我國城鎮生活污水源分離技術實施途徑探究

張金良，樊新穎，蔡 明，高小濤，付 健，馬 浩

(1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌)，河南 鄭州 450003)

城鎮生活污水資源化對實現節水、節能、減排、減碳及生態城市建設具有重要的現實意義[1]。目前我國城鎮生活污水主要采用統一收集、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。但隨著我國經濟社會的發展和生態城市建設理念的逐漸深入，現有排水系統模式逐漸體現出投資建設費用巨大[3-4]、水處理工藝復雜、大量溫室氣體排放[5]、系統能耗較高、糞尿難以進行資源化回收利用等問題，這與我國推進污水資源化利用、實現2030年碳達峰和2060年碳中和的目標不相協調，需要對我國城鎮排水系統的合理性進行反思。鑒于現有城鎮排水系統存在的不足，近年來歐美等發達國家逐漸提出生活污水源分離、按質處理的理念，以實現最大程度的污水資源化。相關研究[6]表明，生活污水源分離技術具有較大的節能減排潛力，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%，整體運行費用降低約22%。目前，我國已有研究[7-8]側重探索農村地區實施生活污水源分離的可能性，在城鎮中鮮有大規模應用的案例。其原因是盡管生活污水源分離理念先進，能實現資源的循環利用，但各環節的技術還不夠成熟，特別是黑水長距離輸送技術等；此外，對原有系統的分離改造難度較大，牽涉面廣。因此，現有的生活污水源分離技術主要在農村地區、單體住宅樓宇中進行初步實踐。在碳中和、生態城市構建的愿景下，我國城鎮排水系統亟待更新排放理念、積極探索綠色低碳循環發展模式，推進生活污水源分離技術的有效實施。本文通過回顧生活污水源分離技術國內外研究進展，分析生活污水源分離技術帶來的能源回收潛能，重點探究生活污水源分離技術的具體實施途徑，為我國未來城鎮實施生活污水源分離提供參考。

1 源分離技術基本原理及研究進展

1.1 源分離技術內涵及原理

推薦對生活污水采用源分離技術的主要緣由是糞便和尿液僅占生活污水總量的1%～2%[7]，且糞尿屬于有機污染物，是天然肥料，卻被采用大量水稀釋排放，導致現有排水模式不僅無法將糞尿資源化，而且極度浪費磷和水資源。以農耕文明著稱的中國，自古就將糞便返還農田，形成了早期源分離技術的雛形。但是現有城鎮人口密集，產生大量糞便，早期單一農戶小規模糞便資源化處理方法已經難以適用。為了解決現有城鎮排水系統困境，德國、瑞士、瑞典等國學者于20世紀90年代提出了源分離理念[9]。生活污水源分離技術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)分別進行收集、輸送、處理以實現資源化利用[10-11]，如圖1所示。

圖1 生活污水源分離技術基本原理

1.2 源分離技術研究進展

20世紀末，北歐興起了尿液分離廁所，源分離拉開了序幕，源分離技術最先在發達國家開始示范，如德國、荷蘭、美國等，主要在農村地區、單個住宅、小區范圍內進行了小規模實踐[12]。2003年，在歐盟委員會指導下，在德國杜塞爾多夫市某小區實施了生活污水源分離技術示范[13-14]，運行結果顯示其實際運行費用降低了18%[10]，但比傳統排水系統的基礎建設費用高。2006年，德國GTZ(Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit)總部大樓為降低衛生間用水采用了源分離技術[15]，經濟性評估顯示總投資比傳統系統高出8萬多歐元，但每年衛生間用水費用可降低近5 000歐元。Malila等[16]研究表明，源分離排水系統比傳統排水系統的磷回收增加4倍，氮氣回收增加30倍以上，水體富營養化減少到1/5。對比源分離排水系統與傳統排水系統的經濟和環境成本，包含系統的收集、處理和回收階段，計算結果表明源分離排水系統效益顯著[17]。對于生活污水源分離技術，其初投資一般較大，但從全生命周期的經濟效益進行評估，其性能遠遠優于現有集中排水系統[18]。鑒于源分離技術良好的經濟環境效益，北歐諸多國家已經規劃2020—2025年在更大范圍的城鎮中進行試點建設運營[12]。近年來，源分離技術也逐漸在我國部分城市中開展工程試點，如北京奧林匹克公園使用了源分離技術，對所分離出的黃水進行堆肥化處理利用[19]。此外，張奇譽等[7]在清華大學環境節能樓、鄂爾多斯生態小鎮等地方采用糞尿分離器嘗試了源分離技術，重點集中于概念的引入。綜上，盡管源分離技術已經在部分城市有應用案例，但仍然缺乏從源頭分離器到輸送和處理系統的全過程較為完備的工程案例，并且各案例所用技術均有一定的差異，缺乏對其充分、系統的研究。

