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源分離生態(tài)效應及其資源化技術(shù)

城市排水管網(wǎng)源于19世紀工業(yè)革命之時(shí)的歐洲,當時(shí)主要是基于衛生方面的考慮,以減少經(jīng)飲用水傳播的疾病(如霍亂、痢疾等)[1]。從那時(shí)起,象征"現代文明"的抽水馬桶以及集中式管道排水系統便一直延續至今,

城市排水管網(wǎng)源于19 世紀工業(yè)革命之時(shí)的歐洲,當時(shí)主要是基于衛生方面的考慮,以減少經(jīng)飲用水傳播的疾病( 如霍亂、痢疾等)[1]。從那時(shí)起,象征"現代文明"的抽水馬桶以及集中式管道排水系統便一直延續至今,成為當今城市發(fā)展的一種普遍排水模式[2]。然而,這種"一沖了之"的"現代文明"在強調可持續發(fā)展、生態(tài)文明建設的今天顯得有些倒行逆施,因為我們祖先"食物來(lái)自于土地,排泄物回歸土地"的這一生活習慣在現在看來(lái)恰恰是一種樸素的生態(tài)循環(huán),已被國內外有識之士譽(yù)為"原生態(tài)文明"[3]。的確,當前主流集中式排水系統加劇了水危機、磷危機甚至是能源危機[4,5]。沖水馬桶用大量的水稀釋、沖走排泄物,一方面加劇了水資源匱乏和水體污染的程度,另一方面導致排泄物中大量營(yíng)養物質(zhì)( N、P、K) 以及含能物質(zhì)(COD) 遠離它們的"故土",走上一條流向大海的"背井離鄉"之路。與此同時(shí),這種"現代文明"方式也增加了環(huán)境風(fēng)險[6],增加了基礎建設投資以及維護費用與運行能耗[7]。研究表明,傳統的污水處理模式運行能耗高達50~100kW·h /(人·a)[2],這顯得"現代文明"是一種不可持續的生活方式[8]

對此,"現代文明"下的集中式排水方式在其可持續性以及生態(tài)效益方面日益受到學(xué)者們的質(zhì)疑[9],以至于以源分離為主的分散式生態(tài)排水方式重獲新生[2,9]。所謂源分離就是在源頭上將排泄物與生活排水分開(kāi),一方面可以最大限度地收集、處置、回用排泄物中的營(yíng)養成分,使之用于可持續的農業(yè)生 產(chǎn); 另一方面可以實(shí)現節水、節能的雙重效果[10]。其實(shí),農村旱廁以及曾經(jīng)缺乏衛生系統的城鎮居民采用的夜壺方式都是源分離之雛形。然而,這些方式雖然方便糞尿返田,增加物質(zhì)循環(huán)的可生態(tài)性,但其在衛生方面的缺陷確實(shí)令人望而生畏。如果糞尿返田這種原生態(tài)方式"生態(tài)而不衛生"的話(huà),那"現代文明"下的抽水馬桶則是"衛生而不生態(tài)"[3]。因此,完全回歸原生態(tài)文明的生活狀態(tài)顯然不太現實(shí)。這便成就了源分離技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展,在最大程度上保留現代潔具衛生、舒適、便捷的前提下,通過(guò)新型衛生潔具實(shí)現糞、尿與生活污水的分離,最大限度恢復糞尿返田的原生態(tài)文明習慣。

原生態(tài)文明習慣是中華民族五千年燦爛歷史中農耕文明的重要標志。然而,這種樸素的生態(tài)習慣卻被淘汰,反而被"現代文明"的發(fā)源地———歐洲視為人類(lèi)寶貴的文化遺產(chǎn)。結果,源分離的概念起源于歐洲,源分離的研究盛行于歐洲、源分離的技術(shù)也多來(lái)源于歐洲[2]。介紹了源分離產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應,總結了源分離后對糞便、尿液收集、利用方式以及使其資源化的技術(shù)。

1 源分離生態(tài)環(huán)境效應評價(jià)

