劉輝

（上海市環(huán)境科學(xué)研究院水環(huán)境研究所，上海 200233）

1 引言

在世界水資源短缺的今天，水質(zhì)污染問題不容忽視，尤其在廣大農(nóng)村地區(qū)，缺乏環(huán)境處理基礎(chǔ)設(shè)施，生活污水和農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖廢水的排放加劇了水環(huán)境問題。我國農(nóng)村生活污水的排放量達(dá)8×109t/a，其中，黃水的排放量僅占生活污水的1%，但貢獻(xiàn)了污水中80%的氮、50%的磷和90%的鉀［1］。磷是不可再生資源，我國每年排入自然水體損失的磷高達(dá)1.5×106t［2］，因此可將黃水單獨收集并資源化利用。2018年，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃（2018—2022 年）》，在各地推行源分離生態(tài)廁所，同時便于黃水與褐水的分離收集和資源化利用。本文從我國的氮磷減排和資源化回收現(xiàn)狀、源分離排水系統(tǒng)以及源分離黃水的處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀等方面進(jìn)行綜述，旨在為源分離黃水資源化提供技術(shù)支持，為“廁所革命”在農(nóng)村地區(qū)的推廣提供參考。

2 氮磷減排和資源化回收現(xiàn)狀

隨著世界人口的迅速增加和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，水資源短缺成為全球面臨的重大環(huán)境風(fēng)險。國家生態(tài)環(huán)境部的環(huán)境狀況公報顯示，2018 年全國淡水資源中，全國地級及以上城市集中式生活飲用水水源中約8%的水質(zhì)未達(dá)標(biāo)，超標(biāo)物質(zhì)為氨氮、總磷和重金屬等。水體中氮磷含量過高是造成水體富營養(yǎng)化的重要原因。淡水水質(zhì)的氮磷污染現(xiàn)象為安全用水埋下隱患，因此氮磷減排問題迫在眉睫。我國城鎮(zhèn)污水處理廠每年去除的氮、磷含量高達(dá)1.2×106t 和1.5×105t，污水處理系統(tǒng)中超過70%的負(fù)荷來源于氮磷的去除［3］，氮磷的排放不但引起水質(zhì)污染問題，增加污水處理負(fù)荷，還造成氮磷資源的大量流失，因此氮磷廢水的資源化是未來的發(fā)展趨勢。

3 黃水源分離排水系統(tǒng)

人體排泄物包括黃水（尿液）和褐水（糞便），其中，植物營養(yǎng)元素氮、磷、鉀的含量依次為5.7，0.6 和1.2 kg/（a·人）。黃水與褐水組分差異較大，黃水中含有約95%的水、3.5%的有機(jī)物和1.5%的無機(jī)鹽［4］。褐水中則含有較高的有機(jī)碳，同時含有大量病原體。將黃水與褐水分離收集既可避免兩者相互污染，又可根據(jù)各自特性進(jìn)行針對性處理，以更可持續(xù)且安全地進(jìn)行資源化回收。

黃水排放量小，但氮磷含量集中。我國每年排入自然水體損失的磷含量約為我國2014 年磷肥生產(chǎn)量的20.4%，這種不可持續(xù)的排水方式正在遭受越來越多的質(zhì)疑?！霸捶蛛x”作為一種更為環(huán)保的排水理念，在20 世紀(jì)90 年代中期由歐洲學(xué)者提出。源分離排水系統(tǒng)從便器開始，將黃水和褐水分開收集，不再與灰水混合，并根據(jù)各自特點進(jìn)行針對性處理和利用。源分離排水系統(tǒng)能夠有效降低污水廠的建設(shè)和運行成本，降低氮磷排放量。

與城鎮(zhèn)地區(qū)不同，廣大農(nóng)村地區(qū)人口居住地相對分散，我國農(nóng)村地區(qū)每年產(chǎn)生的生活污水量約8×109t［5］，人體排泄物中氮含量為2.1×106t/a，高于城鎮(zhèn)地區(qū)的1.5×106t/a［6］，由于農(nóng)村地區(qū)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，生活污水得不到有效處理，造成水環(huán)境污染問題突出。城鎮(zhèn)地區(qū)常采用的集中式污水處理設(shè)施基建投資大、運行成本高且對不同性質(zhì)的生活污水混合處理，這種末端處理方式不適合廣大農(nóng)村地區(qū)。近年來，基于污水源分離的分散式處理系統(tǒng)因其靈活多變、資源化利用率高等特點，其將污水從源頭分離進(jìn)行收集并進(jìn)一步資源化處理和回用工藝的研究逐漸成為熱點。

