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源分离生态效应及其资源化技术

城市排水管网源于19世纪工业革命之时的欧洲,当时主要是基于卫生方面的考虑,以减少经饮用水传播的疾病(如霍乱、痢疾等)[1]。从那时起,象征"现代文明"的抽水马桶以及集中式管道排水系统便一直延续至今,

城市排水管网源于19 世纪工业革命之时的欧洲,当时主要是基于卫生方面的考虑,以减少经饮用水传播的疾病( 如霍乱、痢疾等)[1]。从那时起,象征"现代文明"的抽水马桶以及集中式管道排水系统便一直延续至今,成为当今城市发展的一种普遍排水模式[2]。然而,这种"一冲了之"的"现代文明"在强调可持续发展、生态文明建设的今天显得有些倒行逆施,因为米乐app入口祖先"食物来自于土地,排泄物回归土地"的这一生活习惯在现在看来恰恰是一种朴素的生态循环,已被国内外有识之士誉为"原生态文明"[3]。的确,当前主流集中式排水系统加剧了水危机、磷危机甚至是能源危机[4,5]。冲水马桶用大量的水稀释、冲走排泄物,一方面加剧了水资源匮乏和水体污染的程度,另一方面导致排泄物中大量营养物质( N、P、K) 以及含能物质(COD) 远离它们的"故土",走上一条流向大海的"背井离乡"之路。与此同时,这种"现代文明"方式也增加了环境风险[6],增加了基础建设投资以及维护费用与运行能耗[7]。研究表明,传统的污水处理模式运行能耗高达50~100kW·h /(人·a)[2],这显得"现代文明"是一种不可持续的生活方式[8]

对此,"现代文明"下的集中式排水方式在其可持续性以及生态效益方面日益受到学者们的质疑[9],以至于以源分离为主的分散式生态排水方式重获新生[2,9]。所谓源分离就是在源头上将排泄物与生活排水分开,一方面可以最大限度地收集、处置、回用排泄物中的营养成分,使之用于可持续的农业生 产; 另一方面可以实现节水、节能的双重效果[10]。其实,农村旱厕以及曾经缺乏卫生系统的城镇居民采用的夜壶方式都是源分离之雏形。然而,这些方式虽然方便粪尿返田,增加物质循环的可生态性,但其在卫生方面的缺陷确实令人望而生畏。如果粪尿返田这种原生态方式"生态而不卫生"的话,那"现代文明"下的抽水马桶则是"卫生而不生态"[3]。因此,完全回归原生态文明的生活状态显然不太现实。这便成就了源分离技术的产生与发展,在最大程度上保留现代洁具卫生、舒适、便捷的前提下,通过新型卫生洁具实现粪、尿与生活污水的分离,最大限度恢复粪尿返田的原生态文明习惯。

原生态文明习惯是中华民族五千年灿烂历史中农耕文明的重要标志。然而,这种朴素的生态习惯却被淘汰,反而被"现代文明"的发源地———欧洲视为人类宝贵的文化遗产。结果,源分离的概念起源于欧洲,源分离的研究盛行于欧洲、源分离的技术也多来源于欧洲[2]。介绍了源分离产生的生态环境效应,总结了源分离后对粪便、尿液收集、利用方式以及使其资源化的技术。

1 源分离生态环境效应评价

源分离产生的直接生态环境效应是可有效截留、分离粪便和尿液所含磷等营养元素,使之尽可能返回它们的"娘家"———土地。此外,直接生态环境效应还包括水资源节约和水污染减缓等方面内容。源分离产生间接环境效益是降低污水处理程度,以及由此导致的能耗降低和碳减排问题。

