張金良，樊新穎，蔡 明，高小濤，付 健，馬 浩

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)，河南 鄭州 450003)

城鎮(zhèn)生活污水資源化對實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能、減排、減碳及生態(tài)城市建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。目前我國城鎮(zhèn)生活污水主要采用統(tǒng)一收集、合并處理的模式[2]，這種模式較好地解決了大型城市污水處理難的問題。但隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和生態(tài)城市建設(shè)理念的逐漸深入，現(xiàn)有排水系統(tǒng)模式逐漸體現(xiàn)出投資建設(shè)費(fèi)用巨大[3-4]、水處理工藝復(fù)雜、大量溫室氣體排放[5]、系統(tǒng)能耗較高、糞尿難以進(jìn)行資源化回收利用等問題，這與我國推進(jìn)污水資源化利用、實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和的目標(biāo)不相協(xié)調(diào)，需要對我國城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的合理性進(jìn)行反思。鑒于現(xiàn)有城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)存在的不足，近年來歐美等發(fā)達(dá)國家逐漸提出生活污水源分離、按質(zhì)處理的理念，以實(shí)現(xiàn)最大程度的污水資源化。相關(guān)研究[6]表明，生活污水源分離技術(shù)具有較大的節(jié)能減排潛力，可分別減少98%的N2O和25%的CO2排放量，從而使得污水處理廠間接溫室氣體減排約20%，整體運(yùn)行費(fèi)用降低約22%。目前，我國已有研究[7-8]側(cè)重探索農(nóng)村地區(qū)實(shí)施生活污水源分離的可能性，在城鎮(zhèn)中鮮有大規(guī)模應(yīng)用的案例。其原因是盡管生活污水源分離理念先進(jìn)，能實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，但各環(huán)節(jié)的技術(shù)還不夠成熟，特別是黑水長距離輸送技術(shù)等；此外，對原有系統(tǒng)的分離改造難度較大，牽涉面廣。因此，現(xiàn)有的生活污水源分離技術(shù)主要在農(nóng)村地區(qū)、單體住宅樓宇中進(jìn)行初步實(shí)踐。在碳中和、生態(tài)城市構(gòu)建的愿景下，我國城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)亟待更新排放理念、積極探索綠色低碳循環(huán)發(fā)展模式，推進(jìn)生活污水源分離技術(shù)的有效實(shí)施。本文通過回顧生活污水源分離技術(shù)國內(nèi)外研究進(jìn)展，分析生活污水源分離技術(shù)帶來的能源回收潛能，重點(diǎn)探究生活污水源分離技術(shù)的具體實(shí)施途徑，為我國未來城鎮(zhèn)實(shí)施生活污水源分離提供參考。

1 源分離技術(shù)基本原理及研究進(jìn)展

1.1 源分離技術(shù)內(nèi)涵及原理

推薦對生活污水采用源分離技術(shù)的主要緣由是糞便和尿液僅占生活污水總量的1%～2%[7]，且糞尿?qū)儆谟袡C(jī)污染物，是天然肥料，卻被采用大量水稀釋排放，導(dǎo)致現(xiàn)有排水模式不僅無法將糞尿資源化，而且極度浪費(fèi)磷和水資源。以農(nóng)耕文明著稱的中國，自古就將糞便返還農(nóng)田，形成了早期源分離技術(shù)的雛形。但是現(xiàn)有城鎮(zhèn)人口密集，產(chǎn)生大量糞便，早期單一農(nóng)戶小規(guī)模糞便資源化處理方法已經(jīng)難以適用。為了解決現(xiàn)有城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)困境，德國、瑞士、瑞典等國學(xué)者于20世紀(jì)90年代提出了源分離理念[9]。生活污水源分離技術(shù)的核心理念是將生活污水從源頭分離，對于黑水(又稱為褐水，指糞便污水)、灰水(洗浴和廚房排水)、黃水(尿液污水)分別進(jìn)行收集、輸送、處理以實(shí)現(xiàn)資源化利用[10-11]，如圖1所示。

