19 世纪中叶开始，集中式排水管网系统开发与应用有效减少了人类与自身排泄物的接触，避免了斑疹、霍乱等疾病爆发和流行。随后活性污泥法的推广，生活污水、工业废水、雨水等通过管道送至集中的污水处理厂净化后排放，成为了城市的主流选择。数 10 年来，随着全球人口增长、自然资源短缺以及人们对于“排泄物”的认识不断提升，集中式排水系统的局限性日渐突出，如供排水管网的投资和维护费用巨大、污水处理设施能耗高、污泥的处理处置困难、水资源利用率低，氮磷等营养物回用难度大等。
近年来，城镇污水处理朝着供排水融合、水资源循环利用、污水和固体废物协同处理，营养物回收利用、低碳、碳中和甚至输出能源等方向发展。基于污水源分离的分散式处理系统具有灵活多变、水资源和废物高效利用等特点，其对生活污水从源头分离、分别收集、处理、资源化与能源化，灰水、黑水以及黄水的处理和回用工艺以及相应新设备的研发与应用快速推进，应用实例越来越多。
1 污水源分离技术的分散式处理系统
生活污水源分离技术是指根据污水产生场所和污染程度，将生活污水分为污染物含量低、潜在水资源丰富的灰水，含水量低且具有较高有机物含量和氮、磷成分的黑水和黄水，在产生源头单独收集，分别输送至对应的处理系统，以避免不同水质之间的交叉污染，同时也利于将其中的资源、能源进行单独的回收利用。
分散式系统则相对于集中式系统，在一定处理规模内建立小型的处理设施，实现区域化的污水处理。在新建城镇化区域或远离城市排水管网的区域，为提高污水中的资源、能源回收和利用效率，节省远距离输水的管道投资与运行费用，将污水源分离技术与分散式处理系统相结合，在一定区域内形成资源再生利用中心，不仅可以实现对源分离的灰水、黑水、黄水的分质处理，就近回收利用资源和能源，节省管道输送费用;还将传统的直线式物质流转变为水与资源的循环利用，大幅削减废物排放量，甚至达到零排放和能源零需求。
1 源分离技术的资源、能源回收潜能
1.1 灰水的再生利用
随着人们生活水平的提高，生活污水量随之增加。据统计，居民室内用水中，用于直接饮用和烹饪的水量只占 5%，浴室、厨房所产生的低污染含量的污水量占 50%或更高。集中式处理系统中，污水处理厂大多建于城市河流或水体的下游，再生水回用需额外铺设 1 套中水管道，投资费用巨大，因此城市污水厂的尾水大多直接排放，水资源重复利用率低。截止到 2015 年，我国京津冀地区再生水利用率达到35%，而缺水城市利用率仍不到 15%，其他的城市和县城则低于 5%。在水 - 能关系日益紧张、城市的水循环过程能耗越来越高的形势下，传统处理模式不仅需要投入更多的能源与费用获取新鲜水，同时对于水资源是极大的浪费。灰水，一般指生活污水中来源于洗浴、盥洗、衣物清洗、厨房水槽和洗碗机等含污染物含量较低的生活污水，大多以清洗为主，其成分随用水习惯、用水设备、清洗剂种类甚至地区和用户身份等差异而有所不同。灰水 COD 通常在 400～750 mg/L、TN的质量浓度 2～20 mg/L，有机物负荷通常只有混合生活污水的 45%～75%，其水量一般占家庭排水总量的 50%～80%。采用真空马桶和负压排水系统后，灰水的水量占比可以达到生活污水量的 90%。由于污染物含量较低，灰水的处理与再生容易实现，采用絮凝 - 过滤、AO、AAO、MBR 以及人工湿地等工艺均能达到良好的出水水质，再经过消毒，就可以实现回用。
灰水净化后用途包括冲厕、灌溉、路面清洗等。研究显示，灰水就近处理后回用，可以减少 25%～40%的新鲜水消耗，还能减少污水的收集与输送费用。MARIANA 等采用移动床生物膜反应器(MBBR)工艺中试处理校园混合灰水 COD、TOC 和总大肠菌群的去除率分别能达到 78%、75%和 97%，出水回用于室外公园和草坪的灌溉。灰水净化后污染物已被有效去除，再生水无色无味，与室外用水相比，用于室内冲厕，一方面可以保障回用水量，使用频率更高且无季节性影响，因此，国外已有不少灰水净化后用于冲厕的具体案例。HU 等采用改良 MBR 工艺处理灰水，出水 BOD5 低于 5 mg/L，其它项指标满足 EPA 对于冲厕回用水的要求。西班牙滨海略雷特的一所三星级酒店，将浴室和盥洗池的灰水单独收集处理并回用于冲厕后，每年可节省新鲜水用量 10×103 m3 。SHASHI 采用活性炭与多级膜过滤的集成设备处理某大学城洗浴、洗衣以及洗手池的混合灰水，对于浊度、BOD5 和总大肠菌群的去除了分别为 99.6%、99.9%和 84.2%，出水甚至可以达到除饮用以外的室内用水水质要求。
