小馬桶構建低碳微循環推動環保大變革

獲得蓋茨基金支持的萬若環境方案示意圖

摩洛哥考察團考察河北邯鄲南界河店村

　　在《西游記》里，孫大圣稱，“廁所，乃五谷輪回之所”。但隨著抽水馬桶的出現，糞便作為農肥返田的傳統已經消失殆盡。尤其是，沖廁所的大量污水不僅浪費水資源，而且污染了河流、地下水。

　　小小的馬桶，帶來了巨大的環保壓力。所幸的是，有識之士已經認識到這一問題。比爾·蓋茨認為，“人類需要重新設計馬桶，變廢為寶”。因此他在全球范圍內發起了一場“馬桶革命”。

　　而在中國，同樣有個非常重視“五谷輪回之所”的人。他就是萬若（北京）環境工程技術有限公司董事長張健。張健認為，“如果人的糞尿不再進入下水道，而是返回到田地里，作為生態農業的支撐；糞尿輸送不再進入污水管網，而是就地處理，碳排放將大為降低。”

　　這個看似有些“烏托邦”的理想，最終被他實現。他所帶領的團隊，運用真空負壓技術和生態循環理念，打造出一套以真空廁所為源頭的微循環排水系統。

　　有別于傳統的集中水處理模式，研發人員設計了多種馬桶，將尿液分開收集，安到千家萬戶，并用一個單獨的管道聯網，抽吸到一個處理站，進行無害化和肥料化處理。不含糞尿的其他生活廢水不經處理就已經接近常規污水處理廠出水的水質，可以低成本地變成再生水，如此，城市農村不再需要原來的那種下水道，而是由再生水和濕地的水系，水下滲、蒸發起著調節城市生態的作用。2014年，萬若環境完成的“資源型排水系統的構建及污水源分離關鍵技術的開發”榮獲北京市科學技術獎三等獎。

　　馬桶引發的環保新革命

　　作為著名的環境工程專家，張健為何會“盯上”污穢不堪的廁所呢？

　　“這源于西方的城市用水排水模式存在高耗水耗能、資源流失、農業生產不可持續等一系列弊端，人口眾多的發展中國家效法常規排水模式的問題和危機已經開始不斷凸顯。”張健說。

　　歐洲的工業革命開始改變糞便作為農肥返田的傳統。19世紀中葉，英國率先引入和普及城市沖水馬桶，大規模修建城市下水道。沖水馬桶引入后，由于廁所廢水量以數十倍增加，城市中原有與排水系統獨立的糞坑在容量上受到巨大沖擊，原有的糞尿收集、轉運設施無法再滿足新的要求，不得不通過下水道排放。

　　“人的排泄物僅占污水總量的1%，卻含有大部分的有機物和營養鹽。”張健說，被沖走的污水需要花費很多精力去處理，而且污水中含有的農業營養物還得不到回收。

　　據測算，以每年百萬人口的排泄及產生的污水為例：100萬人每年產生的污水量高達6205萬立方米，相當于30個昆明湖；耗氧量達到了2.5萬噸；氮的流失有2500噸，相當于5400噸尿素；磷的流失高達500噸，足以制成2400噸磷肥；糞便中鉀的含量有1200噸，相當于2400噸鉀肥的成分；而經由排泄產生的污水處理將耗能3102萬千瓦時，相當于13萬居民一年用電的總量，碳排量竟然高達16萬噸。

　　“以上數據表明，常規模式下城市對水循環、物質循環的擾動是驚人的，是難以或無法修復的。”張健說，雖然人的糞尿只占污水的百分之一，但含有污水中大部分的有機物和絕大部分營養鹽。“回收是資源，排放是污染”。

　　同時，我國的環保壓力也在逼迫著環保工作者理念和技術上的升級。“現實要求我們總結經濟發達國家在污水控制上的得與失，積極尋找更有效和更經濟的可持續發展對策。”張健說。

　　“上世紀80年代，我留學德國，現在回頭來看，當時做的全是高端的末端被動治理的技術，應該更主動一些，快速城市化發展中的祖國也需要采用新的模式。”張健說，中國不應、也無法拷貝西方早期城市化中奠定的模式。

　　構建低碳微循環和資源回收的水處理模式

　　為此，張健提出了“中國環保3.0版本”理念。“1.0版本是‘從無到有’做環保, 復制歷史上形成的西方既有方法；2.0版本是照搬西方技術路線后發現還不能滿足我們人多環境容量小的需求，在西方模式的處理鏈條上再增加新的處理環節，比如我們已經開始有比歐盟還嚴格的排放標準了；而3.0版本是從今天可持續發展的高度突破既有模式的瓶頸，重新尋找技術路線適應中國本土化的以微循環模式做環保。”

　　張健認為，中國應找到一條新的出路——著手重建城市微循環。應用于水處理領域，就是改變既有的集中式污水處理模式，實施以微循環為核心的水處理模式。

　　“構建低碳微循環和資源回收的水管理模式已經不再只是戰略追求，現實的問題在逼迫我們尋求節水、零排放、低碳、資源和能源回收的新理念、新模式。”張健說。

　　那么，如何才能有效地、高濃度單獨收集富含營養鹽的黃水（尿液）或者富含營養鹽和有機物的黑水（尿液和糞便的混合物），進而完成新理念呢？

　　基于混合污水和其所含糞尿在量和質上的巨大反差，借鑒清潔生產的理念，萬若環境突破傳統思路，提出基于污水源分離理念的新型排水模式，實現高效節水、資源循環、污染物零排放、減少管網建設、減少碳足跡的排水系統構架。

