在现有水冲厕所系统模式下,人类粪尿污水的排放和处理不仅造成了严重的氮、磷、钾及水等资源的浪费,同时也提高了生活污水的处理难度和成本。研究表明^[1,2],一个成年人每天会产生1.5 kg的尿液和0.14 kg的粪便,共包含11.5 g氮、1.5 g磷及3.15 g钾,且88%的氮、67%的磷及73%的钾存在于尿液中。在污水处理厂中大量地投入资源能源去降解粪尿中所含有的氮、磷、钾等营养物时,会造成严重的环境破坏、资源浪费以及经济负担^[3]。

与此同时,粪尿不仅仅是造成环境污染问题的源头,其富含的营养物质也是人类缓解日益严峻的资源匮乏问题的希望^[4]。目前,从粪尿中回收资源能源已成为全球热点研究课题,越来越多的技术被用于粪尿资源化处理中,其中包括鸟粪石结晶^[5,6]、电化学处理^[7,8]、燃烧发电^[9]、水热碳化^[10]、膜技术^[11,12],以及多种耦合技术。笔者所在研究团队在将粪尿进行源分离的基础上,以正渗透技术(Forward Osmosis, FO)作为核心处理单元,结合其他营养物高效回收技术(如吹脱回收氮、鸟粪石结晶回收磷、厌氧发酵回收沼气等),设计了一套资源化厕所系统,并在清华大学附属小学进行了前期应用研究,取得了较好的结果^[13,14],其模式如图1所示。

在实际测试过程中,该系统可实现运行效果良好,各阶段的运行效果及系统的物料平衡如图2、图3所示。

考虑实际处理过程水及营养物质的损耗,整体厕所系统可回收97.43%的氨氮(持续吹脱1 600 min),99.44%的总磷,74.67%的水[正渗透过程4 h平均水通量可达3.58 L/(m²·h)]。相对于初期系统,整体的资源回收效率和所得到的产品品质、形态均有较高的提高。

本文将结合前期的实际应用效果和测试结果,对该系统进行生命周期评价,分析其环境影响,明确后续进一步改进的重点,并评估其未来大规模推广的潜力、价值和影响。

考虑到不同地区的基础设施条件差异,笔者为厕所系统的应用设计了两种应用情景,其一是适用于有供排水管网的地区(情景1),其二是适用于无供排水管网的地区(情景2)。采用生命周期评价(Life Cycle Assessment,LCA)将两种应用情景和传统水冲厕所系统(情景0)进行对比分析。具体如下:

(1)情景0,粪尿经常规节水便器收集后排入化粪池,进而通过市政污水管网进入集中式污水处理厂进行处理。

(2)情景1,为图1中仅对黄水进行资源化处理,即粪尿经负压源分离便器分开收集后,黄水(尿液)通过吹脱结晶、沉淀过滤、正渗透-反渗透(FO-RO)膜系统进行处理,获得氮肥、缓释复合肥及清洁水,浓缩的黄水则与褐水(粪便)一起通过生活污水处理设施进行处理,系统由太阳能电池进行供电。

(3)情景2,为图1完整的处理工艺,即在情景1的基础上将浓缩黄水和褐水一起进行厌氧发酵,以实现完全资源化处理,系统同样由太阳能电池进行供电。

基于相关厕所设计标准《城市公共厕所设计标准》(CJJ 14—2016)和《公共厕所建设规范》(DB11/T 190—2016)^{[15,16]15,16]},在本研究中设定3种厕所系统,系统中均配备2个男士大便器,2个男士小便器,6个女士大便器,每天可服务780人次女性和800人次男性。具体参数如表1所示。

LCA作为一种从全生命周期角度评估产品潜在环境影响的方法^{[17,18]17,18]},已被广泛的用于评估诸如源分离系统、农村厕所系统、污水处理及资源化技术等卫生设施系统^{[19,20,21,22]19～22]}。本研究中,由于所有的厕所应用模式均是为人们提供日常如厕需求,故将功能单元定义为“厕所系统1天内收集和处理780人次女性和800人次男性所产生的粪尿排泄物”。3种情景模式各自的系统边界如图4所示。

基于相关产品、设备的生产参数,实际应用效果,以及基于试验测试结果的合理估测,构建3种情景模式的生命周期清单。然后在LCA分析工具Gabi 8.0中构建相应的清单,并借助其背景数据库进行LCA分析。最后将生命周期影响评估结果用CML 2001-Apr进行特征化处理,归为全球变暖潜力值等11项环境影响结果。

