農(nóng)村分散式生活污水源分離技術(shù)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(xué)水利學(xué)院，鄭州 450046；2.中國水利水電科學(xué)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?cè)丝诘?1.48%，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(yán)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(dá)到202 億t，預(yù)測到2020年可達(dá)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(xiàn)率達(dá)到8%，對氮的貢獻(xiàn)率達(dá)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(shè)費用昂貴，需要配套大量的管網(wǎng)收集系統(tǒng)，僅建設(shè)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(shè)施與基建設(shè)施落后的農(nóng)村[6]。

目前，我國農(nóng)村水環(huán)境自然修復(fù)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(shù)從資源重復(fù)利用和污染負(fù)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(shù)在我國的應(yīng)用實例已經(jīng)越來越多，如移動床生物膜反應(yīng)器(MBBR)處理校園混合灰水、UASBST反應(yīng)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(shù)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(fù)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(dǎo)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(zhuǎn)向源頭分離處理[13]。源分離技術(shù)并不改變原有的便器或者排水設(shè)施的主體結(jié)構(gòu)，只是在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn),實現(xiàn)黑水和灰水、尿液和糞便源頭分離[14]。源分離技術(shù)的核心理念是通過源分離技術(shù)將生活污水在源頭進(jìn)行分離后，后續(xù)加以處理后利用，其關(guān)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(yīng)用源分離技術(shù)到實際生產(chǎn)的例子之一，但由于其單套高額的設(shè)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(shù)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(jì)90年代中期，學(xué)者Kirchmann等介紹了在沒有污水管網(wǎng)鋪設(shè)的瑞典部分農(nóng)村，為了控制氮磷的污染而建設(shè)的糞尿分離式廁所，希望通過該工藝對人體的排泄物進(jìn)行就地源分離并處理利用，減輕對水體的污染[16]。20世紀(jì)末，歐洲一些學(xué)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(jìn)行能量和資源的回收[17]。2000-2006年，瑞士聯(lián)邦水科學(xué)與技術(shù)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(shù)和消費者接受度等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)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(yīng)用源分離技術(shù)的雛形。近幾年我國關(guān)于農(nóng)村分散式生活污水源分離技術(shù)應(yīng)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(fù)壓源分離排水系統(tǒng)具有很好的生態(tài)效益；清華大學(xué)中意節(jié)能環(huán)境樓驗證了源分離排水系統(tǒng)技術(shù)指南的可行性[19]；北京市奧林匹克森林公園應(yīng)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(shù)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(jìn)行收集，儲存于對應(yīng)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(yīng)用，如趙軍營等在馬家方莊示范應(yīng)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(gòu)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(jìn)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(fù)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(fù)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(yīng)用負(fù)壓排水源分離技術(shù)，糞尿分離后分別進(jìn)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(dá)標(biāo)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(dá)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(yù)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(xué)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(jìn)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(shù)短板分析與建議

源分離技術(shù)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(fēng)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(shù)發(fā)展相對滯后，目前仍存在以下4個方面的不足。

(1)應(yīng)盡快出臺相應(yīng)的系統(tǒng)化處理技術(shù)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(yīng)的技術(shù)指南和系統(tǒng)的流程處理方案。

(2)應(yīng)重點破除源分離技術(shù)的成本壁壘。源分離技術(shù)一直廣為詬病的就是其經(jīng)濟效益差，前期需要布設(shè)分質(zhì)污水收集設(shè)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(shù)革新，比如膜技術(shù)、負(fù)壓分離技術(shù)的發(fā)展[26]，源分離技術(shù)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(yīng)用了源分離的負(fù)壓收集系統(tǒng)，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)排水系統(tǒng)相比，負(fù)壓源分離排水系統(tǒng)的管道工程建設(shè)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(shè)施建設(shè)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(xué)者認(rèn)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(rèn)，該項技術(shù)還不具備大面積推廣的基礎(chǔ)，如何有效降低設(shè)備和運行成本，是關(guān)乎源分離技術(shù)發(fā)展的核心問題。建議在突破技術(shù)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(lán)海，農(nóng)村污水治理應(yīng)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(yīng)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(shù)可以有效減少氮磷等營養(yǎng)鹽進(jìn)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(jié)果顯示：當(dāng)尿液分離率達(dá)到65%時，污水中的氮、磷負(fù)荷可分別降低55%和33%；當(dāng)尿液分離率達(dá)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(shù)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(dǎo)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(guān)科學(xué)研究，如適用于高濃度污水的設(shè)備管材研發(fā)。

(4)應(yīng)進(jìn)一步強化源分離技術(shù)的運行維護管理。源分離技術(shù)從目前的小規(guī)模工程示范到大規(guī)模推廣應(yīng)用還有很長的路要走。一項關(guān)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(shù)的運行管理方面的研究也相對較少，關(guān)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(jié)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(jié)合，做到實效化與常態(tài)化有機統(tǒng)一。

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

在構(gòu)建面向資源化的農(nóng)村分散污水處理模式中，其技術(shù)關(guān)鍵是如何利用源分離技術(shù)更加高效率、低能耗地實現(xiàn)資源回收，保證源分離技術(shù)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(xué)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(dá)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(shù)主要包括：磷酸銨鎂沉淀[33]、混合陰離子交換等磷回收技術(shù)；物理脫水、吹脫吸收、離子交換吸附等氮回收技術(shù)；硝化和電化學(xué)技術(shù)等[34]；膜處理、生態(tài)處理等生態(tài)鹽回收技術(shù)[35]。目前，主流的回收技術(shù)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(jìn)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(yīng)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(dá)國家應(yīng)用廣泛，如日本部分城市中設(shè)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(yīng)景觀街道使用和居民直接飲水使用；美國在多個州建設(shè)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(yīng)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(shù)可持續(xù)運行。源分離技術(shù)目前應(yīng)該建設(shè)相對應(yīng)的技術(shù)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(shù)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(jié) 語

當(dāng)前，我國以建設(shè)文明生態(tài)村為目標(biāo)的社會主義新農(nóng)村建設(shè)目前正如火如荼地進(jìn)行。農(nóng)村水環(huán)境治理是農(nóng)村生態(tài)文明建設(shè)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。基于源分離的農(nóng)村分散式生活污水處理技術(shù)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(shù)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(yīng)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(jìn)一步拓展該技術(shù)的理念內(nèi)涵，豐富和完善技術(shù)工藝，形成一套完整的基于源分離技術(shù)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(shù)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(shè)提供技術(shù)支撐。

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