源分離產(chǎn)生的直接生態(tài)環(huán)境效應是可有效截留、分離糞便和尿液所含磷等營(yíng)養元素,使之盡可能返回它們的"娘家"———土地。此外,直接生態(tài)環(huán)境效應還包括水資源節約和水污染減緩等方面內容。源分離產(chǎn)生間接環(huán)境效益是降低污水處理程度,以及由此導致的能耗降低和碳減排問(wèn)題。

1.1 直接生態(tài)環(huán)境效應

1. 1. 1 回收營(yíng)養物

古時(shí)有"肥水不流外人田"的俚語(yǔ),其實(shí)說(shuō)的就是糞、尿中所含的氮、磷、鉀、有機物等營(yíng)養物回歸土地,用于農業(yè)再生產(chǎn); 這種糞尿返田習慣是化學(xué)肥料問(wèn)世前中國農業(yè)生產(chǎn)所需肥料的重要來(lái)源,也是我國五千年農耕文明中對世界原生態(tài)文明最值得稱(chēng)贊的樸素貢獻。有研究顯示,在可持續發(fā)展的循環(huán)農業(yè)經(jīng)濟方面,糞尿返田同有機垃圾、剩余污泥農用相比,無(wú)論在經(jīng)濟效益、還是生態(tài)效益及使用的安全性方面均具有顯著(zhù)優(yōu)勢。而源分離最主要的目的就是實(shí)現糞尿無(wú)害化處理以及對其中氮、磷、鉀等有用資源的原生態(tài)回歸。在磷礦資源日益匱乏的情況下,源分離的作用和目的顯而易見(jiàn)。

權威研究顯示,如果維持全球農業(yè)生產(chǎn)對化肥3%的年增長(cháng)量需要,目前全球剩余磷礦產(chǎn)資源已達不到再供人類(lèi)使用100年的預期,最多僅夠再維持50年左右的時(shí)間[11,12]。對我國而言,每年消耗的磷( 單質(zhì)) 為1200×104t,其中磷肥的使用就達到了750×104t,若不采取任何措施按照目前的消耗速度,現存的儲藏將只夠維持35年。盡管我國磷礦儲藏量為世界第三[13],但實(shí)際儲備不容樂(lè )觀(guān); 2014 年國家統計局公布的統計數據顯示,我國磷礦儲藏量折標(P2O5)為30.7×108t[14],僅占世界總儲量(470×108t)的6.5%[15],況且,我國磷礦儲藏量中磷礦石元素品位并不高,不太具有經(jīng)濟開(kāi)采價(jià)值的三級磷礦構成 (P2O5<30%) 占總儲藏量的59.6%[13]。磷在糞尿不返田的現代生活方式下呈直線(xiàn)式流動(dòng),即從陸地向海洋運動(dòng),導致在近兩個(gè)世紀以來(lái)磷的流失狀況不斷加劇,已出現了嚴重的磷日益枯竭現象[16]

在磷危機顯現的這種處境下,最大限度地遏制磷流失已使人類(lèi)處于必須面臨并為之采取行動(dòng)的危機關(guān)頭。因此,從污水或動(dòng)物糞便中回收磷便成為國際研究的熱點(diǎn)[17],以使之成為人類(lèi)的"第二磷礦"[18]。其中,源分離作用不可小覷。尿液體積雖然不大,僅占生活排水量的1%~2%[2],但尿液中的磷含量卻占到生活污水磷含量的50% 。歐盟國家每年通過(guò)尿液、糞便排放的磷( 單質(zhì)) 達80×104t/a,占歐盟全年總磷進(jìn)口量的33% 、磷肥進(jìn)口量的57%[19]。目前,歐盟采用源分離方式回收的比例約為20% ,每年有將近16×104的磷通過(guò)源分離回收并返田[19]。在我國,城市采用源分離技術(shù)的比例極低,僅局限在一些示范工程( 如奧林匹克森林公園)上; 本來(lái)農村普遍采用的旱廁糞尿返田習慣也幾近消失,導致每年近150×104t的磷通過(guò)污水處理而流失[16]。如果源分離比例在歐盟和中國均能達到80% ,這將會(huì )為歐盟和中國分別節省64×104t /a和120×104t /a的磷資源。此外,畜牧業(yè)對磷元素的排放也是一個(gè)"黑洞",我國畜牧業(yè)動(dòng)物排泄物導致的磷流失便達200×104t /a[20]。可見(jiàn),對畜牧業(yè)動(dòng)物排泄物實(shí)施源分離并促使其返田利用對遏制磷資源匱乏作用與意義甚至比人糞尿還大。

