基于源分離的農村污水資源化技術現狀與展望

摘要：針對目前中國農村的生活污水收集配套設施不健全、處理技術不適用等問題，本文通過分析農村生活污水的組成與特點，提出采用源分離與資源回收利用相結合的技術模式。首先闡述了黑灰分離、糞尿分離2種源分離方案的實施方式與可行性；然后針對源分離處理后產生的黑水、黃水、灰水等分別歸納分析了適宜于農村地區的資源化處理技術；最后基于源分離的污水資源化處理技術發展瓶頸與趨勢，提出了重點研發方向和建議。

關鍵詞：農村生活污水；源分離；資源化；分散處理；中水回用

基金項目：亞太建設科技信息研究院有限公司科技創新基金項目（YT202102）

引言

隨著農村人居環境提升的發展要求和鄉村振興戰略的全面實施，如今多數農村將傳統旱廁改為了水沖廁所，但從生態循環角度來看，城市的“水沖廁所+污水處理”可能并不普遍適用于農村，現行的污水混排方式不僅使糞尿“肥水”變成了“廢水”，也造成了后續處理工藝高能耗高投資，導致了農村污水處理設施因資金不足閑置和運行困難等問題。

為克服混排污水處理的缺陷，可將不同類型污水分開收集與處理的源分離技術受到了廣泛的關注與應用。源分離技術從源頭削減污染負荷的角度探索農村生活污水治理的新路徑，不僅能降低后續處理工藝的難度與能耗，而且還可實現資源再利用，滿足我國農村生活污水分散處理與糞尿資源還田的實際需求。

1農村生活污水的組成與特點

農村生活污水主要是指農村居民日常生活所產生的污水，主要包括洗浴、洗滌、沖廁和廚房等排水。相比城市，農村生活污水具有污染物種類簡單、濃度低、基本不含或少含重金屬和有毒有害物質、水質波動較大等水質特征。若按污水來源與水質分類，我國農村生活污水一般可分成2類，即一類是由日常洗浴、家庭洗滌和廚房用水等產生的灰水，其污染程度較低，主要為有機和無機污染物，便于處理；一類是由人體排泄物及沖洗用水等產生的黑水，包含了黃水（尿液）和褐水（糞便），主要為生理污物。日均人排尿液和糞便的體積約為生活污水的1%～2%[1]，與灰水量相比微乎其微。GAJUREL D R等[2]對生活污水進行分析，發現黑水中化學需氧量（COD）、氮（N）、磷（P）、鉀（K）的含量對污水中相應含量的貢獻比例分別達59%、97%、90%和66%；ALMEIDA M C等[3]研究表明，黑水中COD、總懸浮固體（TSS）、氨氮（NH3-N）、正磷酸鹽（PO4-P）分別占生活污水中相應含量的43.19%、77.14%、97.11%、79.18%。由此可見，黑水幾乎含有生活污水中所有的N、P、K等營養元素，同時也是生活污水的主要污染來源。因此，若將黑水和灰水分開處理，只讓灰水進入下水道，不僅可以降低后續污水處理的難度和成本，同時也能讓黑水中糞尿養分實現資源化利用，提供農業生產所需的營養物質。

2農村生活污水源分離方案

基于上述農村生活污水水質組成與特點分析，并結合農村生產生活現狀，提出2種源分離方案，即一種是將生活污水分為黑水和灰水2大類的黑灰分離方案；一種是在黑灰分離的基礎上，將黑水中的糞便和尿液也實現分開收集，稱為糞尿分離方案。

2.1黑灰分離方案

黑灰分離方案相對比較簡單，借助不同的排水收集系統就可實現。其中，由于黑水含固率高、流動性差，一般需借助負壓收集系統，在較少量沖廁水（如單次收集糞便僅需200 mL沖廁水）時即可實現污水的高效收集，并且收集到的黑水容積小、濃度高，可通過好氧、厭氧或其他方法進行資源化處理。灰水則通過重力流管道或負壓收集器進入負壓管網單獨收集處理。

