廁所黑水源分離及其資源化技術(shù)研究進(jìn)展與展望

劉存輝，楊文靜，張小玫，梁勁松，陳樂(lè)，房瑋，吳珍，張盼月*

1.北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，水體污染源控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2.北京金河生態(tài)科技有限公司

3.鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系

廁所是人類生活必不可少的設(shè)施之一，也是衛(wèi)生防病最重要的設(shè)施之一。在我國(guó)，廁所設(shè)施已經(jīng)得到普遍的改善，在提高居民生活質(zhì)量、改善居民生活環(huán)境等方面發(fā)揮了重要的作用[1]。然而，廁所也是一個(gè)污染源，即便是衛(wèi)生條件相對(duì)較好的城市，在其邊緣地區(qū)也存在糞便不經(jīng)過(guò)處理或僅經(jīng)過(guò)化糞池簡(jiǎn)單處理后排放的情況[2]。因此，在大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的大背景下，尋求有效的廁所廢水處理方式迫在眉睫[3]。

目前，集中收集處理廁所廢水是應(yīng)用最廣泛的處理方式，即糞便、尿液與其他廢水（如盥洗水）由管網(wǎng)統(tǒng)一收集，經(jīng)處理達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后排放，該系統(tǒng)主要包括水沖便器、管網(wǎng)、末端處理設(shè)施等[4]。根據(jù)產(chǎn)生來(lái)源及特征，廁所廢水可分為黑水和灰水?；宜饕深孪此M成，包括洗漱、清潔地面等的廢水，污染物濃度較低。黑水來(lái)自于馬桶，包含糞便、尿液和沖洗水的混合物，含有大量有機(jī)質(zhì)和氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。為了更好地控制分散型的廁所廢物污染，并從源頭上進(jìn)行資源回收，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了源分離技術(shù)，即從便器入手，將人糞、尿單獨(dú)收集，儲(chǔ)存與處置，使之不與其他污水混合，促進(jìn)資源的回收與再利用[5]。

目前，有關(guān)源分離生態(tài)衛(wèi)生系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用日趨活躍。如荷蘭斯內(nèi)克市某住宅區(qū)利用負(fù)壓排水技術(shù)收集和傳輸廁所廢水，采用常溫厭氧消化處理，利用部分亞硝化-厭氧氨氧化工藝去除沼液中剩余的氮，并利用鳥糞石沉淀工藝回收剩余磷[6]。我國(guó)在政府科技計(jì)劃、公益性機(jī)構(gòu)等資助下實(shí)施了源分離技術(shù)的工程示范，如內(nèi)蒙古鄂爾多斯郝兆奎生態(tài)小區(qū)和江蘇常熟荷花梗村等的生態(tài)衛(wèi)生系統(tǒng)對(duì)糞尿分開(kāi)收集并進(jìn)行生態(tài)化處理和再利用，整體達(dá)到零排放[6]。筆者綜述廁所黑水源分離技術(shù)和原理，總結(jié)廁所黑水源分離后糞便廢水和尿液的處理與資源化回收技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望廁所黑水源分離技術(shù)和資源化回收技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)。

1 廁所黑水源分離處理路線

廁所黑水源分離處理可以通過(guò)水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的回收實(shí)現(xiàn)近零排放，其處理的全流程如圖1 所示。源分離包括源分離型便器和分流管道兩大基本要素，可實(shí)現(xiàn)廁所黑水收集、廢物處理，從而完成廁所黑水資源回收[7]。廁所黑水的含固率和污染物濃度較高，通過(guò)便器選擇可以分別收集糞便廢水和尿液廢水，源分離后宜采用負(fù)壓排水管道進(jìn)行輸送[8]；再根據(jù)糞便廢水和尿液廢水的特點(diǎn)選擇合適的技術(shù)工藝進(jìn)行針對(duì)性處理，實(shí)現(xiàn)碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的回收和利用[7]。