1.1 黑水中能源的回收利用
生活污水源分离的黑水，主要来源于厕所的排泄物及其冲洗水，一部分厨房废水也可以纳入黑水范畴，其中尿液和粪便及其冲洗水更进一步被划分为黄水与褐水。黑水的特点是含有高含量的有机物、氮、磷，微量污染物以及病原体。单独收集处理可以最大程度避免清洁水体污染。一般黑水水量较灰水低，因此国内外大多采用能耗低、占地小且不用保证连续进水的厌氧处理工艺就近处理。
研究表明，厨房废水与褐水进行协同厌氧消化，产甲烷产量最高达到 520 mL/g;向系统中添加比例为体积分数 6%的黄水时，系统的产甲烷量可提高至 560 mL/g，同时可以将系统的产气稳定期提前 6 d。WASIELEWSKI 等采用连续搅拌反应器(CSTR)处理黑水，CH4 产量在启动阶段即可达到 222 L/kg，CH4 的质量分数能达到 66%;进一步提高黑水的比例后，CH4 产量提高到 332 L/kg。
传统的冲水便器对新鲜水消耗大，对黑水中的有机物有一定的稀释作用，增加黑水的厌氧发酵的难度。采用新型的真空马桶和室外负压收集系统，可以有效减少新鲜水消耗，同时对黑水的稀释降到最低，可以保证厌氧消化的底物含量。分散式卫生处理和资源回用理论(Decentralized Sanitation and Reuseconcept，DESAR) 即建立在黑水的源分离基础上，采用真空马桶与负压收集的方式，将黑水分为褐水和黄水单独收集与处理，常用的处理技术有升流式厌氧污泥床水解酸化池(Up-flow Anaerobic Sludge Blanket Septic Tank，UASBST)与培养驯化反应器(Accumulation Reactor，AC)反应器。MARTHE 等用 UASBST 反应器处理真空马桶收集的高浓褐水，进水 COD 在 7.7～9.8 g/L，去除率达到 74%以上，产气量 200 L/(m3·d)，其中甲烷的质量分数 78%，每人可转化 56 MJ/a 的电能与 84 MJ/a的热能。
生活污水的产能成分主要集中在黑水，黑水的水量相对于灰水来说很低，因此通过污水的源分离技术，避免黑水稀释，高浓度的有机物经过厌氧消化产生沼气，既可以通过热能的形式直接利用，也可以转化为电能，但是考虑到转化过程中的损失，热能的利用一般被优先考虑。
1.2 黄水中氮、磷等营养物的回收与富集污水源分离后的黑水，富含有机物和氮磷成分，其中大量的氮、磷和少量的有机物集中在黄水中。一般来说，尿液为生活污水总量的 1%，却贡献了生活污水磷的 50%和氮的 80%。研究表明，当尿液分离后不仅可以大幅减轻污水厂的负荷。从污染物的去除和资源的回收来说，处理未经稀释和混合的原尿液比处理稀释后的混合污水效率更高，直接从尿液中回收氮和磷，相比于进入污水厂后的回收更经济有效。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
从营养物回收的角度看，尿液单独收集处理的优势突出。一方面，粪尿分离可以减小黑水处理系统的体积，而且尿液的氮磷含量高而可降解 COD 很低，对于厌氧消化产气贡献不高;另一方面，尿液由于体积小而富含氮、磷、钾等成分，将尿液中氨部分氧化得到的硝酸铵是作为农业肥料的最佳选择，虽然尿液稳定化过程中容易产生亚硝酸盐积累，通过控制反应系统的碱度或采用化学方法将其氧化。UDERT 等采用曝气生物滤池和膜过滤组合工艺，将尿液中的有机物去除同时将 50%氨氮氧化，最后浓缩得到质量分数 70%硝酸铵。ALEXANDRA采用生物稳定技术将一半氨氮转化为硝态氮，同时采用 50 kPa 蒸发浓缩的方式得到富含硝酸铵的浓溶液，氨氮和硝态氮的质量浓度分别提高到 23.100g/L 和 24.400 g/L。CHRISTOPHE 等利用尿液硝化浓缩后得到的肥料种植黑麦草，发现植物对于肥料中氮元素的利用率可以达到 75%，说明植物可以极大程度利用尿液中的氮。
