廁所黑水、黃水處理和資源化技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望＊

徐 嬌，楊黎彬，周雪飛

（同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

1 引言

黑水和黃水均來自于廁所污水，黑水主要為含糞便、尿液和沖廁水的混合物，有機(jī)物濃度高、懸浮固體多，生活污水中約51%COD、91%N、78%P 和大部分病原微生物來自于黑水［1］；黃水即人類源分離尿液，雖只占生物污水總量的1%左右，卻包含了約80%N、50%P、60%K［2］。傳統(tǒng)廁所污水處理實(shí)行混合排放-收集-處理形式，這種與生活污水共處理的方式增加了污水處理廠的負(fù)荷，產(chǎn)生不必要的能源消耗和運(yùn)行費(fèi)用，甚至浪費(fèi)水資源和氮磷資源。直到20 世紀(jì)90 年代，歐洲學(xué)者和我國學(xué)者開始相繼提出分散排水與再利用、可持續(xù)排水、生態(tài)排水等概念［3］，其核心是將黑水或黃水從生活污水源頭分離開并進(jìn)行差異化處理，可幫助改善污水處理廠運(yùn)行負(fù)荷，有助于緩解水體富營養(yǎng)化并實(shí)現(xiàn)水、營養(yǎng)物和能量原位閉合循環(huán)［4］。

目前國內(nèi)外黑水處理技術(shù)主要有厭氧、好氧、厭氧-好氧結(jié)合、膜生物反應(yīng)器（MBR）、電化學(xué)法等［5-7］，且處理模式呈多樣化趨勢(shì)，已逐漸發(fā)展并適用于大部分城鎮(zhèn)地區(qū)如小區(qū)、機(jī)場(chǎng)車站、公廁等分散式污水源及排水管網(wǎng)和集中處理設(shè)施不完善、人群居住分散的農(nóng)村地區(qū)。美國杜克大學(xué)團(tuán)隊(duì)建立的生物+電化學(xué)消毒（ECD）原位黑水處理系統(tǒng)已在偏遠(yuǎn)地區(qū)持續(xù)運(yùn)行，處理后的出水用于循環(huán)沖廁，以可持續(xù)的方式滿足了水和能源稀缺地區(qū)的衛(wèi)生需求［8-9］。此外微生物電化學(xué)技術(shù)（MET），共消化-強(qiáng)化生物處理產(chǎn)甲烷［10-11］，微藻光生物反應(yīng)器處理產(chǎn)生生物質(zhì)等技術(shù)消除了傳統(tǒng)處理方式中黑水營養(yǎng)元素大量損失的弊端。黃水的處理回收技術(shù)基于廁所污水的源分離，主要包括生物法、吸附法、電化學(xué)法等。Udert等［12］結(jié)合了蒸餾減量和生物硝化穩(wěn)定氨的方法從尿液中回收養(yǎng)分，該技術(shù)在瑞士被一家公司用來生產(chǎn)液體肥料。電去離子技術(shù)（EDI）具有提高離子選擇性分離的優(yōu)勢(shì)，常被用來回收富含氨的尿液［13］，由生物驅(qū)動(dòng)的MET 處理回收技術(shù)獲得了由銨、磷酸鹽、硫酸鹽和其他陽離子組成的液體肥料［14］，這些轉(zhuǎn)廢為寶的水處理回收技術(shù)同時(shí)也是突破傳統(tǒng)肥料生產(chǎn)方式的關(guān)鍵。

目前黑水、黃水的處理回收技術(shù)仍處于發(fā)展階段，如我國仍普遍采用與生活污水混合集中處理的模式。前沿技術(shù)多處于小試或中試階段，受限于技術(shù)本身的成熟度、精準(zhǔn)源分離技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度，缺乏規(guī)?；こ虘?yīng)用。此外資源化產(chǎn)品質(zhì)量、回收率還有待提高。在“廁所革命”背景下，處理技術(shù)在大力發(fā)展后已呈現(xiàn)部分實(shí)際性應(yīng)用示范點(diǎn)，但是仍需推廣并不斷解決技術(shù)難點(diǎn)形成完整的處理模式。近年來還未有黑水、黃水處理與資源化技術(shù)的相關(guān)綜述，因此有必要對(duì)不同技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r作進(jìn)一步梳理和總結(jié)，探討其在廁所污水處理領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用前景?；诖耍狙芯肯到y(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外黑水、黃水的處理和資源化技術(shù)研究現(xiàn)狀并提出未來研究展望。

2 黑水處理技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 不同收集方式下的黑水處理技術(shù)