圖1 生活污水源分離技術(shù)基本原理

1.2 源分離技術(shù)研究進(jìn)展

20世紀(jì)末，北歐興起了尿液分離廁所，源分離拉開了序幕，源分離技術(shù)最先在發(fā)達(dá)國家開始示范，如德國、荷蘭、美國等，主要在農(nóng)村地區(qū)、單個住宅、小區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行了小規(guī)模實(shí)踐[12]。2003年，在歐盟委員會指導(dǎo)下，在德國杜塞爾多夫市某小區(qū)實(shí)施了生活污水源分離技術(shù)示范[13-14]，運(yùn)行結(jié)果顯示其實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用降低了18%[10]，但比傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用高。2006年，德國GTZ(Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit)總部大樓為降低衛(wèi)生間用水采用了源分離技術(shù)[15]，經(jīng)濟(jì)性評估顯示總投資比傳統(tǒng)系統(tǒng)高出8萬多歐元，但每年衛(wèi)生間用水費(fèi)用可降低近5 000歐元。Malila等[16]研究表明，源分離排水系統(tǒng)比傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的磷回收增加4倍，氮?dú)饣厥赵黾?0倍以上，水體富營養(yǎng)化減少到1/5。對比源分離排水系統(tǒng)與傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本，包含系統(tǒng)的收集、處理和回收階段，計算結(jié)果表明源分離排水系統(tǒng)效益顯著[17]。對于生活污水源分離技術(shù)，其初投資一般較大，但從全生命周期的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評估，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有集中排水系統(tǒng)[18]。鑒于源分離技術(shù)良好的經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益，北歐諸多國家已經(jīng)規(guī)劃2020—2025年在更大范圍的城鎮(zhèn)中進(jìn)行試點(diǎn)建設(shè)運(yùn)營[12]。近年來，源分離技術(shù)也逐漸在我國部分城市中開展工程試點(diǎn)，如北京奧林匹克公園使用了源分離技術(shù)，對所分離出的黃水進(jìn)行堆肥化處理利用[19]。此外，張奇譽(yù)等[7]在清華大學(xué)環(huán)境節(jié)能樓、鄂爾多斯生態(tài)小鎮(zhèn)等地方采用糞尿分離器嘗試了源分離技術(shù)，重點(diǎn)集中于概念的引入。綜上，盡管源分離技術(shù)已經(jīng)在部分城市有應(yīng)用案例，但仍然缺乏從源頭分離器到輸送和處理系統(tǒng)的全過程較為完備的工程案例，并且各案例所用技術(shù)均有一定的差異，缺乏對其充分、系統(tǒng)的研究。

2 生活污水源分離技術(shù)能源回收潛能

生活污水資源化的利用途徑主要分為3類：①對水進(jìn)行資源化利用，例如將污染程度較輕的灰水處理成再生水，用于灌溉、綠化、沖廁等[20]；②對水中污染物進(jìn)行資源化利用，例如將黑水、黃水用于堆肥和沼氣制作等[21]；③對水的熱能進(jìn)行回收利用[22-23]，例如采用污水源熱泵將污水中的熱量進(jìn)行置換回收，用于水處理廠及周邊建筑小區(qū)等的熱能供給。按照排水系統(tǒng)所得到的水質(zhì)特征，生活污水資源化可分為灰水資源化、黑水資源化、黃水資源化。

