城市排水管網源於19 世紀工業革命之時的歐洲，當時主要是基於衛生方麵的考慮，以減少經飲用水傳播的疾病( 如霍亂、痢疾等)^［1］。從那時起，象征"現代文明"的抽水馬桶以及集中式管道排水係統便一直延續至今，成為當今城市發展的一種普遍排水模式^［2］。然而，這種"一衝了之"的"現代文明"在強調可持續發展、生態文明建設的今天顯得有些倒行逆施，因為我們祖先"食物來自於土地，排泄物回歸土地"的這一生活習慣在現在看來恰恰是一種樸素的生態循環，已被國內外有識之士譽為"原生態文明"^［3］。的確，當前主流集中式排水係統加劇了水危機、磷危機甚至是能源危機^［4，5］。衝水馬桶用大量的水稀釋、衝走排泄物，一方麵加劇了水資源匱乏和水體汙染的程度，另一方麵導致排泄物中大量營養物質( N、P、K) 以及含能物質(COD) 遠離它們的"故土"，走上一條流向大海的"背井離鄉"之路。與此同時，這種"現代文明"方式也增加了環境風險^［6］，增加了基礎建設投資以及維護費用與運行能耗^［7］。研究表明，傳統的汙水處理模式運行能耗高達50～100kW·h /(人·a)^［2］，這顯得"現代文明"是一種不可持續的生活方式^［8］。

對此，"現代文明"下的集中式排水方式在其可持續性以及生態效益方麵日益受到學者們的質疑^［9］，以至於以源分離為主的分散式生態排水方式重獲新生^［2，9］。所謂源分離就是在源頭上將排泄物與生活排水分開，一方麵可以最大限度地收集、處置、回用排泄物中的營養成分，使之用於可持續的農業生 產; 另一方麵可以實現節水、節能的雙重效果^［10］。其實，農村旱廁以及曾經缺乏衛生係統的城鎮居民采用的夜壺方式都是源分離之雛形。然而，這些方式雖然方便糞尿返田，增加物質循環的可生態性，但其在衛生方麵的缺陷確實令人望而生畏。如果糞尿返田這種原生態方式"生態而不衛生"的話，那"現代文明"下的抽水馬桶則是"衛生而不生態"^［3］。因此，完全回歸原生態文明的生活狀態顯然不太現實。這便成就了源分離技術的產生與發展，在最大程度上保留現代潔具衛生、舒適、便捷的前提下，通過新型衛生潔具實現糞、尿與生活汙水的分離，最大限度恢複糞尿返田的原生態文明習慣。

原生態文明習慣是中華民族五千年燦爛曆史中農耕文明的重要標誌。然而，這種樸素的生態習慣卻被淘汰，反而被"現代文明"的發源地———歐洲視為人類寶貴的文化遺產。結果，源分離的概念起源於歐洲，源分離的研究盛行於歐洲、源分離的技術也多來源於歐洲^［2］。介紹了源分離產生的生態環境效應，總結了源分離後對糞便、尿液收集、利用方式以及使其資源化的技術。

1 源分離生態環境效應評價

源分離產生的直接生態環境效應是可有效截留、分離糞便和尿液所含磷等營養元素，使之盡可能返回它們的"娘家"———土地。此外，直接生態環境效應還包括水資源節約和水汙染減緩等方麵內容。源分離產生間接環境效益是降低汙水處理程度，以及由此導致的能耗降低和碳減排問題。

1.1 直接生態環境效應

1. 1. 1 回收營養物

古時有"肥水不流外人田"的俚語，其實說的就是糞、尿中所含的氮、磷、鉀、有機物等營養物回歸土地，用於農業再生產; 這種糞尿返田習慣是化學肥料問世前中國農業生產所需肥料的重要來源，也是我國五千年農耕文明中對世界原生態文明最值得稱讚的樸素貢獻。有研究顯示，在可持續發展的循環農業經濟方麵，糞尿返田同有機垃圾、剩餘汙泥農用相比，無論在經濟效益、還是生態效益及使用的安全性方麵均具有顯著優勢。而源分離最主要的目的就是實現糞尿無害化處理以及對其中氮、磷、鉀等有用資源的原生態回歸。在磷礦資源日益匱乏的情況下，源分離的作用和目的顯而易見。