2.1.1 黑水水質(zhì)特點(diǎn)及特征

黑水的水質(zhì)特點(diǎn)主要是有機(jī)負(fù)荷高（約占生活污水COD 負(fù)荷的1/2），固體懸浮物多、含有大量的病原微生物、處理量大且容易造成資源缺失；其水質(zhì)指標(biāo)范圍大致如下：COD 為800～3 500mg/L，BOD 為400～1 400 mg/L，SS 為200～1 000 mg/L，TN為130～250 mg/L，NH3-N 為100～300 mg/L，TP 為20～60 mg/L，濁 度 為200～2 000 NTU，pH 為7～9［15］。節(jié)水廁所如真空廁所的污染物濃度可達(dá)普通水沖廁所的10 倍以上［16］。糞便中含有的病原微生物如沙門氏菌、大腸桿菌、志賀氏菌、腸道病毒和甲型肝炎病毒常引起一系列疾病的傳播，尤其在缺乏衛(wèi)生設(shè)施的地方，處理不當(dāng)將嚴(yán)重影響環(huán)境衛(wèi)生。全球范圍內(nèi)至少有20億人使用的飲用水源受糞便污染［17］，按每人每天糞便排泄量200 g、尿液排泄量1.5 L計(jì)算［18］，我國14億人每天可產(chǎn)生約2.4×106t排泄物，沖廁產(chǎn)生的黑水排放量更是十分巨大，因此，黑水的處理對(duì)保障人類環(huán)境衛(wèi)生極為重要。

2.1.2 黑水集中處理技術(shù)

基于黑水收集方式可將黑水處理技術(shù)分為集中處理和分散處理（圖1），集中處理主要在城市管網(wǎng)系統(tǒng)完善地區(qū)與生活污水一起收集至污水處理廠或大型糞便污水處理站，主要采用厭氧技術(shù)、好氧技術(shù)、厭氧-好氧結(jié)合處理技術(shù)。厭氧生物處理技術(shù)包括傳統(tǒng)厭氧消化池、上流式厭氧污泥床（UASB）、膨脹顆粒污泥床（EGSB）等厭氧反應(yīng)器，具有處理量大、能耗少、產(chǎn)沼氣作為再生資源等優(yōu)點(diǎn)［19］；好氧技術(shù)包括生物接觸氧化、氧化溝、序批式活性污泥法（SBR）等；厭氧-好氧結(jié)合技術(shù)有典型的A2O 工藝和AO-SBR、AO-MBR［20］等，解決了單獨(dú)厭氧或好氧處理生物降解不完全、氮磷去除效果差的問題。

圖1 不同收集方式下的黑水處理方法Figure 1 Black water treatment methods under different collection modes

2.1.3 黑水分散處理技術(shù)

分散式黑水處理則是針對(duì)居住比較分散的中小城市（鎮(zhèn)）、旅游景區(qū)、廣大農(nóng)村及缺乏污水處理設(shè)施的偏遠(yuǎn)地區(qū)等，這些區(qū)域污水量小、產(chǎn)生源分散，產(chǎn)生的黑水尚未得到有效處置。分散式處理技術(shù)占地緊湊、運(yùn)行靈活、投資成本低，更適合發(fā)展中國家且更容易實(shí)現(xiàn)污水源分離，減少有機(jī)污染物和病原微生物，易于處理后就近回用。其主要應(yīng)用技術(shù)類型有生物技術(shù)、MBR 技術(shù)、電化學(xué)技術(shù)。目前全球42 億人缺乏安全可靠的衛(wèi)生設(shè)施，原位處理和再利用大幅減少了通過下水道或長距離運(yùn)輸廢水的需求，是實(shí)現(xiàn)人類廢棄物的成本效益和資源轉(zhuǎn)化的重要策略。

黑水生物處理指常用的厭氧消化、傳統(tǒng)化糞池利用沉淀和厭氧發(fā)酵對(duì)黑水中污染物進(jìn)行初步降解，然而處理效果十分有限。凈化槽技術(shù)則集合了不同生物處理技術(shù)于一體，形成占地小、安裝靈活、效率高的一體化污水處理裝置，該技術(shù)起源于日本20 世紀(jì)80 年代，我國實(shí)行分散式污水處理后積極引進(jìn)并廣泛應(yīng)用于黑水的處理。凈化槽按處理規(guī)模分為小型（＜50 人槽，處理規(guī)模10 t/d）、中型（50～100 人槽，處理規(guī)模100 t/d）和大型（＞500 人槽，處理規(guī)模100 t/d）。多年來我國在引進(jìn)日本凈化槽的基礎(chǔ)上也因地制宜地開展了適合我國農(nóng)村的凈化槽技術(shù)。王昶團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列的研究，如采用短程硝化與厭氧氨氧化聯(lián)合脫氮工藝的新型一體化凈化槽，終端出水NH3-N去除率最高可達(dá)到70%，開發(fā)了高效自流式家庭生活污水凈化槽和無回流生物濾床凈化槽等出水水質(zhì)高、實(shí)用性強(qiáng)的一體化凈化槽［21-23］。不過構(gòu)造越復(fù)雜的凈化槽維護(hù)要求越高，在經(jīng)濟(jì)水平低的農(nóng)村地區(qū)存在無法獲得及時(shí)維護(hù)造成設(shè)備損壞或停用等問題，因此凈化槽在設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面應(yīng)關(guān)注部件使用壽命和維護(hù)難易程度，這將有利于性能認(rèn)定型凈化槽的推廣。

