基于源分離的農(nóng)村污水資源化技術(shù)現(xiàn)狀與展望

摘要：針對(duì)目前中國(guó)農(nóng)村的生活污水收集配套設(shè)施不健全、處理技術(shù)不適用等問(wèn)題，本文通過(guò)分析農(nóng)村生活污水的組成與特點(diǎn)，提出采用源分離與資源回收利用相結(jié)合的技術(shù)模式。首先闡述了黑灰分離、糞尿分離2種源分離方案的實(shí)施方式與可行性；然后針對(duì)源分離處理后產(chǎn)生的黑水、黃水、灰水等分別歸納分析了適宜于農(nóng)村地區(qū)的資源化處理技術(shù)；最后基于源分離的污水資源化處理技術(shù)發(fā)展瓶頸與趨勢(shì)，提出了重點(diǎn)研發(fā)方向和建議。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村生活污水；源分離；資源化；分散處理；中水回用

基金項(xiàng)目：亞太建設(shè)科技信息研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（YT202102）

引言

隨著農(nóng)村人居環(huán)境提升的發(fā)展要求和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的全面實(shí)施，如今多數(shù)農(nóng)村將傳統(tǒng)旱廁改為了水沖廁所，但從生態(tài)循環(huán)角度來(lái)看，城市的“水沖廁所+污水處理”可能并不普遍適用于農(nóng)村，現(xiàn)行的污水混排方式不僅使糞尿“肥水”變成了“廢水”，也造成了后續(xù)處理工藝高能耗高投資，導(dǎo)致了農(nóng)村污水處理設(shè)施因資金不足閑置和運(yùn)行困難等問(wèn)題。

為克服混排污水處理的缺陷，可將不同類型污水分開收集與處理的源分離技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。源分離技術(shù)從源頭削減污染負(fù)荷的角度探索農(nóng)村生活污水治理的新路徑，不僅能降低后續(xù)處理工藝的難度與能耗，而且還可實(shí)現(xiàn)資源再利用，滿足我國(guó)農(nóng)村生活污水分散處理與糞尿資源還田的實(shí)際需求。

1農(nóng)村生活污水的組成與特點(diǎn)

農(nóng)村生活污水主要是指農(nóng)村居民日常生活所產(chǎn)生的污水，主要包括洗浴、洗滌、沖廁和廚房等排水。相比城市，農(nóng)村生活污水具有污染物種類簡(jiǎn)單、濃度低、基本不含或少含重金屬和有毒有害物質(zhì)、水質(zhì)波動(dòng)較大等水質(zhì)特征。若按污水來(lái)源與水質(zhì)分類，我國(guó)農(nóng)村生活污水一般可分成2類，即一類是由日常洗浴、家庭洗滌和廚房用水等產(chǎn)生的灰水，其污染程度較低，主要為有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物，便于處理；一類是由人體排泄物及沖洗用水等產(chǎn)生的黑水，包含了黃水（尿液）和褐水（糞便），主要為生理污物。日均人排尿液和糞便的體積約為生活污水的1%～2%[1]，與灰水量相比微乎其微。GAJUREL D R等[2]對(duì)生活污水進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)黑水中化學(xué)需氧量（COD）、氮（N）、磷（P）、鉀（K）的含量對(duì)污水中相應(yīng)含量的貢獻(xiàn)比例分別達(dá)59%、97%、90%和66%；ALMEIDA M C等[3]研究表明，黑水中COD、總懸浮固體（TSS）、氨氮（NH3-N）、正磷酸鹽（PO4-P）分別占生活污水中相應(yīng)含量的43.19%、77.14%、97.11%、79.18%。由此可見(jiàn)，黑水幾乎含有生活污水中所有的N、P、K等營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)也是生活污水的主要污染來(lái)源。因此，若將黑水和灰水分開處理，只讓灰水進(jìn)入下水道，不僅可以降低后續(xù)污水處理的難度和成本，同時(shí)也能讓黑水中糞尿養(yǎng)分實(shí)現(xiàn)資源化利用，提供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

2農(nóng)村生活污水源分離方案

基于上述農(nóng)村生活污水水質(zhì)組成與特點(diǎn)分析，并結(jié)合農(nóng)村生產(chǎn)生活現(xiàn)狀，提出2種源分離方案，即一種是將生活污水分為黑水和灰水2大類的黑灰分離方案；一種是在黑灰分離的基礎(chǔ)上，將黑水中的糞便和尿液也實(shí)現(xiàn)分開收集，稱為糞尿分離方案。