從集中式污水處理廠(chǎng)回收磷固然可行,也是國內外一些現存污水處理廠(chǎng)開(kāi)始付諸實(shí)施的工程實(shí)踐。然而,基于分散式源分離技術(shù)直接利用尿液和糞便或從尿液回收磷存在明顯的優(yōu)勢,甚至也是國外一些家畜養殖場(chǎng)開(kāi)始效仿的做法[21]。直接從尿液和糞便中回收磷具有明顯的優(yōu)勢:

①尿液組成成分單一,沉淀、回收效率高,通過(guò)硝化/蒸餾和藻類(lèi)吸收等方式處理尿液中的氮、磷 時(shí),回收率近乎100%[22,23];

②尿液中幾乎不含重金屬[24],分離、回收后的磷直接用于農業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險低;

③尿液源分離回收磷設備及操作簡(jiǎn)便而靈活,具有適用性[25];

④黃水、黑水從源頭分離,在回收磷的同時(shí)亦可一并將氮和鉀一起回收[22];

⑤高達90%的氮、磷被分離回收后使得從污水生產(chǎn)再生水變得簡(jiǎn)單和可靠[9]

1. 1. 2 節約水資源

源分離另一個(gè)顯著(zhù)生態(tài)環(huán)境效應是對水資源的節約,主要節約的是沖廁水。現代城市民用建筑一般很少、甚至沒(méi)有中水系統,沖廁水即市政自來(lái)水,約占居家總用水量的30% 。如果采用源分離非混合式NoMix馬桶[26],可節約80%的沖廁水量。源分離有多種形式[27],總結于表 1。

研究表明,源分離潔具具有很大的節水優(yōu)勢,其中以負壓尿液分離便器節水效果最好,沖廁用水量為傳統節水潔具的 20% 、僅為傳統便器的3% 。即使是負壓便器、重力流糞尿分離便器與傳統節水便器相比也能節省3/4的沖廁水量。這種源分離"廁所革命"顯然對城市節水具有舉足輕重的作用。

1. 1. 3 改善水環(huán)境質(zhì)量

城市規模不斷擴張導致"城市"病日益顯現,其中城市黑臭水體最為典型。一方面,城市污水處理廠(chǎng)因糞尿混入導致過(guò)高的氮、磷難以有效去除; 另一方面未截流污水或黑水私接亂排直接進(jìn)入地表水體。這就使得有機物厭氧與富營(yíng)養化導致的黑臭水現象非常普遍。如果能在源頭以源分離方式將尿液和糞便分離、單獨回收,生活污水中80%以上的氮和50%的磷則因此減少,可大大降低污水處理廠(chǎng)氮、磷處理壓力,即使是非截流污水直接進(jìn)入水體亦可減少相應氮、磷負荷,也能減緩黑臭水發(fā)生的概率。

此外,尿液源分離還可有效減少人體排出的激素和藥物進(jìn)入水體的機會(huì ),而這些 PPCPs 一旦進(jìn)入污水處理廠(chǎng)則很難被降解處理[1]。研究表明,尿液中含有生活污水中各類(lèi)藥物總量的 65%[28]; 另外,人體新陳代謝過(guò)程中產(chǎn)生的一些生物激素(雌性激素、雄激素、利尿激素等) 也往往通過(guò)尿液排泄。顯然,對尿液?jiǎn)为毷占螅幬铩⒓に仡?lèi) PPCPs 的濃度會(huì )相應提高,有可能從尿液中將此類(lèi)物質(zhì)分離或去除[29]。有人對源分離后單獨收集的尿液采用藻類(lèi)處理后發(fā)現,在回收氮、磷的同時(shí)對藥物的去除效果也非常明顯,其中,對乙酰氨基酚、布洛酚(撲熱息痛) 的去除效率可達到 99% ,對美托洛爾(高血壓治療藥物) 的去除效率最高可達 60% ,對其他藥物、激素的去除效果也明顯優(yōu)于污水處理[29]