MBR 微生物濃度高、污泥停留時(shí)間長，產(chǎn)泥量低，能有效處理難降解物質(zhì)，然而傳統(tǒng)處理裝置需要就地安裝，工程量大。隨著技術(shù)發(fā)展越來越多的MBR 一體化裝置被用于分散式黑水處理，集成化的設(shè)備仍以AO 工藝為主，集生物降解、消毒、污水回用功能于一體。美國加利福尼亞州一家度假村采用MBR 耦合紫外消毒工藝處理黑水，出水符合加州CCR 再生水標(biāo)準(zhǔn)，平均濁度0.089 NTU，出水BOD 濃度小于1 mg/L，去除率為99.6%，處理后的再生水用于沖廁、冷卻水和灌溉［24］。王明月［25］研究了A2O-MBR 系統(tǒng)處理農(nóng)村自沖廁廢水的黑水，COD、NH3-N、TP 去除率分別為97.3%、96.44%、98.37%；黑水經(jīng)處理后一部分用于綠化景觀澆灌，其余部分排入市政污水管網(wǎng)。膜污染是限制MBR一體化裝置的主要問題之一，長期的污染問題會(huì)降低膜通量，需要定期進(jìn)行清洗，因此這類裝置的膜污染控制策略研究對(duì)提高一體化裝置使用壽命和降低維護(hù)成本具有重要意義。

ECD 對(duì)病原微生物的滅活具有高效持續(xù)性，已成為一種重要的黑水消毒技術(shù)，通常置于生物處理后作為深度處理，處理后的出水符合回用水標(biāo)準(zhǔn)用于廁所沖洗，典型電化學(xué)黑水處理流程及電解消毒原理如圖2 所示［24，26］，對(duì)于公共衛(wèi)生安全差和缺乏就地處理設(shè)施的地區(qū)來說，ECD 是一種很有前景的解決方案。

圖2 黑水電化學(xué)消毒技術(shù)流程及電解消毒原理Figure 2 Technical process and the principle of black water electrochemical disinfection

基于雙層半導(dǎo)體陽極電解池，Huang 等［26］以半導(dǎo)體陽極和不銹鋼陰極電解氧化去除黑水的研究中，60 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)了大腸桿菌、腸球菌、重組腺病毒和噬菌體MS2 的高效滅活。此外，還有摻硼金剛石（BDD）電極、功能性碳材料、鈦材料、鉑材料等電極用于黑水電解消毒［27-28］。BDD、貴金屬電極具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，可在極端條件下長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，但是昂貴的材料費(fèi)用限制了在實(shí)際復(fù)雜廢水中的應(yīng)用，尋找可替代的平價(jià)電極對(duì)其應(yīng)用具有促進(jìn)作用。與其他技術(shù)的耦合可進(jìn)一步提高出水水質(zhì)，如尚鳴等［29］以混凝沉淀為預(yù)處理單元，化學(xué)氧化+電解氧化為主體工藝，出水達(dá)到GB 8978—1996污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。Varigala 等［30］設(shè)計(jì)的閉環(huán)衛(wèi)生系統(tǒng)（CLASS）用于印度的一處公寓，采用生物處理和電化學(xué)氧化技術(shù)處理黑水，通過使用SBR 或厭氧-好氧生物消化過程使得廁所黑水的營養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)負(fù)荷減少了85%～95%，電化學(xué)過程可實(shí)現(xiàn)0 CFU/mL 的大腸桿菌完全消毒，該過程還可以進(jìn)一步將殘留的營養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)物去除，去除率達(dá)90%～96%以上，經(jīng)過處理的水可供公寓居民重新用于沖洗89 d，然而TN 和TP 未得到明顯去除，還需進(jìn)一步研究提高出水水質(zhì)和資源回收效率的方法。

Cid 等［31］建立了電化學(xué)氧化的自給式廁所廢水處理系統(tǒng)，有效去除病原微生物（總大腸菌群＜10 MPN/100 mL，糞便大腸菌群＜1 MPN/100 mL），該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成適合運(yùn)輸?shù)募b箱以便提供廁所和現(xiàn)場(chǎng)廢水處理以及清潔水回收，在美國、印度、中國均設(shè)立了示范點(diǎn)。相關(guān)黑水集中和分散處理技術(shù)效果、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用程度見表1，隨著黑水分散化處理趨勢(shì)一體化，集成處理系統(tǒng)的應(yīng)用性逐漸增強(qiáng)。

表1 黑水集中和分散處理技術(shù)Table 1 Black water centralized and decentralized treatment techniques

2.2 新興黑水處理技術(shù)