2.1黑灰分離方案

黑灰分離方案相對(duì)比較簡(jiǎn)單，借助不同的排水收集系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)。其中，由于黑水含固率高、流動(dòng)性差，一般需借助負(fù)壓收集系統(tǒng)，在較少量沖廁水（如單次收集糞便僅需200 mL沖廁水）時(shí)即可實(shí)現(xiàn)污水的高效收集，并且收集到的黑水容積小、濃度高，可通過(guò)好氧、厭氧或其他方法進(jìn)行資源化處理。灰水則通過(guò)重力流管道或負(fù)壓收集器進(jìn)入負(fù)壓管網(wǎng)單獨(dú)收集處理。

從資源化回用角度來(lái)看，黑灰分離方案已被實(shí)踐證明可行，如MALILA R等[4]指出，在農(nóng)村應(yīng)用黑灰分離排水系統(tǒng)，可以比傳統(tǒng)污水處理系統(tǒng)多回收超過(guò)30倍的氮資源和4倍的磷資源，對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)影響降低了80%；徐康寧等[5]對(duì)德國(guó)呂貝克市的住宅區(qū)采用源分離生態(tài)排水系統(tǒng)分別收集和處理黑水和灰水進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不僅降低了處理成本，同時(shí)也能分別回收到生活污水中60%、46%和43%的氮磷鉀資源。目前，黑灰分離方案在我國(guó)很多農(nóng)村地區(qū)也已經(jīng)有了實(shí)際應(yīng)用，如天津市寧河區(qū)在村民家中安裝負(fù)壓氣沖便器和收集器，從源頭上分離了黑水和灰水，目前應(yīng)用較為成熟，已惠及4200戶村民[6]；河北邯鄲的南界河店村應(yīng)用源分離負(fù)壓排水技術(shù)，黑水進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵池，處理后代替化肥在有機(jī)種植園施用，灰水經(jīng)人工濕地凈化處理后達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)回用[7]。

2.2糞尿分離方案

糞尿分離方案主要借助于糞尿分集式生態(tài)廁所實(shí)現(xiàn)，其通過(guò)糞尿分離裝置，將糞尿通過(guò)不同的排泄口進(jìn)行收集，分別儲(chǔ)存于蓄尿桶和貯糞池中，最后再進(jìn)行處理。糞尿分集式生態(tài)廁所一般分為生態(tài)旱廁和微水沖2大類，其中生態(tài)旱廁無(wú)需沖水，微水沖類小便區(qū)沖洗水量約為0.1～0.5 L/次，糞便沖水耗水量約為0.7 L/次，用水量也僅為抽水馬桶的7%。糞尿分集式生態(tài)廁所在歐洲有很多應(yīng)用示范，單獨(dú)收集的尿液可以減少排水中約一半的磷負(fù)荷和90%左右的氮負(fù)荷。我國(guó)農(nóng)村地區(qū)也有應(yīng)用糞尿分集式生態(tài)廁所的案例，如山東省臨沂市沂水縣的馬家方莊改革應(yīng)用了糞尿分集式生態(tài)旱廁，糞便統(tǒng)一堆肥產(chǎn)能，處理后的尿液用于農(nóng)田滴灌，效果良好[8]。因此，從整體來(lái)看，源分離方案具有環(huán)保衛(wèi)生、節(jié)水節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)資源回收利用也更徹底，更符合我國(guó)目前的資源形勢(shì)和農(nóng)村產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，應(yīng)用狀況良好。

3基于源分離的污水資源化處理技術(shù)

基于源分離方案，農(nóng)村生活污水可以分為黑水、灰水、褐水、黃水4種類型，其中褐水主要含有一些難降解有機(jī)物、病原菌、磷、鉀等，其資源化路徑以肥料化和沼氣能源化利用為主，技術(shù)方案與黑水基本一致，不再贅述，重點(diǎn)歸納黑水、黃水、灰水等在農(nóng)村地區(qū)可行宜推廣的資源化方案。

3.1黑水資源化處理技術(shù)

源分離黑水有機(jī)負(fù)荷高、病原微生物含量多、氮磷含量高，其資源化主要思路是創(chuàng)造厭氧、高溫等不適于糞大腸菌群等病原體生存的環(huán)境，在實(shí)現(xiàn)糞便無(wú)害化的同時(shí)，回收其富含的有機(jī)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。因此，堆肥、甲烷回收、出水回用是農(nóng)村地區(qū)黑水資源化利用適宜的路徑。農(nóng)村地區(qū)源分離黑水資源化途徑如圖1所示。