1.2 間接生態(tài)環(huán)境效應

1.2.1 降低污水處理程度

現代污水處理經(jīng)歷了從一級、二級向三級處理的過(guò)渡與升級,特別是在以控制水體富營(yíng)養化為主要目的的今天,三級處理似乎都難以徹底解決氮、磷的去除問(wèn)題。究其原因,我國污水因有機物含量低而普遍出現碳源不足的現象,以至于氮、磷難以靠生物處理方式有效去除。如果實(shí)施源分離計劃,糞、尿則不再混合進(jìn)入生活污水,使污水一下變得"干凈"起來(lái),實(shí)際上變成了灰水( 即優(yōu)質(zhì)雜排水) 。表 2 顯示了德國典型生活污水污染物的組成與比例[30],可以看出,若實(shí)行源分離隔離糞、尿并單獨處理,污水中的 氮、磷、有機物負荷分別減少 97% 、90% 和59% 。這就是說(shuō),實(shí)施糞、尿源分離后三級污水處理工藝顯得有些"多余",只用一級處理甚至濕地處理,便可解決灰水中剩余近 40% 的有機物,氮、磷的去除則根本沒(méi)有必要。

國內外研究人員曾做過(guò)尿液源分離對污水處理廠(chǎng)脫氮處理效果的影響研究,其中,荷蘭的研究顯示,當尿液分離率達60%時(shí)可減少污水處理廠(chǎng)出水中70%的氮以及近100%的磷[31,32]; 國內模擬研究表明,對于A(yíng)2/O工藝而言,當尿液分離率達到13%時(shí)污水處理廠(chǎng)出水中總氮可達一級A標準,當尿液分離 率 提高到75%時(shí)出水總磷便達一級A標準[33]。因尿液中氮、磷含量高而有機物含量低( 見(jiàn)表 2) ,所以,尿液源分離后實(shí)際上會(huì )相對提高污水處理廠(chǎng)的進(jìn)水C/N和C/P比值,相當于增加碳源的作用,從而可起到強化生物除磷脫氮的效果[33]

1. 2. 2 降低污水處理能耗與碳排放

污水處理能耗一般為5~10W/(人·d) ,而通常從污水中回收的能源卻不足0.02W/(人 ·d) [34]。尿液分離可大大減小污水處理廠(chǎng)的氮、磷負荷,在很大程度上可降低因脫氮除磷所需能耗。荷蘭研究人員曾就尿液源分離對污水處理廠(chǎng)能耗的影響進(jìn)行過(guò)模擬研究,尿液分離前后可使相同污水處理工藝(BCFS) 能耗從6W/(人·d) 降低至1W/(人·d) ,降幅達83%[9]

污水處理工藝脫氮能耗確實(shí)占總能耗的比例很大。如果實(shí)施尿液源分離,并在源頭通過(guò)熱泵回收污水中蘊含的能量,那就應該比集中式污水處理的能耗低很多。對此,研究人員設計了三種脫氮方式予以模擬比較:

①集中式傳統硝化、反硝化;

②集中式厭氧氨氧化;

③分散式源分離回收尿液[35]。從污水處理碳中和運行以及減少溫室氣體排放角度看,三種脫氮方式中源分離的碳排放量最低( 在源頭同時(shí)采用水源熱泵回收灰水中的熱量) ; 每人每年因此可減少CO2排放量47 kgCO2當量/(人·a) ( 燃煤發(fā)電)或95kgCO2當量/(人·a) (天然氣發(fā)電) ;但因源頭回收灰水熱量而致冬季污水處理廠(chǎng)硝化效果可能不佳[35]

2 源分離產(chǎn)物應用與資源化技術(shù)

源分離產(chǎn)物主要是尿液與糞便,其歸宿自然是回歸土地。然而,現代生活方式下的人們總是擔心糞尿返田可能帶來(lái)衛生問(wèn)題以及病原菌傳播疾病問(wèn)題。因此,只要將糞、尿中可能存在的病原微生物有效滅除,原則上可以直接返田施用。