2 廁所黑水源分離設(shè)備及應(yīng)用

為了構(gòu)建廁所黑水源分離系統(tǒng)，學(xué)者們?cè)谠捶蛛x便器開(kāi)發(fā)方面做了大量的研究工作。采用源分離便器實(shí)現(xiàn)黑水收集是構(gòu)建源分離系統(tǒng)的首要步驟，可以降低儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)和處理黑水的難度。此外，一些替代技術(shù)的應(yīng)用，如干廁所、分離式廁所和真空廁所等，可實(shí)現(xiàn)尿液和糞便的源頭分離[9]。目前工程應(yīng)用較多的源分離便器主要有免水沖便器、真空負(fù)壓便器以及氣水沖便器等[10]，這3 種單個(gè)便器的平均價(jià)格分別在300、600 和700 元左右，均低于傳統(tǒng)的沖水式便器。有研究發(fā)現(xiàn)不同源分離便器中的糞便廢水和尿液特性差異很大[11]。與傳統(tǒng)馬桶和雙沖水馬桶相比，采用真空馬桶可以獲得更加濃縮的糞便，這通常有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的回收。然而，Gao 等[12]發(fā)現(xiàn)，由于氨抑制作用，真空馬桶系統(tǒng)中糞便的生物甲烷潛能低于傳統(tǒng)和雙沖水馬桶系統(tǒng)。選擇合適的源分離便器有助于廁所黑水的收集和分離，以及后續(xù)廁所黑水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的充分回收。

2.1 免水沖便器

免水沖便器大多在傳統(tǒng)廁所基礎(chǔ)上改進(jìn)，優(yōu)點(diǎn)是不依賴供水供電設(shè)施、安裝簡(jiǎn)易、運(yùn)行維護(hù)方便。然而，由于幾乎不使用沖洗水，排泄物直落于便器下方容器中，使用的舒適性和便利性均不如其他節(jié)水型便器和常規(guī)水沖便器。因此，目前該類便器多適用于沒(méi)有污水管網(wǎng)的地區(qū)，較難被發(fā)達(dá)地區(qū)接受。免水沖便器的典型代表是干式堆肥便器，主要處理工藝為在便器下方容器箱中加入鋸末、秸稈等輔料，使落入的糞便在此進(jìn)行發(fā)酵堆肥[13]。目前在孟加拉國(guó)、南非等國(guó)家的農(nóng)村地區(qū)也有一定數(shù)量的無(wú)水便器系統(tǒng)的使用，便器下方設(shè)有收集坑，用戶排便后向坑內(nèi)加入沙土和草木灰，輔助糞便進(jìn)行堆肥，但該過(guò)程使用的降解菌種單一，難以實(shí)現(xiàn)糞便等廢物的高效減量化[14]。

2.2 氣水沖便器

氣水沖便器是在常規(guī)水沖便器基礎(chǔ)上，增加了儲(chǔ)能增壓系統(tǒng)，通過(guò)空氣和水的有效結(jié)合，用壓縮空氣推出高壓水，提高瞬時(shí)流速及沖洗壓力，實(shí)現(xiàn)清潔沖洗的目的。氣水沖便器主要優(yōu)勢(shì)在于節(jié)水，其單次沖水量小于2 L，適用于給水壓力較小的場(chǎng)景；同時(shí)，氣水沖便器在衛(wèi)生性、舒適性和便利性方面可與常規(guī)水沖便器媲美[15]。河北省雄安新區(qū)安新縣橋東村采用氣水沖便器收集公廁糞尿廢水，服務(wù)約500～700 人/d，糞尿在化糞池儲(chǔ)存后進(jìn)行就地減量化與資源化處理。在保證同等沖洗效果下，氣水沖便器沖水量高于真空負(fù)壓便器30%～50%，因此如何突破以進(jìn)一步減少用水量是氣水沖便器廣泛應(yīng)用于源分離系統(tǒng)的主要限制因素。