1.1 直接生态环境效应

1. 1. 1 回收营养物

古时有"肥水不流外人田"的俚语,其实说的就是粪、尿中所含的氮、磷、钾、有机物等营养物回归土地,用于农业再生产; 这种粪尿返田习惯是化学肥料问世前中国农业生产所需肥料的重要来源,也是我国五千年农耕文明中对世界原生态文明最值得称赞的朴素贡献。有研究显示,在可持续发展的循环农业经济方面,粪尿返田同有机垃圾、剩余污泥农用相比,无论在经济效益、还是生态效益及使用的安全性方面均具有显著优势。而源分离最主要的目的就是实现粪尿无害化处理以及对其中氮、磷、钾等有用资源的原生态回归。在磷矿资源日益匮乏的情况下,源分离的作用和目的显而易见。

权威研究显示,如果维持全球农业生产对化肥3%的年增长量需要,目前全球剩余磷矿产资源已达不到再供人类使用100年的预期,最多仅够再维持50年左右的时间[11,12]。对我国而言,每年消耗的磷( 单质) 为1200×104t,其中磷肥的使用就达到了750×104t,若不采取任何措施按照目前的消耗速度,现存的储藏将只够维持35年。尽管我国磷矿储藏量为世界第三[13],但实际储备不容乐观; 2014 年国家统计局公布的统计数据显示,我国磷矿储藏量折标(P2O5)为30.7×108t[14],仅占世界总储量(470×108t)的6.5%[15],况且,我国磷矿储藏量中磷矿石元素品位并不高,不太具有经济开采价值的三级磷矿构成 (P2O5<30%) 占总储藏量的59.6%[13]。磷在粪尿不返田的现代生活方式下呈直线式流动,即从陆地向海洋运动,导致在近两个世纪以来磷的流失状况不断加剧,已出现了严重的磷日益枯竭现象[16]

在磷危机显现的这种处境下,最大限度地遏制磷流失已使人类处于必须面临并为之采取行动的危机关头。因此,从污水或动物粪便中回收磷便成为国际研究的热点[17],以使之成为人类的"第二磷矿"[18]。其中,源分离作用不可小觑。尿液体积虽然不大,仅占生活排水量的1%~2%[2],但尿液中的磷含量却占到生活污水磷含量的50% 。欧盟国家每年通过尿液、粪便排放的磷( 单质) 达80×104t/a,占欧盟全年总磷进口量的33% 、磷肥进口量的57%[19]。目前,欧盟采用源分离方式回收的比例约为20% ,每年有将近16×104的磷通过源分离回收并返田[19]。在我国,城市采用源分离技术的比例极低,仅局限在一些示范工程( 如奥林匹克森林公园)上; 本来农村普遍采用的旱厕粪尿返田习惯也几近消失,导致每年近150×104t的磷通过污水处理而流失[16]。如果源分离比例在欧盟和中国均能达到80% ,这将会为欧盟和中国分别节省64×104t /a和120×104t /a的磷资源。此外,畜牧业对磷元素的排放也是一个"黑洞",我国畜牧业动物排泄物导致的磷流失便达200×104t /a[20]。可见,对畜牧业动物排泄物实施源分离并促使其返田利用对遏制磷资源匮乏作用与意义甚至比人粪尿还大。

从集中式污水处理厂回收磷固然可行,也是国内外一些现存污水处理厂开始付诸实施的工程实践。然而,基于分散式源分离技术直接利用尿液和粪便或从尿液回收磷存在明显的优势,甚至也是国外一些家畜养殖场开始效仿的做法[21]。直接从尿液和粪便中回收磷具有明显的优势:

①尿液组成成分单一,沉淀、回收效率高,通过硝化/蒸馏和藻类吸收等方式处理尿液中的氮、磷 时,回收率近乎100%[22,23];

②尿液中几乎不含重金属[24],分离、回收后的磷直接用于农业生产带来的环境风险低;

③尿液源分离回收磷设备及操作简便而灵活,具有适用性[25];

④黄水、黑水从源头分离,在回收磷的同时亦可一并将氮和钾一起回收[22];

⑤高达90%的氮、磷被分离回收后使得从污水生产再生水变得简单和可靠[9]

