源分离黄水氮磷资源化利用研究进展

刘辉

（上海市环境科学研究院水环境研究所，上海 200233）

1 引言

在世界水资源短缺的今天，水质污染问题不容忽视，尤其在广大农村地区，缺乏环境处理基础设施，生活污水和农业养殖废水的排放加剧了水环境问题。我国农村生活污水的排放量达8×109t/a，其中，黄水的排放量仅占生活污水的1%，但贡献了污水中80%的氮、50%的磷和90%的钾［1］。磷是不可再生资源，我国每年排入自然水体损失的磷高达1.5×106t［2］，因此可将黄水单独收集并资源化利用。2018年，中共中央、国务院印发了《乡村振兴战略规划（2018—2022 年）》，在各地推行源分离生态厕所，同时便于黄水与褐水的分离收集和资源化利用。本文从我国的氮磷减排和资源化回收现状、源分离排水系统以及源分离黄水的处理技术发展现状等方面进行综述，旨在为源分离黄水资源化提供技术支持，为“厕所革命”在农村地区的推广提供参考。

2 氮磷减排和资源化回收现状

随着世界人口的迅速增加和经济的不断发展，水资源短缺成为全球面临的重大环境风险。国家生态环境部的环境状况公报显示，2018 年全国淡水资源中，全国地级及以上城市集中式生活饮用水水源中约8%的水质未达标，超标物质为氨氮、总磷和重金属等。水体中氮磷含量过高是造成水体富营养化的重要原因。淡水水质的氮磷污染现象为安全用水埋下隐患，因此氮磷减排问题迫在眉睫。我国城镇污水处理厂每年去除的氮、磷含量高达1.2×106t 和1.5×105t，污水处理系统中超过70%的负荷来源于氮磷的去除［3］，氮磷的排放不但引起水质污染问题，增加污水处理负荷，还造成氮磷资源的大量流失，因此氮磷废水的资源化是未来的发展趋势。

3 黄水源分离排水系统

人体排泄物包括黄水（尿液）和褐水（粪便），其中，植物营养元素氮、磷、钾的含量依次为5.7，0.6 和1.2 kg/（a·人）。黄水与褐水组分差异较大，黄水中含有约95%的水、3.5%的有机物和1.5%的无机盐［4］。褐水中则含有较高的有机碳，同时含有大量病原体。将黄水与褐水分离收集既可避免两者相互污染，又可根据各自特性进行针对性处理，以更可持续且安全地进行资源化回收。

黄水排放量小，但氮磷含量集中。我国每年排入自然水体损失的磷含量约为我国2014 年磷肥生产量的20.4%，这种不可持续的排水方式正在遭受越来越多的质疑。“源分离”作为一种更为环保的排水理念，在20 世纪90 年代中期由欧洲学者提出。源分离排水系统从便器开始，将黄水和褐水分开收集，不再与灰水混合，并根据各自特点进行针对性处理和利用。源分离排水系统能够有效降低污水厂的建设和运行成本，降低氮磷排放量。

与城镇地区不同，广大农村地区人口居住地相对分散，我国农村地区每年产生的生活污水量约8×109t［5］，人体排泄物中氮含量为2.1×106t/a，高于城镇地区的1.5×106t/a［6］，由于农村地区环境基础设施薄弱，生活污水得不到有效处理，造成水环境污染问题突出。城镇地区常采用的集中式污水处理设施基建投资大、运行成本高且对不同性质的生活污水混合处理，这种末端处理方式不适合广大农村地区。近年来，基于污水源分离的分散式处理系统因其灵活多变、资源化利用率高等特点，其将污水从源头分离进行收集并进一步资源化处理和回用工艺的研究逐渐成为热点。

