行了測算，尿液沖水耗水量為0.2 L/次、糞便沖水耗水量僅為0.7 L/次[23]，用水量僅為抽水馬桶的7%。

(3)負壓廁所或真空廁所。其原理是利用真空泵或高壓泵形成污水管道內(nèi)負壓或真空環(huán)境，將便器內(nèi)的污水抽集到儲蓄池內(nèi)，消耗的水量僅為普通節(jié)水馬桶的1/3，并且分離得到的糞尿資源濃度高、污水量少。如河北省邯鄲市某村莊廁所改造示范工程，該村莊應用負壓排水源分離技術，糞尿分離后分別進入沼氣池和人工濕地處理，得到的沼氣用于發(fā)電發(fā)熱，而尿液處理后達標回用[24]。

農(nóng)村源分離生態(tài)廁所與農(nóng)村傳統(tǒng)廁所相比，其優(yōu)勢在于符合我國目前的資源形勢，充分做到了節(jié)約水資源、降低能耗以及資源回收利用，對于改善我國農(nóng)村生活生態(tài)環(huán)境也有重大意義。

2.2 農(nóng)村生活污水分類處理系統(tǒng)

農(nóng)村生活污水分散處理系統(tǒng)的模式是“一戶一套，聯(lián)戶處理”，其對投資和管理的要求大大降低，并且產(chǎn)生的糞尿資源就地處理后可以交由有機肥加工廠，并給予住戶一定的補貼，系統(tǒng)如圖1所示，特別適用于經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)。

奧地利為了實現(xiàn)中水回用，興建了尿液源分離便器和灰水處理綜合系統(tǒng)，糞便和家庭灰水經(jīng)過預處理后，糞便堆肥還田，而家庭灰水則由半地下式人工濕地二次處理后排出。我國國內(nèi)近年來也涌現(xiàn)了一批相對成熟的農(nóng)村生活污水源分離系統(tǒng)，如北京建筑工程學院在昌平區(qū)小湯山附近興建了一處生態(tài)循環(huán)示范基地[25]，該示范基地包括生態(tài)廁所、糞便尿液能源回收、灰水和雨水處理回用等。糞便進入沼氣池產(chǎn)生的能量可以用作路燈、供暖等；尿液收集處理后，則可濃縮處理后做有機肥的混合材料?；貎?nèi)收集的灰水與雨水可經(jīng)由配套的人工濕地處理，得到的中水用于景觀噴灑、沖洗等。在這個系統(tǒng)內(nèi)，能量可以得到充分的循環(huán)和利用，符合生態(tài)理念與可持續(xù)發(fā)展理念，是一個典型的生態(tài)綠色工程。

圖1 農(nóng)村生活污水源分散型處理系統(tǒng)Fig.1 Rural domestic sewage source decentralized treatment system

3 農(nóng)村分散式污水處理中源分離技術短板分析與建議

源分離技術由于其就地處理就地回用的理念，既能資源能量循環(huán)利用，又可以減少長距離輸送的能耗和滲漏風險，非常適用于我國廣大農(nóng)村分散居住的實際情況，但是由于該項技術發(fā)展相對滯后，目前仍存在以下4個方面的不足。

(1)應盡快出臺相應的系統(tǒng)化處理技術方案。盡管分散處理存在諸多優(yōu)點，但污泥回收、化糞池清掏、尿液回用等后續(xù)運維問題如何妥善解決，防止二次污染是一個重點問題。建議盡快出臺相應的技術指南和系統(tǒng)的流程處理方案。

