生态排水的理念与实践

书书书生态排水的理念与实践张!健!!高世宝!!章!菁!!#$%&’()*+’,+-./0!!聂璋义1万若2北京3环境工程技术有限公司!北京44455#01汉堡科技大学!德国$!!摘!要!!近年来不断有学者对欧洲城市化过程中所形成的城市排水模式进行反思!认为其存在高耗水%高耗能%末端治理和资源流失等缺陷&污水中的粪尿量很小却是生活污水中有机物和营养盐的主要来源!因此以源头分离和资源回收循环为核心的排水模式受到重视&分析了这一技术思想变革的背景!介绍了源分离%粪尿资源化方面已有的探索实践及其可行性!并探讨了在我国实施的意义&!!关键词!!排水系统#!生态排水#!生态卫生#!源分离中图分类号!67481!!文献标识码!*!!文章编号!4449:;40!044540!#$%&’(#)#*+,)$’($%-.$/0($)/1)#(’)’(#=?@#(%-#!@AB’(CD%$#!=?@#(-E#!#$%&’()*+’,+-./0#!?FG’%-ECH(!!#$%&’()*+,-*#.%#,,&%#./0,12#’3’.)4’!5+6!#7,%8%#.44455#42%#9$0!0,12#%193:#%$,&*%+);9-=&.9;9&=&.#,&-9#)!!234’,)$’%!I’+J%-(/%/($-K%//+,-+J/%DL(J’+..M,(-E/’++%,LHM,D%-(J%/($-(-GM,$K+(J(-&,+%J(-ELH&,(/(&(N+.D+&%MJ+$O/’+’(E’&$-JM)K/($-$OP%/+,%-.+-+,EH%JP+LL%J/’+L$JJ$O/’+,+J$M,&+J1I’+O%+&%L)%//+,%-.M,(-+(J$-LH%Q+,HJ)%LLK%,/$O/’+/$/%LP%J/+P%/+,DM/&$-/%(-J/’+)%(-L$%.$O/’+$,E%-(&)%//+,%-./’+)$J/$O/’+-M/,(+-/J1I’+,+O$,+J$M,&+J+K%,%/+.%-.,+J$M,&+$,(+-/+.J%-(/%/($-JHJ/+)JE%(-)$,+%//+-/($-1I’+D%&RE,$M-.$O/’+&$-&+K/&’%-E+(J%-%LHN+.1I’+,+J+%,&’P$,RJ#/’+%KKL(&%/($-.+)$-J/,%/($-%-.J$)+O+%J(D(L(/HJ/M.(+JO$,J$M,&+J+K%,%/($-#/,+%/)+-/%-.,+M/(L(J%/($-$OO%+&%L)%//+,%-.M,(-+%,+K,+J+-/+.1S(J&MJJ($-J%,+)%.+O$,/’+()K$,/%-&+$O/’+()KL+)+-/%/($-(-T’(-%1!!5%67,*4%!.,%(-%E+JHJ/+)$!J%-(/%/($-JHJ/+)$!+&$L$E(&%LJ%-(/%/($-$!J$M,&+J+K%,%/($-!生态排水理念的提出欧洲早期城市化中所形成的冲水马桶排污和生活污水混合排放的水载重力排放系统已发展成为近代全球城市排水的基本模式&自04世纪U4年代以来在可持续发展理念的大背景下越来越多的学者对这一模式提出反思和批判#主要体现在以下几方面%!!传统排水模式从理念上把水作为收集输送废弃物的载体#存在高耗水的特征#浪费水资源&!人粪尿仅占污水总量的V#但其含有污水中大部分的TAS和营养盐!氮’磷’钾()#传统处理模式中首先将其稀释#然后再消耗能量将其分离#存在技术和经济不合理的现象&#!目前污水处理厂出水中仍含有进水中04V的氮’WV以上的磷和U4V以上的钾#是受纳水体富营养化的主要原因&如城市污水处理厂出水中磷含量为)EXY左右#而流速慢的地表水为防止富营养化的磷含量为414)EXY左右#则前者是后者的44倍&$!混合污水成分复杂#在污水处理厂各操作单元达到较高技术水平后可使出水各项水质指标合格#但污水处理过程中产生的大量污泥一般以填埋作为最终处置方式&即使采用费用很高的焚烧处**第0:卷!