1. 1. 2 节约水资源

源分离另一个显著生态环境效应是对水资源的节约,主要节约的是冲厕水。现代城市民用建筑一般很少、甚至没有中水系统,冲厕水即市政自来水,约占居家总用水量的30% 。如果采用源分离非混合式NoMix马桶[26],可节约80%的冲厕水量。源分离有多种形式[27],总结于表 1。

研究表明,源分离洁具具有很大的节水优势,其中以负压尿液分离便器节水效果最好,冲厕用水量为传统节水洁具的 20% 、仅为传统便器的3% 。即使是负压便器、重力流粪尿分离便器与传统节水便器相比也能节省3/4的冲厕水量。这种源分离"厕所革命"显然对城市节水具有举足轻重的作用。

1. 1. 3 改善水环境质量

城市规模不断扩张导致"城市"病日益显现,其中城市黑臭水体最为典型。一方面,城市污水处理厂因粪尿混入导致过高的氮、磷难以有效去除; 另一方面未截流污水或黑水私接乱排直接进入地表水体。这就使得有机物厌氧与富营养化导致的黑臭水现象非常普遍。如果能在源头以源分离方式将尿液和粪便分离、单独回收,生活污水中80%以上的氮和50%的磷则因此减少,可大大降低污水处理厂氮、磷处理压力,即使是非截流污水直接进入水体亦可减少相应氮、磷负荷,也能减缓黑臭水发生的概率。

此外,尿液源分离还可有效减少人体排出的激素和药物进入水体的机会,而这些 PPCPs 一旦进入污水处理厂则很难被降解处理[1]。研究表明,尿液中含有生活污水中各类药物总量的 65%[28]; 另外,人体新陈代谢过程中产生的一些生物激素(雌性激素、雄激素、利尿激素等) 也往往通过尿液排泄。显然,对尿液单独收集后,药物、激素类 PPCPs 的浓度会相应提高,有可能从尿液中将此类物质分离或去除[29]。有人对源分离后单独收集的尿液采用藻类处理后发现,在回收氮、磷的同时对药物的去除效果也非常明显,其中,对乙酰氨基酚、布洛酚(扑热息痛) 的去除效率可达到 99% ,对美托洛尔(高血压治疗药物) 的去除效率最高可达 60% ,对其他药物、激素的去除效果也明显优于污水处理[29]

1.2 间接生态环境效应

1.2.1 降低污水处理程度

现代污水处理经历了从一级、二级向三级处理的过渡与升级,特别是在以控制水体富营养化为主要目的的今天,三级处理似乎都难以彻底解决氮、磷的去除问题。究其原因,我国污水因有机物含量低而普遍出现碳源不足的现象,以至于氮、磷难以靠生物处理方式有效去除。如果实施源分离计划,粪、尿则不再混合进入生活污水,使污水一下变得"干净"起来,实际上变成了灰水( 即优质杂排水) 。表 2 显示了德国典型生活污水污染物的组成与比例[30],可以看出,若实行源分离隔离粪、尿并单独处理,污水中的 氮、磷、有机物负荷分别减少 97% 、90% 和59% 。这就是说,实施粪、尿源分离后三级污水处理工艺显得有些"多余",只用一级处理甚至湿地处理,便可解决灰水中剩余近 40% 的有机物,氮、磷的去除则根本没有必要。

国内外研究人员曾做过尿液源分离对污水处理厂脱氮处理效果的影响研究,其中,荷兰的研究显示,当尿液分离率达60%时可减少污水处理厂出水中70%的氮以及近100%的磷[31,32]; 国内模拟研究表明,对于A2/O工艺而言,当尿液分离率达到13%时污水处理厂出水中总氮可达一级A标准,当尿液分离 率 提高到75%时出水总磷便达一级A标准[33]。因尿液中氮、磷含量高而有机物含量低( 见表 2) ,所以,尿液源分离后实际上会相对提高污水处理厂的进水C/N和C/P比值,相当于增加碳源的作用,从而可起到强化生物除磷脱氮的效果[33]

