城市污水源头分类与粪尿资源化途径的分析研究

城市污水源头分类与粪尿资源化途径的分析研究[日期：2008-10-23]来源：中国生态排水网作者：张健1汪苹2[字体：大中小]摘要：随着中国城市化的高速发展，地表水环境容量的局限日渐凸现。通过高效的节水便器，一方面从冲厕用水上节水，另一方面单独收集高浓度的人粪尿，在达到高效节水的同时将人粪尿从废水中分离。人粪尿的源头分离可以显著减少排水的有机污染负荷和营养盐浓度，从而可以更经济有效地提高处理后出水的水质及其利用价值。单独收集的高浓人粪尿量小并富含城市污水中的有机物和营养盐，可更有效地实现资源化。本文分析研究城市污水的源头分类以及分离出来的高浓粪尿的资源化途径。关键词：粪尿，源头分类，资源回收，节水，生态排水AnalysisStudyonSourceCollectionandUtilizationTreatmentPathwaysoftheNightSoilWangPing,JianZhangAbstract:WithincreasingurbanizationinChina,thecapacityofthereceivingwaterbodiesforsewagebecomesmoreandmorelimited.Usinghighlyefficientwatersavingtoiletsthewaterconsumptioncanbeminimizedatsourceandthehighlyconcentratednightsoilcanbeseparatelycollected.Thesourceseparationcansignificantlyreducethequantityandorganicandnutrientsloadofthesewagesothatthequalityandreusevaluecanbecost-effectivelyimprovedbysuitabletreatmentsteps.Withthelowquantityandhighconcentrationoftheorganicsubstancesandnutrients,resourcescontainedinthenightsoilcanbemoreeffectivelyrecovered.Sourceseparationandutilizationtreatmentpathwaysareanalyzedandstudied.Keywords:nightsoil,sourceseparation,resourcerecovery,watersaving,ecologicalsanitation1.问题与背景城市水资源短缺与城市水域污染是我国大部分城市所面对的问题。随着城市化的高速发展，接纳城市污水的地表水的环境容量的局限日渐凸现。郑兴灿等（2005）对江浙平原河网地区的案例研究显示即使全部城市污水都达到GB18918-2002中一级B的要求，排放的污染物负荷仍然会明显超过受纳水体的环境容量，水污染问题仍然难以真正消除。针对城市的集中性的高耗水、污水对环境容量的压力以及资源的流失，污水的源头分类（SourceSeparation）和源头控制（SourceControl）成为水生态可持续发展的一个重要策略(Otterpohl,1999,Behrendtetal.2001，陈吉宁2005)。冲厕水约占居民用水的1/2-1/3，节水潜力巨大。通过高效的节水便器，一方面从冲厕用水上节水，另一方面单独收集高浓度的人粪尿，在达到高效节水的同时将人粪尿从废水中分离，从而显著减少排水的有机污染负荷和营养盐浓度，便于经济的实现排水和人粪尿的资源化。本文分析研究源头分离以及分离出来的高浓粪尿的资源化途径。2.节水与污水的源头分类的意义现代污水处理厂出水水质远低于地表水水质要求，如现代污水处理厂污水出水的含磷在1mg/L水平，而流速较慢的地表水为防止富营养化需要达到0.01mg/L（Vollenweider，1977,Zhang,etc.,1990），相差一百倍。