從資源化回用角度來看，黑灰分離方案已被實踐證明可行，如MALILA R等[4]指出，在農村應用黑灰分離排水系統，可以比傳統污水處理系統多回收超過30倍的氮資源和4倍的磷資源，對水體富營養化的風險影響降低了80%；徐康寧等[5]對德國呂貝克市的住宅區采用源分離生態排水系統分別收集和處理黑水和灰水進行分析，發現不僅降低了處理成本，同時也能分別回收到生活污水中60%、46%和43%的氮磷鉀資源。目前，黑灰分離方案在我國很多農村地區也已經有了實際應用，如天津市寧河區在村民家中安裝負壓氣沖便器和收集器，從源頭上分離了黑水和灰水，目前應用較為成熟，已惠及4200戶村民[6]；河北邯鄲的南界河店村應用源分離負壓排水技術，黑水進入厭氧發酵池，處理后代替化肥在有機種植園施用，灰水經人工濕地凈化處理后達到一級A排放標準，實現達標回用[7]。

2.2糞尿分離方案

糞尿分離方案主要借助于糞尿分集式生態廁所實現，其通過糞尿分離裝置，將糞尿通過不同的排泄口進行收集，分別儲存于蓄尿桶和貯糞池中，最后再進行處理。糞尿分集式生態廁所一般分為生態旱廁和微水沖2大類，其中生態旱廁無需沖水，微水沖類小便區沖洗水量約為0.1～0.5 L/次，糞便沖水耗水量約為0.7 L/次，用水量也僅為抽水馬桶的7%。糞尿分集式生態廁所在歐洲有很多應用示范，單獨收集的尿液可以減少排水中約一半的磷負荷和90%左右的氮負荷。我國農村地區也有應用糞尿分集式生態廁所的案例，如山東省臨沂市沂水縣的馬家方莊改革應用了糞尿分集式生態旱廁，糞便統一堆肥產能，處理后的尿液用于農田滴灌，效果良好[8]。因此，從整體來看，源分離方案具有環保衛生、節水節能等優點，同時對資源回收利用也更徹底，更符合我國目前的資源形勢和農村產業發展需求，應用狀況良好。

3基于源分離的污水資源化處理技術

基于源分離方案，農村生活污水可以分為黑水、灰水、褐水、黃水4種類型，其中褐水主要含有一些難降解有機物、病原菌、磷、鉀等，其資源化路徑以肥料化和沼氣能源化利用為主，技術方案與黑水基本一致，不再贅述，重點歸納黑水、黃水、灰水等在農村地區可行宜推廣的資源化方案。

3.1黑水資源化處理技術

源分離黑水有機負荷高、病原微生物含量多、氮磷含量高，其資源化主要思路是創造厭氧、高溫等不適于糞大腸菌群等病原體生存的環境，在實現糞便無害化的同時，回收其富含的有機和營養物質。因此，堆肥、甲烷回收、出水回用是農村地區黑水資源化利用適宜的路徑。農村地區源分離黑水資源化途徑如圖1所示。

3.1.1 堆肥

堆肥是農村黑水最常見也最便捷的資源化處理方式。通過將黑水儲存在化糞池或沼氣池中，利用沉淀和厭氧消化對污染物初步降解，上清液經稀釋處理后灌溉農田，沉淀污泥與植物秸稈、有機垃圾等混合做堆肥處理。湖南省汨羅市伏林村源分離的黑水經“小三格”化糞池處理后，部分黑水就地利用，部分糞水糞渣由第三方集中資源化利用，建立“沼液肥+配方肥+微噴灌水肥一體化”利用消納示范基地；四川省眉山市丹棱縣也已形成了“居民-肥料-廠家”的良性產業模式。

3.1.2與廚余垃圾混合厭氧消化

與廚余垃圾混合厭氧消化是實現黑水資源化的另一可行方式。廚余垃圾中含有大量可消化有機物，與黑水共同厭氧處理時，發現水解效率得到明顯提高，甲烷化率可達39.7%，大大增加了甲烷產量，消化產物穩定后可將營養物質用于農業生產[9][10]。經研究，黑水除了與廚余垃圾混合處理外，也可以與其他有機質混合進行資源化處理。

3.1.3利用植物栽培系統實現出水回用

利用植物栽培系統實現出水回用是新探索的黑水資源化方式。原來的出水回用處理一般需要經過生物處理加深度處理，處理能耗和成本較高。近年研究發現，借助植物栽培系統，可同時實現黑水的處理和資源化利用。如J1N Z等[11]分別利用屋頂綠化栽培系統和垂直綠化栽培系統，有效處理黑水污染物并充分利用其營養物質，所培育的經濟作物長勢良好。