近年來隨著對(duì)生活污水源分離和分質(zhì)污水處理的重視，一些新興技術(shù)被用于黑水的處理，如水熱炭化、微生物電化學(xué)技術(shù)等。水熱炭化技術(shù)以生物質(zhì)為原材料，水為反應(yīng)媒介將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)碳，被廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)的炭化處理。孫金風(fēng)等［39］采用真空集便系統(tǒng)收集了廁所黑水進(jìn)行水熱炭化處理可基本滅活病原微生物，然而產(chǎn)生的固、液、氣3種形態(tài)的產(chǎn)物還需后續(xù)處理，與相關(guān)處理技術(shù)結(jié)合進(jìn)行資源回收是以后該技術(shù)的研究重點(diǎn)。劉洪波等［40］耦合了生物電化學(xué)系統(tǒng)與ABR，如圖3 所示，將傳統(tǒng)單室反應(yīng)系統(tǒng)分為多室并且水流通過折板形成自下而上單流向，耦合系統(tǒng)在缺氧和厭氧狀態(tài)下能有效發(fā)揮不同功能微生物菌群作用，有效結(jié)合了ABR、微生物燃料電池（MFC）和微生物電解池（MEC）的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)黑水中碳氮磷等元素的資源化和產(chǎn)電利用。Vogl等［41］采用黑水作為陽極基質(zhì)，高濃度有機(jī)物能促進(jìn)反應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)電，能量回收率最高達(dá)0.79 kWh/kg。姚洋洋［42］利用Mn-CF 電極作為陽極時(shí)獲得更高的輸出電壓，后續(xù)結(jié)合鳥糞石沉淀法可有效去除非生物陰極富集的NH3-N。這些高效低能耗的新興技術(shù)發(fā)展對(duì)黑水的充分處理回用具有重要意義。

圖3 ABR/MFC/MEC 耦合系統(tǒng)Figure 3 ABR/MFC/MEC coupling system

2.3 黑水資源化處理技術(shù)

隨著磷資源日益短缺以及其他能源物質(zhì)的匱乏，現(xiàn)代污水處理趨于資源化、能源化發(fā)展，鑒于黑水水質(zhì)特征，越來越多的處理技術(shù)更加強(qiáng)調(diào)資源回收和利用富含的營養(yǎng)元素，而不是控制和消除（圖4）。

圖4 黑水資源化途徑示意Figure 4 Schematic of approaches to black water resource and energy utilization

黑水經(jīng)生物處理和其他技術(shù)的耦合多級(jí)處理可符合雜用水標(biāo)準(zhǔn)，用于廁所沖洗、農(nóng)田灌溉、景觀用水等場(chǎng)景。實(shí)際應(yīng)用廣泛的生物+MBR+消毒技術(shù)對(duì)出水水質(zhì)較有保障，國外學(xué)者研究的預(yù)處理+顆粒活性炭（GAC）+ECD 技術(shù)處理黑水后同樣符合沖廁水標(biāo)準(zhǔn)［43-44］。通過人工強(qiáng)化植物栽培的方式對(duì)黑水有一定的處理效果和資源化意義，謝欣妤［45］、Jin 等［46］利用建筑立體空間，開發(fā)了屋頂綠化栽培系統(tǒng)、垂直綠化栽培系統(tǒng)，可有效處理黑水并充分利用營養(yǎng)元素，且所培育的經(jīng)濟(jì)作物長勢(shì)良好同時(shí)還具有景觀效益。

蒸散池，是一種基于自然、土壤和植物的混合系統(tǒng)，內(nèi)置化糞池和人工濕地的組合單元用于黑水回收，旨在實(shí)現(xiàn)零液體排放，可用于家庭級(jí)別黑水處理。這種技術(shù)已開始在巴西推廣應(yīng)用并得到用戶的高度認(rèn)可，處理量為87 L/d。Paulo等［47］研究了運(yùn)行超過4 a的全規(guī)模系統(tǒng)，在處理能力和土壤條件方面，該系統(tǒng)表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性，并且對(duì)栽培植物生長無明顯影響。與廚余垃圾共消化提高黑水甲烷回收率是黑水資源化的另一途徑，由于廚余垃圾中含有大量可消化有機(jī)物，許多學(xué)者用厭氧生物反應(yīng)器將兩者共同處理，發(fā)現(xiàn)水解效率得到明顯提升，比單獨(dú)消化的效果更好并且增加了甲烷產(chǎn)量，消化產(chǎn)物穩(wěn)定后可播撒農(nóng)田，有效將全部營養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)物用到農(nóng)業(yè)中［48-49］。田丹等［50］利用城市UASB 處理糞便污水的出水和經(jīng)過MBR 處理后的污水培養(yǎng)小球藻、柵藻等4種產(chǎn)油微藻，微藻在利用污水中氮、磷等資源的同時(shí)增加了油脂含量，這種污水處理工藝增加了油脂含量，降低了后續(xù)微藻產(chǎn)生物柴油的成本，充分實(shí)現(xiàn)了黑水資源化，具有良好的發(fā)展前景和應(yīng)用潛力。根據(jù)現(xiàn)有研究總結(jié)發(fā)現(xiàn)黑水能源化資源化方式主要包括氮磷回收、出水回用、甲烷回收、肥料化利用等（表2），均取得了很好的效果甚至實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用示范。

表2 黑水資源化處理技術(shù)Table 2 Black water resource recovery techniques

3 黃水處理回收技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 黃水水質(zhì)特點(diǎn)及特征

與黑水不同，黃水含有的病原微生物較少，其主要成分為水（95.00%）、尿素（1.80%）、尿酸（0.05%）和無機(jī)鹽（1.10%），具體成分見表3［65］。