在生態(tài)排水(Ecosan[2]) 的理念下,對尿液和糞便可分別進(jìn)行穩定處理及厭氧消化[36]。尿液經(jīng)穩定處理后病原菌一般均可以被滅除,而糞便與其他生活有機廢物一同消化不僅可以回收能源,亦可取得滅菌的效果[36]

在尿液不便直接作為肥料返田的情況下,亦可以將尿液中的氮、磷等有用資源予以回收。較早文獻報道最多的是從尿液中以鳥(niǎo)糞石(MAP) 形式回收氮、磷[9]。然而,10年的研究發(fā)現,鳥(niǎo)糞石并不是一種十分容易回收的磷酸鹽化合物,因為純鳥(niǎo)糞石回收的最佳 pH 條件實(shí)際上為中性至偏酸性[37],且所需反應時(shí)間甚長(cháng)( 以月為時(shí)間單位) 。為此,目前國際上有關(guān)分離尿液資源化的研究已變得多樣化,出現了尿液硝化/蒸餾、電解、藻類(lèi)吸收等資源化技術(shù)。這些處理方式強調以有效、低廉方式同時(shí)回收尿液中的氮、磷等營(yíng)養物質(zhì)[7,22]

2.1 尿液硝化后蒸餾

對尿液硝化并蒸餾的主要目的是最大限度地回收其中的氮(>90%) 和磷(>30%) [21]。可利用生物方法使尿液中約50%的氨氮(NH4+ ) 通過(guò)硝化作用轉化為硝酸氮(NO3-) ,然后通過(guò)蒸餾、濃縮方式達到回收氮的目的[22]。眾所周知,硝化過(guò)程分別由亞硝化細菌(AOB) 和硝化細菌(NOB) 共同完成; 隨著(zhù)硝化反應的進(jìn)行,pH值下降至6.0左右時(shí)硝化過(guò)程因堿度下降受到抑制,此時(shí)約有一半NH4+ 轉化為NO3- ,形成NH4+∶NO3-為 1∶1 的硝化尿液,并由此開(kāi)始蒸餾、濃縮。

目前該研究仍屬實(shí)驗項目,已分別在南非和瑞士完成,尿液硝化與蒸餾工藝分為 A、B 兩個(gè)部分,如圖1所示[22]。硝化過(guò)程(A) 在某一連續培養的生物膜反應器( 填料體積約占60%)內完成; 硝化反應器運行45d后即達最大硝化速率420 mgN/(m3·d)]; 硝化后尿液通過(guò)泥-水分離裝置分離后進(jìn)入蒸餾器進(jìn)行濃縮。硝化尿液蒸餾(B) 采用德國生產(chǎn)的一種商用蒸餾器,蒸發(fā)量為20L/h; 尿液中約95%~97%的水分會(huì )被蒸發(fā),得到的是一種高濃度硝酸銨液體肥料。

這種尿液硝化、濃縮處理方式除在蒸餾器中添加少量緩蝕劑外無(wú)需添加其他化學(xué)藥劑; 主要耗能是硝化過(guò)程所需曝氣( 部分硝化 0.05kW·h/L,完全硝化0.10kW·h/L) 以及蒸餾所需熱量(0.08kW·h/L,85%熱能可獲得回收) ,綜合運行能耗約為0.14kW·h/L[22]。這種工藝對尿液中病原微生物有一定的殺滅作用,因為硝化反應器中存在的亞硝酸鹽(NO2-) 和蒸餾器中的高溫可以將大部分病原微生物滅活。

2.2 尿液電解

尿液中所含銨離子 (NH4+) 、碳 酸 根 離 子(CO32) 、鈣離子(Ca2+) 等是一種天然電解質(zhì)。因此,對尿液進(jìn)行電解處理顯然是一種可行的技術(shù)方案。實(shí)驗表明,對尿液電解處理會(huì )在陰極產(chǎn)生氨氣(NH3) 和氫氣(H2) ,收集后用酸處理可回收尿液中57% 的氮[38],實(shí)驗過(guò)程如圖 2 所示[22]。尿液電解裝置主要由電解池(EC) 和氣體吸收兩部分組成。電解池陰、陽(yáng)兩極間由陽(yáng)離子膜(CEM) 分開(kāi); 陰極材料為不銹鋼網(wǎng),陽(yáng)極材料為表面涂有防護層(銥氧化物) 的鈦(Ti) 。

