尿液分离与源头控制卫生排水系统

尿液分离与源头控制卫生排水系统郝晓地,宋虹苇,赵靖(北京建筑工程学院可持续环境生物技术研发中心,北京100044):基于尿液分离的源头控制卫生概念近年来在欧洲一些国家兴起,这不仅可有效回收氮、磷等植物营养元素,而且可简化后续污水处理工艺流程。为此介绍了以尿液分离为中心的源头控制卫生概念、尿液分离的具体方法与尿液中营养元素的利用方式,并讨论了尿液分离后对粪便与污水处理的影响以及回收营养元素的能耗问题。:尿液分离;源头控制卫生;营养物回收;鸟粪石:X703.1:B:1000-4602(2005)06-0024-04UrineSeparationandSourceControlforSanitarySewageDrainageSystemHAOXiao-d,iSONGHong-we,iZHAOJing(R&DCenterforSustainableEnvironmentalBiotechnology,BeijingInstituteofCivilEng-ineeringandArchitecture,Beijing100044,China)Abstract:Inrecentyears,theconceptofurineseparationandsourcecontrolforsanitationhasariseninsomeEuropeancountries;itcannotonlyefficientlyrecovertheplantnutrientelementssuchasnitrogenandphosphorus,butalsosimplifythesubsequentwastewatertreatmentprocesses.Therefore,in-troductionwasgiventotheconceptofsourcecontrolforsanitationwithurineseparationascentre,thede-tailedmethodofurineseparation,andthewaytotheutilizationofnutrientelementsfromurine;andf-inally,theinfluenceofurineseparationonfocalandwastewatertreatmentandtheenergyconsumptionforrecoveryofnutrientelementswerediscussed.Keywords:urineseparation;sourcecontrolforsanitation;recoveryofnutrientelemen;tstruvite:2002(02-2-2.1);(KZ200410016017,KM200310016072)研究显示,城市污水中80%的氮负荷与50%的磷负荷来自于人类排泄的尿液。将尿液分离后直接、间接利用乃目前欧洲一些国家(如瑞典、丹麦、德国、奥地利、荷兰等国)分散式污水处理的一个热点研究方向。1源头控制卫生概念传统上,生活污水为尿液、粪便、洗涤/洗浴等的混合流,习惯上被称为/黑水0,如果将生活污水进一步细分,即为/灰水0、/黄水0和/棕水0。灰水由来自厨房与卫生间的洗涤、洗浴水组成;黄水指尿液[含或不含冲洗水;人的尿液量约为1.3L/(人#d),传统冲洗尿液水量为35L/(人#d),现代源头控制冲洗尿液水量仅为0.7L/(人#d)][1];棕水为粪便以及手纸和冲洗水。表1为德国研究人员对组#24#第21卷第6期2005年6月中国给水排水CHINAWATER&WASTEWATERVo.l21No.6Jun.2005成黑水各种成分的特征分析[2]。