城市排水管網(wǎng)源于19 世紀(jì)工業(yè)革命之時(shí)的歐洲,，當(dāng)時(shí)主要是基于衛(wèi)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(xiàn)代文明"的抽水馬桶以及集中式管道排水系統(tǒng)便一直延續(xù)至今,，成為當(dāng)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(xiàn)代文明"在強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展,、生態(tài)文明建設(shè)的今天顯得有些倒行逆施,，因?yàn)槲覀冏嫦?食物來(lái)自于土地，排泄物回歸土地"的這一生活習(xí)慣在現(xiàn)在看來(lái)恰恰是一種樸素的生態(tài)循環(huán),，已被國(guó)內(nèi)外有識(shí)之士譽(yù)為"原生態(tài)文明"［3］,。的確，當(dāng)前主流集中式排水系統(tǒng)加劇了水危機(jī),、磷危機(jī)甚至是能源危機(jī)［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(dǎo)致排泄物中大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)( N,、P,、K) 以及含能物質(zhì)(COD) 遠(yuǎn)離它們的"故土",，走上一條流向大海的"背井離鄉(xiāng)"之路。與此同時(shí),，這種"現(xiàn)代文明"方式也增加了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)［6］,，增加了基礎(chǔ)建設(shè)投資以及維護(hù)費(fèi)用與運(yùn)行能耗［7］。研究表明,，傳統(tǒng)的污水處理模式運(yùn)行能耗高達(dá)50～100kW·h /(人·a)［2］,，這顯得"現(xiàn)代文明"是一種不可持續(xù)的生活方式［8］。
對(duì)此,，"現(xiàn)代文明"下的集中式排水方式在其可持續(xù)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,，一方面可以最大限度地收集、處置,、回用排泄物中的營(yíng)養(yǎng)成分,，使之用于可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生 產(chǎn); 另一方面可以實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能的雙重效果［10］,。其實(shí),，農(nóng)村旱廁以及曾經(jīng)缺乏衛(wèi)生系統(tǒng)的城鎮(zhèn)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(wèi)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(wèi)生"的話,，那"現(xiàn)代文明"下的抽水馬桶則是"衛(wèi)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(xiàn)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(xiàn)代潔具衛(wèi)生,、舒適,、便捷的前提下，通過(guò)新型衛(wèi)生潔具實(shí)現(xiàn)糞,、尿與生活污水的分離,，最大限度恢復(fù)糞尿返田的原生態(tài)文明習(xí)慣。
原生態(tài)文明習(xí)慣是中華民族五千年?duì)N爛歷史中農(nóng)耕文明的重要標(biāo)志,。然而,，這種樸素的生態(tài)習(xí)慣卻被淘汰，反而被"現(xiàn)代文明"的發(fā)源地———?dú)W洲視為人類寶貴的文化遺產(chǎn),。結(jié)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(yīng),，總結(jié)了源分離后對(duì)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(yīng)評(píng)價(jià)
源分離產(chǎn)生的直接生態(tài)環(huán)境效應(yīng)是可有效截留、分離糞便和尿液所含磷等營(yíng)養(yǎng)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(yīng)還包括水資源節(jié)約和水污染減緩等方面內(nèi)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(dǎo)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(yīng)
1. 1. 1 回收營(yíng)養(yǎng)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(jī)物等營(yíng)養(yǎng)物回歸土地,，用于農(nóng)業(yè)再生產(chǎn); 這種糞尿返田習(xí)慣是化學(xué)肥料問(wèn)世前中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需肥料的重要來(lái)源,，也是我國(guó)五千年農(nóng)耕文明中對(duì)世界原生態(tài)文明最值得稱贊的樸素貢獻(xiàn)。有研究顯示,，在可持續(xù)發(fā)展的循環(huán)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)方面,，糞尿返田同有機(jī)垃圾、剩余污泥農(nóng)用相比,，無(wú)論在經(jīng)濟(jì)效益,、還是生態(tài)效益及使用的安全性方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)。而源分離最主要的目的就是實(shí)現(xiàn)糞尿無(wú)害化處理以及對(duì)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,。
權(quán)威研究顯示，如果維持全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)化肥3%的年增長(zhǎng)量需要,，目前全球剩余磷礦產(chǎn)資源已達(dá)不到再供人類使用100年的預(yù)期,，最多僅夠再維持50年左右的時(shí)間［11，12］,。對(duì)我國(guó)而言,，每年消耗的磷( 單質(zhì)) 為1200×104t,，其中磷肥的使用就達(dá)到了750×104t，若不采取任何措施按照目前的消耗速度,，現(xiàn)存的儲(chǔ)藏將只夠維持35年,。盡管我國(guó)磷礦儲(chǔ)藏量為世界第三［13］，但實(shí)際儲(chǔ)備不容樂觀; 2014 年國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,，我國(guó)磷礦儲(chǔ)藏量折標(biāo)(P2O5)為30.7×108t［14］,，僅占世界總儲(chǔ)量(470×108t)的6.5%［15］，況且,，我國(guó)磷礦儲(chǔ)藏量中磷礦石元素品位并不高,，不太具有經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值的三級(jí)磷礦構(gòu)成 (P2O5＜30%) 占總儲(chǔ)藏量的59.6%［13］。磷在糞尿不返田的現(xiàn)代生活方式下呈直線式流動(dòng),，即從陸地向海洋運(yùn)動(dòng),，導(dǎo)致在近兩個(gè)世紀(jì)以來(lái)磷的流失狀況不斷加劇，已出現(xiàn)了嚴(yán)重的磷日益枯竭現(xiàn)象［16］,。
