源头分离污水方案：生态建筑学视角

当前污水问题的处理方法包括：防止重金属和有毒化学物质进入污水，将污水分成不同的组分排放。从分流的污水中的不同部分可以单独净化和处理，这样简化和提高了净化能力（图3-154，表3-9）。路面的雨水径流、地表水和下水道污水各自分流，生活污水和工业污水同样也进行分流。系统也被设计为能够分离尿液和黑水以及灰水（比如洗澡水、洗碗水和洗衣水）。在为可持续发展创造条件的新区，地表雨水就地处理，路面雨水通过专门的雨水管排到处理厂处理，建筑污水通过双系统处理，一个系统用于处理污水和尿液，一个系统用于处理灰水或者无尿液污水。

1）污水的成分

污水包含隐藏的资源和污染物。污染物的种类包含致病物质（致病的细菌、病毒和寄生虫）、重金属和有机环境污染物。污水中的资源目前有营养盐、有机物、热能和水。资源同时也成为负担，比如当大量的有机物积存在某个容器而不是环境中时。

表3-9　不同污水处理方案的比较

注：资料源于Älgörapport，Nacka kommun，2003，VERNA。

（1）污水资源。养分可以作为肥料使用，从污泥分离物中提取的生物物质也一样可以作为肥料。对于农业最有价值的矿物养分在尿液中含量最高，大约80%的氮、50%的磷和60%的钾。因此，尿液分离是利用污泥中大部分养分的一个好办法，尤其是尿液中大部分无菌且重金属含量低。尿液只占污水总量的1%，如果它被分离出来用作肥料，那么污水中的一大部分营养盐就被利用起来了。如果粪便也能分离出来，那么污水中就只剩下很小一部分矿物养分。粪便含有总养分中15%的氮、30%的磷和25%的钾。因此，尿液分离或黑液分离（尿液+粪便+部分冲厕水）是两种在生态污水处理系统中可行的方法。污水中有机物含量通常通过生化需氧量（BOD）来测量，这是一种通过微生物分解时的耗氧量来测量的方法。废水中大量的有机物以及随之而来的高BOD增加了生物受体缺氧的风险（图3-155）。耗氧量的确定一般通过数天的测试（BOD7，指7天的耗氧量）。水样中溶氧量在培养前后进行测量。单位为mg/l。

图3-155　生化需氧量（BOD）的分布及不同生活垃圾所产生的氮、磷、钾的情况

资料源于农业技术学院，1999

（2）污水分类。最好能够在家中就把污水分类，接下来对不同的部分提供适当的处理就变得更简单了（图3-156）。污水通常在厕所（旱厕、尿液分离旱厕、尿液分离抽水马桶、真空马桶）中分离。同样的，还有洗澡水、洗碗水和洗衣水（灰水）要分类。

2）污水净化系统

一般来说，污水系统可以分为以下几个部分：分离、预处理、净化（使用技术或自然方式）、消毒和养分回收（表3-10）。净化方法可以分为许多不同的方法，不同的方法间常常是重叠的。选择哪种方式取决于人口数量、位置（城市还是乡村）、当地土壤情况、与农业用地的距离，以及是否需要保护临近的湖泊与河流。对于工业污水，净化方式必须根据污水成分制定。

图3-156　不同的污水净化系统

经过分离的污水可以通过不同的方法净化，也可以用一套方法整体处理

表3-10　生态污水净化的六个阶段

注：有多种方法将不同的净化方式结合起来。

小贴士3-4　大规模污水分离

哈默比湖城（Hammarby Sjöstad）是瑞典第一个污水分类的城市居住区（图3-157）。选择使用环境友好型外墙和屋顶能保证干净的径流水，该外墙和屋顶由当地政府管理。道路径流通过使用特殊的过滤器来收集和净化。生活污水不和其他污水混合，单独在专门的净化厂处理以制造更干净的淤泥。这些淤泥与有机（可降解）垃圾混合，在一个沼气设施中发酵以生产家用厨房炉灶中所用的高能量气体。净化厂里的污泥是一种可以为能源作物提供对堆肥和高质量肥料的有机泥土。净化后的污水进入哈默比区域供热厂，在那里一个巨大的热泵从污水里提取能量通过供热厂为哈默比湖城供热。这个区域的湖水是循环的并且通过水梯加氧，这使湖水更加干净和健康，同时建筑间的水流也能美化环境。

图3-157　斯德哥尔摩哈默比湖城区域的水流、能量流和物质流

一期工程于2002年建成。资料源于www.hammarbysjostad.se

（1）旱厕。旱厕在某些情况下是实用的。现代旱厕中有一个通风管道来抑制和排出堆肥舱的臭气，并且设计得便于清洁（图3-158）。池底的密封防漏很重要。旱厕中的粪便必须在独立的隔舱熟化一年以形成肥料。有些旱厕有两个隔舱，当其中的一个使用时，另一个封闭用以在一年时间的粪便熟化。