磷是自然界有限的资源，现代污水处理厂（含生物除磷）随出水流失的磷约为进水的5%，大量的磷留在污泥中，由于污泥成分复杂和经济上的原因无法得到有效利用。在污泥消化后对液相利用MgNH4PO4沉淀的方法回收磷也只占进水总量的15-30%（Heinzmannet.Al.2002）。污泥焚烧处理的飞灰中磷的分离回收同样是一个复杂的过程。用铁盐作为化学混凝除磷所产生的污泥虽然也可以通过相应的工艺技术回收磷和铁盐（Karimnia，1988，Zhang，2000），但由于经济性等方面的原因，未能得到工业应用。废水脱氮和从污水中回收氮肥的意义不仅是由于氮肥生产中的高耗能。Gijzen（2001）指出，过去的40年中全球人口增加了一倍，但世界氮肥产量增加了10倍，占自然氮循环中生物固氮的约37%。现代污水处理厂出水中仍含进水的25%的氮，而含在污泥中的氮通常也未能得到回收利用。Otterpohl（2000）在乌托邦与现实之间-停止人类繁衍过程中给水系带来的压力一文中论证尊重自然的食品物质链循环和停止人类代谢物给地表水系的负担的重要性，并分析化学耗氧量、N、P、K在大便、尿和混合污水总量中的分布规律（见表1）。表1生活污水主要成份分布特征（Otterpohl，2000）总量冲厕水杂排水尿粪量(L/人年)50050化学耗氧量Kg/(人年)3041%12%47%NKg/(人年)4-53%87%10%PKg/(人年)0.7510%50%40%KKg/(人年)1.834%54%12%城市人口人均耗水量受多种因素影响（胡连起等，1999）。以人均耗水150L/人.天计，目前流行的城市排水模式中混合污水中真正人粪尿的量仅为1%，约1.5L。但在1.5L人粪尿中含有生活污水有机物COD总量的59%，N总量的97%，P总量的90%，K的66%，绝大部分的大肠杆菌。如果将粪尿在尽可能不释稀的情况下单独收集，既显著减少耗水，又减少需要处理的排水的总量。实施源头分类后排水量（杂排水）将显著减少，而且污染负荷大大降低，从而可显著节省处理费用并为经济地实现出水达到地表水质要求提供有效前提。张静等（2005）对生活污水的人工湿地处理与资源化进行分析研究，指出人工湿地处理工艺的出水水质能够满足城市中水回用的要求，但仍然存在一些问题，如有机质积累引起的填料堵塞、占地面大、受季节影响严重、对细菌及病原体的去除等。源头粪尿水的分离是解决这些问题的理想途径。即使在不具备粪尿资源化的条件下，源头粪尿分开收集在节水和在排水利用上有显著效益。通过高效节水的便器使冲厕耗水降至最低，其余杂排水的一部分可根据需求进行净化（图1），用于绿化、洗车、路边清洗等，从而避免了传统中水回用中输水成本高的问题。图1：源头分类实现小区节水示意图3.粪尿的单独收集与运输途径高密度城市人口的粪尿收集，已有的经验是化粪池的掏粪车清运，和老城区各家各户马桶每天的粪车清运。这种方式在卫生上的局限是有着粪尿农用悠久历史的中国、亚洲迅速接受、引进西方下水道混合排水模式的一个重要原因。尽管近年来西欧、北欧、日本等经济发达国家越来越多的学者开始从事源头分类、生态排水（EcologicalSanitation）的研究，但由于这些国家的城市下水道管网和污水处理率已接近100%，所以所实现的示范规模仍局限在很小的规模。而在非洲等地实现的示范项目又着重于较贫困地区健康卫生及环境系统的建立，所以也不适合中国城市的具体境况。污水的源头分类可通过不同途径实现，试分析归纳于表2。表2：污水源头分类的实现途径污水源头分类方式主要特征干厕简单，在城市楼房应用有很大局限收集纯尿的便器人尿单独收集，大便与污水混和排放，纯尿可采用重力流输送重力流厕所废水单独收集实现粪尿单独收集，不节省冲厕水传统厕所废水负压输送实现粪尿单独收集，易于输送，但不节水节水负压厕具，分开收集粪、尿的节水负压便器实现粪尿和粪与尿的单独收集，最大程度节水节水的负压厕具系统由于具备节水、满足卫生要求、易于输送等优点，将成为城市区域人粪尿源头分类收集的一个重要技术途径。