權威研究顯示，如果維持全球農業生產對化肥3%的年增長量需要，目前全球剩餘磷礦產資源已達不到再供人類使用100年的預期，最多僅夠再維持50年左右的時間^{［11，12］}。對我國而言，每年消耗的磷( 單質) 為1200×104t，其中磷肥的使用就達到了750×104t，若不采取任何措施按照目前的消耗速度，現存的儲藏將隻夠維持35年。盡管我國磷礦儲藏量為世界第三^［13］，但實際儲備不容樂觀; 2014 年國家統計局公布的統計數據顯示，我國磷礦儲藏量折標(P₂O₅)為30.7×108t^［14］，僅占世界總儲量(470×108t)的6.5%^［15］，況且，我國磷礦儲藏量中磷礦石元素品位並不高，不太具有經濟開采價值的三級磷礦構成 (P₂O₅＜30%) 占總儲藏量的59.6%^［13］。磷在糞尿不返田的現代生活方式下呈直線式流動，即從陸地向海洋運動，導致在近兩個世紀以來磷的流失狀況不斷加劇，已出現了嚴重的磷日益枯竭現象^［16］。

在磷危機顯現的這種處境下，最大限度地遏製磷流失已使人類處於必須麵臨並為之采取行動的危機關頭。因此，從汙水或動物糞便中回收磷便成為國際研究的熱點^［17］，以使之成為人類的"第二磷礦"^［18］。其中，源分離作用不可小覷。尿液體積雖然不大，僅占生活排水量的1%～2%^［2］，但尿液中的磷含量卻占到生活汙水磷含量的50% 。歐盟國家每年通過尿液、糞便排放的磷( 單質) 達80×10⁴t/a，占歐盟全年總磷進口量的33% 、磷肥進口量的57%^［19］。目前，歐盟采用源分離方式回收的比例約為20% ，每年有將近16×10⁴的磷通過源分離回收並返田^［19］。在我國，城市采用源分離技術的比例極低，僅局限在一些示範工程( 如奧林匹克森林公園)上; 本來農村普遍采用的旱廁糞尿返田習慣也幾近消失，導致每年近150×10⁴t的磷通過汙水處理而流失^［16］。如果源分離比例在歐盟和中國均能達到80% ，這將會為歐盟和中國分別節省64×10⁴t /a和120×10⁴t /a的磷資源。此外，畜牧業對磷元素的排放也是一個"黑洞"，我國畜牧業動物排泄物導致的磷流失便達200×10⁴t /a^［20］。可見，對畜牧業動物排泄物實施源分離並促使其返田利用對遏製磷資源匱乏作用與意義甚至比人糞尿還大。

從集中式汙水處理廠回收磷固然可行，也是國內外一些現存汙水處理廠開始付諸實施的工程實踐。然而，基於分散式源分離技術直接利用尿液和糞便或從尿液回收磷存在明顯的優勢，甚至也是國外一些家畜養殖場開始效仿的做法^［21］。直接從尿液和糞便中回收磷具有明顯的優勢:

①尿液組成成分單一，沉澱、回收效率高，通過硝化/蒸餾和藻類吸收等方式處理尿液中的氮、磷 時，回收率近乎100%^{［22，23］};

②尿液中幾乎不含重金屬^［24］，分離、回收後的磷直接用於農業生產帶來的環境風險低;

③尿液源分離回收磷設備及操作簡便而靈活，具有適用性^［25］;

④黃水、黑水從源頭分離，在回收磷的同時亦可一並將氮和鉀一起回收^［22］;

⑤高達90%的氮、磷被分離回收後使得從汙水生產再生水變得簡單和可靠^［9］。

1. 1. 2 節約水資源

源分離另一個顯著生態環境效應是對水資源的節約，主要節約的是衝廁水。現代城市民用建築一般很少、甚至沒有中水係統，衝廁水即市政自來水，約占居家總用水量的30% 。如果采用源分離非混合式NoMix馬桶^［26］，可節約80%的衝廁水量。源分離有多種形式^［27］，總結於表 1。