2.3 真空負(fù)壓便器

真空負(fù)壓便器最早用于飛機(jī)、高鐵、輪船等的廁所，其原理是利用真空泵或高壓泵形成污水管道內(nèi)的負(fù)壓或真空環(huán)境，將便器內(nèi)的糞污抽集到儲(chǔ)蓄池。真空便器具有以下優(yōu)勢(shì)：1）節(jié)水和縮容減量。真空負(fù)壓廁所沖洗的耗水量?jī)H為0.6~1.0 L/次，較傳統(tǒng)抽水馬桶（沖洗水量為6~12 L/次）節(jié)水超過(guò)80%，濃縮糞污污染物濃度5~6 倍以上。2）隔臭。排污時(shí)，真空廁所利用負(fù)壓作用在短短幾秒鐘內(nèi)將糞污連同異味一起排走，并利用真空實(shí)現(xiàn)隔臭。3）管道布置簡(jiǎn)便。管道內(nèi)的輸送不依賴于重力，使管道走向幾近任意，且管道直徑較重力排放的管道小很多。真空負(fù)壓便器的主要缺點(diǎn)在于真空泵站建設(shè)導(dǎo)致投入成本較高，便器及機(jī)電設(shè)備運(yùn)行維護(hù)要求較高[10]。德國(guó)呂貝克市某住宅區(qū)利用負(fù)壓系統(tǒng)將廁所糞污與灰水分離，灰水通過(guò)植物凈化池后直接滲入地下或者排入排水渠；濃縮廁所糞污與日常生物垃圾（廚余廢物等）經(jīng)過(guò)高溫殺菌處理后用于厭氧消化產(chǎn)沼氣，沼氣用來(lái)產(chǎn)熱發(fā)電；發(fā)酵之后富含高濃度營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的沼液和沼渣作為肥料用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在我國(guó)北京、江蘇常熟、河北邯鄲等地，也采用真空負(fù)壓便器開(kāi)展了一些工程應(yīng)用[16]，但該項(xiàng)技術(shù)尚無(wú)大面積推廣的案例。如何有效降低設(shè)備和運(yùn)行成本，是真空負(fù)壓便器技術(shù)發(fā)展的核心問(wèn)題[17]。

3 糞便廢水特點(diǎn)及處理技術(shù)

糞便廢水中富含大量有機(jī)物、氮磷營(yíng)養(yǎng)元素以及致病微生物[18]。研究發(fā)現(xiàn)，糞便廢水水量雖然只占生活污水量的約30%，卻包含了其中約51%的化學(xué)需氧量（COD）、91%的氮、78%的磷和大部分病原菌[19]。糞便廢水中的固體有機(jī)物和氨濃度很高，其中COD 約800~3 500 mg/L，生化需氧量（BOD5）約400~1 400 mg/L，固體懸浮物（SS）濃度約200~1 000 mg/L，總氮（TN）濃度約130~250 mg/L，氨氮（NH4+-N）濃度約100~300 mg/L，總磷（TP）濃度約20~60 mg/L[20]。糞尿經(jīng)便器源分離后，對(duì)糞便廢水進(jìn)行處理并回收其營(yíng)養(yǎng)元素被認(rèn)為是提高污水處理可持續(xù)性發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)有助于改善水體富營(yíng)養(yǎng)化，具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。在處理糞便廢水時(shí)，除了碳與營(yíng)養(yǎng)元素的處理和回收，還需要注意病原體，這些病原體如果不能有效滅活，可能造成人類健康風(fēng)險(xiǎn)[21]。目前處理糞便廢水的主要方法包括厭氧消化、好氧堆肥、熱處理技術(shù)及電化學(xué)技術(shù)等。

3.1 厭氧消化

在厭氧條件下，糞便廢水在厭氧微生物的作用下經(jīng)過(guò)水解、酸化、甲烷化等過(guò)程被轉(zhuǎn)化成沼氣。然而，由于糞便廢水碳氮比偏低，采用傳統(tǒng)的厭氧產(chǎn)沼氣技術(shù)進(jìn)行處理時(shí)存在產(chǎn)氣效率低等問(wèn)題。向厭氧反應(yīng)器中投加零價(jià)鐵、活性炭等導(dǎo)電材料，與餐廚垃圾、農(nóng)林廢物共消化等方式，提高水解菌和甲烷菌豐度與活性，均可提升甲烷產(chǎn)率。Wang 等[22]探討了不同配比下餐廚垃圾與糞污厭氧共消化的可行性，結(jié)果表明，當(dāng)餐廚垃圾與糞污的有機(jī)物含量比為1∶1 時(shí)，累計(jì)產(chǎn)甲烷量最高，分別比餐廚和糞污單獨(dú)厭氧消化提高26.4%和29.4%。Xu 等[23]研究發(fā)現(xiàn)，低劑量（0.5~1.0 g/L）的納米零價(jià)鐵對(duì)糞污厭氧消化產(chǎn)甲烷具有一定的促進(jìn)作用，可能由于納米零價(jià)鐵降低了系統(tǒng)中的氧化還原電位并改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。厭氧消化不僅可回收沼氣，還可以獲得高附加值有機(jī)肥料。但厭氧消化技術(shù)仍存在運(yùn)行周期長(zhǎng)、有機(jī)物降解不徹底、沼渣沼液需進(jìn)一步處理等弊端。Paulo 等[24]設(shè)計(jì)了一套糞便廢水經(jīng)蒸發(fā)濃縮后厭氧發(fā)酵，上清液再排入人工濕地的技術(shù)，經(jīng)過(guò)垂直流人工濕地處理后，COD 去除率達(dá)到90%以上，出水中蠕蟲卵和耐熱大腸桿菌濃度低于《世界衛(wèi)生組織污水、糞便和灰水安全利用指南》（2006）的要求。