在磷危機(jī)顯現(xiàn)的這種處境下,，最大限度地遏制磷流失已使人類處于必須面臨并為之采取行動(dòng)的危機(jī)關(guān)頭。因此,，從污水或動(dòng)物糞便中回收磷便成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)［17］,，以使之成為人類的"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(guó)家每年通過(guò)尿液、糞便排放的磷( 單質(zhì)) 達(dá)80×104t/a,，占?xì)W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(guó),，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(nóng)村普遍采用的旱廁糞尿返田習(xí)慣也幾近消失，導(dǎo)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(guó)均能達(dá)到80% ,，這將會(huì)為歐盟和中國(guó)分別節(jié)省64×104t /a和120×104t /a的磷資源。此外,，畜牧業(yè)對(duì)磷元素的排放也是一個(gè)"黑洞",，我國(guó)畜牧業(yè)動(dòng)物排泄物導(dǎo)致的磷流失便達(dá)200×104t /a［20］,。可見,，對(duì)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(duì)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回收磷固然可行，也是國(guó)內(nèi)外一些現(xiàn)存污水處理廠開始付諸實(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(shì)，甚至也是國(guó)外一些家畜養(yǎng)殖場(chǎng)開始效仿的做法［21］,。直接從尿液和糞便中回收磷具有明顯的優(yōu)勢(shì):
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(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)低;
③尿液源分離回收磷設(shè)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(dá)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(jié)約水資源
源分離另一個(gè)顯著生態(tài)環(huán)境效應(yīng)是對(duì)水資源的節(jié)約,，主要節(jié)約的是沖廁水?，F(xiàn)代城市民用建筑一般很少、甚至沒有中水系統(tǒng),，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(jié)約80%的沖廁水量,。源分離有多種形式［27］，總結(jié)于表 1,。
研究表明,，源分離潔具具有很大的節(jié)水優(yōu)勢(shì)，其中以負(fù)壓尿液分離便器節(jié)水效果最好,，沖廁用水量為傳統(tǒng)節(jié)水潔具的 20% ,、僅為傳統(tǒng)便器的3% 。即使是負(fù)壓便器,、重力流糞尿分離便器與傳統(tǒng)節(jié)水便器相比也能節(jié)省3/4的沖廁水量,。這種源分離"廁所革命"顯然對(duì)城市節(jié)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(guī)模不斷擴(kuò)張導(dǎo)致"城市"病日益顯現(xiàn)，其中城市黑臭水體最為典型,。一方面,，城市污水處理廠因糞尿混入導(dǎo)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(jī)物厭氧與富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致的黑臭水現(xiàn)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(dú)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(yīng)氮,、磷負(fù)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(jī)會(huì)，而這些 PPCPs 一旦進(jìn)入污水處理廠則很難被降解處理［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(duì)尿液?jiǎn)为?dú)收集后,，藥物、激素類 PPCPs 的濃度會(huì)相應(yīng)提高,，有可能從尿液中將此類物質(zhì)分離或去除［29］,。有人對(duì)源分離后單獨(dú)收集的尿液采用藻類處理后發(fā)現(xiàn)，在回收氮,、磷的同時(shí)對(duì)藥物的去除效果也非常明顯,，其中，對(duì)乙酰氨基酚,、布洛酚(撲熱息痛) 的去除效率可達(dá)到 99% ,，對(duì)美托洛爾(高血壓治療藥物) 的去除效率最高可達(dá) 60% ，對(duì)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(yīng)
1.2.1 降低污水處理程度
現(xiàn)代污水處理經(jīng)歷了從一級(jí)、二級(jí)向三級(jí)處理的過(guò)渡與升級(jí)，特別是在以控制水體富營(yíng)養(yǎng)化為主要目的的今天,，三級(jí)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(guó)污水因有機(jī)物含量低而普遍出現(xiàn)碳源不足的現(xiàn)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(jì)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(guó)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(dú)處理,，污水中的 氮,、磷、有機(jī)物負(fù)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(jí)污水處理工藝顯得有些"多余"，只用一級(jí)處理甚至濕地處理,，便可解決灰水中剩余近 40% 的有機(jī)物,，氮、磷的去除則根本沒有必要,。