研究表明，源分離潔具具有很大的節水優勢，其中以負壓尿液分離便器節水效果最好，衝廁用水量為傳統節水潔具的 20% 、僅為傳統便器的3% 。即使是負壓便器、重力流糞尿分離便器與傳統節水便器相比也能節省3/4的衝廁水量。這種源分離"廁所革命"顯然對城市節水具有舉足輕重的作用。

1. 1. 3 改善水環境質量

城市規模不斷擴張導致"城市"病日益顯現，其中城市黑臭水體最為典型。一方麵，城市汙水處理廠因糞尿混入導致過高的氮、磷難以有效去除; 另一方麵未截流汙水或黑水私接亂排直接進入地表水體。這就使得有機物厭氧與富營養化導致的黑臭水現象非常普遍。如果能在源頭以源分離方式將尿液和糞便分離、單獨回收，生活汙水中80%以上的氮和50%的磷則因此減少，可大大降低汙水處理廠氮、磷處理壓力，即使是非截流汙水直接進入水體亦可減少相應氮、磷負荷，也能減緩黑臭水發生的概率。

此外，尿液源分離還可有效減少人體排出的激素和藥物進入水體的機會，而這些 PPCPs 一旦進入汙水處理廠則很難被降解處理^［1］。研究表明，尿液中含有生活汙水中各類藥物總量的 65%^［28］; 另外，人體新陳代謝過程中產生的一些生物激素(雌性激素、雄激素、利尿激素等) 也往往通過尿液排泄。顯然，對尿液單獨收集後，藥物、激素類 PPCPs 的濃度會相應提高，有可能從尿液中將此類物質分離或去除^［29］。有人對源分離後單獨收集的尿液采用藻類處理後發現，在回收氮、磷的同時對藥物的去除效果也非常明顯，其中，對乙酰氨基酚、布洛酚(撲熱息痛) 的去除效率可達到 99% ，對美托洛爾(高血壓治療藥物) 的去除效率最高可達 60% ，對其他藥物、激素的去除效果也明顯優於汙水處理^［29］。

1.2 間接生態環境效應

1.2.1 降低汙水處理程度

現代汙水處理經曆了從一級、二級向三級處理的過渡與升級，特別是在以控製水體富營養化為主要目的的今天，三級處理似乎都難以徹底解決氮、磷的去除問題。究其原因，我國汙水因有機物含量低而普遍出現碳源不足的現象，以至於氮、磷難以靠生物處理方式有效去除。如果實施源分離計劃，糞、尿則不再混合進入生活汙水，使汙水一下變得"幹淨"起來，實際上變成了灰水( 即優質雜排水) 。表 2 顯示了德國典型生活汙水汙染物的組成與比例^［30］，可以看出，若實行源分離隔離糞、尿並單獨處理，汙水中的 氮、磷、有機物負荷分別減少 97% 、90% 和59% 。這就是說，實施糞、尿源分離後三級汙水處理工藝顯得有些"多餘"，隻用一級處理甚至濕地處理，便可解決灰水中剩餘近 40% 的有機物，氮、磷的去除則根本沒有必要。

國內外研究人員曾做過尿液源分離對汙水處理廠脫氮處理效果的影響研究，其中，荷蘭的研究顯示，當尿液分離率達60%時可減少汙水處理廠出水中70%的氮以及近100%的磷^{［31，32］}; 國內模擬研究表明，對於A2/O工藝而言，當尿液分離率達到13%時汙水處理廠出水中總氮可達一級A標準，當尿液分離 率 提高到75%時出水總磷便達一級A標準^［33］。因尿液中氮、磷含量高而有機物含量低( 見表 2) ，所以，尿液源分離後實際上會相對提高汙水處理廠的進水C/N和C/P比值，相當於增加碳源的作用，從而可起到強化生物除磷脫氮的效果^［33］。