3.2 好氧堆肥

糞便廢水中的糞尿經(jīng)固液分離后，通過(guò)好氧生物處理可將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為富含腐殖質(zhì)的有機(jī)肥，同時(shí)殺死病原菌，滿足一定的衛(wèi)生要求。該技術(shù)由于操作簡(jiǎn)單已被廣泛用于全球各地。好氧堆肥一般經(jīng)歷3 個(gè)階段：起始階段（預(yù)處理）—高溫階段（一次發(fā)酵、二次發(fā)酵）—熟化階段（肥料貯存）。堆肥溫度一般控制在55~60 ℃，周期在5~12 d，單位體積堆料強(qiáng)制通風(fēng)速率為0.05~0.20 m3/min[25]。由于廁所廢物中含有高風(fēng)險(xiǎn)的病原體，在堆肥過(guò)程中需要達(dá)到足夠高的滅活溫度進(jìn)行適當(dāng)?shù)南荆杂米鞣柿匣蛲寥栏牧紕?。目前，常采用糞污與餐廚垃圾、植物生物質(zhì)等共堆肥的方式，將糞污轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)殺菌的目的。Germer 等[26]探究了糞污與植物、餐廚垃圾小規(guī)模共堆肥，堆肥最高溫度達(dá)到70 ℃，其中14 d 溫度超過(guò)55 ℃，溫度和時(shí)間符合國(guó)際堆肥準(zhǔn)則，大腸桿菌、糞腸球菌的數(shù)量削減均超過(guò)99.99%。近年來(lái)，各種新型的糞污堆肥技術(shù)也相繼開(kāi)展，如真空馬桶濃縮糞污的堆肥[27]、將高溫堆肥與乳酸發(fā)酵相結(jié)合的干式廁所[28]、蚯蚓堆肥廁所[29]等。但堆肥處理占地面積大，控制不好可產(chǎn)生臭氣，同時(shí)堆肥生產(chǎn)的肥效不如化肥，如何推廣應(yīng)用存在一定問(wèn)題[30]。為了解決這一問(wèn)題，糞污堆肥后可與菌類混合，制成顆粒有機(jī)肥，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

3.3 熱處理技術(shù)