3.2 黃水資源化處理技術

源分離黃水其主要成分為水（95%）、尿素（1.8%）和無機鹽（1.1%），具有氮、磷濃度高且存在形式單一、C/N低、易水解等特點。適宜農村地區的黃水資源化路徑主要有尿液腐熟后用作農家肥、借助物化法實現營養物質的工藝化回收2種。

3.2.1尿液腐熟后用作農家肥

尿液腐熟后用作農家肥是農村黃水最簡易的資源化方式，是指尿液儲存發酵分解，經過一系列物化和生化反應，其中的尿素轉化為植物易于吸收的NH3-N形式。一般尿液腐熟6個月即可有效殺滅其中的致病菌，滿足農用肥料的安全標準。PRADHAN S K等[12]研究表明，作物種植過程中使用腐熟處理后的尿液能顯著提高農作物的產量。此技術操作簡單、成本低，適宜在農村地區推廣，但要重視解決腐熟過程散發異味的問題。

3.2.2氮磷資源工藝化回收

氮磷資源工藝化回收技術主要分為濃縮脫水、吸附、化學沉淀、生物處理、電化學及膜處理5種處理技術，主要特點如表1所示。氮磷資源工藝化回收技術雖資源利用效能高，卻大多存在能耗高、成本高或運行維護要求高的問題。化學（鳥糞石）沉淀法和吸附法（沸石）工藝簡單、能耗低，應用上相對較為成熟，可作為農村地區黃水資源化處理重要應用方向，不過也需考慮和其他技術聯合應用降低運行成本，提高經濟性。

3.3 灰水資源化處理技術

源分離灰水主要含有一定量的有機質、氮磷無機鹽和少量的油脂、表面活性劑、微生物等，具有產生量大、污染物濃度低、病原菌少的特點，一般選用適當的技術處理即可達標排放或回用，可用于農田灌溉、沖廁、景觀及綠化等。

灰水處理工藝復雜多樣，生物處理、生態處理及人工強化的物化處理技術均有廣泛研究和應用。針對灰水的處理，對于經濟條件較好、土地資源較為緊張且出水要求較高的農村地區或嚴寒地區，建議采用好氧生物處理技術；對于大多數土地資源豐富的農村地區，適合采用建設成本低、運行維護簡單的生態處理技術。生態處理技術中應用最為廣泛的是人工濕地，據劉玲花等[15]的研究，人工濕地系統對灰水的處理效果中TSS、BOD、COD、TN、TP等的去除率可分別達到90%～98%、87%～99.5%、70%～98%、33%～82%、50%～80%。因此，厭氧生物處理和物理過濾技術對污染物處理效果一般，很難達到再生水水質要求，一般需要與其他技術組合使用。

4問題分析與建議

基于源分離的農村生活污水資源化處理方案在技術層面基本可以實現，但有些技術在實際調試運行環節存在一些問題，阻礙了技術發展推廣和模式長久運行，建議重點在4個方面突破應用的短板。

4.1 黑水資源化技術方面

與模擬研究數據相比，實際工程中黑水氮磷鉀資源的回收率普遍較低[16]，經研究其資源化處理過程受環境溫度和使用習慣影響大，有機物降解不徹底。建議探究不同溫度條件下的黑水資源化處理技術方案，研究確定不同地區黑水與植物秸稈、有機垃圾、廚余垃圾等的混合比例，或綜合考慮不同地區環境特點，研發一體化集成黑水處理系統。

4.2 黃水資源化技術方面

近年的工程案例表明，黃水收集器及管道很難正常長期運行，高濃度尿液水解后，管道內污水pH增高，導致含磷化合物反應生成沉淀，造成管道結垢、堵塞。建議研發適用于高濃度污水、不易結垢、易清潔的輸送設備管材和糞尿分離器，或突破相關技術，合理控制黃水在管道內的停留時間。另外，在已有資源化工藝的基礎上，建議重點研究尿液腐熟過程中的防臭措施和工藝化回收過程的成本控制方案。

4.3 灰水資源化技術方面

灰水處理技術受季節溫度波動較大影響，冬季低溫或嚴寒氣候導致處理系統中的微生物及植物活性較弱，凈化效果大打折扣，甚至無法正常運行。建議開展低溫條件或嚴寒地區灰水處理與資源化利用集成技術及裝備研究，重點開發耐低溫、出水水質可調節的灰水處理與回用設備。