1Tab.1Domesticwastewatercharacteristics营养物负荷/(kg#人-1#a-1)灰水/%[25000~100000L/(人#a)]尿液/%[500L/(人#a)]粪便/%[50L/(人#a)]N(4~5)38710P(0.75)105040K(1.8)345412COD(30)411247表1清晰地显示,尿液(黄水)对家庭生活污水中的营养物质贡献最大;灰水虽然体积最大,但对营养物质的贡献最小;粪便(棕水)的体积约为尿液的1/10,但含有近一半的有机物负荷和大量的病原菌。尽管粪便中含有大量病原菌,但灭菌处理后可作为良好的土壤调节剂。尿液可经简单处理后用作农业肥料。灰水经不同的生物处理方法处理并砂滤后形成的中水可以回用或进行地下水回灌。与源头控制卫生概念相关的技术目前已有应用[3],如尿液与粪便分离式便器已在瑞典、丹麦、德国、荷兰等欧洲国家使用,这种便器内有两个收集器(如图1所示):前端为收集尿液之用,后端则与常规便器相同,用来收集粪便。尿液以及冲洗水可用管道单独收集并被转移至专门贮存的容器中长时期贮存,经简单处理后回用于农业生产[2]。粪便用极少量的水冲洗后用管道收集,并与来自厨房和花园的一些可生物降解物质一同处理(堆肥法),堆肥后的最终产物可用作花园以及农业土壤调节剂。尿液相对来说是无菌的,无需作灭菌处理便能够被用作作物养分,但粪便的污染可能使病原菌侵入尿液,如果尿液在被(农业)施用前贮存6个月以上则可将卫生方面的危险降至最低程度[4]。但是在贮存期间,由于尿素分解细菌的水解作用使尿素很容易被分解为氨与重碳酸盐,导致pH值升高,在尿液中形成磷酸钙、鸟粪石(NH4MgPO4#6H2O)、方解石等沉淀。尿液长期贮存的结果往往是:90%的总氮以NH3形式存在、pH达9左右、至少30%的磷被沉淀[5]。当尿液中绝大部分氮以NH3形式存在时、会使NH3在运输、搅动、泼洒应用时因挥发而损失[4]。因此需采取相应措施,具体作法是投加硫酸或醋酸降低pH值[6]。1(NoMix)Fig.1NoMixurineseparationtoilet2尿液利用与处理尿液分离后直接用作肥料时一般先要进行体积缩减处理(体积减少5~10倍),常用的技术有蒸发、部分冷冻、反渗透等[7]。分散式收集的尿液可用罐装车每年分两次运送至专门工厂进行体积缩减处理。浓缩后的尿液主要被作为尿素肥料而应用于农业生产。自从瑞典实践尿液分离以来,瑞典农民已经开始在地下贮存罐中贮存被收集并被转运来的尿液用于农业生产。现场试验表明,为了防止NH3的挥发以及高pH值可能对农作物造成损害,尿液被酸化(pH5)后完全可以充当一种良好的肥料,但是不能过量使用,以避免因大量盐分进入土壤而导致农作物产量降低。分离后的尿液中营养物也可以鸟粪石沉淀形式回收后再用作肥料[8]。根据尿液中的氮、磷含量,需投加一定的镁源和磷源才能回收全部氮。一项最新的调查表明,被回收的鸟粪石在市场上是对传统肥料最具竞争力的一种替代品[9]。另外,尿液中的氮也可以氨吹脱的方式脱除,然后用酸溶液吸收后回收,如形成的(NH4)2SO4。在对尿液直接或间接利用不现实的场合,对尿液中的氮进行生物脱除便成了另外一种技术途径。对此,传统硝化+异养反硝化途径以及现代亚硝化(SHARON)+自养反硝化(ANAMMOX)成为技术选#25#第6期郝晓地,等:尿液分离与源头控制卫生排水系统第21卷择,因后者耗氧量较少、不需要消耗有机物(COD),所以被认为是理想的可持续技术途径[10]。3粪便处理建立在源头控制卫生概念基础上的粪便处理可以借助于刚刚开始应用的一种新技术)))Rottebe-haelter,即预堆肥池。这种专对粪便以堆肥方式处理的技术通常是建于地下的混凝土池,底部有两个每隔6~12个月交替工作的滤床或两个并排悬挂的过滤袋[2](见图2)。目前奥地利、瑞士、德国等国家以此作为生活污水的预处理技术。与化粪池等传统技术相比,该技术不破坏人类粪便中对农业有益的营养成分,不需昂贵的罐式装运车辆。然而,对过滤袋的清理并不是一项简单的工作,今后仍需进一步改进。预堆肥池一般用预应力混凝土板覆盖(但要方便更换滤袋、检查与清理工作),并留有专门通风口。