自20世纪90年代中期, 欧洲学者提出了源分离排水系统的概念, 这一排水系统强调从源头上实现市政污水的分质收集和处理, 致力于资源回收和再利用, 被认为是一种更可持续的排水理念^[1,2], 受到了学术界和产业界的关注, 目前全球已建立起数十个示范工程进行这一新型排水理念的探索和实践, 这其中, 服务人口5万人以上的4个示范工程中的2个位于我国^[3]。

　　 尿液是市政污水中营养物的主要来源, 约贡献了80%的氮和50%的磷, 从源头上进行尿液的单独收集和处理, 有利于降低后续市政污水处理厂脱氮除磷压力, 更有利于营养物资源的回收, 国内外研究者针对尿液废水的资源化开展了众多的研究^[4], 是当前源分离排水系统的研究热点。尿液资源化处理有赖于尿液的高效收集, 在示范工程的实践中, 尿液废水收集管道的结垢问题凸显^[3,5], 新鲜尿液通常是弱酸性, 不容易结垢, 而尿液中尿素极易发生水解氨化, 导致pH升高, 形成磷酸盐沉淀物, 导致垢的形成^[6], 不但会导致磷资源的损失, 更重要的是会堵塞管道以及阀门等配件, 也是瑞士巴塞尔某图书馆源分离示范项目被终止的主要原因之一^[3]。然而, 需要指出的是, 当前相关的研究仍然较少, 尤其是缺乏降低结垢风险的相关技术措施。

　　 2007年建成的清华大学中意环境节能楼是我国第一个建设源分离排水系统的高层办公建筑, 运行7年后的检修中发现了严重的管道结垢堵塞问题, 部分管件甚至堵塞超过50%的过流面积。针对这一问题, 通过小试挂片试验研究了管道结垢的影响因素, 比较了挂片试验和实际工程中的管道垢成分, 提出了降低管道结垢风险的技术和管理措施, 以期为源分离排水系统的发展提供支撑。

　　 试验中用到的新鲜尿液采自男性志愿者, 收集后立即使用0.45 μm膜过滤, 冷藏保存待用。3种冲洗水分别为自来水、再生水和雨水, 自来水取自实验室, 雨水为降雨中收集, 弃去初期雨水, 再生水取自清华大学污水处理站, 为学生公寓厕所冲洗用水。脲酶为分析纯级 (U1500-20KU, Sigma) 。管道材料为白色硬质聚氯乙烯管, 公称外径50 mm, 为尿液废水收集管道的常用管道型号, 截取长度为40 mm。

　　 实际工程中, 需要很长时间才能观察到显著的结垢现象, 本研究为了能够在小试的时间内研究结垢的影响因素, 选择使用腐蚀和结垢研究中常用的挂片试验的方法开展研究。

　　 首先通过小试研究脲酶投加量的影响, 研究脲酶作用下的尿素水解氨化过程以及对管道结垢的影响, 其次研究冲洗水量和冲洗水质2个操作条件的影响, 以评估降低结垢风险的途径, 所有小试采用2个平行样, 在个别试验中, 采用4个平行样以增大结垢量用于后续分析, 详细试验条件如表1所示。

　　 小试的主要步骤:在200 mL烧杯反应器中注入设定容量的新鲜尿液, 注入设定容量的冲洗水, 总体积计为150 mL, 加入一定量的脲酶, 将管材挂片置于反应器中浸没, 密闭反应器, 防止氨挥发损失和水分蒸发损失;反应时间为30 d, 收集挂片, 室温下晾干。

　　 溶液pH通过便携式的pH计 (Sension 1, 美国哈希) 测量。所有的液体样品在分析之前都通过直径0.45 μm的滤膜进行过滤, 氨氮和磷酸盐浓度依据国家水质测试标准方法^[7]在分光光度计 (DR 5000, 美国哈希) 上测量, 钙、镁等离子浓度在等离子发射光谱仪 (Thermo, 美国) 测量, 无机碳酸盐碳 (IC) 通过TOC测试仪 (TOC-VCPH, 日本岛津) 测量。通过结垢前后的挂片重量差计算挂片结垢量, 以结垢量与反应器中纯尿体积相比评估单位纯尿液的结垢量, 管道表面的垢收集后利用场发射扫描电镜-能谱仪 (JSM-7001F, 日本电子) 进行表面元素的分析。