2.1 灰水資源化

灰水指洗手池、衣服清洗、淋浴、浴缸、廚房水槽等收集的污水，其水量占用戶總排水量的50%～80%[11]，當(dāng)采用源分離技術(shù)后，其灰水比例可達(dá)90%[24]。灰水與傳統(tǒng)生活污水比較，其污染物濃度降低，采用膜生物反應(yīng)器(membrane bio-reactor，MBR)[25]、流化床生物膜反應(yīng)器(moving bed biofilm reactor，MBBR)工藝、曝氣生物濾池(biological aerated filter，BAF)、生物轉(zhuǎn)盤(rotating biological contactor，RBC)、過濾技術(shù)、人工濕地等傳統(tǒng)水處理工藝即可實(shí)現(xiàn)水資源循環(huán)利用[26]?；宜蛩春陀脩羰褂们闆r不同，其水質(zhì)存在地域差異性[24]，實(shí)際使用時需根據(jù)實(shí)際出水水質(zhì)、運(yùn)行維護(hù)難度、經(jīng)濟(jì)等因素進(jìn)行水處理工藝綜合比選。目前，對于灰水的資源化利用途徑有沖廁、園林灌溉、道路清洗、雜用水等，進(jìn)行資源化利用時需要滿足GB/T 18920—2002《城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 25499—2010《城市污水再生利用 綠地灌溉水質(zhì)》等標(biāo)準(zhǔn)，有研究表明灰水再利用可減少城市用水25%～40%[27]?；宜捎谌鄙俸谒忘S水的碳源，導(dǎo)致其碳氮含量較低，是目前限制灰水資源化高效利用的主要因素[28]。

2.2 黑水資源化

黑水指糞便污水，其水量約占生活污水的20%，采用糞尿分離真空便器后，沖廁耗水量減少80%～90%[29]。糞便長期以來都是綠色有機(jī)肥，采用源分離技術(shù)后，收集的高濃度糞便污水資源化途徑為與秸稈、餐廚垃圾通過生物發(fā)酵形成有機(jī)肥，或通過厭氧消化處理用于沼氣制作[11]，進(jìn)行資源化利用時需要滿足NY 525—2012《有機(jī)肥料》和GB/T 51063—2014《大中型沼氣工程技術(shù)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)。在整個源分離系統(tǒng)中，其資源化效益主要來自節(jié)水，利用黑水制作有機(jī)肥的收益僅占3%～5%，沼氣次之[30]。目前，黑水資源化利用過程中的主要限制因素為碳氮比，以人糞尿?yàn)橹鞯挠袡C(jī)肥、沼氣制作時最佳碳氮比分別為25∶1～30∶1和25∶1。

2.3 黃水資源化

黃水指尿液，占生活廢水總量的比例不到1%，但它包含生活廢水中約80%的氮(未稀釋尿液中質(zhì)量濃度約為300 mg/L)、55%的磷和近60%的鉀[31-32]，其碳氮比小于1(每人每天約貢獻(xiàn)13 g COD)[33]，pH值約為6.5[34]。通常，一個人每天平均產(chǎn)生約1.5 L尿液，其含有約11 g氮、1 g磷和2.6 g鉀，這表明它作為肥料的潛力。黃水經(jīng)氧化、BAF和膜過濾組合工藝形成硝酸銨[11]，也有研究采用微生物電化學(xué)技術(shù)可有效地回收氨[31, 35]，回收到的氮、磷、鉀資源可按照NY 2269—2012《農(nóng)業(yè)用硝酸銨鈣》、GB/T 2440—2017《尿素》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行農(nóng)業(yè)有機(jī)肥制作，其限制肥料肥效的主要因素為回收的資源含量。有研究利用PHREEQC軟件和BioWIN軟件分析了磷和鉀的回收效果，結(jié)果表明磷和鉀的回收率分別約為78%和90%[36]。此外，通過對黃水投放鎂，可形成鳥糞石肥料，但成本較高[37-38]。