图2、3为安装在北京一办公楼的节水负压厕具系统（万若环境工程技术有限公司）。该办公楼为六层，每层约80个工作人员。安装该系统前平均每次冲厕耗水约12升。系统由负压蹲便器（图2），粪尿单独管道系统，和粪尿负压储罐组成（图3）。人粪尿及冲厕水通过管道（DN40）被抽吸到集中的粪尿储罐。每次冲水平均水量为0.6升。负压厕所收集的高浓度粪水水质汇总于下表（表3）（汪苹等，2005）。图2：厕所改造前后图3：粪尿收集罐表3：负压厕所收集的高浓度粪水水质COD(mg/l)总N(mg/L)总P(mg/L)5000-12000原始粪尿的上清液或滤液中COD约1/3以下1500-3000新鲜粪尿的滤液中总氮约有500-1500，但相当一部分是尿素，但尿素很不稳定，储存输运过程中变成氨氮200-600滤液中PO4-P约100-200笔者认为较适合中国情况的粪尿运输与处置分布模式可归纳为：1)负压或与压力管道并用输送至集中处理厂：负压输送适宜的距离在3-5km以内，与压力管道相结合服务人口有可能达到传统污水处理厂服务人口的规模。2)利用传统重力流管道输送：粪尿先分散储存，在污水排放低峰期，如夜间，集中排放人粪尿。这一思路由瑞士学者提出，在一定条件下（如排放时间段无工业废水排放）应是一种经济可行的方案，但在规划设计中要与后续的粪尿水处理及其他废水的处理有机的结合起来。在粪尿和其他杂排水共用输水管道时，Zhang提出（万若环境工程技术有限公司，2004）在管道的末端通过色度测量来自动区分粪尿水与杂排水。3)采用车辆输送，如目前流行的化粪池粪便水的清运，然后去集中粪便处理厂处理、利用。这种方式在输送量上有较大的局限。4)分散的粪尿预处理，着重解决减量化，富集的中间产物车辆输送至集中处理厂。5)分散的粪尿处理与资源化。以混和污水处理厂人均干污泥量为80g/人.天（Zhang，1999），浓缩污泥浓度3%计，传统污水处理厂人均产生待处理的原始污泥量为2.4升/人.天。高浓人粪尿的量大约仅相当于同等服务人数的混合污水处理厂浓缩污泥的量，而且与主要成分为微生物细胞的污泥相比，人粪尿的生化降解性好、反应快。所以高浓人粪尿集中处理厂的占地要比同等服务人数规模的集中污水处理厂小得多；分散处理可在城市内空间（如绿地，垃圾清运占，垃圾转运站）布置，并不占用城市有用空间，可由物业等服务部门在专业公司的技术支持下实现日常运行。所以以上所列的几种模式或他们的组合均有可操作性。4.粪尿处理与资源化途径高浓人粪尿的以下特点是选择适宜处理方法时需考虑的：有机物浓度高N、P含量高，特别是N相对于P的浓度更高处理与利用应同时考虑稳定化和杀菌的卫生要求这些特点与化粪池粪便水、动物粪便、污泥、垃圾渗透液有不同程度的相似。综合在这些领域所积累的一些经验并考虑粪尿水资源化的要求，笔者试提出以下几种基本工艺思路及其适宜的规模（表4）。表4：高浓粪尿处理与资源化基本工艺思路与适宜的规模基本工艺思路可能的适宜规模化粪池自然稳定化，肥料利用单位规模小耗氧稳定化处理，肥料利用适宜的规模可能在约500-1000人规模厌氧、好氧稳定化处理，肥料利用适宜的规模可能在1000人规模以上脱水，运走集中处理利用（如堆肥），脱水滤液单独处理适宜的单位规模在几千人以下2008年6月17日以下简要介绍厌氧和好氧以及N、P回收工艺及一些试验结果。厌氧处理产生甲烷，实现能量和肥料回收。但在在分散处理应用中会遇到要求处理周期短、操作可靠和难以实现能量利用的情况。采用高温好氧加混凝处理粪尿废水可实现粪尿水的有效降解和消毒、稳定化处理（万若环境工程技术有限公司，2003）。好氧生化处理高有机物含量的人粪尿，可利用微生物氧化产生的热量自动将系统加热到50oC以上，实现高温耗氧发酵，一方面提高反应速度一倍以上，另一方面实现粪尿的杀菌。系统的热源是生物氧化过程的放热。除细菌增长需要一