第0期0445年月!!!!!!!!!!!!中国给水排水T=F?ZIG[\ZBIGZIG[!!!!!!!!!!!!!]$L10:?$10#%-10445理#由于能量回收有限#所能达到的也仅是污泥的减量化(0)#所以污泥的处理与资源化仍是一大难题&%!对污水处理厂污泥中营养盐的回收虽然已有不少探索#但都存在经济或技术上的局限性#未能得到工业应用&由于磷和钾是有限的不可再生资源#以及制造氮肥又需消耗大量能源#加之农田因缺乏有机肥滋养而退化#这都将使农业与人居的物质交换链几乎被彻底截断&&!传统排水模式的混合排放与远距离输送均不利于污水的资源化和城市水圈的良性循环#较高的输水费用限制了再生水在市区内的应用&城市生活污水的人均排放量约44^044YX.#其中人粪尿的量仅约^0YX!人*.#约占污水总量的V^0V#但其却含有生活污水中含碳有机物总量的;4V’氮和磷总量的U4V以上’钾总量的;4V^74V以及绝大部分的大肠杆菌&针对传统模式的弊端以及人粪尿和生活污水在质和量上的巨大差异#04世纪末瑞典’德国’瑞士等国学者相继提出分散排水与再利用!S+&+-/,%L(N+.B%-(/%/($-%-.[+MJ+#S+B[’替代排水!L/+,-%/(Q+G-/P%+JJ+,M-E’可持续排水!BMJ/%(-%DL+B%-(/%C/($-’生态排水!G&$L$E(&%LB%-(/%/($-等新概念#其核心是源分离!B$M,&+B+K%,%/($-或源管理!B$M,&+_%-%E+)+-/#即将人粪尿与生活杂排水分离并进行能量和资源的回收#受污染程度低的杂排水与雨水分散资源化&国际水协自044年以来已举办8届以G&$L$E(&%LB%-(/%/($-!G&$B%-命名的国际会议#G&$B%-作为概括这一新理念的术语也得到越来越多的应用&国内学者将G&$J%-分别翻译成生态卫生!排水’生态卫生’生态排水(8^W)#鉴于+给水’排水+的广泛使用#笔者在文中采用了生态排水的概念&#源分离对策与技术手段归纳目前已有的应用#源分离手段可分为以下几类%!!不冲水的堆肥干厕&该类厕所与我国农村普遍应用的干厕区别在于尿液与粪便分离#尿液从便器的小便区单独排出#大便收集后添加约与粪便量相同的锯末或灰土#通过堆肥发酵实现粪便的稳定化(;)&该类厕所在欧洲低人口密度的乡村已有较多应用#但在人口密度高’多层建筑’使用频率高等情况下#应用较困难&!尿液分离的冲水厕具&在便器的小便区单独设立排污口用以分离尿液#小便区所需冲洗水量较小!41^41WY#并通过重力流单独收集&单独收集的尿液可以减少排水中约W4V的磷负荷’近U4V的氮负荷#该类源分离在欧洲已有较多示范案例&#!极少量冲水的负压厕具或尿液分离负压厕具&负压冲厕利用排污管道中的负压与常压的压力差!约:4^74R‘%#可显著节水!冲厕耗水约Y#并同时得到高浓度的粪尿#在小便区单独设立尿液排污口!小便冲厕耗水约41Y实现尿液的单独收集&德国已在一个有8W4人的小区使用负压厕具进行粪尿源分离#我国清华大学的环境节能楼对此也进行了示范应用&上述干厕应用中粪尿采用人工和车辆清运&在已实施的重力流尿液分离冲水厕具示范中#尿液也多采用就地利用或车辆清运的方式&对于在城市区域较大规模地实施尿液分离#Y%,J+-等建议利用现有的污水管网在夜间排水低峰时#将尿液集中排入污水管道并在污水处理厂收集’处理和资源化(7)&也有学者认为#尿液的收集可沿用垃圾清运的思路#因为每人每天平均排放Y多的尿液仅是每人每天产生垃圾容积的X8!按每人每天产密度为418/X)8的RE垃圾计&相比之下#以负压便器为基础的源分离可以将厕具与负压排水很好地结合起来#从而可较方便地实现粪尿的集中收集&由于粪尿量较少及冲厕水量的大幅度降低#粪尿在几公里内的负压输送或负压与压力管道相结合的输送方式具有较好的经济可行性和应用前景&$源分离后的处理与资源化$%!