表3 黃水性質(zhì)Table 3 Nature of yellow water

黃水氮磷濃度高且存在形式單一，源分離黃水中氮主要以尿素形式存在、少量以NH3-N 形式存在，碳氮比低、容易水解。黃水中主要的化合物是營養(yǎng)元素和有機(jī)微污染物，這取決于個(gè)人飲食和藥物攝取量，因此其成分含量具有一定差異。此外，在收集和儲(chǔ)存過程中黃水的性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變：在收集過程中氨揮發(fā)會(huì)導(dǎo)致大量的氮損失；在儲(chǔ)存過程中發(fā)生水解導(dǎo)致尿液pH 由原來的5.5～7.0升高至9.0左右，改變了液體中的離子濃度，產(chǎn)生磷酸氨鎂（MAP）、羥基磷灰石等沉淀，磷濃度下降30%左右［65-66］。

3.2 黃水生物處理回收技術(shù)

考慮到水沖式廁所仍需耗費(fèi)一定水資源，更精準(zhǔn)地處理源分離尿液即黃水尤為重要，源分離便器使得尿液可以源頭收集、處理并回收其中的氮磷資源，可節(jié)約80%的沖水量［67］。有學(xué)者基于短程硝化反硝化的生物脫氮技術(shù)用于尿液脫氮［68］，在SBR 反應(yīng)器中控制反應(yīng)條件穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)部分硝化反硝化，可去除TN 約40%；在好氧/厭氧MBR 反應(yīng)器中抑制了游離氨和亞硝酸鹽實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化，可去除TN 約60%；與傳統(tǒng)生物脫氮方法相比降低了能耗和外加碳源投加量。張良長等［69］分別培養(yǎng)了好氧和厭氧SBR 反應(yīng)器處理模擬尿液，平均硝化率59.8%、有機(jī)氮氨化率96.5%，穩(wěn)定運(yùn)行期有機(jī)氮轉(zhuǎn)化率為95%以上。尿液同時(shí)也是一種適合培養(yǎng)微藻的潛在營養(yǎng)來源，后續(xù)可將微藻作為肥料和土壤改良劑資源化利用（圖5）。瓦格寧根大學(xué)Tuantet 等［70］利用小型平板式光生物反應(yīng)器以人工尿液和實(shí)際尿液培養(yǎng)Chlorella sorokiniana小球藻，考察了微藻生長情況和氮去除率，模型模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明光生物反應(yīng)器在適宜條件下能有效去除氮并積累微藻生物量，在一定光強(qiáng)下獲得最高的微生物量和光合效率。Chatterjee等［71］在2 000 L室外半連續(xù)跑道池中以源分離尿液培養(yǎng)淡水綠色微藻，即使在低至5 ℃的培養(yǎng)溫度下，微藻也能回收氮、磷（回收率分別為52%、38%），同時(shí)獲得0.34 g/L 的生物量密度。

圖5 微藻生物反應(yīng)器回收營養(yǎng)元素示意及類型Figure 5 Schematic of nutrient recovery in microalgae bioreactor and its types

3.3 黃水物化法處理回收技術(shù)

黃水物化法回收處理技術(shù)重點(diǎn)研究方向?yàn)殡娀瘜W(xué)法和物理分離法，其中電化學(xué)法主要包括電催化脫氮、電絮凝，EDI，MFC；物理法主要有膜分離技術(shù)和吸附法。

3.3.1 黃水電化學(xué)處理回收技術(shù)

有學(xué)者系統(tǒng)研究了不同電極和反應(yīng)條件下電催化脫氮和電絮凝除磷的效果，發(fā)現(xiàn)用釕銥化合物涂層鈦電極進(jìn)行電催化氧化脫氮最佳，對(duì)水沖式未水解尿液的TP、TN 和NH+4-N 去除率最高分別可達(dá)94.64%、59.45%和84.02%，此外還采用酸溶解-雙氧水氧化-調(diào)節(jié)成分-沉淀的方法合成了回收價(jià)值高的FePO4·2H2O［2］，其他研究中的電解尿液裝置陽極磷回收率可達(dá)90%以上［72］。EDI 是在電滲析器的隔膜之間裝填陰陽離子交換樹脂，將電滲析與離子交換有機(jī)結(jié)合起來的一種水處理技術(shù)，解決了單一工藝中濃差極化和化學(xué)再生問題。由于這種技術(shù)具有將目標(biāo)離子濃縮回用的特點(diǎn)，一些學(xué)者將其應(yīng)用在尿液氮磷的回收中。研究者們?cè)O(shè)計(jì)的新型EDI裝置實(shí)現(xiàn)了樹脂的連續(xù)再生，可有效回收尿液中的氮磷元素，與生物脫氮相比電解去除源分離尿液氨更穩(wěn)定、容易自動(dòng)化和適合現(xiàn)場(chǎng)使用［73-74］。此外還有一種新型選擇性電滲析膜生物反應(yīng)器（EDMBR）［75］，在尿液脫鹽方面具有選擇性高、回收產(chǎn)物濃度高的優(yōu)勢(shì)。含有高濃度營養(yǎng)元素的黃水也是可供MFC 產(chǎn)電菌利用的理想基質(zhì)，許多MFC 的研究均以尿液為基質(zhì)展開，研究結(jié)果證明單室、雙室MFC 在去除有機(jī)物和氮的同時(shí)持續(xù)產(chǎn)能，出水通過化學(xué)方法結(jié)合鳥糞石法回收氮磷［76-78］。尿液基質(zhì)MFC 甚至能為廁所照明提供持續(xù)電能，Jimenez等［79］首次研究了陶瓷膜MFC 為電子水龍頭供電的技術(shù)，如圖6所示，將單個(gè)小型MFC 集成到黃水處理系統(tǒng)中通過生物能和電能轉(zhuǎn)化為廁所燈泡和感應(yīng)電子水龍頭供電，這種生物電驅(qū)動(dòng)的廁所提高了系統(tǒng)維護(hù)效率和衛(wèi)生安全，催生出新一代的自我維持能量回收的新型電子廁所。

