生态排水的理念与实践

生态排水的理念与实践

张　健1,　高世宝1,　章　菁1,　Joachi m Behrendt2,　聂璋义1

(1.万若<北京>环境工程技术有限公司,北京100088;2.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;　源分离

中图分类号:X703.1 文献标识码:B 文章编号:1000-4602(2008)02-0010-05

Concept and Appli ca ti on D em on stra ti on for Ecolog i ca l San it a ti on ZHANG J ian1,　G AO Shi2bao1,　ZHANG J ing1,　Joachi m Behrendt2,　N I E Zhang2yi1

(1.EnviroSyste m sEngineering&Technology Co.L td.,B eijing100088,China;

2.Ham burg U niversity of Technology,Ger m any)

Abstract:　The sanitati on pattern established during the early urbanisati on in Eur ope is increasingly criticized because of the high consu mp ti on of water and energy,the end treat m ent as well as the l oss of the res ources.The faecal matter and urine are only a very s mall part of the t otal se wage but contain the main l oad of the organic matter and the most of the nutrients.Theref ore,s ource2separated and res ource2 oriented sanitati on syste m s gain more attenti on.The backgr ound of the concep t change was analyzed.The research works,the app licati on de monstrati on and s ome feasibility studies for s ource separati on,treat m ent and reutilisati on of faecal matter and urine were p resented.D iscussi ons were made f or the i m portance of the i m p le mentati on in China.

Key words:　sanitati on syste m;　ecol ogical sanitati on;　s ource separati on

1　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20世纪90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:

①　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。

②　人粪尿仅占污水总量的1%,但其含有污水中大部分的COD和营养盐(氮、磷、钾)[1],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。

③　目前污水处理厂出水中仍含有进水中20%的氮、5%以上的磷和90%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1mg/L左右,而流速慢的地表水为防止富营养化的磷含量为0.01mg/L左右,前者是后者的100倍。

④　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24卷　第2期2008年1月

中国给水排水

CH I N A WATER&WASTE WATER

Vol.24No.2

Jan.2008

理,由于能量回收有限,仅能达到污泥减量化[2],所以污泥的处理与资源化仍是一大难题。

⑤　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,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。

⑥　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100～200L/d,其中人粪尿的量仅约1～2L/(人・d),约占污水总量的1%～2%,但却含有生活污水中含碳有机物总量的60%、氮和磷总量的90%以上、钾总量的60%～70%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,20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(Decentralized Sanitati on and Reuse,DeS AR)、替代排水(A lternative Ent w aesserung)、可持续排水(Sustainable Sanita2 ti on)、生态排水(Ecol ogical Sanitati on)等新概念,其核心是源分离(Source Separati on)或源管理(Source Manage ment),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2001年以来已举办3届以Ecol ogical Sanitati on(EcoSan)命名的国际会议, EcoSan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EcoSan分别翻译成生态卫生(排水)、生态卫生、生态排水[3～5],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。

2　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:

①　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[6]。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。

②　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(0.1～0.5L),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50%的磷负荷、近90%的氮负荷,该类源分离在欧洲已有较多示范案例。

③　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40～70kPa),可显著节水(冲厕耗水约1L),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0.1L)实现尿液的单独收集。德国已在一个有350人的小区使用负压厕具混合收集粪尿,我国清华大学的环境节能楼通过尿液分离的负压厕具对单独收集粪和尿进行了示范应用。

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,Larsen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1L多的尿液仅是每人每天产生的垃圾容积的1/3(按每人每天产密度为0.3 t/m3的1kg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,粪尿在几千米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。

3　源分离后的处理与资源化

311　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。

312　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。

Mayer于2001年报道了瑞士对尿液蒸发浓缩

张　健,等:生态排水的理念与实践第24卷　第2期