1. 2. 2 降低汙水處理能耗與碳排放

汙水處理能耗一般為5～10W/(人·d) ，而通常從汙水中回收的能源卻不足0.02W/(人 ·d) ^［34］。尿液分離可大大減小汙水處理廠的氮、磷負荷，在很大程度上可降低因脫氮除磷所需能耗。荷蘭研究人員曾就尿液源分離對汙水處理廠能耗的影響進行過模擬研究，尿液分離前後可使相同汙水處理工藝(BCFS) 能耗從6W/(人·d) 降低至1W/(人·d) ，降幅達83%^［9］。

汙水處理工藝脫氮能耗確實占總能耗的比例很大。如果實施尿液源分離，並在源頭通過熱泵回收汙水中蘊含的能量，那就應該比集中式汙水處理的能耗低很多。對此，研究人員設計了三種脫氮方式予以模擬比較:

①集中式傳統硝化、反硝化;

②集中式厭氧氨氧化;

③分散式源分離回收尿液^［35］。從汙水處理碳中和運行以及減少溫室氣體排放角度看，三種脫氮方式中源分離的碳排放量最低( 在源頭同時采用水源熱泵回收灰水中的熱量) ; 每人每年因此可減少CO₂排放量47 kgCO₂當量/(人·a) ( 燃煤發電)或95kgCO₂當量/(人·a) (天然氣發電) ;但因源頭回收灰水熱量而致冬季汙水處理廠硝化效果可能不佳^［35］。

2 源分離產物應用與資源化技術

源分離產物主要是尿液與糞便，其歸宿自然是回歸土地。然而，現代生活方式下的人們總是擔心糞尿返田可能帶來衛生問題以及病原菌傳播疾病問題。因此，隻要將糞、尿中可能存在的病原微生物有效滅除，原則上可以直接返田施用。

在生態排水(Ecosan^［2］) 的理念下，對尿液和糞便可分別進行穩定處理及厭氧消化^［36］。尿液經穩定處理後病原菌一般均可以被滅除，而糞便與其他生活有機廢物一同消化不僅可以回收能源，亦可取得滅菌的效果^［36］。

在尿液不便直接作為肥料返田的情況下，亦可以將尿液中的氮、磷等有用資源予以回收。較早文獻報道最多的是從尿液中以鳥糞石(MAP) 形式回收氮、磷^［9］。然而，10年的研究發現，鳥糞石並不是一種十分容易回收的磷酸鹽化合物，因為純鳥糞石回收的最佳 pH 條件實際上為中性至偏酸性^［37］，且所需反應時間甚長( 以月為時間單位) 。為此，目前國際上有關分離尿液資源化的研究已變得多樣化，出現了尿液硝化/蒸餾、電解、藻類吸收等資源化技術。這些處理方式強調以有效、低廉方式同時回收尿液中的氮、磷等營養物質^［7，22］。

2.1 尿液硝化後蒸餾

對尿液硝化並蒸餾的主要目的是最大限度地回收其中的氮(＞90%) 和磷(＞30%) ^［21］。可利用生物方法使尿液中約50%的氨氮(NH₄+ ) 通過硝化作用轉化為硝酸氮(NO₃－) ，然後通過蒸餾、濃縮方式達到回收氮的目的^［22］。眾所周知，硝化過程分別由亞硝化細菌(AOB) 和硝化細菌(NOB) 共同完成; 隨著硝化反應的進行，pH值下降至6.0左右時硝化過程因堿度下降受到抑製，此時約有一半NH₄+ 轉化為NO₃－ ，形成NH₄+∶NO₃－為 1∶1 的硝化尿液，並由此開始蒸餾、濃縮。

目前該研究仍屬實驗項目，已分別在南非和瑞士完成，尿液硝化與蒸餾工藝分為 A、B 兩個部分，如圖1所示^［22］。硝化過程(A) 在某一連續培養的生物膜反應器( 填料體積約占60%)內完成; 硝化反應器運行45d後即達最大硝化速率420 mgN/(m3·d)］; 硝化後尿液通過泥－水分離裝置分離後進入蒸餾器進行濃縮。硝化尿液蒸餾(B) 采用德國生產的一種商用蒸餾器，蒸發量為20L/h; 尿液中約95%～97%的水分會被蒸發，得到的是一種高濃度硝酸銨液體肥料。