1. 2. 2 降低污水处理能耗与碳排放

污水处理能耗一般为5~10W/(人·d) ,而通常从污水中回收的能源却不足0.02W/(人 ·d) [34]。尿液分离可大大减小污水处理厂的氮、磷负荷,在很大程度上可降低因脱氮除磷所需能耗。荷兰研究人员曾就尿液源分离对污水处理厂能耗的影响进行过模拟研究,尿液分离前后可使相同污水处理工艺(BCFS) 能耗从6W/(人·d) 降低至1W/(人·d) ,降幅达83%[9]

污水处理工艺脱氮能耗确实占总能耗的比例很大。如果实施尿液源分离,并在源头通过热泵回收污水中蕴含的能量,那就应该比集中式污水处理的能耗低很多。对此,研究人员设计了三种脱氮方式予以模拟比较:

①集中式传统硝化、反硝化;

②集中式厌氧氨氧化;

③分散式源分离回收尿液[35]。从污水处理碳中和运行以及减少温室气体排放角度看,三种脱氮方式中源分离的碳排放量最低( 在源头同时采用水源热泵回收灰水中的热量) ; 每人每年因此可减少CO2排放量47 kgCO2当量/(人·a) ( 燃煤发电)或95kgCO2当量/(人·a) (天然气发电) ;但因源头回收灰水热量而致冬季污水处理厂硝化效果可能不佳[35]

2 源分离产物应用与资源化技术

源分离产物主要是尿液与粪便,其归宿自然是回归土地。然而,现代生活方式下的人们总是担心粪尿返田可能带来卫生问题以及病原菌传播疾病问题。因此,只要将粪、尿中可能存在的病原微生物有效灭除,原则上可以直接返田施用。

在生态排水(Ecosan[2]) 的理念下,对尿液和粪便可分别进行稳定处理及厌氧消化[36]。尿液经稳定处理后病原菌一般均可以被灭除,而粪便与其他生活有机废物一同消化不仅可以回收能源,亦可取得灭菌的效果[36]

在尿液不便直接作为肥料返田的情况下,亦可以将尿液中的氮、磷等有用资源予以回收。较早文献报道最多的是从尿液中以鸟粪石(MAP) 形式回收氮、磷[9]。然而,10年的研究发现,鸟粪石并不是一种十分容易回收的磷酸盐化合物,因为纯鸟粪石回收的最佳 pH 条件实际上为中性至偏酸性[37],且所需反应时间甚长( 以月为时间单位) 。为此,目前国际上有关分离尿液资源化的研究已变得多样化,出现了尿液硝化/蒸馏、电解、藻类吸收等资源化技术。这些处理方式强调以有效、低廉方式同时回收尿液中的氮、磷等营养物质[7,22]

2.1 尿液硝化后蒸馏

对尿液硝化并蒸馏的主要目的是最大限度地回收其中的氮(>90%) 和磷(>30%) [21]。可利用生物方法使尿液中约50%的氨氮(NH4+ ) 通过硝化作用转化为硝酸氮(NO3-) ,然后通过蒸馏、浓缩方式达到回收氮的目的[22]。众所周知,硝化过程分别由亚硝化细菌(AOB) 和硝化细菌(NOB) 共同完成; 随着硝化反应的进行,pH值下降至6.0左右时硝化过程因碱度下降受到抑制,此时约有一半NH4+ 转化为NO3- ,形成NH4+∶NO3-为 1∶1 的硝化尿液,并由此开始蒸馏、浓缩。

目前该研究仍属实验项目,已分别在南非和瑞士完成,尿液硝化与蒸馏工艺分为 A、B 两个部分,如图1所示[22]。硝化过程(A) 在某一连续培养的生物膜反应器( 填料体积约占60%)内完成; 硝化反应器运行45d后即达最大硝化速率420 mgN/(m3·d)]; 硝化后尿液通过泥-水分离装置分离后进入蒸馏器进行浓缩。硝化尿液蒸馏(B) 采用德国生产的一种商用蒸馏器,蒸发量为20L/h; 尿液中约95%~97%的水分会被蒸发,得到的是一种高浓度硝酸铵液体肥料。