熱解技術(shù)、微波技術(shù)和水熱碳化技術(shù)等也可以用于糞便廢水中的糞污處理。其中，熱解技術(shù)在缺氧和一定溫度條件下將糞便污泥等分解成生物炭、生物氣和生物油。低溫?zé)峤庵饕a(chǎn)物為生物炭，一般用作土壤改良劑、燃料補(bǔ)充、吸附劑和催化劑等。Krueger 等[31]研究表明，糞便污泥和農(nóng)業(yè)廢物經(jīng)低溫?zé)峤猓?00~500 ℃，1 h）后生成生物炭，較處理前體積減小95%以上，并固定濃縮了原料中的磷、鉀、鈣等元素，可用于酸性土壤的改良。微波技術(shù)利用波長(zhǎng)為1 mm~1 m、頻率為300 MHz~300 GHz 的非電離電磁輻射進(jìn)行加熱，具有功率輸入準(zhǔn)確并易控制、加熱快速和均勻的特性。Mawioo 等[32]將實(shí)驗(yàn)規(guī)模的微波裝置應(yīng)用于處理廁所糞便污泥，分別暴露在465、1 085 和1 550 W 的微波輻射下，不僅污泥體積減小70%以上，而且大腸桿菌濃度也降至檢出限以下。但微波熱處理能耗較高，尚無(wú)大面積示范應(yīng)用，可在緊急情況下用于大量密集廁所系統(tǒng)的糞污應(yīng)急處置[32]。此外，研究人員提出水熱碳化處理糞污的方法，在密閉系統(tǒng)中，在一定溫度（150~250℃）及自然壓力下，以水為媒介將糞污水解、脫水、脫羧、縮聚和芳香化，生成高能量水熱生物炭[33]。研究發(fā)現(xiàn)，低溫水熱碳化有利于提高生物炭產(chǎn)量，最高為50%~80%，且碳化后水熱炭熱值提升至16~19 MJ/kg；水熱碳化處理的液態(tài)副產(chǎn)物可采用厭氧消化技術(shù)（產(chǎn)氣量約為2.0 L/kg，以每kg 糞便產(chǎn)甲烷量計(jì)）進(jìn)一步處理，實(shí)現(xiàn)糞便的無(wú)害化和減量化[34]。但該技術(shù)研究?jī)H在實(shí)驗(yàn)室和中試規(guī)模開(kāi)展，仍需要擴(kuò)大反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，并開(kāi)展糞污轉(zhuǎn)化特征行為研究[35]。水熱液化技術(shù)近年來(lái)也逐漸被應(yīng)用于糞污的處理，由于反應(yīng)溫度高，水熱液化過(guò)程中糞污發(fā)生一系列熱化學(xué)反應(yīng)（如水解、脫羧）等，生成的目標(biāo)產(chǎn)物為生物原油。廁所糞便單獨(dú)水熱液化的產(chǎn)油率和液化率最高分別為34.4%和79.8%，添加粗甘油可分別提高至40.6%和94.8%[36]。對(duì)厭氧消化后產(chǎn)生的糞便消化物進(jìn)行水熱液化最高能夠獲得約42%（質(zhì)量濃度）的生物原油[37]。

3.4 電化學(xué)技術(shù)

電化學(xué)技術(shù)常被用來(lái)對(duì)病原微生物進(jìn)行滅活，為當(dāng)前的消毒方法提供了一種可擴(kuò)展、低成本和節(jié)能的替代方法，通常置于生物處理之后，使處理后的出水符合廁所沖洗水的回用標(biāo)準(zhǔn)。杜克大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種廁所現(xiàn)場(chǎng)處理系統(tǒng)，由固液分離、二次沉降、活性炭過(guò)濾以及電化學(xué)處理4 個(gè)步驟組成。該系統(tǒng)在南非公共廁所進(jìn)行了超過(guò)8 個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[38]，活性炭過(guò)濾器可進(jìn)一步降低出水COD 和總懸浮固體（TSS），為后續(xù)電化學(xué)工藝去除病原體奠定基礎(chǔ)[39]。電化學(xué)技術(shù)產(chǎn)生的·OH 等強(qiáng)氧化性物質(zhì)直接在電極上氧化有機(jī)物，進(jìn)一步強(qiáng)化COD 和TSS 去除，并持續(xù)滅活大腸桿菌和蛔蟲卵等病原體。在印度，Welling等[40]報(bào)道了糞便廢水電化學(xué)處理系統(tǒng)的工程案例研究，發(fā)現(xiàn)10 個(gè)月的應(yīng)用期內(nèi)出水水質(zhì)達(dá)到了當(dāng)?shù)匚鬯欧艠?biāo)準(zhǔn)，可用于沖廁所。但在實(shí)際應(yīng)用中，電化學(xué)技術(shù)存在電極易腐蝕、電解氧化庫(kù)倫效率低等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，Thostenson 等[41]采用摻硼超納米晶金剛石（BD-UNCD）電極對(duì)含氯化物和無(wú)氯化物的糞便廢水進(jìn)行電化學(xué)處理，發(fā)現(xiàn)該電極表面可吸附大量Cl-，促進(jìn)含氯物質(zhì)的生成，使消毒效率提高24%~124%；同時(shí)，該電極可為電化學(xué)過(guò)程提供結(jié)合位點(diǎn)并保持催化性能，使電極腐蝕降低至最低。