杂排水处理与利用粪尿分离后的杂排水在量和质上与传统混合污水相比都有显著降低#通过不同的处理途径以较小的费用得到再生水#可用于绿化用水或作为地表景观水&$%#尿液资源化对于人口密度低的地方如农村#尿液经过一定的储存期后达到稳定化#可直接作为肥料使用&对于人口密度高的地方如城市#为更好地解决尿液的收集与储运#对其进行浓缩和处理则十分必要&_%H+,于044年报道了瑞士对尿液蒸发浓缩的研究#根据该研究结果设计的反应器可将尿液体*0*第0:卷!第0期!!!!!!!!!!!!!!中国给水排水!!!!!!!!!!!!PPP1P%/+,E%J’+%/1&$)积缩至X4#耗电约7_#XRE氮#燃料耗能约_#&反渗透用于浓缩尿液的试验显示#将尿液浓缩W倍时耗能约为W^4RZ*’X)8#与每公斤氮肥生产耗能!W8_#相比#该方法仍具有能量上的优势(5)&磷酸铵镁盐沉淀是回收氮’磷的另一种可能途径#]$-Z$LOO+,J.$$,O向尿液中投加价格便宜的_EA回收磷酸铵镁盐#混凝后磷酸根浓度由710)EXY降至41;8)EXY&虽然磷的去除率和回收率较高#但系统中仍有较高浓度的氮未被去除#仍需进一步处理(U)&另一种减容和回收氮肥的途径是对尿液进行吹脱处理&*+’,+-./等报道了尿液吹脱回收4V的氨水试验#并设计了一个以万人为规模的工业装置#回收的氨水体积是原来尿液体积的WV#所需主要设备为直径2)’高约4)的吹脱塔和吸收塔!相同人口规模的传统污水处理厂脱氮则需要容积为8444)8的构筑物(4)&$%$粪便或粪尿混合污水的资源化在德国一个居住人口为8W4人的新建住区#高浓度的粪尿通过负压厕具和负压排水管网收集#与粉碎后的厨余垃圾混合后在WWa下停留4’杀菌&该系统可在87a下发酵#发酵罐容积仅为W4)8&同时在相应的农田边建造一个容积为5个月储存量的储罐#以调节不同季节对施肥量的需求&b+-E等对粪尿及粪尿加厨余垃圾发酵回收能量和稳定化的反应动力学进行研究#结果表明粪尿水的厌氧发酵反应时间可控制在4.内#而且粪尿的水解反应速度比厨余垃圾快很多()&Y$K+N等对粪便的好氧生物氧化性能进行了研究(0)#在84^;4a的条件下#0’内的生物活性!好氧速率达到最大值#0:’后系统趋于稳定#生物活性降低&另外‘+/+,Cb,$+’L(&’建议在采用尿液分离的同时将大便废水过滤#然后进行生物好氧处理#一方面就近实施资源回收#另一方面还可节省市政排水系统的费用&针对粪尿中所含?’‘特别是?浓度很高的特点#张镜汤建议在厌氧消化后先加入T%A或_EA#既可沉淀磷#又可提高系统的K=值&上清液或滤液则可用空气对?=8进行吹脱#然后投加硫酸将氮以硫酸铵的形式回收(8)&$%&粪尿农用的安全性笔者同时将尿’大便’杂排水’有机垃圾及污水处理厂!不含工业废水污泥中所含有毒有害物质及其所含养分!氮和磷进行比较#结果发现人粪尿中有毒有害物质的含量最低#污水处理厂污泥中有毒有害物质含量相对最高#绝大部分指标高出粪尿数倍到数百倍&所以#源分离后的粪尿农用比污泥农用更加安全&&环境与经济效益及技术可靠性&%!乡村区域Y+&’-+,等(:)针对奥地利农村提出了以44人!0W座住宅为基准制定了8种污水排放对策%%1混和污水进入管网和处理厂的传统模式$D1水冲厕但尿液分离$&1尿分离的干厕及杂排水分散处理&结果表明#除了环境和生态效益外#D和&在经济性上明显优于传统模式%&&%#城市区域德国ZMKK+,/%L研究所以1W万人的规模为单位对传统模式及负压厕具收集粪尿的源分离模式!粪尿和厨余垃圾厌氧稳定化处理并回收能量#杂排水经处理’消毒后作为地表水并反渗地下水进行了分析与比较(W’;)&研究显示源分离的污水排放系统在材料消耗上仅为传统模式的X8^X0&传统污水模式能量消耗为94RZ*’X!人*%#而源分离可回收的能量为45RZ*’X!人*%#其中含节约肥料生产能耗为;4RZ*’X!人*%&传统污水排放系统及处理厂的