(2)應重點破除源分離技術的成本壁壘。源分離技術一直廣為詬病的就是其經(jīng)濟效益差，前期需要布設分質(zhì)污水收集設備與分質(zhì)收集管道，后續(xù)也需要投入人力資金去維護運行。隨著技術革新，比如膜技術、負壓分離技術的發(fā)展[26]，源分離技術已經(jīng)具備一定的經(jīng)濟競爭力。如我國北方某典型的居民小區(qū)，應用了源分離的負壓收集系統(tǒng)，結果表明，與傳統(tǒng)排水系統(tǒng)相比，負壓源分離排水系統(tǒng)的管道工程建設成本增加231.2萬元，管道系統(tǒng)運行費用每年可減少16.6萬元；污水處理設施建設投資減少88.9萬元，運行費用每年可節(jié)省20.7萬元。雖然TOVE A等[27]學者認為這種方法在城市化地區(qū)和工業(yè)化國家也可以使用，但是不可否認，該項技術還不具備大面積推廣的基礎，如何有效降低設備和運行成本，是關乎源分離技術發(fā)展的核心問題。建議在突破技術壁壘降低成本的同時，探索農(nóng)村生活污水治理的PPP模式。我國農(nóng)村污水治理市場仍是一片藍海，農(nóng)村污水治理應充分發(fā)揮市場機制、吸引社會資金的同時，政府試行推廣農(nóng)村水環(huán)境排污費改稅的可能性。

(3)應重視資源回收利用過程中存在的次生問題。通過利用源分離技術可以有效減少氮磷等營養(yǎng)鹽進入水體[28]。通過ORWARE模擬軟件評估了源分離在污染物減排方面的作用[29]，結果顯示：當尿液分離率達到65%時，污水中的氮、磷負荷可分別降低55%和33%；當尿液分離率達到100%時，出水中的氮濃度可降低80%～85%，磷濃度可降低50%。雖然源分離技術優(yōu)勢明顯，但是高濃度的尿液對于收集管道、后續(xù)處理工藝的要求較高，比如尿液在微生物水解后，導致管道內(nèi)污水pH值上升，促使含磷化合物發(fā)生沉淀，容易堵塞管道。建議一方面探索資源回收利用市場化機制；另一方面開展相關科學研究，如適用于高濃度污水的設備管材研發(fā)。

(4)應進一步強化源分離技術的運行維護管理。源分離技術從目前的小規(guī)模工程示范到大規(guī)模推廣應用還有很長的路要走。一項關于澳大利亞、丹麥、德國、盧森堡非混合馬桶試點項目的研究表明，雖然居民愿意接受生活污水源分離處理模式，但不能忍受運行過程中產(chǎn)生的一些問題，如堵塞、臭味或需要較長的沖洗時間。目前，國內(nèi)對源分離技術的運行管理方面的研究也相對較少，關注熱點往往在于處理效果、能源回收等方面，如“瑞典-中國鄂爾多斯生態(tài)衛(wèi)生城鎮(zhèn)項目”沒有考慮到后續(xù)居民使用中的堆肥問題、北方冬季管道結冰凍裂問題、臭味處理問題等，使得項目報廢。建議建立有效的用戶反饋機制、建管結合，做到實效化與常態(tài)化有機統(tǒng)一。

4 源分離技術在構建面向資源化的農(nóng)村分散污水處理模式中的應用前景分析

在構建面向資源化的農(nóng)村分散污水處理模式中，其技術關鍵是如何利用源分離技術更加高效率、低能耗地實現(xiàn)資源回收，保證源分離技術長久地可持續(xù)運行，目前存在5個研究方向。

(1)灰水資源化回收利用。相對于黑水，灰水所含污染物的類型和含量均較少，主要為一些生物的易生物降解有機物、氮磷營養(yǎng)鹽、微生物和其他基本水化學成分[30]，但也有研究表明灰水中可能含有微量的重金屬物質(zhì)[31]，因此，回用途徑不包括人體直接接觸的水源。目前，灰水主要回用于沖廁和綠化灌溉，回用于沖廁或澆灌可節(jié)約家庭用水總量的30%～50%。有研究表明，灰水回用于沖廁可使家庭人均日用水量減少40～60 L，可節(jié)約城市用水量的10%～25%，對節(jié)約水資源具有很大作用[32]。

(2)尿液資源化回收利用。尿液中含有大量的氮磷營養(yǎng)物質(zhì)，氮磷含量達到78%和50%以上，尿液資源化回收利用可以有效緩解我國目前的水體富營養(yǎng)化。目前，尿液中的氮磷回收技術主要包括：磷酸銨鎂沉淀[33]、混合陰離子交換等磷回收技術；物理脫水、吹脫吸收、離子交換吸附等氮回收技術；硝化和電化學技術等[34]；膜處理、生態(tài)處理等生態(tài)鹽回收技術[35]。目前，主流的回收技術是尿液還田，有的地區(qū)通過向尿液中加入醋酸調(diào)節(jié)pH值后直接用于農(nóng)田滴灌。