3.5 糞便廢水處理技術(shù)對(duì)比分析

糞便廢水資源化技術(shù)對(duì)比如表1 所示。不同糞便廢水資源化技術(shù)均具有較好的處理效果，然而單一處理技術(shù)往往存在能耗高、出水無(wú)法達(dá)標(biāo)等問(wèn)題。隨著國(guó)內(nèi)外污水排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，綜合處理技術(shù)將逐漸成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。因此，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和糞便廢水類型設(shè)計(jì)綜合處理技術(shù)方案，通過(guò)技術(shù)組合達(dá)到最佳的處理效果。

4 尿液處理及資源化技術(shù)

尿液中的氮、磷和鉀在生活污水中的占比分別為80%、50%和50%，是一種具有高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的潛在肥料[42]。研究發(fā)現(xiàn)，全球排放的人類尿液中氮排放量每年約3 000 萬(wàn)t，并隨著人口的增長(zhǎng)而不斷增加；預(yù)計(jì)到2050 年，尿液中的磷排放量也會(huì)增加至2009 年的1.3 倍[43]。因此有學(xué)者在污水源分離時(shí)，將糞、尿單獨(dú)收集，以回收尿液中的資源[44]。在對(duì)尿液進(jìn)行處理與資源回收前應(yīng)注意對(duì)尿液進(jìn)行穩(wěn)定化處理，因?yàn)槟蛞涸诜蛛x、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生尿素水解，使尿液pH 升高至9 左右，同時(shí)伴隨氨揮發(fā)，以及尿液中鈣和鎂的碳酸鹽或磷酸鹽沉淀等[45]。將尿液酸化至pH 為2~4 是一種較好的尿液穩(wěn)定方法[46]。目前，常見(jiàn)的尿液處理及資源化技術(shù)包括磷酸銨鎂沉淀結(jié)晶、離子交換吸附、膜處理和生物電化學(xué)技術(shù)，為最大限度回收尿液中的資源，可聯(lián)合使用這些技術(shù)[47]。

4.1 磷酸銨鎂沉淀結(jié)晶

磷酸銨鎂沉淀結(jié)晶是指將尿液中的氮、磷以鳥糞石（MgNH4PO4·6H2O）晶體形式析出，收集的鳥糞石可以作為一種優(yōu)質(zhì)緩釋肥料[48]。通過(guò)優(yōu)化尿液pH，過(guò)飽和度，鎂、氮、磷摩爾比等，磷的回收率可超過(guò)95%[49-50]。目前鳥糞石結(jié)晶回收磷的工藝已在美國(guó)、荷蘭、英國(guó)、日本、澳大利亞等國(guó)實(shí)現(xiàn)工程化。圍繞降低鎂鹽和堿度的投加成本、提高結(jié)晶效率，學(xué)者們開(kāi)展了大量研究工作。據(jù)報(bào)道，以海水作為天然的鎂源，可將結(jié)晶固體中的鳥糞石含量從21%增加到94%[51]。Sakthivel 等[52]利用木灰作為鎂源回收鳥糞石，尿液中磷的回收率接近100%，但木灰中重金屬的存在可能影響鳥糞石的質(zhì)量。目前磷酸銨鎂結(jié)晶工藝的生產(chǎn)成本仍高于鳥糞石的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，其商業(yè)化挑戰(zhàn)仍然存在。因此，基于鳥糞石結(jié)晶機(jī)制，開(kāi)發(fā)成本更低、更綠色的鳥糞石氮磷回收技術(shù)具有重要意義。此外，鳥糞石結(jié)晶方法能夠有效去除尿液中的磷，但是處理后上清液中仍剩余大量的氮、鉀和微量營(yíng)養(yǎng)元素，需要進(jìn)一步處理。