　　 在自来水冲洗当量与尿液相当 (稀释度为2) 时, 不同脲酶投加量下结垢前后的尿液废水性质如表2所示。脲酶投加量的增加会显著促进氨化过程, pH、电导率、氨氮浓度和无机碳含量显著升高, 氨化过程启动^[8], 试验结束时, 钙、镁浓度的终态值全部下降至0.2 mmol/L以下, 终态PO${}_4^{3-}$损失量约20%, 这表明形成了钙盐和镁盐化学沉淀, 与已有研究结果一致^[6]。

　　 试验中观察到, 除了在管件上的结垢之外, 更多的颗粒沉落在烧杯底部, 本研究主要考察试验管件上的结垢量。随着脲酶投加量的增加, 管件的结垢量逐渐增加, 当脲酶投加量为0.01 g时, 管件结垢量为0.07 g, 当脲酶投加量增加到0.2 g时, 管件结垢量则增加到0.12 g (图1) 。脲酶投加量较大时, 溶液pH、氨氮和无机碳浓度更高 (表2) , 表明尿素水解氨化过程更高, 尿液中比较容易形成的化学沉淀包括羟基磷酸钙和鸟粪石^[6], 较高的pH和氨氮浓度有利于化学沉淀的发生^[9], 更易形成管道表面的结垢。

　　 在脲酶投加量为0.1 g时考察使用不同的自来水冲洗水量对管件上结垢特性的影响, 结果如图2所示。随着冲洗水量的增加, 尿液稀释度增加, 管件的结垢量逐渐降低。研究发现, 150 mL纯尿液在管件的结垢量为0.24 g, 而使用135 mL自来水冲洗15 mL纯尿液时, 此时稀释度为20, 管件上的结垢量下降至0.02 g。但是, 并不能由此说明稀释度增加会导致管件结垢量下降, 因为稀释度增加的同时, 试验所用纯尿液的量也随之减少。

　　 本研究进一步分析了单位纯尿液在管件上的结垢量。结果表明, 在相同纯尿液排放量时, 随着自来水冲洗水量的增加, 稀释度从1升高至20, 而单位纯尿液结垢量则从1.59 g/L上升至2.78 g/L;并且, 当稀释度为1～4时, 单位纯尿液结垢量的变化不大, 此时平均约为1.59 g/L, 而当稀释度增加到10或20时, 单位纯尿液的结垢量则迅速增大。这表明, 冲洗水量为尿液3倍当量时, 有望在实现冲洗的目的同时, 尽量降低管件上的结垢产生。

　　 在脲酶投加量为0.1 g且冲洗水当量与尿液相当时, 考察使用自来水、再生水和雨水等不同冲洗水对管件上结垢特性的影响, 结果如图3所示。自来水作为冲洗水时, 管件上的结垢量最大, 达0.18 g;再生水作为冲洗水时, 管件结垢量降低至0.17 g;雨水作为冲洗水时的管件结垢量最小, 为0.15 g。这表明, 使用雨水作为冲洗水可以削弱结垢, 与Udert等^[6,10]通过模型估算得到的结论一致。

　　 冲洗水以1∶1加入到同一纯尿液中时, 使用自来水、再生水和雨水分别作为冲洗水时, 试验前后尿液废水中Ca²⁺和Mg²⁺浓度如图4所示, 初始Ca²⁺浓度逐渐降低, 这说明自来水中Ca²⁺浓度最高, 而雨水最小, 3种冲洗水情景下尿液废水中终态Ca²⁺浓度都降低至0.2 mmol/L以下。结垢前初始Mg²⁺浓度的检测发现, 自来水和再生水中浓度基本相同, 而雨水中Mg²⁺浓度则较低, 试验后终态Mg²⁺浓度也降低至0.2 mmol/L以下。冲洗水中钙、镁浓度较低, 有助于降低钙盐和镁盐的化学沉淀生成量, 从而降低管道上的结垢量。