(3)糞便資源化回收利用。糞便中主要含有一些難降解的有機物、微生物病原體、磷、鉀等。糞便在源分離除水處理后，含有的微生物病原體存活率大大降低，充分發(fā)酵處理后可以作為有機肥的混合材料之一進行再利用，發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷氣體也可以回收利用于發(fā)電發(fā)熱。目前主要處理工藝有化糞池、沼氣池、堆肥池等。由于化肥施用具有方便、高效的特點，糞便還田普及率越來越低，主要是缺乏相應的補貼或激勵措施，以四川省丹棱縣為例，已經(jīng)形成了“居民-肥料-廠家”的有效補貼模式。

(4)再生水資源回收利用。生活污水處理后再生回用可以優(yōu)化區(qū)域水資源配置，降低區(qū)域供水壓力，實現(xiàn)區(qū)域水資源的“經(jīng)濟-生態(tài)-社會”效益的最優(yōu)化。中水回用在很多發(fā)達國家應用廣泛，如日本部分城市中設有生活用水、工業(yè)用水及雜用水三種供水系統(tǒng)；法國巴黎市區(qū)有飲用水和專供清洗街道用的非飲用水有兩套供水系統(tǒng)，分別供應景觀街道使用和居民直接飲水使用；美國在多個州建設了分質(zhì)供水系統(tǒng)，分為飲用水系統(tǒng)和非飲用水系統(tǒng)。我國許多大中型城市如杭州、南京、湖州、蘇州等部分住宅小區(qū)，也已開始實施雙管供水[36]。目前，中水回用系統(tǒng)也開始應用于我國北方農(nóng)村地區(qū)，以榆林市古塔鄉(xiāng)黃家圪嶗村為例，已經(jīng)形成了完整的村莊中水回用系統(tǒng)[37]。

(5)保障源分離技術可持續(xù)運行。源分離技術目前應該建設相對應的技術評估體系，評價其分離效果參數(shù)、處理效果參數(shù)、環(huán)境影響參數(shù)、經(jīng)濟影響參數(shù)、生態(tài)效益參數(shù)，驗證其源分離技術方案是否可行，以便向社會提供客觀真實的運行數(shù)據(jù)。參照新西蘭區(qū)域議會的方式，建立運行數(shù)據(jù)庫，并將用戶反饋意見納入其中，給后續(xù)工程作為參考依據(jù)。

5 結 語

當前，我國以建設文明生態(tài)村為目標的社會主義新農(nóng)村建設目前正如火如荼地進行。農(nóng)村水環(huán)境治理是農(nóng)村生態(tài)文明建設的重要組成部分，對于改善農(nóng)村人居環(huán)境，保障民生具有重要現(xiàn)實意義[38]。我國農(nóng)村生活污水的水質(zhì)、水量和地方經(jīng)濟條件有別于城鎮(zhèn)，無法照搬傳統(tǒng)的集中式污水處理模式?；谠捶蛛x的農(nóng)村分散式生活污水處理技術充分實現(xiàn)了節(jié)約水資源、減少能耗、防止污染排放，適合我國農(nóng)村經(jīng)濟相對落后的實際情況，滿足了我國目前農(nóng)村水環(huán)境需求。從目前國內(nèi)普及情況來看，源分離技術具有較好的普適性，能夠適合我國不同農(nóng)村的特點，為我國農(nóng)村生活污水處理提供了一條可持續(xù)發(fā)展的道路，具有較好的應用前景[39]。建議今后在農(nóng)村生活污水源頭分質(zhì)收集、處理工藝、資源化回收利用等方面開展深入研究，進一步拓展該技術的理念內(nèi)涵，豐富和完善技術工藝，形成一套完整的基于源分離技術的農(nóng)村分散式生活污水處理模式，建立系統(tǒng)的源分離技術評估和反饋體系，實現(xiàn)物質(zhì)(水資源)和能量(糞便和尿液)的循環(huán)利用，從而為新農(nóng)村生態(tài)建設提供技術支撐。

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