這種尿液硝化、濃縮處理方式除在蒸餾器中添加少量緩蝕劑外無需添加其他化學藥劑; 主要耗能是硝化過程所需曝氣( 部分硝化 0.05kW·h/L，完全硝化0.10kW·h/L) 以及蒸餾所需熱量(0.08kW·h/L，85%熱能可獲得回收) ，綜合運行能耗約為0.14kW·h/L^［22］。這種工藝對尿液中病原微生物有一定的殺滅作用，因為硝化反應器中存在的亞硝酸鹽(NO₂－) 和蒸餾器中的高溫可以將大部分病原微生物滅活。

2.2 尿液電解

尿液中所含銨離子 (NH₄+) 、碳 酸 根 離 子(CO3^2－) 、鈣離子(Ca₂+) 等是一種天然電解質。因此，對尿液進行電解處理顯然是一種可行的技術方案。實驗表明，對尿液電解處理會在陰極產生氨氣(NH₃) 和氫氣(H₂) ，收集後用酸處理可回收尿液中57% 的氮^［38］，實驗過程如圖 2 所示^［22］。尿液電解裝置主要由電解池(EC) 和氣體吸收兩部分組成。電解池陰、陽兩極間由陽離子膜(CEM) 分開; 陰極材料為不鏽鋼網，陽極材料為表麵塗有防護層(銥氧化物) 的鈦(Ti) 。

圖3^［38］詳細顯示了尿液電解電極反應過程以及離子在電解池內的運動情況; 電解池在電場與陽離子膜的作用下，尿液中的陽離子會不斷向陰極區移動並積累，同時，水在陰、陽兩電極上分別放電並生成O₂和H₂與OH －，使陰極區pH值上升。

陰極區因電解導致堿度上升後，積累在該區的NH₄+則以NH₃形式逸出，NH₃和H₂混合氣體在陰極區被真空泵抽吸至含有H₂SO₄的吸收裝置內吸收NH₃形成硫酸銨，殘留氣體則為較純的H₂，可用於電解能耗補給。電解雖然耗能較高，但考慮回收H₂能源的話，這種硫酸銨綜合生產成本將低於工業合成氨。電解尿液固然不能全部去除尿液中的氮，但是可降低汙水處理中43%的氮負荷，相應降低汙水處理能耗。

此外，電解尿液也有其他方法，可在電解池中加入一對或是多對陰、陽離子膜，使電解尿液中銨離子(NH₄+) 和磷酸根(PO₄³－) 分別在陰極區和陽極區富集濃縮。實驗結果顯示，這種電解方法可將氮、磷濃度提高到6～8倍^［39］。

2.3 尿液藻類吸收

藻類藉氮、磷可以迅速增長，已廣泛用於汙水處理^［22］。尿液源分離後具有濃度高、體積較小的特點，較為適合通過藻類予以回收。藻類生物量中氮、磷含量(幹質量)分別為2%和3.3% ; 藻類生長過程所需碳源為CO₂，可實現對尿液中氮、磷回收的同時捕捉、同化CO₂ ; 產生的藻類可用作動物飼料、農業肥料、厭氧消化產能，甚至提煉生物柴油^{［23，40］}。

有人用尿液作為培養液在短光路係統中進行小球藻去除氮、磷實驗^［22］，實驗中采用了如圖4所示的平板式光生物反應器^［23］; 實驗係統由進出水係統(出入4 ℃冰箱) 、光生物反應器、溫度控製係統與光源(400W高壓鈉燈) 、恒溫水浴(35～38 ℃ ) 、pH傳感器、CO₂充氣控製閥等組成; 實驗設計的平均水力停留時間(HRT) 為1d。

實驗對尿液不同稀釋程度以及不同光照強度下小球藻對氮、磷的去除情況進行了對比實驗。結果顯示，尿液稀釋程度越小、光照強度越大則合成的小球藻生物量就越多; 合成尿液稀釋20倍、在光照強度為490lx情況下獲得的小球藻合成生物量為2.9g/L，而合成尿液稀釋5倍、在光照強度為990lx條件下小球藻合成生物量可達6g/L^［22］。尿液培養小球藻過程中磷元素的閾值為225mgP/L，而人尿液中氮/磷的物質的量之比為34∶1，致使尿液培養小球藻過程中幾乎100%的磷會被去除^［23］; 但小球藻對氮的去除情形不同，尿液稀釋率小則氮去除率略有提高; 實驗中觀察到稀釋10倍時總氮去除率為47%，當稀釋5倍時去除率僅僅提高到了51%; 10～ 50倍之間的尿液稀釋率相應於58%～62%之間的氮去除率^［23］。