圖3[38]詳細顯示了尿液電解電極反應過(guò)程以及離子在電解池內的運動(dòng)情況; 電解池在電場(chǎng)與陽(yáng)離子膜的作用下,尿液中的陽(yáng)離子會(huì )不斷向陰極區移動(dòng)并積累,同時(shí),水在陰、陽(yáng)兩電極上分別放電并生成O2和H2與OH -,使陰極區pH值上升。

陰極區因電解導致堿度上升后,積累在該區的NH4+則以NH3形式逸出,NH3和H2混合氣體在陰極區被真空泵抽吸至含有H2SO4的吸收裝置內吸收NH3形成硫酸銨,殘留氣體則為較純的H2,可用于電解能耗補給。電解雖然耗能較高,但考慮回收H2能源的話(huà),這種硫酸銨綜合生產(chǎn)成本將低于工業(yè)合成氨。電解尿液固然不能全部去除尿液中的氮,但是可降低污水處理中43%的氮負荷,相應降低污水處理能耗。

此外,電解尿液也有其他方法,可在電解池中加入一對或是多對陰、陽(yáng)離子膜,使電解尿液中銨離子(NH4+) 和磷酸根(PO43-) 分別在陰極區和陽(yáng)極區富集濃縮。實(shí)驗結果顯示,這種電解方法可將氮、磷濃度提高到6~8倍[39]

2.3 尿液藻類(lèi)吸收

藻類(lèi)藉氮、磷可以迅速增長(cháng),已廣泛用于污水處理[22]。尿液源分離后具有濃度高、體積較小的特點(diǎn),較為適合通過(guò)藻類(lèi)予以回收。藻類(lèi)生物量中氮、磷含量(干質(zhì)量)分別為2%和3.3% ; 藻類(lèi)生長(cháng)過(guò)程所需碳源為CO2,可實(shí)現對尿液中氮、磷回收的同時(shí)捕捉、同化CO2 ; 產(chǎn)生的藻類(lèi)可用作動(dòng)物飼料、農業(yè)肥料、厭氧消化產(chǎn)能,甚至提煉生物柴油[23,40]

有人用尿液作為培養液在短光路系統中進(jìn)行小球藻去除氮、磷實(shí)驗[22],實(shí)驗中采用了如圖4所示的平板式光生物反應器[23]; 實(shí)驗系統由進(jìn)出水系統(出入4 ℃冰箱) 、光生物反應器、溫度控制系統與光源(400W高壓鈉燈) 、恒溫水浴(35~38 ℃ ) 、pH傳感器、CO2充氣控制閥等組成; 實(shí)驗設計的平均水力停留時(shí)間(HRT) 為1d。

實(shí)驗對尿液不同稀釋程度以及不同光照強度下小球藻對氮、磷的去除情況進(jìn)行了對比實(shí)驗。結果顯示,尿液稀釋程度越小、光照強度越大則合成的小球藻生物量就越多; 合成尿液稀釋20倍、在光照強度為490lx情況下獲得的小球藻合成生物量為2.9g/L,而合成尿液稀釋5倍、在光照強度為990lx條件下小球藻合成生物量可達6g/L[22]。尿液培養小球藻過(guò)程中磷元素的閾值為225mgP/L,而人尿液中氮/磷的物質(zhì)的量之比為34∶1,致使尿液培養小球藻過(guò)程中幾乎100%的磷會(huì )被去除[23]; 但小球藻對氮的去除情形不同,尿液稀釋率小則氮去除率略有提高; 實(shí)驗中觀(guān)察到稀釋10倍時(shí)總氮去除率為47%,當稀釋5倍時(shí)去除率僅僅提高到了51%; 10~ 50倍之間的尿液稀釋率相應于58%~62%之間的氮去除率[23]

2.4 尿液太陽(yáng)能濃縮

回收尿液中營(yíng)養物質(zhì)的方法其實(shí)很多,如反滲透、生物硝化、化學(xué)沉淀、氨吹脫、電滲析、納濾等,但這些方法都需要較高耗能和復雜的操作。有人設計了一種太陽(yáng)能尿液濃縮裝置,可較好地解決能耗與操作問(wèn)題,特別對邊遠、電力無(wú)保障、經(jīng)濟欠發(fā)達地區具有較高的實(shí)用價(jià)值,如圖5所示[41]