这种尿液硝化、浓缩处理方式除在蒸馏器中添加少量缓蚀剂外无需添加其他化学药剂; 主要耗能是硝化过程所需曝气( 部分硝化 0.05kW·h/L,完全硝化0.10kW·h/L) 以及蒸馏所需热量(0.08kW·h/L,85%热能可获得回收) ,综合运行能耗约为0.14kW·h/L[22]。这种工艺对尿液中病原微生物有一定的杀灭作用,因为硝化反应器中存在的亚硝酸盐(NO2-) 和蒸馏器中的高温可以将大部分病原微生物灭活。

2.2 尿液电解

尿液中所含铵离子 (NH4+) 、碳 酸 根 离 子(CO32) 、钙离子(Ca2+) 等是一种天然电解质。因此,对尿液进行电解处理显然是一种可行的技术方案。实验表明,对尿液电解处理会在阴极产生氨气(NH3) 和氢气(H2) ,收集后用酸处理可回收尿液中57% 的氮[38],实验过程如图 2 所示[22]。尿液电解装置主要由电解池(EC) 和气体吸收两部分组成。电解池阴、阳两极间由阳离子膜(CEM) 分开; 阴极材料为不锈钢网,阳极材料为表面涂有防护层(铱氧化物) 的钛(Ti) 。

图3[38]详细显示了尿液电解电极反应过程以及离子在电解池内的运动情况; 电解池在电场与阳离子膜的作用下,尿液中的阳离子会不断向阴极区移动并积累,同时,水在阴、阳两电极上分别放电并生成O2和H2与OH -,使阴极区pH值上升。

阴极区因电解导致碱度上升后,积累在该区的NH4+则以NH3形式逸出,NH3和H2混合气体在阴极区被真空泵抽吸至含有H2SO4的吸收装置内吸收NH3形成硫酸铵,残留气体则为较纯的H2,可用于电解能耗补给。电解虽然耗能较高,但考虑回收H2能源的话,这种硫酸铵综合生产成本将低于工业合成氨。电解尿液固然不能全部去除尿液中的氮,但是可降低污水处理中43%的氮负荷,相应降低污水处理能耗。

此外,电解尿液也有其他方法,可在电解池中加入一对或是多对阴、阳离子膜,使电解尿液中铵离子(NH4+) 和磷酸根(PO43-) 分别在阴极区和阳极区富集浓缩。实验结果显示,这种电解方法可将氮、磷浓度提高到6~8倍[39]

2.3 尿液藻类吸收

藻类藉氮、磷可以迅速增长,已广泛用于污水处理[22]。尿液源分离后具有浓度高、体积较小的特点,较为适合通过藻类予以回收。藻类生物量中氮、磷含量(干质量)分别为2%和3.3% ; 藻类生长过程所需碳源为CO2,可实现对尿液中氮、磷回收的同时捕捉、同化CO2 ; 产生的藻类可用作动物饲料、农业肥料、厌氧消化产能,甚至提炼生物柴油[23,40]

有人用尿液作为培养液在短光路系统中进行小球藻去除氮、磷实验[22],实验中采用了如图4所示的平板式光生物反应器[23]; 实验系统由进出水系统(出入4 ℃冰箱) 、光生物反应器、温度控制系统与光源(400W高压钠灯) 、恒温水浴(35~38 ℃ ) 、pH传感器、CO2充气控制阀等组成; 实验设计的平均水力停留时间(HRT) 为1d。

实验对尿液不同稀释程度以及不同光照强度下小球藻对氮、磷的去除情况进行了对比实验。结果显示,尿液稀释程度越小、光照强度越大则合成的小球藻生物量就越多; 合成尿液稀释20倍、在光照强度为490lx情况下获得的小球藻合成生物量为2.9g/L,而合成尿液稀释5倍、在光照强度为990lx条件下小球藻合成生物量可达6g/L[22]。尿液培养小球藻过程中磷元素的阈值为225mgP/L,而人尿液中氮/磷的物质的量之比为34∶1,致使尿液培养小球藻过程中几乎100%的磷会被去除[23]; 但小球藻对氮的去除情形不同,尿液稀释率小则氮去除率略有提高; 实验中观察到稀释10倍时总氮去除率为47%,当稀释5倍时去除率仅仅提高到了51%; 10~ 50倍之间的尿液稀释率相应于58%~62%之间的氮去除率[23]