國(guó)內(nèi)外研究人員曾做過(guò)尿液源分離對(duì)污水處理廠脫氮處理效果的影響研究,，其中，荷蘭的研究顯示,，當(dāng)尿液分離率達(dá)60%時(shí)可減少污水處理廠出水中70%的氮以及近100%的磷［31,，32］; 國(guó)內(nèi)模擬研究表明，對(duì)于A2/O工藝而言,，當(dāng)尿液分離率達(dá)到13%時(shí)污水處理廠出水中總氮可達(dá)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),，當(dāng)尿液分離 率 提高到75%時(shí)出水總磷便達(dá)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)［33］。因尿液中氮,、磷含量高而有機(jī)物含量低( 見表 2) ,，所以，尿液源分離后實(shí)際上會(huì)相對(duì)提高污水處理廠的進(jìn)水C/N和C/P比值，相當(dāng)于增加碳源的作用,，從而可起到強(qiáng)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的氮,、磷負(fù)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(duì)污水處理廠能耗的影響進(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(dá)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(yùn)含的能量,，那就應(yīng)該比集中式污水處理的能耗低很多,。對(duì)此，研究人員設(shè)計(jì)了三種脫氮方式予以模擬比較:
①集中式傳統(tǒng)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(yùn)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(dāng)量/(人·a) ( 燃煤發(fā)電)或95kgCO2當(dāng)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硝化效果可能不佳［35］,。
2 源分離產(chǎn)物應(yīng)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(xiàn)代生活方式下的人們總是擔(dān)心糞尿返田可能帶來(lái)衛(wèi)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(duì)尿液和糞便可分別進(jìn)行穩(wěn)定處理及厭氧消化［36］,。尿液經(jīng)穩(wěn)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(jī)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(xiàn)報(bào)道最多的是從尿液中以鳥糞石(MAP) 形式回收氮、磷［9］,。然而,，10年的研究發(fā)現(xiàn)，鳥糞石并不是一種十分容易回收的磷酸鹽化合物，因?yàn)榧凐B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(yīng)時(shí)間甚長(zhǎng)( 以月為時(shí)間單位) ,。為此，目前國(guó)際上有關(guān)分離尿液資源化的研究已變得多樣化,，出現(xiàn)了尿液硝化/蒸餾,、電解、藻類吸收等資源化技術(shù),。這些處理方式強(qiáng)調(diào)以有效,、低廉方式同時(shí)回收尿液中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)［7,，22］,。
2.1 尿液硝化后蒸餾
對(duì)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］?？衫蒙锓椒ㄊ鼓蛞褐屑s50%的氨氮(NH4+ ) 通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝酸氮(NO3－) ,，然后通過(guò)蒸餾、濃縮方式達(dá)到回收氮的目的［22］,。眾所周知,，硝化過(guò)程分別由亞硝化細(xì)菌(AOB) 和硝化細(xì)菌(NOB) 共同完成; 隨著硝化反應(yīng)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(zhuǎn)化為NO3－ ,，形成NH4+∶NO3－為 1∶1 的硝化尿液，并由此開始蒸餾,、濃縮,。
目前該研究仍屬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(xù)培養(yǎng)的生物膜反應(yīng)器( 填料體積約占60%)內(nèi)完成; 硝化反應(yīng)器運(yùn)行45d后即達(dá)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(guó)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(yùn)行能耗約為0.14kW·h/L［22］,。這種工藝對(duì)尿液中病原微生物有一定的殺滅作用，因?yàn)橄趸磻?yīng)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(duì)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(yàn)表明，對(duì)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(yàn)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; 陰極材料為不銹鋼網(wǎng)，陽(yáng)極材料為表面涂有防護(hù)層(銥氧化物) 的鈦(Ti) ,。
圖3［38］詳細(xì)顯示了尿液電解電極反應(yīng)過(guò)程以及離子在電解池內(nèi)的運(yùn)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(qū)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(qū)pH值上升,。
陰極區(qū)因電解導(dǎo)致堿度上升后,，積累在該區(qū)的NH4+則以NH3形式逸出，NH3和H2混合氣體在陰極區(qū)被真空泵抽吸至含有H2SO4的吸收裝置內(nèi)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(bǔ)給。電解雖然耗能較高,，但考慮回收H2能源的話,，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(fù)荷,，相應(yīng)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(duì)或是多對(duì)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(qū)和陽(yáng)極區(qū)富集濃縮,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種電解方法可將氮,、磷濃度提高到6～8倍［39］,。
