生态卫生系统Word格式.docx

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其次，人粪尿总量虽少，但却含有污水中COD总量的60%、氮和磷总量的90%以上、钾总量的60%-70%以及绝大部分的大肠杆菌。

目前深度污水处理厂出水中仍含有20%的氮、5%以上的磷和90%以上的钾，是受纳水体富营养化的主要原因。

最后，由于技术限制,营养盐无法进行回收再利用，造成农田日趋贫瘠，目前，主要是依靠消耗大量能源及不可再生资源而生产的矿物肥料为农田进行营养盐的补偿，造成了环境资源的严重浪费。

由此可见，传统城市排水模式具有高耗水、高耗能、末端治理和资源流失等缺陷。

针对以上问题提出的生态卫生系统,其核心思想是使水资源和营养物质以闭合循环方式运行,以期最大限度提高水资源循环利用率并有效促进营养盐物质的生态平衡。

在该系统中,人类的排泄物和生活污水不再被视作污染物,而是当作资源分别进行源头处理及循环利用,以实现污染物零排放及可持续发展的目的。

2.生态卫生（排水）系统发展的背景

生态卫生系统或称生态卫生（排水）系统,国外一般称EcologicalSanitation,其常用缩写为Ecosan。

90年前德国建筑师LeberrechtMigge就提出了生态卫生（排水）系统的概念,并在城市地区付诸实施[1]。

20世纪后期,全球人口的不断增加,城市化和经济的快速发展,传统浪费用水的模式以及水污染的加剧使得水短缺问题在越来越大范围内出现。

据联合国有关资料统计,目前全球有约1.3亿人得不到安全的饮用水,26亿人没能使用安全的卫生设施。

寻求从根本上解决水危机的方法是国际社会面临最具挑战的任务之一。

人们在不断深入探讨解决水危机应实施的基本策略时,也对传统的供排水系统进行了更加深入的思考,并开始向传统的用水模式和排水系统提出了挑战。

早期的供水系统,即用水泵抽取提升原水,不经净化就用管网配送到用户。

19世纪在英国伦敦、北美匹兹堡和一些欧洲城市曾先后多次发生因饮用水污染而导致流行性霍乱和伤寒的爆发。

直到19世纪末,人们才开始了工业化净水技术的研究和应用,并逐步形成了近代供水系统[2]。

当时人们认为淡水资源是“取之不尽,用之不竭”的。

净化了的可饮用的水被输送到人们生活和生产应用的的各个角落。

所有用水的地方都使用这种饮用水。

与此同时,为排除使用过的污水建设了“沟渠工程”和“排水管网”。

近代水冲马桶卫生设施日益普及,水载重力流排污系统逐步推广。

由于水污染的不断加剧,饮用水净水厂和污水处理厂处理工艺越来越复杂,建设和运行费用越来越高。

沿用传统用水方式,花费巨额资金兴建、维护和运行这种供排水系统,似乎已成为保障社会经济发展不容置疑的传统基本模式。

然而世界各国传统模式供排水系统发展的历史表明,到目前为止,世界上仅有约5%-10%污水进行了处理[3]。

影响这一传统排水系统模式进一步推广的主要原因是建设、运行和维护相关排水管网和污水处理厂需要的巨额资金难以承受。

据联合国的一位专家估算,全球每年为建设、运行和维护传统排水系统的经费约需300亿美元；

到2025年该项费用大约为750亿美元[4]。

在20世纪后期的一些国际学术讨论会上,一些专家学者开始向传统的供排水系统和传统的用水模式提出了越来越尖刻的批评:

为什么要用可以直接饮用的清洁水,去冲洗便器并用来输送粪便和其他废物?

为什么要把居民少量排泄物和其他大量污水混合稀释,并通过漫长的排水管将其汇集到城市下游,再花费大量能耗提升和处理?

为什么大量有机营养物质不能施用于农田和园艺,同时又使土壤因得不到有机肥的滋养而退化?