预堆肥池内的一个滤袋充满时,手动将进水管(可转向管)导向另一清空滤袋。由于尿液已被分离,被滤出的液体(滤液)所含营养物质很低,引出后可同灰水一道处理(如进入人工湿地)。在德国,研究人员对一已在运行的预堆肥池进行了性能调查。他们分别对预堆肥池内的滤袋取样进行分析,结果见表2。超过70%的含水率必然导致厌氧情况发生,然而取样时并未嗅到臭味,表明滤袋内发生了缓慢的分解。试验表明,在滤袋内适当投加树皮、稻草等结构膨胀材料有助于改进堆肥条件,如C/N比、湿度、溶解氧等。在堆肥作用之后,滤袋(含或不含结构膨胀材料)可截留原粪便中30%~35%的碳、60%~70%的氮,35%~45%的磷、20%的钾[2]。2Fig.2StructureofRottebehaelter(pre-compostingtank)2Tab.2Characteristicsofpre-composedmaterials项目含水率/%(湿物质)燃烧损失/%(干物质)C/%(干物质)N/%(干物质)C/NP/%(干物质)K/%(干物质)pH温度/e工作滤袋87.7295.4846.66.741B0.140.691.077.2118闲置滤袋83.1493.2650.37.161B0.140.611.616.30204尿液分离对后续污水处理工艺的影响为了了解尿液分离对后续污水处理工艺的影响,荷兰研究人员作了一项数学模拟演示试验[11]。以BCFSm作为参考工艺[12],同时设计一个尿液分离、营养物沉淀回收(鸟粪石)、后续污水处理的推荐工艺(见图3)。推荐工艺建立在尿液分离后回收营养物并同时处理后续污水(粪便与灰水混合物)的概念上,按不同液流分别处理、处置尿液与污水,未能在鸟粪石中被沉淀的多余氮则以后续的SHAR-ON+ANAMMOX结合工艺进行自养脱氮处理。尿液分离的比例应控制在剩余的营养物质刚好满足污水好氧处理时细胞合成所需的最低营养比率,否则还得再额外投加营养物质。3Fig.3Flowchartofproposedprocess#26#第6期中国给水排水第21卷模拟试验结果表明,以去除氮、磷为目的的污水三级处理工艺确实可因尿液分离而受益。当分离60%左右的尿液时出水中的总氮能下降2.5~7.5mg/L。进一步提高尿液分离比例,对出水氮的进一步大幅度下降不太明显;反之,可能会因太低的进水氨氮浓度而影响细菌的合成。当尿液分离比例为60%~70%时,可使出水中氨氮、硝酸盐氮、磷酸盐浓度均低于1mg/L。尿液分离可降低污水处理的能量消耗,以去除氮、磷为目的的污水处理工艺(BCFSm)通常的能耗为6W/(人#d),而推荐工艺可使能耗下降到1W/(人#d),这主要是因为所产生的甲烷对能量的贡献之故,也因为使用了低能耗的脱氮工艺(SHARON+ANAMMOX);尿液分离以及转运尿液的能量消耗7W/(人#d)。尿液分离对生物除磷效果几乎没有影响,在推荐工艺中40%~80%的磷可被回收,这主要取决于在污泥消化池与管道中磷的沉淀程度。5能耗分析分析表明,尿液分离后直接作为肥料或以鸟粪石形式间接作为肥料,的确比去除氮、磷后再从自然资源中工业合成化肥所消耗的能量要低。以硝化/反硝化脱氮,再以工业合成氨的方式利用氮的能耗为90MJ/kgN(硝化+反硝化能耗为45MJ/kgN,合成氨能耗为45MJ/kgN)。若以SHARON+ANAM-MOX方式脱氮再合成氨,能耗将降低至64MJ/kgN(SHARON+ANAMMOX能耗为19MJ/kgN,合成氨能耗为45MJ/kgN)。与以工业固氮方式合成氨这种高耗能(45MJ/kgN)工艺相比,尿液分离与回收营养物的工艺很具有竞争力。其中,蒸发水分缩减尿液体积的方法最适用、方便,因为这可极大方便尿液运输与贮存。另一种回收尿液中营养成分的方法为形成鸟粪石沉淀,耗能为102MJ/kgN,似乎比上述传统途径生产化肥耗能(90MJ/kgN)要高,但是鸟粪石中1kg氮可同时结合2.2kg磷,而等量的磷肥生产要耗能64MJ/kgP,总能耗高