3.1.1 堆肥

堆肥是農(nóng)村黑水最常見(jiàn)也最便捷的資源化處理方式。通過(guò)將黑水儲(chǔ)存在化糞池或沼氣池中，利用沉淀和厭氧消化對(duì)污染物初步降解，上清液經(jīng)稀釋處理后灌溉農(nóng)田，沉淀污泥與植物秸稈、有機(jī)垃圾等混合做堆肥處理。湖南省汨羅市伏林村源分離的黑水經(jīng)“小三格”化糞池處理后，部分黑水就地利用，部分糞水糞渣由第三方集中資源化利用，建立“沼液肥+配方肥+微噴灌水肥一體化”利用消納示范基地；四川省眉山市丹棱縣也已形成了“居民-肥料-廠家”的良性產(chǎn)業(yè)模式。

3.1.2與廚余垃圾混合厭氧消化

與廚余垃圾混合厭氧消化是實(shí)現(xiàn)黑水資源化的另一可行方式。廚余垃圾中含有大量可消化有機(jī)物，與黑水共同厭氧處理時(shí)，發(fā)現(xiàn)水解效率得到明顯提高，甲烷化率可達(dá)39.7%，大大增加了甲烷產(chǎn)量，消化產(chǎn)物穩(wěn)定后可將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[9][10]。經(jīng)研究，黑水除了與廚余垃圾混合處理外，也可以與其他有機(jī)質(zhì)混合進(jìn)行資源化處理。

3.1.3利用植物栽培系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)出水回用

利用植物栽培系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)出水回用是新探索的黑水資源化方式。原來(lái)的出水回用處理一般需要經(jīng)過(guò)生物處理加深度處理，處理能耗和成本較高。近年研究發(fā)現(xiàn)，借助植物栽培系統(tǒng)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)黑水的處理和資源化利用。如J1N Z等[11]分別利用屋頂綠化栽培系統(tǒng)和垂直綠化栽培系統(tǒng)，有效處理黑水污染物并充分利用其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，所培育的經(jīng)濟(jì)作物長(zhǎng)勢(shì)良好。

3.2 黃水資源化處理技術(shù)

源分離黃水其主要成分為水（95%）、尿素（1.8%）和無(wú)機(jī)鹽（1.1%），具有氮、磷濃度高且存在形式單一、C/N低、易水解等特點(diǎn)。適宜農(nóng)村地區(qū)的黃水資源化路徑主要有尿液腐熟后用作農(nóng)家肥、借助物化法實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的工藝化回收2種。

3.2.1尿液腐熟后用作農(nóng)家肥

尿液腐熟后用作農(nóng)家肥是農(nóng)村黃水最簡(jiǎn)易的資源化方式，是指尿液儲(chǔ)存發(fā)酵分解，經(jīng)過(guò)一系列物化和生化反應(yīng)，其中的尿素轉(zhuǎn)化為植物易于吸收的NH3-N形式。一般尿液腐熟6個(gè)月即可有效殺滅其中的致病菌，滿足農(nóng)用肥料的安全標(biāo)準(zhǔn)。PRADHAN S K等[12]研究表明，作物種植過(guò)程中使用腐熟處理后的尿液能顯著提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。此技術(shù)操作簡(jiǎn)單、成本低，適宜在農(nóng)村地區(qū)推廣，但要重視解決腐熟過(guò)程散發(fā)異味的問(wèn)題。

3.2.2氮磷資源工藝化回收

氮磷資源工藝化回收技術(shù)主要分為濃縮脫水、吸附、化學(xué)沉淀、生物處理、電化學(xué)及膜處理5種處理技術(shù)，主要特點(diǎn)如表1所示。氮磷資源工藝化回收技術(shù)雖資源利用效能高，卻大多存在能耗高、成本高或運(yùn)行維護(hù)要求高的問(wèn)題。化學(xué)（鳥糞石）沉淀法和吸附法（沸石）工藝簡(jiǎn)單、能耗低，應(yīng)用上相對(duì)較為成熟，可作為農(nóng)村地區(qū)黃水資源化處理重要應(yīng)用方向，不過(guò)也需考慮和其他技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用降低運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)性。

3.3 灰水資源化處理技術(shù)

源分離灰水主要含有一定量的有機(jī)質(zhì)、氮磷無(wú)機(jī)鹽和少量的油脂、表面活性劑、微生物等，具有產(chǎn)生量大、污染物濃度低、病原菌少的特點(diǎn)，一般選用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)處理即可達(dá)標(biāo)排放或回用，可用于農(nóng)田灌溉、沖廁、景觀及綠化等。