在厕所建设阶段,设定各厕所的使用期限为20年,且使用完即拆除。基于3种情景各自的粪尿收集处理系统,以前文为准,以前文所述的功能单位为量化基础建立清单,具体包括如下几个方面:①厕间的基建和装饰;②蹲便器和挂斗式小便器的制造;③从市政给排水干网接入厕所的管道、卫生洁具配套管道及相应的管件;④污水处理站(情景0、情景1);⑤黄水资源化设备(情景1、情景2);⑥褐水资源化 设备(情景2)。清单可参考初代系统,本系统的建设阶段比初代系统仅多了吹脱塔和斜管沉淀池^[13]13]。

厕所使用阶段主要是消耗水和电能来实现粪尿的密闭收集,情景1和情景2均充分利用回收水来冲厕,但情景1中缺的冲厕水由市政供水管网供应,而情景2则是利用FO-RO系统处理地表水(雨水、河湖水等)来满足冲厕需求。各个情景的投入产出清单如表2所示。

处理阶段主要是对粪尿的无害化、资源化处理,各个情景的投入产出清单如表3所示,其中污水处理厂中的温室气体及含磷污泥的排放根据污染物的浓度进行折算^{[23,24,25]23～25]}。

回收阶段主要是回收水、肥料、沼气、沼液、沼渣等,具体清单如表4所示。在借助LCA工具进行分析的时候,回收所得的水用于冲厕,氮、磷、钾则按元素含量折算成相应的市售肥料来计算资源化回收氮磷带来的环境补偿。

图5是3种厕所系统的环境影响,从图中可以看出,相对于水冲厕所系统,资源化厕所系统几乎在所有的指标上均具有更低的环境影响,甚至具有正面的环境效益。仅ODP、ADP element、MAETP、TETP等几个指标上略高于水冲厕所,这主要是因为资源化厕所在处理阶段使用了较多的氢氧化钙及硫酸等药品,并使用晶体硅太阳能电池作为电源,其多晶硅生产过程及电池板的维护对环境均具有较大的影响^[26]26]。

就部分资源化厕所系统(情景1)而言,其相对传统水冲厕所具有相近的环境影响,但其在处理过程获得的氮肥、富含磷钾的缓释复合肥等均可以为厕所系统带来一定的经济收益^[16]16],为缓解资源匮乏问题贡献一定的作用。而在完整资源化厕所系统(情景2)中,粪便和尿液经无害化资源化处理后,均转变为可利用的资源、能源,其环境效益显著优于传统水冲厕所,在ADP fossil、FAETP 2个指标上甚至会带来正面的环境效益。

将变化幅度较大的GWP、EP、ODP、ADP fossil及FAETP按阶段进行拆分对比,结果如图6所示。结合图5可以看出,在厕所的建设阶段,3种厕所系统在各指标上的差异较小,主要是由于建筑面积不同所造成。而使用阶段主要消耗水和电,传统水冲厕所的高额耗水量为其带来了更大的环境成本。而造成差异的主要阶段是处理阶段和回收阶段,情景2因利用厌氧发酵对碳进行了回收故而GWP显著小于其他2种厕所,情景0为29.7 kg CO_2e(CO_2e,二氧化碳当量),情景1为27.5 kgCO_2e,情景2为3.37 kgCO_2e,情景2可实现人均年减排36.48 kgCO_2e/年(以人均如厕6次/d计)。与此同时,资源化厕所(情景1和情景2)对磷的回收也使得EP明显降低,二者相对于情景0,EP分别下降了67.06%和99.50%。

图6中分阶段ODP分布情况表明,资源化厕所系统在处理阶段消耗的大量电能(情景1和情景2中对应为太阳能电池的生产和维护)使得ODP显著上升。从表3可以看出,资源化厕所系统的电耗主要来自于黄水资源化处理过程,其中吹脱、结晶、沉淀、过滤电耗占比达33.68%,FO-RO膜系统电耗占比达65.34%。对褐水的无害化处理则为完整资源化厕所(情景2)在ADP fossil和FAETP两个方面带来了正面的环境效益,这主要得益于此系统实现了粪尿中的污染物以很高的比例向资源的转化。

综上,对黄水中资源的回收以及对褐水的无害化处理为资源化厕所降低了环境成本,但处理过程中的电耗仍然需要进一步的降低以取得更大的环境效益。

(1)部分资源化厕所(情景1)在部分依靠市政管网及污水处理设施的基础上对氮、磷、钾、水等资源进行了回收,但回收过程消耗的资源能源所带来的环境影响几乎与传统水冲厕所无异,但是回收得到的资源却能带来经济收益和社会收益,具有实际推广的潜力。

(2)完整资源化厕所对褐水无害化、资源化处理则显著提高了其环境效益,可在实现粪尿污染零排放的基础上最大量的回收各类资源、能源,但实际条件下,沼液沼渣的再利用均需进一步妥善处理。

(3)处理过程中的大量电耗是资源化厕所环境成本的最主要源头,后续的研究、应用及推广需要进一步降低电耗并尽可能地基于实际条件充分利用风能、地热能等更清洁的能源。