19 世紀中葉開始，集中式排水管網系統開發與應用有效減少了人類與自身排泄物的接觸，避免了斑疹、霍亂等疾病爆發和流行。隨后活性污泥法的推廣，生活污水、工業廢水、雨水等通過管道送至集中的污水處理廠凈化后排放，成為了城市的主流選擇。數 10 年來，隨著全球人口增長、自然資源短缺以及人們對于“排泄物”的認識不斷提升，集中式排水系統的局限性日漸突出，如供排水管網的投資和維護費用巨大、污水處理設施能耗高、污泥的處理處置困難、水資源利用率低，氮磷等營養物回用難度大等。
近年來，城鎮污水處理朝著供排水融合、水資源循環利用、污水和固體廢物協同處理，營養物回收利用、低碳、碳中和甚至輸出能源等方向發展。基于污水源分離的分散式處理系統具有靈活多變、水資源和廢物高效利用等特點，其對生活污水從源頭分離、分別收集、處理、資源化與能源化，灰水、黑水以及黃水的處理和回用工藝以及相應新設備的研發與應用快速推進，應用實例越來越多。
1 污水源分離技術的分散式處理系統
生活污水源分離技術是指根據污水產生場所和污染程度，將生活污水分為污染物含量低、潛在水資源豐富的灰水，含水量低且具有較高有機物含量和氮、磷成分的黑水和黃水，在產生源頭單獨收集，分別輸送至對應的處理系統，以避免不同水質之間的交叉污染，同時也利于將其中的資源、能源進行單獨的回收利用。
分散式系統則相對于集中式系統，在一定處理規模內建立小型的處理設施，實現區域化的污水處理。在新建城鎮化區域或遠離城市排水管網的區域，為提高污水中的資源、能源回收和利用效率，節省遠距離輸水的管道投資與運行費用，將污水源分離技術與分散式處理系統相結合，在一定區域內形成資源再生利用中心，不僅可以實現對源分離的灰水、黑水、黃水的分質處理，就近回收利用資源和能源，節省管道輸送費用;還將傳統的直線式物質流轉變為水與資源的循環利用，大幅削減廢物排放量，甚至達到零排放和能源零需求。
1 源分離技術的資源、能源回收潛能
1.1 灰水的再生利用
隨著人們生活水平的提高，生活污水量隨之增加。據統計，居民室內用水中，用于直接飲用和烹飪的水量只占 5%，浴室、廚房所產生的低污染含量的污水量占 50%或更高。集中式處理系統中，污水處理廠大多建于城市河流或水體的下游，再生水回用需額外鋪設 1 套中水管道，投資費用巨大，因此城市污水廠的尾水大多直接排放，水資源重復利用率低。截止到 2015 年，我國京津冀地區再生水利用率達到35%，而缺水城市利用率仍不到 15%，其他的城市和縣城則低于 5%。在水 - 能關系日益緊張、城市的水循環過程能耗越來越高的形勢下，傳統處理模式不僅需要投入更多的能源與費用獲取新鮮水，同時對于水資源是極大的浪費。灰水，一般指生活污水中來源于洗浴、盥洗、衣物清洗、廚房水槽和洗碗機等含污染物含量較低的生活污水，大多以清洗為主，其成分隨用水習慣、用水設備、清洗劑種類甚至地區和用戶身份等差異而有所不同。灰水 COD 通常在 400～750 mg/L、TN的質量濃度 2～20 mg/L，有機物負荷通常只有混合生活污水的 45%～75%，其水量一般占家庭排水總量的 50%～80%。采用真空馬桶和負壓排水系統后，灰水的水量占比可以達到生活污水量的 90%。由于污染物含量較低，灰水的處理與再生容易實現，采用絮凝 - 過濾、AO、AAO、MBR 以及人工濕地等工藝均能達到良好的出水水質，再經過消毒，就可以實現回用。