2.3 尿液藻類吸收
藻類藉氮,、磷可以迅速增長(zhǎng)，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)藻類予以回收,。藻類生物量中氮,、磷含量(干質(zhì)量)分別為2%和3.3% ; 藻類生長(zhǎng)過(guò)程所需碳源為CO2，可實(shí)現(xiàn)對(duì)尿液中氮,、磷回收的同時(shí)捕捉,、同化CO2 ; 產(chǎn)生的藻類可用作動(dòng)物飼料、農(nóng)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(yǎng)液在短光路系統(tǒng)中進(jìn)行小球藻去除氮,、磷實(shí)驗(yàn)［22］，實(shí)驗(yàn)中采用了如圖4所示的平板式光生物反應(yīng)器［23］; 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由進(jìn)出水系統(tǒng)(出入4 ℃冰箱) ,、光生物反應(yīng)器,、溫度控制系統(tǒng)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(yàn)設(shè)計(jì)的平均水力停留時(shí)間(HRT) 為1d。
實(shí)驗(yàn)對(duì)尿液不同稀釋程度以及不同光照強(qiáng)度下小球藻對(duì)氮,、磷的去除情況進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn),。結(jié)果顯示，尿液稀釋程度越小,、光照強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度為990lx條件下小球藻合成生物量可達(dá)6g/L［22］,。尿液培養(yǎng)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(yǎng)小球藻過(guò)程中幾乎100%的磷會(huì)被去除［23］; 但小球藻對(duì)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(yàn)中觀察到稀釋10倍時(shí)總氮去除率為47%，當(dāng)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(yīng)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(yǎng)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(fù)雜的操作。有人設(shè)計(jì)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(duì)邊遠(yuǎn)、電力無(wú)保障,、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)具有較高的實(shí)用價(jià)值,，如圖5所示［41］。
實(shí)驗(yàn)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(cè)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(jié)水滴向下流動(dòng),。實(shí)驗(yàn)用真實(shí)尿液，從研究單位某非混合廁所內(nèi)收集50L尿液進(jìn)行試驗(yàn),。尿液進(jìn)入濃縮裝置后因太陽(yáng)輻射以及溫室效應(yīng)導(dǎo)致溫度升高,，尿液中水分蒸發(fā)到玻璃蓋時(shí)遇冷則凝結(jié)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(yàn)裝置運(yùn)行期間，濃縮器內(nèi)最高溫度為45～62 ℃,，夜晚溫度則下降至25 ℃,，濃縮器內(nèi)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(yàn),，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(duì)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(yàn)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(yàn)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(dǎo)致B組濃縮固體中氮含量分別高于A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(zhǎng)達(dá)26d的暴曬,，在高強(qiáng)紫外線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(xiǎn),。
3 結(jié)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(xí)慣,，是對(duì)糞尿返田之營(yíng)養(yǎng)物樸素循環(huán)的現(xiàn)代詮釋。源分離帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)作用明顯,，不僅可以最大程度地恢復(fù)農(nóng)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(jié)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(xiàn)碳減排,。
糞尿源分離后原則上可以穩(wěn)定、滅菌后直接返田,，用作農(nóng)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(duì)糞便的資源化處理以與其他有機(jī)生活廢物厭氧共消化為主,，可以將糞便中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為能量物質(zhì)——甲烷。對(duì)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)藻類轉(zhuǎn)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"的觀念與習(xí)慣束縛了國(guó)人的手腳,。然而，一旦磷資源出現(xiàn)危機(jī),，人類則面臨食物短缺的饑餓狀態(tài),。到那時(shí)，"肥水不流外人田,、沒有大糞臭哪有五谷香"的古訓(xùn)則一定會(huì)重返人間,。
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