磷属于不可再生资源，在传统污水处理过程中从污水进入污泥，最后被填埋或其它方式处置，回收利用难度高;传统污水处理过程中即使回收，成本高昂。我国的磷矿石基础储量约为 3.4 Gt，仅次于摩洛哥位于世界第 2，约占世界磷矿石储量的 5.5%。但是我国富磷矿(P2O5 的质量分数 >30%)少，而贫磷矿(P2O5 的质量分数 <18%)多，贫磷矿的储量约占全国探明磷矿储量的 50%(我国磷矿石 P2O5 的质量分数平均为 16.85%)。据预测，中国等发展中国家的对磷矿石需求量预计在 2020-2050 年才能到达峰值，届时每年磷标矿需求量达到 43～47 Mt。因此从黄水中回收磷元素，可以有效提高有限资源的利用率，避免磷矿的过量消耗，而尿液分离式马桶的出现极大促进了尿液中磷元素的回收技术的发展。
磷酸铵镁(Mg(NH4)PO4·6H2O，又称鸟粪石)结晶是较为常见的黄水中磷回收技术，常见的镁源有MgCl2、MgO、Mg(OH)2 等。KEALAN 等向 NoMix 马桶收集的尿液投加 MgCl2，得到含鸟粪石的肥料，通过适当的 pH 控制使尿液中磷的回收率达到 90%以上，经过分析，所得固体物质各成分含量符合欧盟 ABPR 1774/2002 标准。SONIA 等比较了不同的水力条件下、镁源种类以及Mg、P 比例的磷回收效果，发现以 MgO 为镁源，在 Mg、P 的摩尔比为 2、水力条件 30 r/min 下，实现99%的最高磷回收效率，得到了粒径在 50～100 μm的鸟粪石晶体。成本分析发现，采用 MgO 与 MgCl2的成本接近，虽然 MgO 的价格是 MgCl2·6H2O 的5.5 倍，但是 MgO 的 Mg 含量更高，同时自身的 pH缓冲能力可以使得 pH 保持在 8.5 左右，有利于鸟粪石晶体析出。MANUEL 等以废弃矿场的菱镁矿作为镁源，在 700 ℃左右焙烧 1 h 后得到镁的质量分数 54%(MgO的质量分数为 60%)的沉淀物，再用于尿液的磷回收，从矿石的焙烧至鸟粪石成品的产生过程中总成本为 0.12 美元 /kg，处理成本降低了 20%。此外，采用镁电极为阳极的电解系统，控制电压维持溶液中 Mg2+ 的含量，当 Mg、P 的摩尔比为 1.5 时，可以对尿液中的磷实现 100%的回收，但是成本相对而言更高。
1 生活污水源头分离收集和输送系统
1.1 收集系统
将污水从源头单独收集，是污水源分离实现的基础。其中黄水与褐水分离是生活污水源分离的难点和热点。研究者总结、比较了国内外 36 个源分离应用工程，发现其中涉及黄水、褐水源分离的工程占97%。新型源分离式便器是实现黄水与褐水源分离的关键。
粪尿分离式新型便器通过设置前后 2 个排放口，分别收集尿液与粪便并分别与后续输送管道相连，中间设置隔板，从而实现黄水与褐水的分离，再通过重力收集或负压输送。对于湿式冲水马桶，小便的冲水量仅为 0.1～0.2 L/ 次，大便区采用负压收集系统时，冲厕水量仅需 1.0～1.5 L/ 次，常见的双排放口便器有瑞士的 NoMix Toilet，以及结合负压收集的微水气冲尿液分离负压厕所等。此外，荷兰 TheoBrandwijk 设计的 Piet Toilet Diversion Toilet，在排污管采用传感器和三通阀，通过传感器自动调节三通阀角度，将粪便与尿液导入不同的管道中，仅用 1个排放口实现粪尿分离，同时进一步缩小了便器的体积。
然而环境友好型便器在发展和应用中也出现诸如结垢、发臭、用户体验差等现象。源分离便器节省了冲水用量，但高浓尿液使得小便收集口、水封弯处结垢现象严重。UDERT 等比较了不同厕所的小便管的垢成分，发现传统冲水是便器的垢成分主要为碳酸钙，而源分离厕所中则以鸟粪石为主。可见在源分离厕所的黄水收集输送管道鸟粪石结晶沉淀，一方面堵塞管道，另一方面也降低了磷回收效率。
便器中隔板的设计虽然实现了黄水与褐水的有效分离，但是加大了清洁的难度，其零件更换、维修成本高，无法适应居民的使用习惯等，都严重影响了源分离理念的推广。由清华大学开发的新一代源分离式便器，通过以平滑坡形隔离堰代替垂直的隔离挡板、增设清洁盖的方式，减轻了清洁的难度，同时还达到了防臭的目的。
1.1 输送系统
污水源分离系统的输送系统，根据驱动力的不同，可以分为重力流和负压收集 2 种方式。
传统的混合式生活污水收集系统大多采用重力流的方式，利用污水管道的坡度实现污水自流至处理系统，坡度随管径、管材和地形的变化而相应改变;负压收集系统通过负压泵在管道内部形成负压，将污水由源头通过管网输送至处理系统，工作压力通常在 60～70 kPa。