源分离技术的应用实例逐渐增加，2008 年竣工的北京奥林匹克森林公园［7］和小汤山生态循环示范基地［8］，采用源分离分散式污水处理系统，黄水与褐水中的植物营养元素经资源化处理后就地利用。源分离排水技术在欧洲国家的研究较为成熟，包括德国埃施博恩的GTZ 主办公楼中、奥地利某居民区和学校等，其他地区也有小范围的应用。源分离排水技术在国内外的推广应用，不但改善了厕所卫生条件和人类生活环境，降低了因粪便污染食物和水源引发疾病感染的风险，而且黄水、褐水的针对性资源回收减轻了污水处理压力，且避免氮磷资源的流失。

4 源分离黄水的处理技术发展现状

源分离黄水中营养元素丰富，可以用作肥料还田，因此其资源化技术研究日益广泛，目前常见的资源化方法有腐熟法、电化学法、离子交换吸附法、微藻培养法、膜处理法、沉淀结晶法等，主要特点见表1。

表1 源分离黄水处理技术的主要特点

腐熟是黄水资源化最简单的方法之一。在脲酶的催化作用下，尿素发生分解反应［9］，转化为植物更易吸收的氨氮。

腐熟可有效杀灭黄水中的致病菌，削减有机微污染物含量，大大降低回用风险。但腐熟周期长，需要较大的存储空间，且腐熟过程中由于挥发和自然沉淀等原因损失约25%的氮和50%的磷［10］，同时异味较重。

分解反应式为：

CO（NH2）2+2H2O→NH3+NH4++HCO3-

离子交换吸附技术常用来回收黄水中的氨氮。常见的吸附材料有沸石、活性炭、离子交换树脂等。斜发沸石可同时吸附去除黄水中的氮、磷、钾元素，且氮和磷成分均可回收，吸附结束后沸石的肥性与化肥相近。黄水中氮磷元素的回收量与吸附容量有关，1 L 黄水中的氮磷元素完全回收需要使用约700 g 的斜发沸石［11］，且吸附剂可同时吸附黄水中的有机物等杂质，因此该方法适宜与其他方法联用以提高可操作性。

黄水中的污染物经滤膜分离，为后续的资源化利用提供安全保证。常见的滤膜有纳滤（NF）、超滤（UF）、微滤（MF）和反渗透（RO），主要特点及区别见表2。膜分离技术操作简单，出水水质好，但膜成本较高，膜污染问题突出，在实际应用中通常作为预处理技术，和离子交换法、化学沉淀法等联合使用。

表2 滤膜的特点及区别 nm

电化学法的电极材料选择是该技术的关键，常用的电极有钛、铅和石墨等。顾域峰等［12］采用钛电极为阳极、不锈钢为阴极的电解装置去除黄水中的氨氮，效率最高可达88%左右，同时营养物质富集于阴极，可产生肥料。电化学法氮磷回收率较高，同时可去除黄水中污染物质，但极板腐蚀严重，运行维护的要求较高。

微藻富含蛋白质，在环保、医疗、食品、水产养殖等领域均有很高的应用价值。在用黄水培养微藻的相关研究中，发现小球藻和螺旋藻更适宜在黄水中培养，氨氮起始浓度较低时氮磷回收效果较佳。该方法受氨氮浓度影响较大，适宜低浓度氨氮废水的回收。

磷酸铵镁沉淀法通过向黄水中投加镁源，使之与黄水中的氮磷反应生成磷酸铵镁白色沉淀，又称为鸟粪石，可作为一种高效缓释肥料。该方法适用于高浓度氨氮废水的回收，关于沉淀影响因素等基础性研究已较为成熟。该方法操作简单，可同时回收氮磷元素，且回收率均在90%左右，但投加镁源成本较高，常与其他方法联合使用。

5 结论与展望

源分离分散式污水处理系统非常适宜广大农村地区的污水处理。从源头分离黄水和褐水能够提高氮磷的回收效率，促进氮磷资源的回收和循环。目前研究仍集中在资源化处理技术的优化，但考虑到农村地区环境的差异性以及运维管理的难易程度，在实际应用中如何兼顾成本与效率，如何因地制宜地提出源分离收集方式和后续的资源化技术还需要进一步研究。