2 生活污水源分離技術能源回收潛能

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對水的熱能進行回收利用[22-23]，例如采用污水源熱泵將污水中的熱量進行置換回收，用于水處理廠及周邊建筑小區等的熱能供給。按照排水系統所得到的水質特征，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]，當采用源分離技術后，其灰水比例可達90%[24]。灰水與傳統生活污水比較，其污染物濃度降低，采用膜生物反應器(membrane bio-reactor，MBR)[25]、流化床生物膜反應器(moving bed biofilm reactor，MBBR)工藝、曝氣生物濾池(biological aerated filter，BAF)、生物轉盤(rotating biological contactor，RBC)、過濾技術、人工濕地等傳統水處理工藝即可實現水資源循環利用[26]。灰水因水源和用戶使用情況不同，其水質存在地域差異性[24]，實際使用時需根據實際出水水質、運行維護難度、經濟等因素進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，進行資源化利用時需要滿足GB/T 18920—2002《城市雜用水水質標準》、GB/T 25499—2010《城市污水再生利用 綠地灌溉水質》等標準，有研究表明灰水再利用可減少城市用水25%～40%[27]。灰水由于缺少黑水和黃水的碳源，導致其碳氮含量較低，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肥，采用源分離技術后，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酵形成有機肥，或通過厭氧消化處理用于沼氣制作[11]，進行資源化利用時需要滿足NY 525—2012《有機肥料》和GB/T 51063—2014《大中型沼氣工程技術規范》等標準。在整個源分離系統中，其資源化效益主要來自節水，利用黑水制作有機肥的收益僅占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，以人糞尿為主的有機肥、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13 g COD)[33]，pH值約為6.5[34]。通常，一個人每天平均產生約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技術可有效地回收氨[31, 35]，回收到的氮、磷、鉀資源可按照NY 2269—2012《農業用硝酸銨鈣》、GB/T 2440—2017《尿素》等標準進行農業有機肥制作，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)。據估計全球有500多個污水源熱泵已在運行中，可提供城市約3%的建筑熱量[41]，目前該技術被廣泛用于我國北方供暖地區，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對灰水中的大量余熱進行置換，用于周圍的居住建筑、辦公樓、工業建筑、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《污水源熱泵系統設計規范》進行設計，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施途徑

根據城鎮規模、污水資源化利用程度，生活污水排放系統可以分為4類(表1)，本文重點關注大型城鎮污水高度資源化回收技術，以下分別從污水源分離器(始端)、污水傳輸系統(中端)和污水處理系統(終端)角度探究合適的實施技術。

表1 生活污水排放系統類型

3.1 污水源分離器

根據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行分離后，再采用相應的管道系統實現對尿液分離傳輸，因此，黑水和黃水分離的關鍵是采用何種尿液分離器。尿液分離器一般設置兩個排放口，中間設置隔板，分別采用真空閥控制，以實現尿液分離。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]。與傳統便器(6～8 L水)相比，尿液分離器實現了較大程度的節水[30]。近年來的實際工程案例表明，黃水收集器容易結垢形成鳥糞石、碳酸鈣等，有研究對比分析了不同沖水水質、沖水量等影響因素下的黃水收集器及管道的結垢情況[34]，針對實際應用中不易結垢、易清潔、防臭的糞尿分離器還有待進一步研發。

3.2 污水輸送系統

污水輸送系統目前主要有3種形式：依靠重力作用傳輸、負壓傳輸和壓力傳輸，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。傳統排水系統常采用重力流進行污水傳輸，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生的動力實現污水傳輸[42]；而負壓傳輸系統最早由荷蘭工程師Lierunr提出，但礙于當時技術的實施難度，很難保證負壓系統運行穩定。近年來隨著負壓技術的逐漸成熟，采用負壓輸送城市生活污水成為可能，已有企業將該技術用于實踐，如萬若(北京)環境工程技術有限公司[43]。負壓傳輸技術的復雜性和高成本給該技術帶來了消極的影響，但負壓傳輸技術具有淺溝、較小的管道以及因減少挖掘而產生較低安裝成本等特點，對于平坦的地形、地下水位高的地區、水保護區和容易發生洪水的地區具有很大優勢。有研究對比了壓力傳輸和負壓傳輸的故障特點，結果表明壓力傳輸系統的大多數故障來源于水泵，而負壓傳輸系統的較大故障來源于真空閥[44]。通常認為負壓傳輸系統具有更大的優勢[45]，它比重力傳輸和壓力傳輸更具獨特性。目前世界上最大的負壓排水系統在迪拜棕櫚島建成，由40 km的管道組成，為2 000棟別墅提供服務[46]。隨著基礎設施的老化和生態城市概念(包括再生水利用、糞便資源化回收和沼氣發電)的不斷深化，負壓排水技術可以為翻新或半集中式的糞尿分離系統提供可行的替代方案[44]，Skambraks等[12]對負壓排水系統的實施條件進行了研究，結果如圖2所示。