负压排水系统具有管内流速快、管径小、埋深浅，不易发生渗漏等优势。通过对负压站和排水管道的监控，可以在管道出现故障时可以迅速响应;而重力流系统经常等到故障扩大一定程度后才能发现，在负压系统中 86%的故障都可以在 2 h 以内得到修复，有效缩短了维护时间。负压系统中真空阀是维持管道内部负压环境的重要部件，63%的负压系统的真空阀平均每个月都至少出现 1 次故障，成为影响负压排水系统稳定性的重要因素。由上海某研究院研发的水封式负压排水收集技术，在各集水井采用水封管代替了传统的真空阀，简化了设备和监控系统，同时有效节省了投资和维护费用。
传统的重力流排水技术较为成熟，短距离的输送所需要的高程差相对较低，成本低。在长距离输送时，排水管除需要一定的坡度外，还需要维持水量避免悬浮物堵塞，长距离输送时还需要设置提升泵站。就水量而言，灰水的水量比褐水、黄水高，而且悬浮物含量低，流动性强，灰水仍然可以采用重力流为主的收集方式，在一定区域内实现灰水的集中收集、处理与回用，避免了长距离输送的管道投资、运行和管理费用，就近回用可以提高水资源利用效率。郑林静认为，对于源分离的灰水重力流收集系统的管道投资而言，日处理量 3 000 m3/d 是最为合理的规模。褐水的水量仅占生活污水总量的 30%～50%(采用真空马桶的比例更低)、含固率较高、流动性差，若采用重力流，则要求排水管道的坡度大，需要频繁提升，且容易沉积堵塞。而采用负压排水管道输送，则解决了堵塞和坡度问题，降低了投资成本，采用室内节水便器，还可进一步降低褐水水量，提高有机物含量;黄水的水量最低，但流动性比褐水强，短距离内可以采用重力流输送，但是黄水中尿素易发生水解使 pH 升高，增加了结垢风险。因此在黄水的收集过程中，应合理控制在管道中的停留时间，进而选择合适的处理规模。
黑水和黄水的冲洗水越少，有机物、营养元素含量越高，其能源和资源回收的潜力越大。以黄水的磷回收为例，正常成年人每日排尿量约为 1.5～2 L，磷酸盐的质量浓度约为 631 mg/L。在 100%回收率情况下，每天得到 1 kg 鸟粪石晶体需收集约 134 人的尿液，而一天中排尿低谷时期管道中尿液的量很小，因此为了有效实现黑水资源化，宜采用小范围设中间储存系统，再经由统一的运输至处理系统，一方面形成规模化资源回收，另一方面也减小了处理设施的管理和维护难度。
重力流系统虽然利用了污水自流属性，但是考虑到远距离的输送所需要的管道提升、维护费用，其经济性并不明显;而采用负压真空收集的方式，虽然前期收集端投入较高，但较低的运行费用、基础设施的简化以及管径的减小带来的收益却超过了传统的重力流收集方式。
贾海峰以我国北方某典型的居民小区为对象(居住人口 6 678 人)，比较了重力流排水系统和源分离的负压收集系统在建设、运行方面的投资、污水处理和运行费用情况，发现源分离系统管道系统建设费用上比传统排水系统增加了 29%，污水处理设施基建费用减少 48.23%，虽然总体基建投资增加142.3 万元，但是管道系统和污水处理系统的年运行费用分别减少 67.48%和 50.49%，平均每年节省运行费用 37.3 万元，不考虑任何资源、能源再利用和生态效益情况下，4 年后源分离负压系统即可抵消基建差额。
4 结束语
随着对资源认识的提升，传统的污水处理理念已不再适合当前的发展形势，城镇污水处理设施的功能应当向“水工厂、能源厂和资源厂”等新型功能方面转变。经过不断的发展，源分离处理技术种类呈现出多样化，在不同污水流的污染物去除、资源能源的回收方面都已经能达到很好的效果，更能灵活适应不同的水质条件，可以针对不同的情况灵活选择;新型源分离洁具和负压排水技术的发展，也为污水的源分离提供了强大的技术支撑。
源分离技术与分散式系统相结合，根据源分离程度合理选择处理规模，污水处理后可以就近回用，减少长距离输送的成本，形成规模化的资源回收与输出，又能在一定程度上实现集中管理，适合于快速城镇化地区的发展模式。当前，这种形式在初始投资方面成本较高，但随着源分离技术、设备的不断发展，经济成本也将随之降低，同时考虑到潜在的资源效益和生态效益。综合来看，基于污水源分离的分散式处理系统，在未来还是有广阔的应用和发展的空间。(来源：同济大学环境科学与工程学院)