2.4 污水熱能資源化

城市生活污水余熱排放占城市廢熱排放總量的15%～40%，平均排放溫度為27 ℃，比自來水溫度高2～17 ℃，屬于低品位熱源，具有非常大的余熱利用潛力[39]。生活污水余熱資源化的途徑是采用污水源熱泵對熱量進(jìn)行回收，用于城市的供熱、制冷，污水源熱泵的能效比(coefficient of performance，COP)為2.23～5.35[40]，優(yōu)于其他源熱泵，如空氣源熱泵(COP為2.8～3.4)和地源熱泵(COP為 3.3～3.8)。據(jù)估計全球有500多個污水源熱泵已在運(yùn)行中，可提供城市約3%的建筑熱量[41]，目前該技術(shù)被廣泛用于我國北方供暖地區(qū)，如北京、黑龍江、遼寧、河北等省市。因此，可利用生活污水源分離熱泵技術(shù)對灰水中的大量余熱進(jìn)行置換，用于周圍的居住建筑、辦公樓、工業(yè)建筑、溫室大棚等供暖。污水熱能資源回收利用時需按照DB11/T 1237—2015《污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計，其主要限制因素為污水排放溫度和換熱器的換熱效率。

3 生活污水源分類收集實(shí)施途徑

根據(jù)城鎮(zhèn)規(guī)模、污水資源化利用程度，生活污水排放系統(tǒng)可以分為4類(表1)，本文重點(diǎn)關(guān)注大型城鎮(zhèn)污水高度資源化回收技術(shù)，以下分別從污水源分離器(始端)、污水傳輸系統(tǒng)(中端)和污水處理系統(tǒng)(終端)角度探究合適的實(shí)施技術(shù)。

表1 生活污水排放系統(tǒng)類型

3.1 污水源分離器

根據(jù)污水資源化利用途徑，一般分別收集灰水、黑水和黃水，其中，灰水收集需直接建立灰水管道或采用目前的城市排水管道，而黑水和黃水收集需要采用尿液分離器進(jìn)行分離后，再采用相應(yīng)的管道系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對尿液分離傳輸，因此，黑水和黃水分離的關(guān)鍵是采用何種尿液分離器。尿液分離器一般設(shè)置兩個排放口，中間設(shè)置隔板，分別采用真空閥控制，以實(shí)現(xiàn)尿液分離。目前，常見分離器主要有糞尿真空便器[29]、尿液分離氣沖便器(1 L空氣)、干廁尿液分離器(0.5 L鋸末)等[11]。與傳統(tǒng)便器(6～8 L水)相比，尿液分離器實(shí)現(xiàn)了較大程度的節(jié)水[30]。近年來的實(shí)際工程案例表明，黃水收集器容易結(jié)垢形成鳥糞石、碳酸鈣等，有研究對比分析了不同沖水水質(zhì)、沖水量等影響因素下的黃水收集器及管道的結(jié)垢情況[34]，針對實(shí)際應(yīng)用中不易結(jié)垢、易清潔、防臭的糞尿分離器還有待進(jìn)一步研發(fā)。

3.2 污水輸送系統(tǒng)

