源头分离技术：转变传统的废水处理观念

-32-源头分离技术：转变传统的废水处理观念尿液分离的实例表明，对于未来城市废水管理而言，源头分离技术具有可持续性和资源利用率高等巨大潜力。ToveaLarsen导言20世纪90年代，一些机构开始研究尿液、黑水（粪便污水）和灰水（粪便污水以外的其它生活污水）的分离技术。源头分离措施并不是一个新概念。长久以来该技术一直被视作是一种适合于穷人的低成本、环境友好的技术。但是，一般认为该技术只适用于农村地区，而对于人口密集的地区，则更倾向于采用简单的排水系统。一种新的观点认为，源头分离技术有可能是现有管道末端水处理系统的另一种可持续性选择，甚至在城市化地区和工业化国家都可使用。2000~2006年，瑞士联邦水科学与技术研究所完成了一项名为Novaquatis的多学科研究项目，该项目针对尿液分离技术和消费者接受度等相关内容进行了研究。在Novaquatis启动之前，几个尿液分离的试点工程已在瑞典展开。因此，我们决定依据营养盐循环的假设，更加全面地了解这项技术（图略）。本文中，我们参考了大量Novaquatis项目的研究成果，并将其置于更广泛的国际经验背景中。同时我们意识到，虽然可以获得更多的参考文献，但遗憾的是本文无法将其一一囊括。不过，对于特定问题我们引用了Novaquatis的综述论文，这些文献可引导读者进行深入的思考。此外，由于该领域涉及范围很大，我们集中针对工业化国家进行研究，对于快速工业化和发展中国家只进行简单的展望。历史上，尿液源头分离在许多国家中得到应用，其主要目的是营养物质的高效循环利用。20世纪90年代，瑞典发明了新型尿液分离式（NoMix非混合）冲水马桶。21世纪，为了削减磷的排放量，一些试点项目安装了成千上万个非混合式冲水马桶。但是现代干式尿液分离厕所早在20世纪70年代就已问世。这种厕所大大改善了对干排泄物的卫生管理水平，因此，大量应用在冲水厕所无法安装的地区。例如，2003年在中国约有70万座这种厕所。非混合式冲水马桶（NoMixflushtoilets）目前只用于试点项目，尽管瑞典一些市政部门基于环保原因考虑，为推动这种马桶的安装提供补贴。专题1（略）总结了尿液分离对水污染控制作用的基本原理。源头分离的资源利用率高在过去10年中，作为城市水管理的一项指导性原则，资源利用率的重要性明显提高，最近，随着一项新的废水可持续性资源回收规划和设计示范的形成，资源利用率的要求进一步提高。许多研究表明，源头分离有利于提高资源的利用率，但同时这些研究结论对于特定技术的选择非常敏感。此外，消费者偏好的改变对其影响也很大。引导Novaquatis项目的一个基本概念是处理高浓度、非混合的尿液比处理高度稀释的混合液在资源利用率方面更加高效。我们的研究成果进一步验证了选择技术和发展技术是极为重要的这一论断。例如，虽然从尿液中去除氮比从污水处理厂去除氮更加节约能源，但是与效率极高的工业生产相比，从尿液中回收氮却面临着很大的竞争。计算结果显示，后者存在胜出的可能性，但是难度巨大。磷的回收优势在于工艺先进。源头分离有利于就地处理技术。在尿液源头分离方面，存在2种营养盐处理途径：尿液就地处理或运输到处理厂集中处理。其它废水分离技术也都存在相同的技术选择。我们发现在进行源头分离时，采用就地处理技术更加可行，原因主要是分离废水需要不同的输送管道，而管道的造价高昂。只有在一些小面积、坡度大的集水区域中，废水在管网中的停留时间短，尿液才能在夜间集中进入几乎空的排水系统，或者在适当的时间避峰排放，例如避开污水处理厂珍贵的“早高峰”时段处理氨氮。上述2种方法在技术上都是-33-可行的，在Novaquatis项目中，我们希望形成一种创新的方法，对现有的集中处理和未来的就地处理系统进行技术分析。但是，由于缺乏足够的市场预期以及存在不确定性风险，对Novaquatis项目感兴趣的私营企业不愿投资开发更好的非混合式马桶和冲水设施（此结论的依据来自Novaquatis的一项未公布的圆桌讨论结果，参与讨论的人员来自于卫生设备生产企业，包括马桶、冲水设备的生产商、废水管道制造企业的股东以及废水处理企业的股东）。因此，只有非集中式或就地处理技术能替代分离式管道，而利用卡车运输尿液的方法似乎对城市的吸引力不大。当然，也可以斥巨资建设不同的管道收集尿液、粪便污水和灰水。但是，我们认为长期来看就地处理技术（至少针对尿液而言）将更具有竞争力。首先，有必要开发一些现场技术来解决输送尿液管道堵塞的问题。其次，这些年来我们研究了大量有助于开发废水就地处理的技术工艺。我们就这两种途径加以讨论，通过讨论能很好地揭示浓缩废液的运输与就地处理技术之间的利弊权衡，同时展示新技术带来的新机遇。尿液输送管道的堵塞。尿素（[NH2]2CO）在微生物作用下能快速水解，废水的pH值随之上升，促使含磷化合物发生沉淀而堵塞管道。解决这一问题有2种方法，一种是抑制生物活性，例如利用自我清洁的表面，或在非混合马桶中增加强化沉淀的可更换组件。磷酸铵镁（MgNH4PO4•6H2O）沉淀法实质上是一个简单的反应过程，沉淀物的产生量少。目前存在的主要问题是，需要开发一种足够小的组件整合到马桶中，并在用户和处理技术之间组织友好便捷的界面。我们认为上述两种方法所面临的技术困难相差无几。