2.4 尿液太陽能濃縮

回收尿液中營養物質的方法其實很多，如反滲透、生物硝化、化學沉澱、氨吹脫、電滲析、納濾等，但這些方法都需要較高耗能和複雜的操作。有人設計了一種太陽能尿液濃縮裝置，可較好地解決能耗與操作問題，特別對邊遠、電力無保障、經濟欠發達地區具有較高的實用價值，如圖5所示^［41］。

實驗裝置底部麵積為2m²，並貼有黑色瓷磚，以最大程度吸收太陽能; 側壁及頂部為玻璃材料，頂部玻璃蓋板與水平麵成11°夾角，以便於凝結水滴向下流動。實驗用真實尿液，從研究單位某非混合廁所內收集50L尿液進行試驗。尿液進入濃縮裝置後因太陽輻射以及溫室效應導致溫度升高，尿液中水分蒸發到玻璃蓋時遇冷則凝結為水滴，水滴沿玻璃坡度流至底部，經排水管從裝置中移除。實驗裝置運行期間，濃縮器內最高溫度為45～62 ℃，夜晚溫度則下降至25 ℃，濃縮器內溫度平均比環境溫度高約20 ℃。

分別進行A、B兩組平行實驗，一組未加任何化學藥劑，直接進行尿液太陽能濃縮處理; 另一組對尿液進行酸化(磷酸、硫酸) 處理，以減少氮的蒸發流失。經26d自然蒸發，兩組50L尿液最後均能獲得360g固體物質; 其中，磷酸鹽含量從初始時的0.03% 濃縮至最後固體中的1.87% ; A組實驗中氮元素從初始時的0.5% 增至濃縮固體中的1.84% ; B組實驗因分別用磷酸和硫酸酸化處理，避免了約32% 的氮以 NH₃流失空氣，導致B組濃縮固體中氮含量分別高於A組4.5倍(磷酸酸化)和3倍(硫酸酸化) 。

濃縮處理幾乎可回收尿液中全部的磷，而酸化處理後能回收尿液中大部分的氮，所以回收固體具有很高的肥料價值。尿液經長達26d的暴曬，在高強紫外線照射下亦可滅活大部分病原微生物，可大大降低環境風險。

3 結語

源分離其實是基於中華民族五千年原生態文明習慣，是對糞尿返田之營養物樸素循環的現代詮釋。源分離帶來的生態環境效應作用明顯，不僅可以最大程度地恢複農耕文明，最大限度地遏製不可再生的磷資源的匱乏速度，而且還可節約水資源、有效抑製水汙染狀況。進言之，糞尿源分離於汙水還能大大降低汙水處理的程度，有效減少汙水處理能耗並實現碳減排。

糞尿源分離後原則上可以穩定、滅菌後直接返田，用作農業再生產的肥料。在直接利用條件受限時，亦可通過一些技術手段將糞尿資源化。對糞便的資源化處理以與其他有機生活廢物厭氧共消化為主，可以將糞便中有機物轉化為能量物質——甲烷。對尿液的資源化處理則有多種方法，如，研發中的硝化/蒸餾技術、電解方法、藻類吸收、太陽能濃縮、化學沉澱等，無外乎是直接或間接回收尿液中的氮和磷，使之用作固體或濃縮液體肥料，或通過藻類轉化為能源。

源分離其實是一種理念，並不存在技術上的太大難度，隻是重"進口"、輕"出口"的觀念與習慣束縛了國人的手腳。然而，一旦磷資源出現危機，人類則麵臨食物短缺的饑餓狀態。到那時，"肥水不流外人田、沒有大糞臭哪有五穀香"的古訓則一定會重返人間。