20世纪后期,随着淡水资源危机的加剧,保护环境和实施可持续发展战略日益深入人心,世界许多国家陆续开展了有关卫生设施、排水系统更新改造的研究。

70年代瑞典开发成功了无水厕所装置,并出口到其他国家。

80年代美国和加拿大也陆续建设了堆肥式厕所,并不断改进。

90年代,国际绿色和平组织在西大洋群岛曾提出了一项“清洁发展”的动议。

为此,澳大利亚某生态工程公司设计建造了一个管理废水和排泄物的零排放系统,取代了传统的水冲厕所[5]。

德国、瑞典、挪威、美国、加拿大等一些欧洲、北美国家和一些发展中国家,也相继开展了这方面的有关研究和实践。

与此同时中国在传统的粪便堆肥的基础上,也发展了无水冲厕所和多种生态厕所和相应的排水系统。

1992年世界环发大会曾通过了著名的《21世纪议程》。

该议程对于“保护淡水资源的质量和供应”以及“固体废弃物的无害环境管理以及同污水有关的问题”等都单独列章予以讨论。

要求到2005年发展中国家应对至少50%的污水、废水与固体废弃物进行处理或处置,要求到2025年处置所有的污水。

当时还未在世界范围内提出要建设生态卫生（排水）系统,改变传统排水系统的任务。

2000年9月联合国千年会议时,宣布要对淡水供应领域存在的紧迫问题采取措施。

明确提出,水资源的不可持续开发利用原有模式将不得不逐步终止,水管理策略上的变化将在区域和国家层次上开展。

接着2000年10月,在德国波恩召开了有关生态卫生（排水）系统的国际讨论会。

会议的主题是“闭合有关废水管理和卫生系统的环路”（Ecosanclosingtheloopinwastewatermanagementandsanitation）。

来自世界各国的200位专家出席了会议。

会议为加强在生态卫生（排水）系统领域的国际信息交流与合作做出了重大贡献,同时也为德国正在实施的“生态卫生（排水）系统项目”计划,开展国际间的合作奠定了更好的基础。

这次会议的召开标志着建立生态卫生（排水）系统问题已在世界范围引起了广泛关注,并建立了相关信息网络。

会议认为特别应在城市范围建立有关生态卫生（排水）系统的示范项目。

2001年12月召开的国际淡水讨论会（InternationalConferenceonFreshwater）也指出,非可持续发展的用水模式是使有限水资源日益短缺的重要原因。

会议提出的主要对应措施之一就是“提高水的利用效率”。

会议也对传统的用水模式和排水系统提出了质疑。

有关生态卫生（排水）系统的发展更多地被列入世界范围的国际讨论会,说明生态卫生（排水）系统的研究和实践已在世界范围越来越多的国家和地区展开。

3.生态卫生系统的原理

研究生态卫生（排水）系统,首先应研究一下废水的特征,特别是住宅污水的特征,其主要成分和总量统计见表1[6],其中尿液、粪便、其它污水分别以500L/（人•a）,50L/（人•a）和2500-10000L/（人•a）计。

表1生活污水特征统计

表1数字表明,污水中主要营养物质N,P,K主要含在尿液中,少量的尿液如能单独分离,可用于农业。

冲厕以外的废水（灰水）含有较少比例营养物和污染物质,其体积却为人直接排泄物粪尿体积的50-200倍。

人直接排泄的粪尿中包含了废水中绝大部分污染物和营养物质,如能单独处理,可大大节省废水处理费用并便于回收营养物质。

传统的排水系统恰恰忽略了污水的基本特征,将人的排泄物用大量水稀释并与其它污水混合,并通过管网统一输送到城市下游做集中处理。

它存在的固有弊病日益被显现出来。

生态卫生（排水）系统正是基于城市污水特别是住宅污水在质和量上的固有特征而提出的。

瑞典Winbladkonsulf认为,生态卫生（排水）系统应满足三条简单的原则,即:

能够防止对环境的污染；

能够破坏人体排泄物中的病原体；

排泄物中的营养物质可作为肥料循环利用。

为此,他认为中国和亚洲一些国家与堆肥相结合的厕所是早期、原始的生态卫生（排水）厕所,已有上千年的历史。

目前,有关“生态卫生（排水）系统”的概念已进行了很多深入和广泛的讨论,其核心要点可以归纳如下:

①人粪尿排泄物和其他有机垃圾应采用接近自然的、低能耗的堆肥处理方法进行处理；

②使人排泄物和其他有机废弃物中的营养物质能安全地予以回收利用,并形成闭合循环系统；

③高效、安全、合理地用水,排出的污水处理后得以安全利用,或回送补给地下水,也形成闭合的循环系统；

④更广义的理解,还应包括雨水的收集,贮存、利用以及渗流补给地下水。

提出这一概念的基本出发点是将排水系统看作是全球生态圈和水圈的一个有关子系统,并以可持续发展的战略去思考解决生态圈和水圈中发生的问题,力图建立一个生态型的,可经济运行的排水系统,并使水资源和营养物质得以形成闭合的循环。

4.生态卫生系统的发展现状及趋势

为了实现生活污水中各种污染物的最优循环利用潜力,需要根据生态卫生系统中的各种性质的污水分别进行收集及处理,具体可分为:

黄水、棕水、灰水和黑水[7]。

黄水指单独分离的或含少量冲厕水的尿液；

棕水指单独分离的或含少量冲厕水的粪便；

灰水指厨房用水,沐浴用水和清洗水等；

黑水指尿液和粪便的混合物。

由图1可知,占总用水体积近70%的灰水对氮、磷、钾的贡献率却分别仅为8%、15%和37%,而绝大部分的营养盐存在于黄水和棕水中[8]。

由此可知,如果能尽量减少冲洗水的用量,并对黄水和棕水进行源处理及资源化,不仅可以减轻外排时对水体造成的污染,还可以实现营养物质的循环利用。

同时,营养盐污染较轻的灰水经过适当的水质净化技术处理后也可排放或进行回用。

图1有机垃圾和各类生活污水对污水体积、

干物质及营养盐的贡献率

4.1源处理技术的发展

4.1.1黄水的处理

黄水的营养盐负荷及水质情况见表1。

表2黄水营养盐负荷及水质状况

根据处理目的的不同,尿液的处理可分为以下几种:

（1）卫生化技术。

非健康人类的尿液中可能含有致病菌或阮病毒等,同时,粪便也有可能造成尿液的污染。

储存技术可以有效降低因粪便及病原体等引发的潜在健康风险。

该技术的主要技术参数是储存时间、温度和pH等。

Hoglund[9]通过研究储存尿液中细菌和病毒的微生物指标的衰减率发现,尿液在20℃下至少储存6个月以上才可以安全的作为各种作物的肥料进行使用。

研究同时发现,温度是影响细菌和病毒失活率的最重要因素。

（2）减容化技术。

尿液用作肥料时一般先要进行体积缩减处理（体积减少5-10倍）,常用的技术有蒸发、冷冻-解冻、反渗透等。

蒸发技术可以去除尿液中的水分,达到减容的目的。

通常需要进行酸化等预处理以防止尿素的水解。

德国学者发现,在200mbar（1bar=0.1MPa）、78℃条件下,通过蒸发作用尿液体积可以减小为原来的10%且不发生结晶现象,并产生含氮量为9.7%（以重量计）的粘稠性液体[10]。

Lind等[11]研究发现冷冻-解冻技术也可以达到减容的目的,在-4℃下冷冻尿液,大约80%的营养物质可以被浓缩至原尿液体积的25%中。

反渗透技术依靠水和营养盐的透过性差异可以达到减容目的。

由于铵根离子较氨氮更易于截留在反渗透膜上,因此,pH是影响反渗透效果的主要因素。

Thorneby[12]将储存的尿液先进行酸化,将pH调至7.1以阻止氨氮透过反渗透膜。

在压强为30bar,温度为25℃下,浓缩倍数最大可达到5,各营养物质的回收率为:

氨93%-97%、磷和钾大于98%。

（3）稳定化技术。

在储存期间,由于尿素分解细菌的水解作用使尿素很容易被分解为氨与重碳酸盐,导致pH升高,在尿液中形成沉淀。

当尿液中绝大部分氮以NH3形式存在时、会使NH3在运输、搅动、泼洒应用时因挥发而损失。

因此需采取相应措施,研究表明,酸化作用（pH<

4）可以有效抑制尿液的水解。

（4）磷的回收技术。

向尿液中加入镁盐,如MgO、Mg（OH）2或MgCl2等可以促进磷酸铵沉淀的生成,回收后可用作肥料。

有学者对尿液的溶度积和平衡反应式进行了研究,结果显示:

[Mg]•[NH4++NH3]•[P]=10-7.6M³

。

目前,尿液中产生磷酸铵沉淀的机理尚未明确,但是由于尿液中含有大量微粒,如微生物等,可以推断非均相成核在磷酸铵的形成过程中发挥了主导作用[10]。

（5）氮的回收技术。

沸石及某些高分子交换剂对氨氮具有良好的吸附性能,因此可以用作氮的回收。

BanZS[13]通过混合投加沸石和MgO来同时回收氨氮和磷,结果显示,当沸石和MgO的投加量分别为15g/L和0.5mg/L时,氨氮和磷的回收率达到最大,上清液中的剩余氮和磷的浓度分别为1000g/m3和1g/m3。

另外,尿液中的氮也可以通过先吹脱再吸收的方式进行回收。

Behrendt[14]研究发现,尿液首先在真空条件下（0.4bar,40℃）进行吹脱,然后在压强为5bar,温度为20℃条件下,在水中进行吸收回收,可以产生氨氮含量为10%的产品。

（6）营养盐的去除。

自养反硝化（Anammox）是无需碳源的生物除氮技术。

在厌氧条件下,氨氮和亚硝酸盐可以被直接转化为氮气。

Udert等人[15]通过处理沼气池上清液得出30℃下的反硝化速率为1000g/（m3•d）。

硝化和自养反硝化组合反应器对氮的去除效果可以达75%-85%。

4.1.2棕水的处理

棕水主要成分是人类粪便,其中也含有较多的营养盐物质。

我国人均排放粪便中氮、磷、钾的负荷分别为0.5kg/（人•a）、0.2kg/（人•a）和0.5kg/（人•a）。

但是由于其中含有较多致病微生物,故不能直接利用,必须进行无害化处理后才能回用于农田,堆肥是目前较常用的粪便资源化技术。

BjornVinneras[16]发现在堆肥反应器中投加化学药剂可以有效促进蛋白质及DNR或RNA链的失活。

当在反应器内投加6%的尿素时,由于尿素被分解成氨和二氧化碳,系统的pH在1h及数小时内可分提高至9.2和9.5。

系统运行5d后,系统内的粪大肠菌群就不再检出,20d后肠球菌属也不再检出。

Niwagaba等人[17]分别将灰分和木屑应用于粪便的源分离处理的收集过程中。

研究发现,投加灰分系统内的大肠杆菌失活率在系统运行初期（7d左右）要高于投加木屑的系统,但是在30-50d后基本一致,2个月后投加灰分的系统内大肠杆菌不再检出,而投加木屑的系统内仍能检测出。

4.1.3灰水的处理

不同来源的灰水水质差异较大,见表2,主要取决于用户生活方式、生活习惯、排水类型以及家用化学产品的使用情况。

灰水通常包含了高浓度的油脂、其它烹饪有机物、肥皂残余物和清洁剂中的表面活性剂等可生物降解物,未被粪尿污染的灰水中病原体、氮的含量都较低。

Gross等人[18]利用垂直流人工湿地循环系统对灰水进行处理研究,结果显示,该系统运行8h后可以去除水中几乎全部的悬浮物质和BOD及大约80%的COD,同时对大肠杆菌也有明显的抑制作用。