灰水凈化后用途包括沖廁、灌溉、路面清洗等。研究顯示，灰水就近處理后回用，可以減少 25%～40%的新鮮水消耗，還能減少污水的收集與輸送費用。MARIANA 等采用移動床生物膜反應器(MBBR)工藝中試處理校園混合灰水 COD、TOC 和總大腸菌群的去除率分別能達到 78%、75%和 97%，出水回用于室外公園和草坪的灌溉。灰水凈化后污染物已被有效去除，再生水無色無味，與室外用水相比，用于室內沖廁，一方面可以保障回用水量，使用頻率更高且無季節性影響，因此，國外已有不少灰水凈化后用于沖廁的具體案例。HU 等采用改良 MBR 工藝處理灰水，出水 BOD5 低于 5 mg/L，其它項指標滿足 EPA 對于沖廁回用水的要求。西班牙濱海略雷特的一所三星級酒店，將浴室和盥洗池的灰水單獨收集處理并回用于沖廁后，每年可節省新鮮水用量 10×103 m3 。SHASHI 采用活性炭與多級膜過濾的集成設備處理某大學城洗浴、洗衣以及洗手池的混合灰水，對于濁度、BOD5 和總大腸菌群的去除了分別為 99.6%、99.9%和 84.2%，出水甚至可以達到除飲用以外的室內用水水質要求。
1.1 黑水中能源的回收利用
生活污水源分離的黑水，主要來源于廁所的排泄物及其沖洗水，一部分廚房廢水也可以納入黑水范疇，其中尿液和糞便及其沖洗水更進一步被劃分為黃水與褐水。黑水的特點是含有高含量的有機物、氮、磷，微量污染物以及病原體。單獨收集處理可以最大程度避免清潔水體污染。一般黑水水量較灰水低，因此國內外大多采用能耗低、占地小且不用保證連續進水的厭氧處理工藝就近處理。
研究表明，廚房廢水與褐水進行協同厭氧消化，產甲烷產量最高達到 520 mL/g;向系統中添加比例為體積分數 6%的黃水時，系統的產甲烷量可提高至 560 mL/g，同時可以將系統的產氣穩定期提前 6 d。WASIELEWSKI 等采用連續攪拌反應器(CSTR)處理黑水，CH4 產量在啟動階段即可達到 222 L/kg，CH4 的質量分數能達到 66%;進一步提高黑水的比例后，CH4 產量提高到 332 L/kg。
傳統的沖水便器對新鮮水消耗大，對黑水中的有機物有一定的稀釋作用，增加黑水的厭氧發酵的難度。采用新型的真空馬桶和室外負壓收集系統，可以有效減少新鮮水消耗，同時對黑水的稀釋降到最低，可以保證厭氧消化的底物含量。分散式衛生處理和資源回用理論(Decentralized Sanitation and Reuseconcept，DESAR) 即建立在黑水的源分離基礎上，采用真空馬桶與負壓收集的方式，將黑水分為褐水和黃水單獨收集與處理，常用的處理技術有升流式厭氧污泥床水解酸化池(Up-flow Anaerobic Sludge Blanket Septic Tank，UASBST)與培養馴化反應器(Accumulation Reactor，AC)反應器。MARTHE 等用 UASBST 反應器處理真空馬桶收集的高濃褐水，進水 COD 在 7.7～9.8 g/L，去除率達到 74%以上，產氣量 200 L/(m3·d)，其中甲烷的質量分數 78%，每人可轉化 56 MJ/a 的電能與 84 MJ/a的熱能。
生活污水的產能成分主要集中在黑水，黑水的水量相對于灰水來說很低，因此通過污水的源分離技術，避免黑水稀釋，高濃度的有機物經過厭氧消化產生沼氣，既可以通過熱能的形式直接利用，也可以轉化為電能，但是考慮到轉化過程中的損失，熱能的利用一般被優先考慮。