污水輸送系統(tǒng)目前主要有3種形式：依靠重力作用傳輸、負(fù)壓傳輸和壓力傳輸，一般都存在一定的故障率，需要一定的維修時間，故障率分別為58%、77%、86%，維修時間分別為7.5 h、2 h、2 h。傳統(tǒng)排水系統(tǒng)常采用重力流進(jìn)行污水傳輸，一般需要考慮管道的坡度，長距離傳輸時需要中途增加泵；壓力傳輸是采用給水泵增壓產(chǎn)生的動力實(shí)現(xiàn)污水傳輸[42]；而負(fù)壓傳輸系統(tǒng)最早由荷蘭工程師Lierunr提出，但礙于當(dāng)時技術(shù)的實(shí)施難度，很難保證負(fù)壓系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。近年來隨著負(fù)壓技術(shù)的逐漸成熟，采用負(fù)壓輸送城市生活污水成為可能，已有企業(yè)將該技術(shù)用于實(shí)踐，如萬若(北京)環(huán)境工程技術(shù)有限公司[43]。負(fù)壓傳輸技術(shù)的復(fù)雜性和高成本給該技術(shù)帶來了消極的影響，但負(fù)壓傳輸技術(shù)具有淺溝、較小的管道以及因減少挖掘而產(chǎn)生較低安裝成本等特點(diǎn)，對于平坦的地形、地下水位高的地區(qū)、水保護(hù)區(qū)和容易發(fā)生洪水的地區(qū)具有很大優(yōu)勢。有研究對比了壓力傳輸和負(fù)壓傳輸?shù)墓收咸攸c(diǎn)，結(jié)果表明壓力傳輸系統(tǒng)的大多數(shù)故障來源于水泵，而負(fù)壓傳輸系統(tǒng)的較大故障來源于真空閥[44]。通常認(rèn)為負(fù)壓傳輸系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢[45]，它比重力傳輸和壓力傳輸更具獨(dú)特性。目前世界上最大的負(fù)壓排水系統(tǒng)在迪拜棕櫚島建成，由40 km的管道組成，為2 000棟別墅提供服務(wù)[46]。隨著基礎(chǔ)設(shè)施的老化和生態(tài)城市概念(包括再生水利用、糞便資源化回收和沼氣發(fā)電)的不斷深化，負(fù)壓排水技術(shù)可以為翻新或半集中式的糞尿分離系統(tǒng)提供可行的替代方案[44]，Skambraks等[12]對負(fù)壓排水系統(tǒng)的實(shí)施條件進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖2所示。

圖2 負(fù)壓排水系統(tǒng)可行性分析

針對源分離技術(shù)，灰水可采用重力系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。與灰水相比，黑水含固率高、流動性差，如采用重力傳輸系統(tǒng)容易造成管道堵塞，且施工復(fù)雜、工程量大、泵站數(shù)量多，故黑水更適合采用負(fù)壓傳輸系統(tǒng)。而對于黃水，其水量較少，流動性比較好，短距離傳輸可采用重力系統(tǒng)，如進(jìn)行長距離傳輸仍建議采用負(fù)壓傳輸系統(tǒng)。此外，黃水在管道中的停留時間是影響管道結(jié)垢的重要因素，故應(yīng)合理控制黃水收集站的規(guī)模和在管道內(nèi)停留的時間[34]。

3.3 污水處理系統(tǒng)

生活污水源分離技術(shù)實(shí)施后得到的灰水、黑水和黃水需分別單獨(dú)處理。根據(jù)灰水水質(zhì)特征，可采用傳統(tǒng)污水處理系統(tǒng)，如MBR、MBBR、BAF、RBC、過濾技術(shù)、人工濕地等[46]。灰水處理工藝需根據(jù)初期投資費(fèi)用、后期投資費(fèi)用、水處理效果、占地面積等進(jìn)行合理選擇。對于黑水，目前國內(nèi)外常用的處理方法有化糞池處理、結(jié)合下水道和污水處理廠的二級處理、厭氧發(fā)酵、好氧發(fā)酵、藥物混凝沉淀、濕式氧化處理、高溫堆肥法等，其中，糞便資源化的處理主要采用厭氧、好氧、厭氧-好氧處理技術(shù)。黃水中營養(yǎng)元素豐富，目前相關(guān)的處理工藝也比較成熟，如利用腐熟法、離子交換吸附法、沉淀結(jié)晶法、微藻培養(yǎng)法、膜處理法、電化學(xué)法對其資源化利用[38]。

綜上，對于生活污水源分離已有工程應(yīng)用案例，從技術(shù)層面已基本可以實(shí)現(xiàn)。有研究表明，生活污水源分離技術(shù)實(shí)施中大多數(shù)故障(約占2/3)來源于用戶使用不當(dāng)[42]，因此，大范圍的推廣使用需提高社會公眾對生活污水源分離技術(shù)的接受度，并進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，以保證用戶能從源頭幫助城市實(shí)現(xiàn)污水源分離。為使生活污水源分離技術(shù)更好地實(shí)施，負(fù)壓閥門、糞尿分離便器、黑水和黃水管道防結(jié)垢技術(shù)以及配套的智能運(yùn)維系統(tǒng)有待進(jìn)一步開展專題研究。