圖6 尿液基質(zhì)MFC 電子廁所示意Figure 6 Schematic of urine-based MFC electronic toilet

3.3.2 黃水膜分離處理回收技術(shù)

物理法黃水處理技術(shù)主要采用了膜分離，包括低壓膜分離（微濾MF 和超濾UF）、高壓膜分離（納濾NF 和反滲透RO）、膜蒸餾MD、正滲透FO等膜分離技術(shù)［80］。其中低壓膜可去除尿液中懸浮物和部分微生物，高壓膜技術(shù)能去除部分無機(jī)鹽和病菌，分離效率高，出水水質(zhì)高，工藝流程如圖7所示［80］。

圖7 低壓和高壓濃縮技術(shù)流程示意Figure 7 Low-pressure and high-pressure concentration technology process schematic

Zhang 等［81］設(shè)計(jì)的三級(jí)微濾中空纖維膜接觸器對(duì)銨態(tài)氮回收率達(dá)93.29%，有超過98.92%的無機(jī)離子和96.85%的有機(jī)物保留在廢水中，膜的表面疏水性和孔隙性質(zhì)沒有顯著變化，無機(jī)膜和有機(jī)膜污染較輕。Jiang 等［82］采用UF-MBR 處理源分離尿液的研究中發(fā)現(xiàn)，在控制曝氣強(qiáng)度為0.4 m3/h、間歇15 min 的條件下，通過適度的間歇曝氣可以緩解部分不可逆膜污染結(jié)垢。采用RO 和NF 膜選擇性分離水解尿液中非離子氨也是非常有效的［73］，出水可達(dá)雜用水標(biāo)準(zhǔn)。RO 作為一種突出的海水淡化技術(shù)現(xiàn)已被用于尿液的深度處理，在RO 過程中理論上只有水分子通過，因此可生產(chǎn)由鹽和營養(yǎng)物質(zhì)組成的高濃度鹽水作為液體肥料［83］。在Pronk等［84］的研究中NF 膜對(duì)COD 去除率僅為30%，而尿素和NH3-N 的滲透率可達(dá)到80%。有學(xué)者對(duì)比了MF、NF、RO 對(duì)實(shí)際尿液中尿素和未結(jié)合態(tài)氨的排斥作用，發(fā)現(xiàn)NF 和RO 的平均氨排斥率分別為94%和80%，MF 則效果甚微［85］。Fumasoli 等［86］利用中試的硝化-膜蒸餾反應(yīng)器處理源分離尿液時(shí)獲得了營養(yǎng)成分高的液體肥料，在最佳情況下整個(gè)過程的電能需求為每克氮71 Wh。劉乾亮等［87］首次報(bào)道了我國正滲透膜處理實(shí)際尿液的研究，正滲透能很好地截留尿液中的污染物并且污染物去除率達(dá)到98%以上，此外，膜污染清洗后膜通量能基本恢復(fù)90%以上，正滲透膜在處理尿液時(shí)具有較強(qiáng)的抗污染能力和穩(wěn)定性。膜分離技術(shù)因其高效準(zhǔn)確的分離能力被廣泛應(yīng)用于各類污水的處理，對(duì)于源分離尿液更具有回收營養(yǎng)物質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，而膜污染問題仍是限制其應(yīng)用的關(guān)鍵，仍需為尿液的處理制定有效的膜污染控制策略。

3.3.3 黃水吸附法處理回收技術(shù)