1.2 黃水中氮、磷等營養物的回收與富集污水源分離后的黑水，富含有機物和氮磷成分，其中大量的氮、磷和少量的有機物集中在黃水中。一般來說，尿液為生活污水總量的 1%，卻貢獻了生活污水磷的 50%和氮的 80%。研究表明，當尿液分離后不僅可以大幅減輕污水廠的負荷。從污染物的去除和資源的回收來說，處理未經稀釋和混合的原尿液比處理稀釋后的混合污水效率更高，直接從尿液中回收氮和磷，相比于進入污水廠后的回收更經濟有效。具體聯系污水寶或參見http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
從營養物回收的角度看，尿液單獨收集處理的優勢突出。一方面，糞尿分離可以減小黑水處理系統的體積，而且尿液的氮磷含量高而可降解 COD 很低，對于厭氧消化產氣貢獻不高;另一方面，尿液由于體積小而富含氮、磷、鉀等成分，將尿液中氨部分氧化得到的硝酸銨是作為農業肥料的最佳選擇，雖然尿液穩定化過程中容易產生亞硝酸鹽積累，通過控制反應系統的堿度或采用化學方法將其氧化。UDERT 等采用曝氣生物濾池和膜過濾組合工藝，將尿液中的有機物去除同時將 50%氨氮氧化，最后濃縮得到質量分數 70%硝酸銨。ALEXANDRA采用生物穩定技術將一半氨氮轉化為硝態氮，同時采用 50 kPa 蒸發濃縮的方式得到富含硝酸銨的濃溶液，氨氮和硝態氮的質量濃度分別提高到 23.100g/L 和 24.400 g/L。CHRISTOPHE 等利用尿液硝化濃縮后得到的肥料種植黑麥草，發現植物對于肥料中氮元素的利用率可以達到 75%，說明植物可以極大程度利用尿液中的氮。
磷屬于不可再生資源，在傳統污水處理過程中從污水進入污泥，最后被填埋或其它方式處置，回收利用難度高;傳統污水處理過程中即使回收，成本高昂。我國的磷礦石基礎儲量約為 3.4 Gt，僅次于摩洛哥位于世界第 2，約占世界磷礦石儲量的 5.5%。但是我國富磷礦(P2O5 的質量分數 >30%)少，而貧磷礦(P2O5 的質量分數 <18%)多，貧磷礦的儲量約占全國探明磷礦儲量的 50%(我國磷礦石 P2O5 的質量分數平均為 16.85%)。據預測，中國等發展中國家的對磷礦石需求量預計在 2020-2050 年才能到達峰值，屆時每年磷標礦需求量達到 43～47 Mt。因此從黃水中回收磷元素，可以有效提高有限資源的利用率，避免磷礦的過量消耗，而尿液分離式馬桶的出現極大促進了尿液中磷元素的回收技術的發展。
磷酸銨鎂(Mg(NH4)PO4·6H2O，又稱鳥糞石)結晶是較為常見的黃水中磷回收技術，常見的鎂源有MgCl2、MgO、Mg(OH)2 等。KEALAN 等向 NoMix 馬桶收集的尿液投加 MgCl2，得到含鳥糞石的肥料，通過適當的 pH 控制使尿液中磷的回收率達到 90%以上，經過分析，所得固體物質各成分含量符合歐盟 ABPR 1774/2002 標準。SONIA 等比較了不同的水力條件下、鎂源種類以及Mg、P 比例的磷回收效果，發現以 MgO 為鎂源，在 Mg、P 的摩爾比為 2、水力條件 30 r/min 下，實現99%的最高磷回收效率，得到了粒徑在 50～100 μm的鳥糞石晶體。成本分析發現，采用 MgO 與 MgCl2的成本接近，雖然 MgO 的價格是 MgCl2·6H2O 的5.5 倍，但是 MgO 的 Mg 含量更高，同時自身的 pH緩沖能力可以使得 pH 保持在 8.5 左右，有利于鳥糞石晶體析出。MANUEL 等以廢棄礦場的菱鎂礦作為鎂源，在 700 ℃左右焙燒 1 h 后得到鎂的質量分數 54%(MgO的質量分數為 60%)的沉淀物，再用于尿液的磷回收，從礦石的焙燒至鳥糞石成品的產生過程中總成本為 0.12 美元 /kg，處理成本降低了 20%。此外，采用鎂電極為陽極的電解系統，控制電壓維持溶液中 Mg2+ 的含量，當 Mg、P 的摩爾比為 1.5 時，可以對尿液中的磷實現 100%的回收，但是成本相對而言更高。