4.4 系統運維方面

據研究表明，生活污水源分離技術在工程應用中的大多數故障（約占2/3）源于用戶使用不當或運行不當，進而導致許多項目被迫中止[17]。因此，建議研編源分離技術和資源化處理技術相關運維方案和用戶使用指南，并研發建立配套的智能運維系統和用戶反饋平臺，妥善解決后續運維問題。

結語

基于源分離的農村生活污水處理技術在充分節約了水資源的同時，既能降低處理成本和能耗，又可實現資源能量的循環利用，適合我國農村生活污水處理特點，具有較好的應用前景。目前，關于尿液、糞便中氮磷物質回收及能量資源轉化的相關研究大多處于實驗室研究階段或中試階段，考慮到不同農村地區地域氣候特點和生活習慣差異性較大，因此在實際應用中如何兼顧成效和成本、如何因地制宜地構建源分離方案和規劃資源化處理路徑，還需要進一步研究和優化。

參考文獻

[1] WALKER R L， BEADSWORTH A S. The Potential of Source-separated Human Urine to be Used as a Partial Replacement for Synthetic Fertilisers [J]. Aspects ApplBioly， 2011，109：171-176.

[2] GAJUREL D R， Li Z， OTTERPOHL R. Investigation of the Effectiveness of Source Control Sanitation Concepts Including Pretreatment with Rottebehaelter[J]. Water Sci Technol，2003， 48（01）：111-118.

[3] ALMEIDA M C， BUTLER D， FRIEDLER E. At Source Domestic Wastewater Quality [J]. Urban Water， 1999，1：49-55.

[4] MALILA R， LEHTORANTA S， VISKAKI E L. The Role of Source Separation in Nutrient Recovery Comparison of Alternative Wastewater Treatment Systems [J]. Journal of Cleaner Production， 2019（14）：350-358.

[5]徐康寧，張馳，汪誠文，等.黃水源分離排水技術對我國城鎮生活污水氮磷減排的作用[C]//中國環境科學學會.2012中國環境科學學會學術年會論文集（第三卷）.北京：中國農業大學出版社，2012：7.

[6]侯艷鋒，何謙，張健.農村生活污水源分離系統開發及應用[J].中國資源綜合利用，2022，40（03）：186-188.

[7]張健，李孟飛，李萌，等.負壓排水技術在鄉村污水收集中的應用[J].中國給水排水，2020，36（22）：66-71.

[8]趙軍營，任培培，徐學東.源分離農村衛生廁所沖水灌溉利用技術研究[J].安徽農業科學，2014，42（16）：5175-5177.

[9] ZHANG L， GUO B， ZHANG Q， et al. Codigestion of Blackwater with Kitchen Organic Waste： Effects of Mixing Ratios and Insights into Microbial Community [J]."Journal of Cleaner Production，2019，236：117703.

[10] GAO M J， GAO B， LONG L， et al. Role of Syntrop-hic Acetate Oxidation and Hydrogenotrophic Methanogenesis in Codigestion of Blackwater With Food Waste [J]. Journal of Cleaner Production，2021，283：125393.

[11] J1N Z， XIE X Y， ZHOU J， et al. Blackwater Treatment Using Vertical Greening： Efficiencv and Microbial Community Structure [J].Bioresource Technology，2018，249：175-181.

[12] PRADHAN S K， NERG A M， SJ?BLOM A， et al. Use of Human Urine Fertilizer in Cultivation of Cabbage （Brassica oleracea）： Impacts on Chemical， Microbial， and Flavor Quality[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry， 2007，55（21）：8657-8663.

[13]王舒，李楠.源分離尿液資源化利用研究進展[J].工業水處理，2022，42（06）：33-39.

[14]劉輝.源分離黃水氮磷資源化利用研究進展[J]. 環境保護與循環經濟，2021，41（02）：6-8.

[15]劉玲花，張盼偉，李昆，等.灰水處理及回用技術研究綜述[J].水利水電技術，2019，50（08）：146-153.

[16]左斯琪，李子富.黑水無害化及資源化處理技術進展[J].環境衛生工程，2020，28（04）：37-44.

[17]張金良，樊新穎，蔡明，等.我國城鎮生活污水源分離技術實施途徑探究[J].水資源保護，2022，38（05）：1-7.

作者簡介

王國田（1982—），男，漢族，河北唐山人，碩士研究生，副研究員，研究方向為市政工程與水環境治理。