　　 选取管件结垢量最大的试验1 (表1) 为研究对象, 观察发现表面晶体主要分为2种形态 (图5a) , 一是针状白色晶体;二是点状白色晶体, 能谱仪结果表明, 主要元素为O、Ca、Mg、P、Na、Cl等。中意环境节能楼的尿液废水收集管道截面显示 (图5b) , 管道中主要为更为密集的针状黄色晶体, 以及附着的毛发、蛆虫等, 主要元素同样为O、Ca、Mg、P、Na、Cl等, 同时出现少量Al元素, 可能与工程中尿液收集系统里存在一些铝质配件有关。小试和运行长达7年的实际工程中的管道垢成分基本相似, 表明挂片试验研究结果是可靠的, 根据元素判断, 管道表面主要是羟基磷酸钙和鸟粪石形成的垢^[6], 同时附着有少量其他杂质。

　　 从研究结果来看, 尿素水解氨化和化学沉淀是管道结垢的两个重要过程。长期运行的尿液管道管壁上附着大量微生物, 具有很强的尿素分解能力, 通常经过管道收集后可以实现一半以上的氨化^[6]。尿素水解氨化同时也会促进化学沉淀的发生, 实现氨化过程的控制会有助于降低管道结垢的风险, 可能的方法包括低温、酸性或碱性pH、脲酶抑制剂等^[8], 虽然可以见到一些便器中使用冰块, 但是此时主要是防止在便器中氨化和产生异味, 难以保证在管道中有效地抑制氨化过程, pH低于3或者高于11可以较好的抑制尿素水解^[11], 但是容易腐蚀管道金属配件, 同时碱性条件很可能会加速结垢, 以0.75%的比例投加脲酶抑制剂正丁基硫代磷酰三胺可以在3 d内较好地抑制尿素水解, 很有可能会是一种较好的控制措施, 另外一个可行的方法是进行管道除垢, 除垢的同时能够消除管道上存在的微生物, 但是需要开展进一步的研究。

　　 化学沉淀的发生除了需要合适的pH, 还需要多种离子的参与, 这其中冲洗水带来的钙、镁含量不容小觑, 硬度较高的冲洗水很容易导致更大的结垢风险, 实验室的自来水硬度较高, 相比较之下, 再生水和雨水的硬度较低, 当前很多城市推广中水回用^[12]以及海绵城市建设中的雨水再利用^[13], 将这种低硬度的水用于厕所冲洗, 有助于降低结垢风险。较大的冲洗水量通常是为了保证卫生效果, 但是, 却也容易导致结垢量增大, 污水负压收集的方式能够在保证卫生效果的同时降低冲洗水量^[14], 这一技术在我国高速铁路发展的进程中日益成熟, 同时能够缩短尿液废水在管道里的停留时间, 有助于降低结垢风险, 但是负压技术投资和运营成本较高, 需要综合评估技术和经济可行性。

　　 尿液废水收集管道中脲酶量较大时, 氨化程度较高, 导致结垢量增加, 为降低结垢风险, 需要尽可能地抑制尿素水解氨化过程。自来水冲洗水量越大, 单位体积纯尿液管件结垢量也越大, 冲洗水量为尿液3倍当量时, 能尽量降低管件上结垢产生。使用雨水、再生水等低硬度水作为冲洗水时, 能够有效降低管件上的结垢量。小试与运行7年的尿液废水收集管道表面垢成分基本相似, 主要是钙和镁的磷酸盐难溶物。

　　 编后语:尿液源分离技术是水处理领域发展的新理念, 近年与之相关的科研成果和示范工程大量涌现。作者发现运行多年后部分源分离示范工程存在严重的管道堵塞问题。本文以实际工程问题为导向, 选择挂片试验研究了管道结垢特性与防垢措施, 同时验证了挂片试验的可靠性和稳定性, 并提出降低管件上结垢量的有效途径包括使用雨水、再生水等低硬度水作为冲洗水和减小冲洗水量的结论。这与城乡建设过程中积极推广的中水回用和海绵城市建设中的雨水再利用理念以及污水负压收集技术具有良好的接洽点。对推进可持续型水资源利用技术具有较好的参考价值。