圖2 負壓排水系統可行性分析

針對源分離技術，灰水可采用重力系統進行傳輸。與灰水相比，黑水含固率高、流動性差，如采用重力傳輸系統容易造成管道堵塞，且施工復雜、工程量大、泵站數量多，故黑水更適合采用負壓傳輸系統。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，如進行長距離傳輸仍建議采用負壓傳輸系統。此外，黃水在管道中的停留時間是影響管道結垢的重要因素，故應合理控制黃水收集站的規模和在管道內停留的時間[34]。

3.3 污水處理系統

生活污水源分離技術實施后得到的灰水、黑水和黃水需分別單獨處理。根據灰水水質特征，可采用傳統污水處理系統，如MBR、MBBR、BAF、RBC、過濾技術、人工濕地等[46]。灰水處理工藝需根據初期投資費用、后期投資費用、水處理效果、占地面積等進行合理選擇。對于黑水，目前國內外常用的處理方法有化糞池處理、結合下水道和污水處理廠的二級處理、厭氧發酵、好氧發酵、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。黃水中營養元素豐富，目前相關的處理工藝也比較成熟，如利用腐熟法、離子交換吸附法、沉淀結晶法、微藻培養法、膜處理法、電化學法對其資源化利用[38]。

綜上，對于生活污水源分離已有工程應用案例，從技術層面已基本可以實現。有研究表明，生活污水源分離技術實施中大多數故障(約占2/3)來源于用戶使用不當[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的接受度，并進行技術培訓，以保證用戶能從源頭幫助城市實現污水源分離。為使生活污水源分離技術更好地實施，負壓閥門、糞尿分離便器、黑水和黃水管道防結垢技術以及配套的智能運維系統有待進一步開展專題研究。

4 實例分析

為進一步分析生活污水源分類收集系統的效益，以某10萬人規模(20個小區，每個小區5 000人，日用水量2萬m3)的城鎮為例進行經濟核算。假設將生活污水分為灰水和黑水進行收集，則該項目的灰水處理規模為16 820 m3/d，黑水處理規模為380 m3/d，假設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，包括構建生活雜用排水系統、沖廁排水系統、沼氣廠、有機肥廠，較傳統污水排放系統投資費用(1.38億元)增加約1.98億元。本項目采用源分離后進行資源化處理和利用，其中，有機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個運維人員，運維費用約為40.5萬元。源分離效益體現在：①節水效益，黑水由源分離負壓馬桶統一收集，節水約6萬m3/a；灰水資源化利用后實現節水約300萬m3/a，合計節約1 820.7萬元。②節能效益，源分離系統每年節約藥劑聚合氯化鋁10.95 t、聚丙烯酰胺10.95 t，除氮除磷減少用電約180萬kW·h，合計節約121.8萬元。③經濟效益，項目每年生產復合肥2 090 t、沼氣800 t，合計收益195.2萬元。④環境效益，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，節省填埋空間1.0萬m3/a。通過上述項目投資、運維、效益分析，得到源分離系統整體收益為2 062萬元/a(由于環境減排效益的經濟價值難以估計，此次計算中未考慮)，經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應用規模擴大將大大縮短投資回收期，帶來巨大的經濟效益和社會效益，對我國實現碳中和具有重要的現實意義。

5 結 語

本文系統地分析了生活污水源分離技術的發展背景、污水資源化及其技術實施途徑。城鎮生活污水源分離技術是未來綠色城鎮發展的方向，為更好地推動污水源分離技術的實施，應進一步研發綠色、節能、節水、節碳的生活污水源分離器、污水傳輸技術、污水處理工藝、智能監測與運營平臺、用戶反饋系統、技術評價體系，并研究編制適合我國國情的城鎮生活污水源分離技術實施技術導則、設計規范、行業標準等。此外建議將城鎮生活污水源分離技術納入“十四五”規劃，初步在一些新型城鎮中進行規劃、設計、建設、運營的全流程示范和包括經濟、節能、節水、節碳、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實施方案及評價體系，以便應用于其他城鎮，尤其是新建城鎮中。