2.4 尿液太阳能浓缩

回收尿液中营养物质的方法其实很多,如反渗透、生物硝化、化学沉淀、氨吹脱、电渗析、纳滤等,但这些方法都需要较高耗能和复杂的操作。有人设计了一种太阳能尿液浓缩装置,可较好地解决能耗与操作问题,特别对边远、电力无保障、经济欠发达地区具有较高的实用价值,如图5所示[41]

实验装置底部面积为2m2,并贴有黑色瓷砖,以最大程度吸收太阳能; 侧壁及顶部为玻璃材料,顶部玻璃盖板与水平面成11°夹角,以便于凝结水滴向下流动。实验用真实尿液,从研究单位某非混合厕所内收集50L尿液进行试验。尿液进入浓缩装置后因太阳辐射以及温室效应导致温度升高,尿液中水分蒸发到玻璃盖时遇冷则凝结为水滴,水滴沿玻璃坡度流至底部,经排水管从装置中移除。实验装置运行期间,浓缩器内最高温度为45~62 ℃,夜晚温度则下降至25 ℃,浓缩器内温度平均比环境温度高约20 ℃。

分别进行A、B两组平行实验,一组未加任何化学药剂,直接进行尿液太阳能浓缩处理; 另一组对尿液进行酸化(磷酸、硫酸) 处理,以减少氮的蒸发流失。经26d自然蒸发,两组50L尿液最后均能获得360g固体物质; 其中,磷酸盐含量从初始时的0.03% 浓缩至最后固体中的1.87% ; A组实验中氮元素从初始时的0.5% 增至浓缩固体中的1.84% ; B组实验因分别用磷酸和硫酸酸化处理,避免了约32% 的氮以 NH3流失空气,导致B组浓缩固体中氮含量分别高于A组4.5倍(磷酸酸化)和3倍(硫酸酸化) 。

浓缩处理几乎可回收尿液中全部的磷,而酸化处理后能回收尿液中大部分的氮,所以回收固体具有很高的肥料价值。尿液经长达26d的暴晒,在高强紫外线照射下亦可灭活大部分病原微生物,可大大降低环境风险。

3 结语

源分离其实是基于中华民族五千年原生态文明习惯,是对粪尿返田之营养物朴素循环的现代诠释。源分离带来的生态环境效应作用明显,不仅可以最大程度地恢复农耕文明,最大限度地遏制不可再生的磷资源的匮乏速度,而且还可节约水资源、有效抑制水污染状况。进言之,粪尿源分离于污水还能大大降低污水处理的程度,有效减少污水处理能耗并实现碳减排。

粪尿源分离后原则上可以稳定、灭菌后直接返田,用作农业再生产的肥料。在直接利用条件受限时,亦可通过一些技术手段将粪尿资源化。对粪便的资源化处理以与其他有机生活废物厌氧共消化为主,可以将粪便中有机物转化为能量物质——甲烷。对尿液的资源化处理则有多种方法,如,研发中的硝化/蒸馏技术、电解方法、藻类吸收、太阳能浓缩、化学沉淀等,无外乎是直接或间接回收尿液中的氮和磷,使之用作固体或浓缩液体肥料,或通过藻类转化为能源。

源分离其实是一种理念,并不存在技术上的太大难度,只是重"进口"、轻"出口"的观念与习惯束缚了国人的手脚。然而,一旦磷资源出现危机,人类则面临食物短缺的饥饿状态。到那时,"肥水不流外人田、没有大粪臭哪有五谷香"的古训则一定会重返人间。

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