1 生活污水源頭分離收集和輸送系統
1.1 收集系統
將污水從源頭單獨收集，是污水源分離實現的基礎。其中黃水與褐水分離是生活污水源分離的難點和熱點。研究者總結、比較了國內外 36 個源分離應用工程，發現其中涉及黃水、褐水源分離的工程占97%。新型源分離式便器是實現黃水與褐水源分離的關鍵。
糞尿分離式新型便器通過設置前后 2 個排放口，分別收集尿液與糞便并分別與后續輸送管道相連，中間設置隔板，從而實現黃水與褐水的分離，再通過重力收集或負壓輸送。對于濕式沖水馬桶，小便的沖水量僅為 0.1～0.2 L/ 次，大便區采用負壓收集系統時，沖廁水量僅需 1.0～1.5 L/ 次，常見的雙排放口便器有瑞士的 NoMix Toilet，以及結合負壓收集的微水氣沖尿液分離負壓廁所等。此外，荷蘭 TheoBrandwijk 設計的 Piet Toilet Diversion Toilet，在排污管采用傳感器和三通閥，通過傳感器自動調節三通閥角度，將糞便與尿液導入不同的管道中，僅用 1個排放口實現糞尿分離，同時進一步縮小了便器的體積。
然而環境友好型便器在發展和應用中也出現諸如結垢、發臭、用戶體驗差等現象。源分離便器節省了沖水用量，但高濃尿液使得小便收集口、水封彎處結垢現象嚴重。UDERT 等比較了不同廁所的小便管的垢成分，發現傳統沖水是便器的垢成分主要為碳酸鈣，而源分離廁所中則以鳥糞石為主。可見在源分離廁所的黃水收集輸送管道鳥糞石結晶沉淀，一方面堵塞管道，另一方面也降低了磷回收效率。
便器中隔板的設計雖然實現了黃水與褐水的有效分離，但是加大了清潔的難度，其零件更換、維修成本高，無法適應居民的使用習慣等，都嚴重影響了源分離理念的推廣。由清華大學開發的新一代源分離式便器，通過以平滑坡形隔離堰代替垂直的隔離擋板、增設清潔蓋的方式，減輕了清潔的難度，同時還達到了防臭的目的。
1.1 輸送系統
污水源分離系統的輸送系統，根據驅動力的不同，可以分為重力流和負壓收集 2 種方式。
傳統的混合式生活污水收集系統大多采用重力流的方式，利用污水管道的坡度實現污水自流至處理系統，坡度隨管徑、管材和地形的變化而相應改變;負壓收集系統通過負壓泵在管道內部形成負壓，將污水由源頭通過管網輸送至處理系統，工作壓力通常在 60～70 kPa。
負壓排水系統具有管內流速快、管徑小、埋深淺，不易發生滲漏等優勢。通過對負壓站和排水管道的監控，可以在管道出現故障時可以迅速響應;而重力流系統經常等到故障擴大一定程度后才能發現，在負壓系統中 86%的故障都可以在 2 h 以內得到修復，有效縮短了維護時間。負壓系統中真空閥是維持管道內部負壓環境的重要部件，63%的負壓系統的真空閥平均每個月都至少出現 1 次故障，成為影響負壓排水系統穩定性的重要因素。由上海某研究院研發的水封式負壓排水收集技術，在各集水井采用水封管代替了傳統的真空閥，簡化了設備和監控系統，同時有效節省了投資和維護費用。