4.2 離子交換吸附

離子交換吸附技術(shù)主要通過(guò)離子交換機(jī)制將尿液中的營(yíng)養(yǎng)元素轉(zhuǎn)移到吸附材料中。目前，研究最多的吸附劑是沸石、樹(shù)脂和活性炭，由于價(jià)格便宜，沸石應(yīng)用較多。斜發(fā)沸石能夠吸附尿液中90%以上的銨和鉀，不足之處在于其對(duì)鉀離子只能吸附而不能回收以及對(duì)磷的回收效率較差。Sendrowski 等[53]使用水合氧化鐵納米顆粒負(fù)載到陰離子交換樹(shù)脂上，在不到5 min 的時(shí)間內(nèi)可吸附尿液中97%的磷酸鹽，飽和的樹(shù)脂可以用氯化鈉和氫氧化鈉溶液洗滌再生；剩余的磷可通過(guò)添加Mg2+或Ca2+源進(jìn)行沉淀回收。Guan 等[54]在酸性條件下利用Fe3O4@ZrO2，通過(guò)選擇性吸附和再生從尿液中回收97.5%以上磷酸鹽。與樹(shù)脂和新型材料相比，沸石吸附NH4+-N 效果良好，吸附飽和的沸石可直接用作肥料，是使用沸石作為吸附劑的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)[55]。因此，在大多數(shù)情況下將沸石吸附與磷酸銨鎂沉淀或凍融等多種方法相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)氮和磷的共同回收。

4.3 膜處理

膜分離技術(shù)可實(shí)現(xiàn)尿液處理與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的回收，被認(rèn)為是尿液處理最具潛力的技術(shù)之一。廢鹽水溶液被認(rèn)為是推動(dòng)正滲透膜處理過(guò)程、回收尿液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的最佳低成本提取劑[49,56]。采用正滲透膜可以在不消耗能量的情況下有效去除尿液中的激素和微污染物。正滲透膜與生物電化學(xué)技術(shù)耦合用于從尿液中回收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可以去除高達(dá)83.4%的NH4+-N 和88.8%的PO43--P，其中將大部分氮磷利用反向流動(dòng)的Mg2+以鳥糞石的形式回收[57]。納濾膜可截留尿液中大部分藥物殘留體、雌性激素、磷酸鹽和硫酸鹽，從而得到富含尿素和NH4+-N 的尿液[58]。膜蒸餾技術(shù)利用聚四氟乙烯/聚丙烯、聚四氟乙烯/聚乙烯和聚偏氟乙烯膜等，可實(shí)現(xiàn)尿液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃縮和水的分離，聚四氟乙烯/聚乙烯膜在70 ℃下的水通量最高，可達(dá)到60 L/(m2·h)[59]。Zhang 等[60]開(kāi)發(fā)了浸沒(méi)式中空纖維膜接觸器（HFMC），從人尿中回收氨以獲得液體氮磷復(fù)合肥料，經(jīng)濟(jì)評(píng)估表明該肥料可獲利7.089 美元/L。針對(duì)膜污染問(wèn)題，有研究發(fā)現(xiàn)在進(jìn)料尿液pH 為12 時(shí)，氨捕獲性能優(yōu)異且膜污染最少。然而，目前膜技術(shù)在尿液處理中的應(yīng)用大多還處于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，未來(lái)需要擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)規(guī)模，并真正用于實(shí)踐[61]；同時(shí)應(yīng)不斷優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，提高污染截污效率和養(yǎng)分回收效率，減少膜污染和能源消耗。

4.4 生物電化學(xué)處理

新興的生物電化學(xué)系統(tǒng)（BES）在廢水處理和資源回收方面展現(xiàn)出巨大的潛力。BES 利用微生物將可生物降解污染物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能或者其他化學(xué)物質(zhì)[57]，研究較深入的技術(shù)包括微生物燃料電池（MFC）和微生物電解池（MEC）技術(shù)。在典型的BES 中，電子由陽(yáng)極降解有機(jī)物產(chǎn)生，并經(jīng)外電路傳輸?shù)疥帢O進(jìn)行氧化還原[62]。耦合的電極反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部電場(chǎng)，該電場(chǎng)可以定向誘導(dǎo)溶液中帶電離子（如NH4+和PO43-）的傳輸[63-64]。此外，氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致陰極電解液中積累OH-[65]，可促進(jìn)鳥糞石結(jié)晶，避免外加堿性物質(zhì)的成本投入。Ieropoulos 等[66]首次證實(shí)MFC 以尿液為原料能夠產(chǎn)生電能，Barbosa等[67]報(bào)道MFC 的功率流密度為0.95 W/m2；研究人員在長(zhǎng)期MFC 研究中，發(fā)現(xiàn)功率密度甚至可降低至250 mW/m2[43]，這一功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氫燃料電池產(chǎn)生的功率密度（5 000~6 000 W/m2）。除了用于產(chǎn)電，BES 還可以實(shí)現(xiàn)NH4+和PO43-的高度富集。Liao 等[68]構(gòu)建了單室鎂空氣燃料電池（MAFC）處理水解尿液，發(fā)現(xiàn)超過(guò)99.48%的磷以高純度鳥糞石（98%）的形式被回收，同時(shí)其最大功率密度達(dá)到552.32 mW/m2，成功實(shí)現(xiàn)了尿液中氮磷回收與同步產(chǎn)電。