利用原子和離子的吸附特性，尿液中的銨離子可以利用具有電負(fù)性表面的材料從液體中被選擇性地吸附，尿素也能通過分子間作用力吸附到合適的表面?；钚蕴孔鳛橐环N典型的吸附劑，可以大量吸附尿素中的氮，有文獻(xiàn)報(bào)道活性炭可回收新鮮尿液和水解尿液中氮高達(dá)95%［88］。沸石（硅酸鋁基材料）也是一種良好的氮吸附材料，研究表明利用斜發(fā)沸石處理尿液，NH3-N 回收率高達(dá)96%［89］，且能作為土壤改良劑使用，有利于增加貧瘠土壤的養(yǎng)分和保水性，增加了應(yīng)用價(jià)值。有學(xué)者對(duì)比了生物炭、沸石和其他吸附劑的回收率，發(fā)現(xiàn)一些合成陽離子交換樹脂更有效，最大銨吸附密度為64 mg/g，且質(zhì)量減少7 倍［90］。另外還有研究通過陰離子交換回收磷酸根離子，Sendrowski 等［91］使用含有水合氧化鐵的混合陰離子交換樹脂從新鮮和水解尿液中去除97%的磷，而又可以從沉淀固定中回收92%的磷。Guan等［92］研究了一種利用Fe3O4@ZrO2納米顆粒從酸化尿液中回收磷的新技術(shù)，磷選擇性吸附在納米顆粒上，洗脫后再度形成磷酸鈣，實(shí)際尿液研究中也能重復(fù)利用納米顆粒形成多次吸附-解析，該技術(shù)以一種環(huán)境友好的方法回收磷。對(duì)于不同吸附劑而言，一方面需追求更高的吸附量，另一方面更要滿足后續(xù)再生的需求，隨著不斷的研究突破，該方法具有潛在的工業(yè)價(jià)值。

黃水的生物、物理法處理回收技術(shù)對(duì)比見表4，采用電化學(xué)方法的回收率較高，但隨之產(chǎn)生了較高的能源消耗，采用MFC 技術(shù)反而會(huì)有電能輸出。膜分離技術(shù)的回收率與膜的種類有關(guān)，其中高壓膜處理分離效果高、膜污染嚴(yán)重，低壓膜處理分離效果低、膜污染較輕。吸附技術(shù)雖然氮磷回收率高，但吸附量有限且重復(fù)性還有待提高。

表4 黃水處理回收技術(shù)對(duì)比Table 4 Comparison of yellow water treatment and recovery techniques

3.3.4 黃水聯(lián)合處理回收技術(shù)

含有豐富氮磷鉀等營養(yǎng)鹽的黃水是生產(chǎn)肥料的理想資源，單獨(dú)的生物法、物化法無法同時(shí)完成污染物、病原微生物的去除，包含多種技術(shù)特征的聯(lián)合處理回收技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，最大限度控制了可回收資源的損耗。悉尼科技大學(xué)、北京科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)建立了中試規(guī)模的重力驅(qū)動(dòng)膜生物反應(yīng)器（GDMBR）+局部太陽熱蒸發(fā)（HLSE）系統(tǒng)處理真實(shí)尿液（圖8）［95］。GDMBR 處理后約50%氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，然后通過低成本局部太陽熱蒸發(fā)產(chǎn)生無味的固體肥料，HLSE 裝置在1 h 內(nèi)快速加熱至68 ℃，并且產(chǎn)生的肥料具有比商業(yè)肥料更好的性能，該聯(lián)合技術(shù)是一種非常有前景的綠色回收技術(shù)。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)建立了可供10人用原位尿液處理模塊BDTA［96］，主要包括尿液穩(wěn)定和蒸發(fā)單元，通過投加Ca（OH）2提高pH 形成沉淀回收磷，92%～96%的磷作為磷酸鈣回收，氮和鉀進(jìn)入蒸發(fā)反應(yīng)器后水通過強(qiáng)制空氣對(duì)流從溢出的液體中蒸發(fā)，鉀的回收率也接近100%。在瑞士和南非進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后的結(jié)果表明：該技術(shù)有效適用于尿液原位處理和營養(yǎng)物質(zhì)回收且運(yùn)營成本低。高振超［97］建立了一套減壓蒸餾、化學(xué)沉淀法和短程硝化反硝化耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了尿液污染物去除和氮磷資源回收，研究表明減壓蒸餾可顯著回收尿液中的NH3-N，在3 h、60 ℃、26.3 kPa 條件下氨的傳質(zhì)速率常數(shù)為（16.17±1.73）mm/h，NH3-N 回收率為81%，回收產(chǎn)物主要為硫酸銨；若同時(shí)采用化學(xué)沉淀法回收磷其主要產(chǎn)物為磷酸銨鎂，該組合技術(shù)可有效去除尿液有機(jī)物和回收氮磷資源，然而回收產(chǎn)物的純度還需進(jìn)一步分析和提高。此外將FO與MD聯(lián)合同樣具有很高的氮回收率，起到雙重屏障分離效果，截留率接近100%，出水水質(zhì)遠(yuǎn)高于單獨(dú)的MD［98］。因此，具備不同技術(shù)特征的耦合系統(tǒng)對(duì)黃水中氮磷等鹽類的回收效率高、品質(zhì)好，為高值資源回收提供了十分有意義的研究思路。

圖8 GMBR+局部太陽熱蒸發(fā)聯(lián)合技術(shù)Figure 8 GMBR and heat localized solar evaporation combined technology