4 實(shí)例分析

為進(jìn)一步分析生活污水源分類收集系統(tǒng)的效益，以某10萬人規(guī)模(20個小區(qū)，每個小區(qū)5 000人，日用水量2萬m3)的城鎮(zhèn)為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算。假設(shè)將生活污水分為灰水和黑水進(jìn)行收集，則該項目的灰水處理規(guī)模為16 820 m3/d，黑水處理規(guī)模為380 m3/d，假設(shè)分離的灰水仍用于原污水處理廠。該項目的總投入為3.36億元，包括構(gòu)建生活雜用排水系統(tǒng)、沖廁排水系統(tǒng)、沼氣廠、有機(jī)肥廠，較傳統(tǒng)污水排放系統(tǒng)投資費(fèi)用(1.38億元)增加約1.98億元。本項目采用源分離后進(jìn)行資源化處理和利用，其中，有機(jī)肥制作時黑水與秸稈耗材比例為10∶1，每年約需要10 t秸稈和20個運(yùn)維人員，運(yùn)維費(fèi)用約為40.5萬元。源分離效益體現(xiàn)在：①節(jié)水效益，黑水由源分離負(fù)壓馬桶統(tǒng)一收集，節(jié)水約6萬m3/a；灰水資源化利用后實(shí)現(xiàn)節(jié)水約300萬m3/a，合計節(jié)約1 820.7萬元。②節(jié)能效益，源分離系統(tǒng)每年節(jié)約藥劑聚合氯化鋁10.95 t、聚丙烯酰胺10.95 t，除氮除磷減少用電約180萬kW·h，合計節(jié)約121.8萬元。③經(jīng)濟(jì)效益，項目每年生產(chǎn)復(fù)合肥2 090 t、沼氣800 t，合計收益195.2萬元。④環(huán)境效益，源分離后將減排N2O 0.9 t/a、CO2398 t/a、CH420.4 t/a；水體方面減少氮365 t/a、磷125 t/a、鉀130 t/a；土壤方面減少污泥1.8萬t/a，節(jié)省填埋空間1.0萬m3/a。通過上述項目投資、運(yùn)維、效益分析，得到源分離系統(tǒng)整體收益為2 062萬元/a(由于環(huán)境減排效益的經(jīng)濟(jì)價值難以估計，此次計算中未考慮)，經(jīng)計算其投資回收期為16.3 a。目前，我國一些城市常住人口超500萬人，生活污水源分離技術(shù)應(yīng)用規(guī)模擴(kuò)大將大大縮短投資回收期，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，對我國實(shí)現(xiàn)碳中和具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

5 結(jié) 語

本文系統(tǒng)地分析了生活污水源分離技術(shù)的發(fā)展背景、污水資源化及其技術(shù)實(shí)施途徑。城鎮(zhèn)生活污水源分離技術(shù)是未來綠色城鎮(zhèn)發(fā)展的方向，為更好地推動污水源分離技術(shù)的實(shí)施，應(yīng)進(jìn)一步研發(fā)綠色、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)碳的生活污水源分離器、污水傳輸技術(shù)、污水處理工藝、智能監(jiān)測與運(yùn)營平臺、用戶反饋系統(tǒng)、技術(shù)評價體系，并研究編制適合我國國情的城鎮(zhèn)生活污水源分離技術(shù)實(shí)施技術(shù)導(dǎo)則、設(shè)計規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。此外建議將城鎮(zhèn)生活污水源分離技術(shù)納入“十四五”規(guī)劃，初步在一些新型城鎮(zhèn)中進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)營的全流程示范和包括經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)碳、資源化、使用壽命等方面的全生命周期評價，形成一套完備的技術(shù)實(shí)施方案及評價體系，以便應(yīng)用于其他城鎮(zhèn)，尤其是新建城鎮(zhèn)中。