CorneliaMerz等人[15]对膜生物反应器处理灰水进行了研究,结果表明,在低污染负荷条件下,该技术对水中的COD、浊度、TN及TP的去除率分别可以达到85%、98%、63%和19%,出水可以回用作冲厕水等。

5.生态卫生系统设备和装置

美国哈佛大学认为生态卫生（排水）系统是一种未来很有希望的技术,研究开发了一种带有固体传感器的微型芯片,可用于控制沼气堆肥厕所运行的程序。

瑞典近年研究开发了一种非混合型（no-mix）马桶,或称分离式厕所,即将尿液单独流入一贮罐,贮存半年以后,某些药物残留物将分解破坏,然后用作农肥,粪便作堆肥处理。

该种装置已有3000余套在应用。

欧国最近还开始使用一种真空抽水马桶,每次冲洗仅需017-1L。

真空系统真空度为015bar,真空管直径为50mm。

冲厕粪便水同家庭有机垃圾破碎后一同在半集中式沼气池中处理,产生的沼气作为天然气的补充能源。

挪威奥斯陆也建立了类似的生态厕所,粪便用卡车运走做堆肥处理。

日本在长崎港口附近的住宅区,建立了以生物厕所进行黑水处理及小型家用废水处理设备进行灰水处理的生态卫生系统。

生物厕所反应罐上装有通风风扇以改善罐内的气味。

在螺旋形旋转器的缓慢搅动下,投加木屑后的粪便进行发酵和分解。

最后的固体残留物可作为肥料进行农业回用。

小型家用废水处理设备由两个池体组成,废水分离后先进入厌氧池进行分解,然后流入曝气池进行好氧分解,上清液排出可以进行回用。

该废水处理设备的用电量和处理能力分别为每月35kW•h和1000L/d。

根据统计,日本排放生活污水中人均BOD、TN和TP等污染负荷分别为40g/（人•d）,11g/（人•d）,1g/（人•d）。

经过生物厕所及家用废水处理设备处理后,出水污染负荷可以分别降低至1.5g/（人•d）,0.6g/（人•d）,0.2g/（人•d）,同时可以将用水总量减少为原来的75%[19]。

德国在吕贝克市某居住区,建立了一个以真空厕所为核心的黑水、灰水等分流处理系统作为示范工程。

居住小区规划居住人口350人,总占地面积约3.5hm2。

其中雨水及灰水首先通过沉淀处理然后进入湿地系统进行净化,出水可排入池塘或用于灌溉。

黑水及有机废物通过厌氧消化进行处理。

消化反应产生的沼气可供应给沼气发电机发电,余热可用于消化反应所需要的热量或直接接到供热管网。

沼气池产生的污泥作为肥料回用于农业中,实现营养物质的循环。

根据统计,德国的人均用水量为129L/（人•d）,而示范工程小区人均用水量只有75L/（人•d）,平均节约自来水大于40%。

通过采用真空厕所系统,可以使黑水的产量减少至6L/（人•d）左右,约相当于目前常用的水冲洗厕所产生黑水量的10%。

与传统的排水模式相比,该系统虽然采用了更加先进的技术,但是每月运行费用1.44欧元/m2还是低于传统排水模式的2.22欧元/m2[20]。

另外,澳大利亚发展公司与乌干达水资源发展局联合在乌干达基索罗镇也已开展了生态卫生的示范工程项目研究,建立了粪尿干式卫生系统,实现了营养盐的农业回用[20]。

在丹麦、芬兰等地也陆续建立了粪尿分别收集式卫生系统,实现了营养物质和水资源的独立循环利用[20]。

6.生态系统中水资源、能源、营养物质的循环利用方法与技术

6.1建筑生态卫生排水系统技术

实现生态卫生系统的理念，改变现有的排水系统模式，必须采用以源分离卫生系统为核心的排水系统，其中涉及的技术模块主要有高效源分离技术、灰水处理回用技术、营养物质的回收利用技术等。