　　“負壓輸送是一個較為理想的手段。”張健最開始的想法是，把飛機上的節水馬桶進行進一步的改造和多種形式的開發。“但這個方案存在噪音大、維護不方便等問題。”

　　在前期研究基礎之上，研發團隊設計了一種新型衛生系統，包括氣沖廁所、過濾—生物干化和高濃度糞尿蒸發濃縮，旨在排泄物的源頭減量密閉收集、低溫濃縮干化、生產全營養素肥料和清潔水。

　　與傳統廁所模式相比，這一系統有著本質的區別。例如氣沖廁所用空氣“沖走”糞尿，密閉無臭，同時使能耗降低到遠低于常規便器中沖洗水的供水能耗。系統收集的高濃度廢物在特制的裝置中與其他有機廢棄物一起進行過濾和生物干化，利用微生物放熱或太陽能將廢物中的水進行蒸發，回收冷凝水和熱量，得到全營養份有機肥和清潔水。

　　“這個馬桶比常規節水便器節水70%—90%。”張健說。由于在污水產生的起點就將糞尿污水和其他雜排水分開收集，所以分離后的雜排水可以低成本地制備再生水。糞尿中回收的農業營養物回用，同時節省了氮肥制造的高耗能，節省了磷這一極其有限的資源。

　　據了解，以百萬人為例，常規污水系統每年產生污水6200萬噸；氮含量5千噸，相當于3萬噸碳銨化肥的含氮量；磷含量750噸，相當于1萬噸磷肥的含磷量。

　　張健希望可以借此徹底打破延用了近兩個世紀的排污體制，資源循環，水變清，從根本上解決絕大部分城市的水危機。

　　打造生態城鎮的新樣本

　　生活廢水運送到村污水處理站，衛生間的真空坐便器裝有感應器，能自動沖水，還沒味。如今，在河北邯鄲南界河店村，村民用上了“比城里人還高級的廁所”。

　　2013年以前，南界河店村村民家里多是旱廁，夏天院里蚊蠅亂飛不說，還臭烘烘的；每家每戶的洗菜刷碗、洗衣服水也都是滿街亂流。而今，南界河店村寬闊的水泥街道干凈整潔，街道兩旁栽種的桂花、臘梅等更是搖曳生姿，清新的空氣令人心曠神怡。

　　2015年5月8日，他們的這一“翻天覆地”的變化，甚至還吸引了萬里之外摩洛哥考察團的參觀。

　　2013年，萬若環境承接了當地污水處理項目，團隊不僅建造了污水處理設施，還為每家每戶安裝了氣沖馬桶。

　　工程人員把馬桶與污水處理相連接，從源頭開始就達到了污水分類治理的功效。具體來說，就是把源分離、負壓排水、沼氣池和人工濕地等四種比較成熟的技術融合到一起綜合運用，在國內農村污水治理領域屬首創，具有節水節能、運營成本低、治理效果好等優點，很適合農村污水排放量小、后期運營資金緊張等情況。

　　具體來看，這套處理系統采用負壓排水技術，通過負壓管道、負壓罐，把生活污水通過兩套管網收集過來，分類處理。

　　經過源分離后的糞尿混合液輸送到沼氣池進行熟化加工，產出的沼氣用來作燃料，沼渣沼液作為肥料返還農田，不但降低了處理費用，還實現了“零排放”，避免了廢渣二次污染。

　　生活廢水、餐廚垃圾粉碎物則進入沉淀池、人工濕地進行沉淀凈化，處理后的水排放到蓄水池。根據環保部門監測報告顯示，這里的蓄水池的水質已經達到國家一級A類排放標準。處理后的水用來灌溉農田，清洗汽車等。

　　這一排水系統被住建部作為“2014年住建部科技示范工程”加以推廣。在工程一期，萬若環境為130余戶當地居民安裝了真空廁所以及可循環的污水處理設施。當地居民生活產生的污水不用再由污水管道集中輸送到幾十里外的城鎮集中處理，而是在當地處理和二次利用。

　　資源型排水系統污水源分離理念改變了傳統排水模式混合排放的收集理念，從根本上解決了傳統排水模式高耗水、高耗能、資源流失的問題。同時負壓排水模式可解決糞便運輸、利用存在的污染物泄漏、運費成本高昂等問題；資源化處理可避免糞尿直接棄擲引發的環境問題，直接施用于農田引發的糧食生產安全問題，儲存穩定化存在的占地面積大場地不足等問題。

　　據了解，這樣的一套排水系統可以在幾十人甚至上萬人規模的生活區域進行污水收集與處理。既可用于城市新區和老城的排水改造，也可用于農村和小城鎮地區；既可用于風景區或水源地等環境保護區、生態示范區，又可用于那些水源緊張的地區，以及沒有現成下水道的土地開發或房地產開發項目、城市邊緣地區或城鄉結合部進行污水控制與資源化。目前這些技術已在大連達沃斯國際會議中心、上海崇明陳家鎮、寧波世紀東方商業廣場等大型商業項目中得到應用。

　　如今，在大規模興建集中污水處理廠的浪潮下，在烏托邦與現實之間，出于對用水廢水物質流、能量流的分析和構建微循環生態排水模式的信念，萬若環境團隊多年來致力于持續研發替代方案，開發出五十余項ZL技術、產品和設備，并在數十個示范探索項目和商業項目中得到應用，以期從實施層面推動替代排水模式，為中國高速城鎮化中的水管理提供新的借鑒。

　　“構建城市微循環給排水系統，不再是烏托邦，新開發的手段是可行的，新理念下更多的新型技術還有待開發。”張健說。最近，張建團隊獲得蓋茨基金“重新發明廁所”計劃的優勝方案并得到資金支持，以開發適用性更為廣泛的新型衛生系統。