小马桶构建低碳微循环 推动环保大变革
获得盖茨基金支持的万若环境方案示意图
摩洛哥考察团考察河北邯郸南界河店村
在《西游记》里，孙大圣称，“厕所，乃五谷轮回之所”。但随着抽水马桶的出现，粪便作为农肥返田的传统已经消失殆尽。尤其是，冲厕所的大量污水不仅浪费水资源，而且污染了河流、地下水。
小小的马桶，带来了巨大的环保压力。所幸的是，有识之士已经认识到这一问题。比尔·盖茨认为，“人类需要重新设计马桶，变废为宝”。因此他在全球范围内发起了一场“马桶革命”。
而在中国，同样有个非常重视“五谷轮回之所”的人。他就是万若（北京）环境工程技术有限公司董事长张健。张健认为，“如果人的粪尿不再进入下水道，而是返回到田地里，作为生态农业的支撑；粪尿输送不再进入污水管网，而是就地处理，碳排放将大为降低。”
这个看似有些“乌托邦”的理想，最终被他实现。他所带领的团队，运用真空负压技术和生态循环理念，打造出一套以真空厕所为源头的微循环排水系统。
有别于传统的集中水处理模式，研发人员设计了多种马桶，将尿液分开收集，安到千家万户，并用一个单独的管道联网，抽吸到一个处理站，进行无害化和肥料化处理。不含粪尿的其他生活废水不经处理就已经接近常规污水处理厂出水的水质，可以低成本地变成再生水，如此，城市农村不再需要原来的那种下水道，而是由再生水和湿地的水系，水下渗、蒸发起着调节城市生态的作用。2014年，万若环境完成的“资源型排水系统的构建及污水源分离关键技术的开发”荣获北京市科学技术奖三等奖。
马桶引发的环保新革命
作为著名的环境工程专家，张健为何会“盯上”污秽不堪的厕所呢？
“这源于西方的城市用水排水模式存在高耗水耗能、资源流失、农业生产不可持续等一系列弊端，人口众多的发展中国家效法常规排水模式的问题和危机已经开始不断凸显。”张健说。
欧洲的工业革命开始改变粪便作为农肥返田的传统。19世纪中叶，英国率先引入和普及城市冲水马桶，大规模修建城市下水道。冲水马桶引入后，由于厕所废水量以数十倍增加，城市中原有与排水系统独立的粪坑在容量上受到巨大冲击，原有的粪尿收集、转运设施无法再满足新的要求，不得不通过下水道排放。
“人的排泄物仅占污水总量的1%，却含有大部分的有机物和营养盐。”张健说，被冲走的污水需要花费很多精力去处理，而且污水中含有的农业营养物还得不到回收。
据测算，以每年百万人口的排泄及产生的污水为例：100万人每年产生的污水量高达6205万立方米，相当于30个昆明湖；耗氧量达到了2.5万吨；氮的流失有2500吨，相当于5400吨尿素；磷的流失高达500吨，足以制成2400吨磷肥；粪便中钾的含量有1200吨，相当于2400吨钾肥的成分；而经由排泄产生的污水处理将耗能3102万千瓦时，相当于13万居民一年用电的总量，碳排量竟然高达16万吨。
“以上数据表明，常规模式下城市对水循环、物质循环的扰动是惊人的，是难以或无法修复的。”张健说，虽然人的粪尿只占污水的百分之一，但含有污水中大部分的有机物和绝大部分营养盐。“回收是资源，排放是污染”。
同时，我国的环保压力也在逼迫着环保工作者理念和技术上的升级。“现实要求我们总结经济发达国家在污水控制上的得与失，积极寻找更有效和更经济的可持续发展对策。”张健说。
“上世纪80年代，我留学德国，现在回头来看，当时做的全是高端的末端被动治理的技术，应该更主动一些，快速城市化发展中的祖国也需要采用新的模式。”张健说，中国不应、也无法拷贝西方早期城市化中奠定的模式。