6.1.1高效源头控制卫生设备

与源头控制卫生概念相关的技术目前己有应用，如尿液与粪便分离式便器己在瑞典、丹麦、德国、荷兰等欧洲国家使用[21]，这种便器内有2个收集器，如图2所示。

图2尿液分离式便器

便器前端为收集尿液之用，后端则与常规便器相同，用来收集粪便。

尿液以及冲洗水可用管道单独收集并被转移至贮存的容器中长时期贮存，经简单处理后回用于农业生产。

粪便用极少量的水冲洗后用管道收集，并与来自厨房和花园的一些可生物降解物质一同处理（堆肥法），堆肥后的最终产物可用作花园以及农业土壤调节剂。

归纳目前已有的应用，源分离技术手段可分为以下几类。

6.1.1.1不冲水的堆肥干厕

该类厕所与我国农村普遍应用的干厕区别在于尿液与粪便分离，尿液从便器的小便区单独排出，大便收集后添加约与粪便量相同的锯末或灰土，通过堆肥发酵实现粪便的稳定化。

该类厕所在欧洲低人口密度的乡村已有较多应用，但在人口密度高、多层建筑、使用频率高等情况下应用较困难。

脱水处理可以除掉物质中的大部分水分。

在脱水型厕所中，通过加热、通风和加入干物质使储粪池里内容物的水分尽快降到25%以下，达到干燥，这样才能快速杀灭病原体，并且没有臭味和苍蝇孳生。

用蹲便器或坐便器等专门收集装置把尿分流入一个独立的容器中储存，这可让粪便非常容易地脱水。

6.1.1.2尿液分离的冲水厕具

在便器的小便区单独设立排污口用以分离尿液，小便区所需冲洗水量较小（0.1～0.5L），并通过重力流单独收集。

单独收集的尿液可以减少排水中约50%的磷负荷、近90%的氮负荷，该类源分离在欧洲已有较多示范案例。

6.1.1.3极少量冲水的负压厕具或尿液分离负压厕具

负压冲厕利用排污管道中的负压与常压的压力差（约40～70kPa），可显著节水（冲厕耗水约1L），并同时得到高浓度的粪尿[22]。

德国已在一个有350人的小区使用负压厕具混合收集粪尿，我国清华大学的环境节能楼通过尿液分离的负压厕具对单独收集粪和尿进行了示范应用。

负压排水系统由3个基本单元构成：

污水收集单元、真空管道单元和真空站单元。

污水收集单元包括污水收集器具和真空阀，污水收集器具包括地漏、洗手盆、洗浴盆或真空便器等，通过开启真空阀，污水收集器具收集的污水被抽吸到真空管道中。

真空站单元主要由真空收集罐、真空泵、污水泵及自控等部分组成，真空泵在真空收集罐中产生并维持所设定的真空。

真空管道连通污水收集单元与真空收集罐，污水经真空管道的传输进入真空收集罐，罐内收集的污水最后经污水泵排出。

真空便器与传统便器排污的根本区别在于，传统便器排水的驱动力主要是水的静压，而真空便器排污的驱动力是负压，后者的驱动力是前者的几十倍，这也是真空便器能够有效节水的主要原因。

真空便器分为粪尿分离式和混合式。

粪尿分离式真空便器设有排粪口和排尿口,粪、尿通过不同的排污口排出。

混合式真空便器则仅有一个排污口，粪、尿混合由排污口排出。

每种便器都可制成坐式与蹲式。

6.1.2灰水处理技术

粪尿分离后的灰水在量和质上与传统混合污水相比都有显著降低，其中N、P的含量都有显著降低，通过不同的处理途径可以较小的费用再生回用。

灰水处理技术以经济、适用简便为原则，必须根据村镇的特点，采用投资少，运行费用低、维护管理方便、具有良好抗冲击负荷的能力。

可供选择的分散污水处理技术主要有：

（1）利用土壤作为处理载体和