（2）尿液分离旱厕。尿液分离旱厕原则上就是在普通的旱厕里装设尿液分离设备（图3-159）。对尿液的分离导致碳/氮含量均衡，更适合分解粪便部分。这些分离成分会更干燥，占用更少的空间，臭味减弱并且更容易处理。在地上埋一个容器来收集尿液是有利的。这样能保持尿液冷却，同时可以避免氮损失和气味问题。

（3）大型堆肥马桶。大型堆肥马桶把粪便、尿和厨房有机废物一起处理。良好的分解需要良好的碳/氮平衡。因此，富含氮尿液的旱厕需要增加碳，例如，以厨房废物或锯末的形式加入碳。这种堆肥室必须位于温暖的地方（室内），最好直接位于厕位下面，能够通风。它们很昂贵而且占用空间大。假如处理不小心，诸如气味、苍蝇及粪便溢出的问题就会出现。因此，这种方法现在几乎不用。克里夫斯（Clivus Multrum）环保马桶在分解室下面有一个为渗滤液设置的容器来处理多余的液体。

图3-158　尿液分离旱厕

该旱厕是由沃斯特曼（Wost-Man）公司的马茨 沃尔加斯特（Mats Wolgast）研发的

图3-159　Dass-Isak”牌旱厕

有尿液分离的附件成品可以安装到现有旱厕中

（4）尿液分离堆肥马桶。尿液分离堆肥马桶具有大多数堆肥马桶厕所不具有的优点。它们运转更好并且没有气味、苍蝇及粪便溢出的问题。它们体积小而且便宜，并且在悬浮基础下有足够的容纳容器的空间。它们有两个堆肥舱，一个使用，另一个用来熟化肥料。尿液容器设置在室外的地下，多数情况下需要风扇来通风。在更小型的厕所中，可以把容器放在厕位下，尤其适用于夏季别墅。

（5）尿液分离抽水马桶。尿液分离抽水马桶厕所是瑞典生态污水处理系统最普遍的装备（图3-160）。很多人不喜欢旱厕，所以尿液分离抽水马桶厕所是一个很好的选择（图3-161）。厕所不需要通风，这样便消除了风扇的噪音。尿液流入容器。保持小水量很重要，尤其是冲小便时，以免使用大型的尿罐。同时，设计需要防止管道被尿液结晶（可以用肥皂水融化）堵塞。这种冲水厕所冲洗大便需要3.5—5 L水，冲洗小便需要0.2—0.7 L水。还有更节约用水的厕所（0.6—2 L水冲大便，0.2—0.4 L水冲小便），但它们更需要一个倾斜长度不超过10 m的污水管连接收集容器。

（6）小便器。使用小便器是一个减少尿液分离用水的方法（图3-162）。有许多小便器不用水。它们使用气味屏障，有漂浮层或带有特殊的封阻液体的水闸（封阻液体比尿液密度小）。

（7）真空马桶。真空马桶使用在厕所黑水（尿液+粪便+一些冲厕水）得到分离的污水处理系统中（图3-163）。这种厕所每次冲厕大概需要1—1.2 L的水。也有更节省用水的真空厕所（大概每次0.5 L水），但是这种厕所和真空发生器之间的距离最大不超过6m（图3-164）。和普通冲水厕所相比，真空系统可以用更小尺寸的管道。

（8）尿液分离的真空马桶。尿液分离的真空马桶是减少污水中含水量的另一个方法（图3-165）。早期的真空厕所有种令人不悦的冲水声，现在已有安静的真空系统。有多种尿液分离真空厕所，一些同时带有大小便冲洗功能（大便冲洗需要0.5—1.9 L水，小便冲洗大概需要0.4 L水），另外一些小便处理完全不需用水（大便冲洗需要6 L水）（图3-166）。

图3-160　Dubbletten牌尿液分离抽水马桶

它有两个下水口和两个冲水按钮，一个大便用，一个小便用。它还附有一个可降低的坐垫，儿童也可以使用。发明人为毕比 松德贝格（Bibbi Söderberg）

图3-161　三种尿液分离厕所

最左边产自北京，中间的壁挂式尿液分离厕所产自瑞典，最右边的是墨西哥的产品。资料源于《2003年世界厕所峰会会议论文集》，中国台湾地区

图3-162　无水小便器剖面图(www.xing528.com)

资料源于免水公司。插图为列夫 欣德格伦（Leif Kindgren）绘制

图3-163　真空马桶

图3-164　真空厕所

其必须装有一个或更多的真空发生器。资料源于BFR，R27: 1979

图3-165　静音真空马桶

有尿液分离和没有尿液分离的静音真空马桶是污水分离系统的最新发展。它们可以用来处理黑水系统或是用在带有粪便分离功能的尿液分离系统上。资料源于沃斯特曼（Wost-Man）生态公司