實(shí)驗裝置底部面積為2m2,并貼有黑色瓷磚,以最大程度吸收太陽(yáng)能; 側壁及頂部為玻璃材料,頂部玻璃蓋板與水平面成11°夾角,以便于凝結水滴向下流動(dòng)。實(shí)驗用真實(shí)尿液,從研究單位某非混合廁所內收集50L尿液進(jìn)行試驗。尿液進(jìn)入濃縮裝置后因太陽(yáng)輻射以及溫室效應導致溫度升高,尿液中水分蒸發(fā)到玻璃蓋時(shí)遇冷則凝結為水滴,水滴沿玻璃坡度流至底部,經(jīng)排水管從裝置中移除。實(shí)驗裝置運行期間,濃縮器內最高溫度為45~62 ℃,夜晚溫度則下降至25 ℃,濃縮器內溫度平均比環(huán)境溫度高約20 ℃。

分別進(jìn)行A、B兩組平行實(shí)驗,一組未加任何化學(xué)藥劑,直接進(jìn)行尿液太陽(yáng)能濃縮處理; 另一組對尿液進(jìn)行酸化(磷酸、硫酸) 處理,以減少氮的蒸發(fā)流失。經(jīng)26d自然蒸發(fā),兩組50L尿液最后均能獲得360g固體物質(zhì); 其中,磷酸鹽含量從初始時(shí)的0.03% 濃縮至最后固體中的1.87% ; A組實(shí)驗中氮元素從初始時(shí)的0.5% 增至濃縮固體中的1.84% ; B組實(shí)驗因分別用磷酸和硫酸酸化處理,避免了約32% 的氮以 NH3流失空氣,導致B組濃縮固體中氮含量分別高于A(yíng)組4.5倍(磷酸酸化)和3倍(硫酸酸化) 。

濃縮處理幾乎可回收尿液中全部的磷,而酸化處理后能回收尿液中大部分的氮,所以回收固體具有很高的肥料價(jià)值。尿液經(jīng)長(cháng)達26d的暴曬,在高強紫外線(xiàn)照射下亦可滅活大部分病原微生物,可大大降低環(huán)境風(fēng)險。

3 結語(yǔ)

源分離其實(shí)是基于中華民族五千年原生態(tài)文明習慣,是對糞尿返田之營(yíng)養物樸素循環(huán)的現代詮釋。源分離帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境效應作用明顯,不僅可以最大程度地恢復農耕文明,最大限度地遏制不可再生的磷資源的匱乏速度,而且還可節約水資源、有效抑制水污染狀況。進(jìn)言之,糞尿源分離于污水還能大大降低污水處理的程度,有效減少污水處理能耗并實(shí)現碳減排。

糞尿源分離后原則上可以穩定、滅菌后直接返田,用作農業(yè)再生產(chǎn)的肥料。在直接利用條件受限時(shí),亦可通過(guò)一些技術(shù)手段將糞尿資源化。對糞便的資源化處理以與其他有機生活廢物厭氧共消化為主,可以將糞便中有機物轉化為能量物質(zhì)——甲烷。對尿液的資源化處理則有多種方法,如,研發(fā)中的硝化/蒸餾技術(shù)、電解方法、藻類(lèi)吸收、太陽(yáng)能濃縮、化學(xué)沉淀等,無(wú)外乎是直接或間接回收尿液中的氮和磷,使之用作固體或濃縮液體肥料,或通過(guò)藻類(lèi)轉化為能源。

源分離其實(shí)是一種理念,并不存在技術(shù)上的太大難度,只是重"進(jìn)口"、輕"出口"的觀(guān)念與習慣束縛了國人的手腳。然而,一旦磷資源出現危機,人類(lèi)則面臨食物短缺的饑餓狀態(tài)。到那時(shí),"肥水不流外人田、沒(méi)有大糞臭哪有五谷香"的古訓則一定會(huì )重返人間。