4.5 尿液資源化技術(shù)對(duì)比分析

尿液是植物生長(zhǎng)所需氮、鉀、磷及其他微量元素的潛在來(lái)源。源分離后尿液需進(jìn)行合理處理，其中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)才能被回收利用。表2 比較了源分離后尿液的不同處理和資源化技術(shù)。盡管近年來(lái)使用生物電化學(xué)系統(tǒng)從源分離尿液中回收資源的潛力越來(lái)越突出，但工藝放大和實(shí)際應(yīng)用仍存在巨大挑戰(zhàn)。鳥糞石沉淀是目前從尿液中回收磷的最常見(jiàn)和有效方法，由于只能回收不到16%的氮，因此常將其與氨汽提、吸收/吸附和蒸發(fā)相結(jié)合，以提升氮和鉀的回收率。這些處理技術(shù)雖然在實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化條件下能夠有效地回收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但由于投資和運(yùn)營(yíng)成本高、經(jīng)濟(jì)收益不確定性和可持續(xù)性等問(wèn)題，大部分處理技術(shù)通常被聯(lián)合使用。

表2 源分離后尿液處理與資源化技術(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of treatment and recycling technologies of urine after source separation

5 結(jié)語(yǔ)

本文綜述了實(shí)施源分離的節(jié)水型便器，總結(jié)了糞便廢水和尿液的處理與資源化技術(shù)。通過(guò)廁所黑水源分離技術(shù)，可將糞便廢水和尿液有效分離并收集，進(jìn)而對(duì)分離后污染物進(jìn)行分類分級(jí)處理，更大程度地實(shí)現(xiàn)廁所黑水的處理和資源化。未來(lái)研究中應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)方面。

（1） 盡管越來(lái)越多廁所源分離、糞污無(wú)害化及資源化技術(shù)在國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了工程示范，但至今仍未對(duì)常規(guī)衛(wèi)生模式形成挑戰(zhàn)，甚至遭到示范應(yīng)用區(qū)居民的反對(duì)。因此，在選擇廁所黑水源分離系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮使用者文化習(xí)俗、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等，構(gòu)建完整的技術(shù)實(shí)施計(jì)劃和評(píng)估體系，并對(duì)源分離便器、廁所黑水處理工藝、回收產(chǎn)品價(jià)值、運(yùn)行維護(hù)體系等進(jìn)行全生命周期評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)廁所黑水處理的低碳和綠色發(fā)展。

（2） 大多數(shù)廁所黑水處理技術(shù)均存在不同的弱點(diǎn)，限制了其實(shí)際應(yīng)用。未來(lái)的廁所黑水處理方案可選擇多種處理技術(shù)的組合，如厭氧消化回收沼氣、氮和磷回收、固體堆肥、液體循環(huán)利用等的組合，有效從廁所黑水中回收各種資源。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)關(guān)注如何降低成本同時(shí)滿足實(shí)際應(yīng)用需求，并與傳統(tǒng)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比。

（3）由于專業(yè)技術(shù)人才短缺、管理組織水平不高等原因，一些廁所黑水源分離和資源化處理設(shè)施建成投產(chǎn)后未能發(fā)揮應(yīng)有的處理功效?？蓮耐度谫Y、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)等多方面著手，開(kāi)展廁所黑水源分離與資源化設(shè)施的集中化和智慧化運(yùn)行管理研究，建立長(zhǎng)效保障機(jī)制，推動(dòng)廁所黑水源分離及資源化技術(shù)與管理體系的發(fā)展。