图3-166　NoMix牌尿液分离真空厕所

该厕所由德国罗迪格（Roediger）公司生产。这种厕所有两个排水口，尿液从前面的排水口排走，粪便从后面的排水口排出。一旦厕所冲水后，尿液出口上的盖板便关闭了

小贴士3-5　四种小型本地污水净化系统

1）基于尿液分离旱厕的干式系统

现代尿液分离厕所第一个发展就是旱厕。很多人仍然认为从卫生和环保的角度看，尿液分离旱厕是最好的。虽然它们主要用在夏季度假别墅，但其实同样适用于全年居住的住宅。在许多发展中国家这也许是一种好的厕所类型（图3-167）。尿液收集到一个容器中，这个容器最好能位于地下。这能保持较低的温度以将氨气的挥发降到最低（氮随氨气挥发而损失）。尿液经稀释后可用在花园里或是收集起来用于农田。在污泥分离后，灰水在浓缩过滤器中单独净化后排放到湿地中。

2）尿液分离抽水马桶和迷你净化设备

在瑞典，很多人倾向于使用抽水马桶，尿液分离式抽水马桶也应用在大量的生态建筑和生态社区里。在独户住宅中，从污水中分离出的去除尿液的污泥使用压缩过滤器来净化通常就足够了（图3-168、图3-169）。在生态社区，好几栋住宅连在同一个处理系统中，它们通常使用迷你净化设备。为了减少迷你净化设施中的磷泄露，这些设施可以通过化学沉降和厕所后面安装的水化合设备来辅助，在早期阶段就能把无尿污水中的粪便分离出来。

图3-167　基于尿液分离旱厕的干式系统

粪便掉落在厕所下一个小的有通风的堆肥室。尿液收集在一个容器中，在排放到自然界前，灰水先进入一个污泥分离器然后进入一个封闭的压缩过滤器中净化。插图为英厄拉 扬戴尔（Ingela Jondell）绘制

图3-168　瑞典延雪平（Jönköping）斯美登（Smeden）生态社区地上的迷你净化装置

图3-169　瑞典延雪平（Jönköping）斯美登（Smeden）生态社区的污水处理系统

在这里有尿液分离抽水马桶厕所，尿液被收集到埋在地下的容器中。然后由延雪平地区的农民来使用。无尿黑水进入分离器中，在那里粪便和厕纸被分离进入一个小的堆肥室。接着，冲厕水和灰水混合通过污泥分离器进入迷你净化设施。在那里净化后，污水进入又一个污泥分离器进行后期沉淀。最后，污水流经一个人工湿地后进入大自然

3）厕所水处理系统

在人口密集的中心区，粪便处理是困难的。在这些地方，使用两套污水处理系统，一个是用于处理厕所污水，另一个处理灰水。真空厕所用来减少黑水中的水含量。有机垃圾可以通过垃圾粉碎处理添加到污水处理系统中（图3-170、图3-171）。黑水在湿反应器中有氧反应或者在厌氧沼气设施（硝化作用）里的厌氧生物来处理和消毒。灰水通常是在当地通过砂滤器和人工湿地来净化（图3-172）。带真空处理功能的厕所水处理系统有好几种。不管厕所水是收集进容器还是直接处理，这个系统都能被分为几个步骤，比如污水可以通过真空处理的辅助从厕所抽到污水池中。可以利用研磨泵从污水池中通过压力管道线将污水抽到储存容器或处理器中。黑水是富含养分的资源，消毒后可以作为农业用水。

4）未分离污水的化学沉淀

许多偏远地区的私人污水处理系统使用污泥分离器和地下渗透池（图3-173）。假如需要一个更有效的净化，可以通过使用在化学沉降过程中定量给料机来作为辅助。这能增加污泥量，同时减少磷的泄露。下一步是改进渗透系统，比如通过使用压缩过滤单元来改进。另外的可能性是建一个迷你净化设施和/或安装尿液分离设备。

图3-170　住宅中的垃圾粉碎处理器

图3-171　大型厨房中的垃圾粉碎器

图3-172　厕所污水处理系统

该系统位于德国吕贝克（Lübeck）弗林顿-布瑞特（Flinten-Breite）居住区，建于2003年，设计处理规模为350人。污水处理系统分为三个部分：一部分用于处理厕所污水和厨房有机垃圾，一部分用于处理洗涤污水，最后一部分是处理地面径流水。厕所污水和有机废物通过一个真空系统送入沼气设施中处理。灰水在人工湿地中净化，地面径流水就地处理

图3-173　私人污水处理系统

对未分离污泥的化学沉淀，接下来就是污泥分离和压缩过滤。资料源于生态处理公司

图3-174　污泥分离器

污泥分离可以在三室的混凝土化粪池中有效进行。大多数现代污泥分离器是塑料做的。插图为英厄拉 扬戴尔（Ingela Jondell）绘制

图3-175　阿夸特龙（Aquatron）牌分离器（单位：mm）

该品牌分离器能从液体中分离固体。粪便与厕纸沉入一个小的堆肥室（生物室）来分解。尿液与冲厕水被收集并进一步地净化。