灰水處理工藝復(fù)雜多樣，生物處理、生態(tài)處理及人工強(qiáng)化的物化處理技術(shù)均有廣泛研究和應(yīng)用。針對(duì)灰水的處理，對(duì)于經(jīng)濟(jì)條件較好、土地資源較為緊張且出水要求較高的農(nóng)村地區(qū)或嚴(yán)寒地區(qū)，建議采用好氧生物處理技術(shù)；對(duì)于大多數(shù)土地資源豐富的農(nóng)村地區(qū)，適合采用建設(shè)成本低、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單的生態(tài)處理技術(shù)。生態(tài)處理技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的是人工濕地，據(jù)劉玲花等[15]的研究，人工濕地系統(tǒng)對(duì)灰水的處理效果中TSS、BOD、COD、TN、TP等的去除率可分別達(dá)到90%～98%、87%～99.5%、70%～98%、33%～82%、50%～80%。因此，厭氧生物處理和物理過(guò)濾技術(shù)對(duì)污染物處理效果一般，很難達(dá)到再生水水質(zhì)要求，一般需要與其他技術(shù)組合使用。

4問(wèn)題分析與建議

基于源分離的農(nóng)村生活污水資源化處理方案在技術(shù)層面基本可以實(shí)現(xiàn)，但有些技術(shù)在實(shí)際調(diào)試運(yùn)行環(huán)節(jié)存在一些問(wèn)題，阻礙了技術(shù)發(fā)展推廣和模式長(zhǎng)久運(yùn)行，建議重點(diǎn)在4個(gè)方面突破應(yīng)用的短板。

4.1 黑水資源化技術(shù)方面

與模擬研究數(shù)據(jù)相比，實(shí)際工程中黑水氮磷鉀資源的回收率普遍較低[16]，經(jīng)研究其資源化處理過(guò)程受環(huán)境溫度和使用習(xí)慣影響大，有機(jī)物降解不徹底。建議探究不同溫度條件下的黑水資源化處理技術(shù)方案，研究確定不同地區(qū)黑水與植物秸稈、有機(jī)垃圾、廚余垃圾等的混合比例，或綜合考慮不同地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)，研發(fā)一體化集成黑水處理系統(tǒng)。

4.2 黃水資源化技術(shù)方面

近年的工程案例表明，黃水收集器及管道很難正常長(zhǎng)期運(yùn)行，高濃度尿液水解后，管道內(nèi)污水pH增高，導(dǎo)致含磷化合物反應(yīng)生成沉淀，造成管道結(jié)垢、堵塞。建議研發(fā)適用于高濃度污水、不易結(jié)垢、易清潔的輸送設(shè)備管材和糞尿分離器，或突破相關(guān)技術(shù)，合理控制黃水在管道內(nèi)的停留時(shí)間。另外，在已有資源化工藝的基礎(chǔ)上，建議重點(diǎn)研究尿液腐熟過(guò)程中的防臭措施和工藝化回收過(guò)程的成本控制方案。

4.3 灰水資源化技術(shù)方面

灰水處理技術(shù)受季節(jié)溫度波動(dòng)較大影響，冬季低溫或嚴(yán)寒氣候?qū)е绿幚硐到y(tǒng)中的微生物及植物活性較弱，凈化效果大打折扣，甚至無(wú)法正常運(yùn)行。建議開展低溫條件或嚴(yán)寒地區(qū)灰水處理與資源化利用集成技術(shù)及裝備研究，重點(diǎn)開發(fā)耐低溫、出水水質(zhì)可調(diào)節(jié)的灰水處理與回用設(shè)備。

4.4 系統(tǒng)運(yùn)維方面

據(jù)研究表明，生活污水源分離技術(shù)在工程應(yīng)用中的大多數(shù)故障（約占2/3）源于用戶使用不當(dāng)或運(yùn)行不當(dāng)，進(jìn)而導(dǎo)致許多項(xiàng)目被迫中止[17]。因此，建議研編源分離技術(shù)和資源化處理技術(shù)相關(guān)運(yùn)維方案和用戶使用指南，并研發(fā)建立配套的智能運(yùn)維系統(tǒng)和用戶反饋平臺(tái)，妥善解決后續(xù)運(yùn)維問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)

基于源分離的農(nóng)村生活污水處理技術(shù)在充分節(jié)約了水資源的同時(shí)，既能降低處理成本和能耗，又可實(shí)現(xiàn)資源能量的循環(huán)利用，適合我國(guó)農(nóng)村生活污水處理特點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。目前，關(guān)于尿液、糞便中氮磷物質(zhì)回收及能量資源轉(zhuǎn)化的相關(guān)研究大多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段或中試階段，考慮到不同農(nóng)村地區(qū)地域氣候特點(diǎn)和生活習(xí)慣差異性較大，因此在實(shí)際應(yīng)用中如何兼顧成效和成本、如何因地制宜地構(gòu)建源分離方案和規(guī)劃資源化處理路徑，還需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

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作者簡(jiǎn)介

王國(guó)田（1982—），男，漢族，河北唐山人，碩士研究生，副研究員，研究方向?yàn)槭姓こ膛c水環(huán)境治理。