3.4 黃水中微污染物的處理

黃水中高值資源回收前提是無有毒有害物質(zhì)，包含的微污染物如抗生素、內(nèi)分泌干擾物等會(huì)影響黃水回收效率和資源化利用，帶有微污染物的肥料或鳥糞石可能會(huì)被植物根部吸收，對(duì)環(huán)境和人體健康存在不利影響。已有部分學(xué)者研究了尿液中不同微污染物的處理，包括離子交換法、生物炭吸附法、電解法等，可去除一些典型微污染物如雙氯芬酸、磺胺類藥物、三氯生等，不同處理技術(shù)和微污染物類型見表5，離子交換樹脂和活性炭等吸附劑被廣泛應(yīng)用于微污染物的去除。

表5 尿液中不同微污染物的處理Table 5 Treatment of different micropollutants in urine

Landry等［99］考察了3種聚苯乙烯樹脂（A520E、Dowex 22、Dowex Marathon 11）和1 種聚丙烯酸樹脂（IRA958）對(duì)雙氯芬酸的吸附性能，發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯樹脂效果最佳，去除率＞90%。通過活性炭從生物處理的尿液中有效去除有機(jī)微污染物，生產(chǎn)的肥料在瑞士已獲得許可施用于所有農(nóng)作物［63］。與商業(yè)吸附劑和活性炭相比，生物炭更具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，是一種比較有前景的替代吸附劑，有研究將生物炭用于去除合成尿液中7種以上的藥物，去除率均達(dá)90%以上［100］。此外，許多研究證實(shí)了電化學(xué)氧化在有機(jī)微污染物方面的強(qiáng)效性［101］，通過與其他技術(shù)的耦合能促進(jìn)自由基的形成和微污染物向電極表面遷移，從而進(jìn)一步提高污染物礦化率。Cotillas等［102］研究了電解、光電解、高頻超聲電解技術(shù)處理尿液中氯霉素的性能，結(jié)果證明污染物能被完全礦化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了尿液中其他有機(jī)物質(zhì)（尿酸、尿素和肌酐）的礦化。膜分離技術(shù)也能截留有機(jī)微污染物，早期的膜分離技術(shù)研究已采用NF 膜從新鮮尿液中分離微污染物，截留率接近90%，但尿素的滲透率僅為40%。近年來膜分離和其他技術(shù)的耦合強(qiáng)化了有機(jī)微污染物的去除。Hassan 等［103］結(jié)合了化學(xué)絮凝和MF 膜技術(shù)處理真實(shí)尿液，COD、鹽類去除率均大于90%，藥物去除率可達(dá)99%以上，處理過程中保留的磷元素可作為安全無污染的肥料來源。

4 結(jié)論與展望

黑水和黃水既是污染源也是當(dāng)今污水處理領(lǐng)域中資源轉(zhuǎn)化的重要來源，這類污水的處理近年來備受學(xué)者們的關(guān)注。在尋求環(huán)境友好型、節(jié)能型廁所污水處理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)原位處理，分散一體化處理是未來黑水、黃水處理的發(fā)展趨勢(shì)。本研究分別歸納總結(jié)了黑水、黃水的不同處理技術(shù)類型和應(yīng)用案例，基于目前研究現(xiàn)狀提出未來研究仍需重點(diǎn)關(guān)注的幾個(gè)方向：

1）源分離技術(shù)開發(fā)。黑水和黃水的處理離不開源分離技術(shù)的發(fā)展，前者是從生活污水中分離，單獨(dú)采用其他工藝集中處理或分散式處理，后者的分離要求更高、收集物更純。尿液分離干廁、重力流糞尿分離便器、真空廁所與糞尿負(fù)壓輸送等技術(shù)的開發(fā)尤為重要，高效的分離技術(shù)能減少收集過程中資源的流失和污染物的轉(zhuǎn)移，對(duì)后續(xù)黑水、黃水的處理是必不可少的。

2）微污染物深度處理。黑水、黃水中的微污染物限制了處理末端的資源化利用，因此需加強(qiáng)微污染物深度處理研究。電化學(xué)技術(shù)處理效率高，但應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際廁所污水處理中仍需通過設(shè)計(jì)電極材料和反應(yīng)器構(gòu)型來提高使用壽命、降低能耗。此外，開發(fā)廉價(jià)高效的吸附材料在微污染物深度處理方面具有潛在的工業(yè)價(jià)值，重在實(shí)現(xiàn)后續(xù)可再生的需求。利用膜分離技術(shù)嚴(yán)格截留微污染物則要重點(diǎn)關(guān)注分離機(jī)制和多級(jí)膜組合的開發(fā)，對(duì)于膜污染過程制定有效的控制策略保證其穩(wěn)定運(yùn)行。

3）高值資源化利用。在全球能源危機(jī)背景下資源化進(jìn)程應(yīng)逐步強(qiáng)化，肥料化和產(chǎn)微藻生物質(zhì)是重要的資源化途徑。源分離黑水、黃水經(jīng)適當(dāng)處理后作為肥料應(yīng)用于耕地，有助于營養(yǎng)物質(zhì)閉路循環(huán)。微藻生物質(zhì)可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)高值資源化利用。目前回收效率和回收物的純度仍需提高，需要建立不同技術(shù)的聯(lián)合處理工藝，最大限度減少營養(yǎng)元素的損耗，這將大幅提高產(chǎn)物利用率并實(shí)現(xiàn)商業(yè)價(jià)值。