源分離技術(shù)的應(yīng)用實例逐漸增加，2008 年竣工的北京奧林匹克森林公園［7］和小湯山生態(tài)循環(huán)示范基地［8］，采用源分離分散式污水處理系統(tǒng)，黃水與褐水中的植物營養(yǎng)元素經(jīng)資源化處理后就地利用。源分離排水技術(shù)在歐洲國家的研究較為成熟，包括德國埃施博恩的GTZ 主辦公樓中、奧地利某居民區(qū)和學(xué)校等，其他地區(qū)也有小范圍的應(yīng)用。源分離排水技術(shù)在國內(nèi)外的推廣應(yīng)用，不但改善了廁所衛(wèi)生條件和人類生活環(huán)境，降低了因糞便污染食物和水源引發(fā)疾病感染的風(fēng)險，而且黃水、褐水的針對性資源回收減輕了污水處理壓力，且避免氮磷資源的流失。

4 源分離黃水的處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

源分離黃水中營養(yǎng)元素豐富，可以用作肥料還田，因此其資源化技術(shù)研究日益廣泛，目前常見的資源化方法有腐熟法、電化學(xué)法、離子交換吸附法、微藻培養(yǎng)法、膜處理法、沉淀結(jié)晶法等，主要特點見表1。

表1 源分離黃水處理技術(shù)的主要特點

腐熟是黃水資源化最簡單的方法之一。在脲酶的催化作用下，尿素發(fā)生分解反應(yīng)［9］，轉(zhuǎn)化為植物更易吸收的氨氮。

腐熟可有效殺滅黃水中的致病菌，削減有機(jī)微污染物含量，大大降低回用風(fēng)險。但腐熟周期長，需要較大的存儲空間，且腐熟過程中由于揮發(fā)和自然沉淀等原因損失約25%的氮和50%的磷［10］，同時異味較重。

分解反應(yīng)式為：

CO（NH2）2+2H2O→NH3+NH4++HCO3-

離子交換吸附技術(shù)常用來回收黃水中的氨氮。常見的吸附材料有沸石、活性炭、離子交換樹脂等。斜發(fā)沸石可同時吸附去除黃水中的氮、磷、鉀元素，且氮和磷成分均可回收，吸附結(jié)束后沸石的肥性與化肥相近。黃水中氮磷元素的回收量與吸附容量有關(guān)，1 L 黃水中的氮磷元素完全回收需要使用約700 g 的斜發(fā)沸石［11］，且吸附劑可同時吸附黃水中的有機(jī)物等雜質(zhì)，因此該方法適宜與其他方法聯(lián)用以提高可操作性。

黃水中的污染物經(jīng)濾膜分離，為后續(xù)的資源化利用提供安全保證。常見的濾膜有納濾（NF）、超濾（UF）、微濾（MF）和反滲透（RO），主要特點及區(qū)別見表2。膜分離技術(shù)操作簡單，出水水質(zhì)好，但膜成本較高，膜污染問題突出，在實際應(yīng)用中通常作為預(yù)處理技術(shù)，和離子交換法、化學(xué)沉淀法等聯(lián)合使用。

表2 濾膜的特點及區(qū)別 nm

電化學(xué)法的電極材料選擇是該技術(shù)的關(guān)鍵，常用的電極有鈦、鉛和石墨等。顧域峰等［12］采用鈦電極為陽極、不銹鋼為陰極的電解裝置去除黃水中的氨氮，效率最高可達(dá)88%左右，同時營養(yǎng)物質(zhì)富集于陰極，可產(chǎn)生肥料。電化學(xué)法氮磷回收率較高，同時可去除黃水中污染物質(zhì)，但極板腐蝕嚴(yán)重，運行維護(hù)的要求較高。

微藻富含蛋白質(zhì)，在環(huán)保、醫(yī)療、食品、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域均有很高的應(yīng)用價值。在用黃水培養(yǎng)微藻的相關(guān)研究中，發(fā)現(xiàn)小球藻和螺旋藻更適宜在黃水中培養(yǎng)，氨氮起始濃度較低時氮磷回收效果較佳。該方法受氨氮濃度影響較大，適宜低濃度氨氮廢水的回收。

磷酸銨鎂沉淀法通過向黃水中投加鎂源，使之與黃水中的氮磷反應(yīng)生成磷酸銨鎂白色沉淀，又稱為鳥糞石，可作為一種高效緩釋肥料。該方法適用于高濃度氨氮廢水的回收，關(guān)于沉淀影響因素等基礎(chǔ)性研究已較為成熟。該方法操作簡單，可同時回收氮磷元素，且回收率均在90%左右，但投加鎂源成本較高，常與其他方法聯(lián)合使用。

5 結(jié)論與展望

源分離分散式污水處理系統(tǒng)非常適宜廣大農(nóng)村地區(qū)的污水處理。從源頭分離黃水和褐水能夠提高氮磷的回收效率，促進(jìn)氮磷資源的回收和循環(huán)。目前研究仍集中在資源化處理技術(shù)的優(yōu)化，但考慮到農(nóng)村地區(qū)環(huán)境的差異性以及運維管理的難易程度，在實際應(yīng)用中如何兼顧成本與效率，如何因地制宜地提出源分離收集方式和后續(xù)的資源化技術(shù)還需要進(jìn)一步研究。