因此应当考虑就地处理途径，我们认为这种技术在经济上的竞争优势更大。技术工艺。除了去除磷，尿液处理技术还应当能有效去除或回收氮。目前有许多工艺是可行的，并且已经通过了废液处理试验。将氨氮氧化为亚硝酸盐，再利用自养反硝化去除是一个很好的选择，但是现场生物固体处理的问题难以解决。新开发的基因微生物识别工具或许能为稳定生态系统提供有力的帮助，打破我们以往认为复杂的生物过程只能发生在集中处理设施中这一普遍观点。源头分离能带来比传统方法更加直接的可持续解决方案很明显，源头分离和就地处理技术对于没有排水系统的地区吸引力最大。虽然传统上源头分离只适用于农村地区，但新的技术表明这种方法在发展中国家的人口密集地区同样适用。在昆明这座迅速发展的中国大型城市中，我们的研究项目表明，在水污染问题严重的快速工业化国家，地方专业人士也可能支持源头分离技术。在没有排水基础设施的沿海地区，为了保护海洋，避免产生富营养化和低氧“死区”现象，需要去除废水中的氮，尿液的源头分离是一个可选技术。通过尿液收集，能够削减废水中80％的氮来源，这可以与大部分反硝化废水处理厂50%~60％的氨去处理率相媲美。就地处理技术：在变化世界中的经济前景分散处理的一个备受批评的缺点是其经济性差。因此一般只在那些建设收集系统成本过高的地区考虑使用。技术的快速革新，尤其是膜技术的发展改变了上述观点。这项发展不仅技术可行，而且以“数量的经济性”为基础：膜的生产规模越大，其成本越低。很明显，这一规律适用于所有被广泛接受（消费者需要）的分散处理技术。今天，一些源头分离技术已经具备了竞争力。对于尿液分离，一种与传统技术不相上下的技术获得成功，这种非混合家用洁具技术人均只需额外投入260~440美元。我们认为，这种马桶和处理技术具备了大批量生产的可能性。更重要的是，这些技术的操作维护非常简单。因此我们认为有必要进行更进一步的研究。微量污染物给市政污水的管理带来很大的不确定性：我们是否需要在所有污水处理厂新增处理工艺？如果是，世界上那些依靠简单污水处理的地区结局又将如何？同样，在源头采取措施可能将更加有效。人体大约60%~70％的药品和荷尔蒙代谢物由尿液排出。不过，更复杂的污染物通过粪便排出，由此可见粪便和尿液中的生物毒性物质大约各占一半。其它文献中讨论了不同尿液处理工艺中这些微量有机污染物的去除原理。-34-此外，未稀释尿液中高浓度的微量污染物非常适用于吸附处理工艺。总之，利用尿液分离去除一半的药物负荷，同时，在无硝化工艺的集中式污水处理厂，通过更高的污泥产生量提高污泥的吸附性能，在应对日益凸现的微量有机污染物问题上，这将是一项经济有效的措施。同样，对于其它污染物，源头介入与集中处理相比更具有发展前景，例如通过控制建筑材料中杀虫剂和杀菌剂的用量来降低地表水中微量污染物的负荷。人们欢迎源头分离技术，但便捷和安全更加重要一个屡被提及的反对意见是人们或许无法接受源头分离技术，原因是该做法可能会引起感官不适。但是，许多研究表明结果恰恰相反：大部分人欢迎源头分离技术，且不觉得这个想法令人不适。目前，在用的非混合马桶得到了大部分使用者的接受，前提是使用者对其不负维护责任（例如大部分公共建筑中的马桶），此外许多人可以接受生活在一个带有非混合马桶的住房内。同样，一项对比澳大利亚、丹麦、德国、卢森堡非混合马桶试点项目的研究显示，荷兰、瑞典和瑞士居民通常能很好地接受尿液源头分离的做法，尽管使用者往往不得不忍受一些麻烦，如堵塞、气味或较长的冲洗时间等（来自未发表的进展报道）。为了得到广泛的认可，洗手间必须和现在一样舒适，但事实并非如此。此外，如果排除健康和其它风险，公众基本上赞同从尿液中回收营养盐用于农业生产（来自未发表的数据）。同时，农民从实用角度评判尿液肥料——只要这些肥料是安全的、方便的，许多农民就能接受它。从技术示范转向规模化生产是可行的，但是不容易源头分离的潜在优势和参与者的强烈兴趣相互辉映。各个团体主动出击，开展了多个试点项目（这些项目是自费的），建立了与Novaquatis相关的一系列试点项目。在德语国家，目前许多大学与德国水、污水和废弃物处理协会密切合作，形成了最新的研究报告。在荷兰，源头分离研究蓬勃开展，在荷兰应用水研究基金会（STOWA）的合作下，目前有大约20多个试点工程正在开展之中，STOWA是荷兰应用水研究基金会的缩写，代表地方水管理部门参与领域内的合作研究。在其它国家，尽管也有上述或类似的发展，但大部分废水处理专家认为源头分离技术仍然不成熟，且具有一定的风险。现有的集中处理系统在无数研究者和使用者的完善下，已经发展了几十年；源头分离技术“最初”被认为是“低技术含量”的产物，因而很少有资源投入其中用于研发。由于没有人向源头分离技术投资，这种技术顶多在一些地区有小规模的应用，且市场很小。我们相信这种恶性循环能够且应当被打破。如果我们愿意，开发一种与现代家用咖啡机一样操作简便、性能可靠的就地源头分离技术是很有可能的——同样，也是成本低廉的。刘立坤译自SourceSeparation:WillWeSeeaParadigmShiftinWastewaterHandling.《EnvironmentalScience&Technology》，2009，September,1:6121~6125.