傳統的重力流排水技術較為成熟，短距離的輸送所需要的高程差相對較低，成本低。在長距離輸送時，排水管除需要一定的坡度外，還需要維持水量避免懸浮物堵塞，長距離輸送時還需要設置提升泵站。就水量而言，灰水的水量比褐水、黃水高，而且懸浮物含量低，流動性強，灰水仍然可以采用重力流為主的收集方式，在一定區域內實現灰水的集中收集、處理與回用，避免了長距離輸送的管道投資、運行和管理費用，就近回用可以提高水資源利用效率。鄭林靜認為，對于源分離的灰水重力流收集系統的管道投資而言，日處理量 3 000 m3/d 是最為合理的規模。褐水的水量僅占生活污水總量的 30%～50%(采用真空馬桶的比例更低)、含固率較高、流動性差，若采用重力流，則要求排水管道的坡度大，需要頻繁提升，且容易沉積堵塞。而采用負壓排水管道輸送，則解決了堵塞和坡度問題，降低了投資成本，采用室內節水便器，還可進一步降低褐水水量，提高有機物含量;黃水的水量最低，但流動性比褐水強，短距離內可以采用重力流輸送，但是黃水中尿素易發生水解使 pH 升高，增加了結垢風險。因此在黃水的收集過程中，應合理控制在管道中的停留時間，進而選擇合適的處理規模。
黑水和黃水的沖洗水越少，有機物、營養元素含量越高，其能源和資源回收的潛力越大。以黃水的磷回收為例，正常成年人每日排尿量約為 1.5～2 L，磷酸鹽的質量濃度約為 631 mg/L。在 100%回收率情況下，每天得到 1 kg 鳥糞石晶體需收集約 134 人的尿液，而一天中排尿低谷時期管道中尿液的量很小，因此為了有效實現黑水資源化，宜采用小范圍設中間儲存系統，再經由統一的運輸至處理系統，一方面形成規模化資源回收，另一方面也減小了處理設施的管理和維護難度。
重力流系統雖然利用了污水自流屬性，但是考慮到遠距離的輸送所需要的管道提升、維護費用，其經濟性并不明顯;而采用負壓真空收集的方式，雖然前期收集端投入較高，但較低的運行費用、基礎設施的簡化以及管徑的減小帶來的收益卻超過了傳統的重力流收集方式。
賈海峰以我國北方某典型的居民小區為對象(居住人口 6 678 人)，比較了重力流排水系統和源分離的負壓收集系統在建設、運行方面的投資、污水處理和運行費用情況，發現源分離系統管道系統建設費用上比傳統排水系統增加了 29%，污水處理設施基建費用減少 48.23%，雖然總體基建投資增加142.3 萬元，但是管道系統和污水處理系統的年運行費用分別減少 67.48%和 50.49%，平均每年節省運行費用 37.3 萬元，不考慮任何資源、能源再利用和生態效益情況下，4 年后源分離負壓系統即可抵消基建差額。
4 結束語
隨著對資源認識的提升，傳統的污水處理理念已不再適合當前的發展形勢，城鎮污水處理設施的功能應當向“水工廠、能源廠和資源廠”等新型功能方面轉變。經過不斷的發展，源分離處理技術種類呈現出多樣化，在不同污水流的污染物去除、資源能源的回收方面都已經能達到很好的效果，更能靈活適應不同的水質條件，可以針對不同的情況靈活選擇;新型源分離潔具和負壓排水技術的發展，也為污水的源分離提供了強大的技術支撐。
源分離技術與分散式系統相結合，根據源分離程度合理選擇處理規模，污水處理后可以就近回用，減少長距離輸送的成本，形成規模化的資源回收與輸出，又能在一定程度上實現集中管理，適合于快速城鎮化地區的發展模式。當前，這種形式在初始投資方面成本較高，但隨著源分離技術、設備的不斷發展，經濟成本也將隨之降低，同時考慮到潛在的資源效益和生態效益。綜合來看，基于污水源分離的分散式處理系統，在未來還是有廣闊的應用和發展的空間。(來源：同濟大學環境科學與工程學院)