构建低碳微循环和资源回收的水处理模式
为此，张健提出了“中国环保3.0版本”理念。“1.0版本是‘从无到有’做环保, 复制历史上形成的西方既有方法；2.0版本是照搬西方技术路线后发现还不能满足我们人多环境容量小的需求，在西方模式的处理链条上再增加新的处理环节，比如我们已经开始有比欧盟还严格的排放标准了；而3.0版本是从今天可持续发展的高度突破既有模式的瓶颈，重新寻找技术路线适应中国本土化的以微循环模式做环保。”
张健认为，中国应找到一条新的出路——着手重建城市微循环。应用于水处理领域，就是改变既有的集中式污水处理模式，实施以微循环为核心的水处理模式。
“构建低碳微循环和资源回收的水管理模式已经不再只是战略追求，现实的问题在逼迫我们寻求节水、零排放、低碳、资源和能源回收的新理念、新模式。”张健说。
那么，如何才能有效地、高浓度单独收集富含营养盐的黄水（尿液）或者富含营养盐和有机物的黑水（尿液和粪便的混合物），进而完成新理念呢？
基于混合污水和其所含粪尿在量和质上的巨大反差，借鉴清洁生产的理念，万若环境突破传统思路，提出基于污水源分离理念的新型排水模式，实现高效节水、资源循环、污染物零排放、减少管网建设、减少碳足迹的排水系统构架。
“负压输送是一个较为理想的手段。”张健最开始的想法是，把飞机上的节水马桶进行进一步的改造和多种形式的开发。“但这个方案存在噪音大、维护不方便等问题。”
在前期研究基础之上，研发团队设计了一种新型卫生系统，包括气冲厕所、过滤—生物干化和高浓度粪尿蒸发浓缩，旨在排泄物的源头减量密闭收集、低温浓缩干化、生产全营养素肥料和清洁水。
与传统厕所模式相比，这一系统有着本质的区别。例如气冲厕所用空气“冲走”粪尿，密闭无臭，同时使能耗降低到远低于常规便器中冲洗水的供水能耗。系统收集的高浓度废物在特制的装置中与其他有机废弃物一起进行过滤和生物干化，利用微生物放热或太阳能将废物中的水进行蒸发，回收冷凝水和热量，得到全营养份有机肥和清洁水。
“这个马桶比常规节水便器节水70%—90%。”张健说。由于在污水产生的起点就将粪尿污水和其他杂排水分开收集，所以分离后的杂排水可以低成本地制备再生水。粪尿中回收的农业营养物回用，同时节省了氮肥制造的高耗能，节省了磷这一极其有限的资源。
据了解，以百万人为例，常规污水系统每年产生污水6200万吨；氮含量5千吨，相当于3万吨碳铵化肥的含氮量；磷含量750吨，相当于1万吨磷肥的含磷量。
张健希望可以借此彻底打破延用了近两个世纪的排污体制，资源循环，水变清，从根本上解决绝大部分城市的水危机。
打造生态城镇的新样本
生活废水运送到村污水处理站，卫生间的真空坐便器装有感应器，能自动冲水，还没味。如今，在河北邯郸南界河店村，村民用上了“比城里人还高级的厕所”。
2013年以前，南界河店村村民家里多是旱厕，夏天院里蚊蝇乱飞不说，还臭烘烘的；每家每户的洗菜刷碗、洗衣服水也都是满街乱流。而今，南界河店村宽阔的水泥街道干净整洁，街道两旁栽种的桂花、腊梅等更是摇曳生姿，清新的空气令人心旷神怡。
2015年5月8日，他们的这一“翻天覆地”的变化，甚至还吸引了万里之外摩洛哥考察团的参观。
2013年，万若环境承接了当地污水处理项目，团队不仅建造了污水处理设施，还为每家每户安装了气冲马桶。
工程人员把马桶与污水处理相连接，从源头开始就达到了污水分类治理的功效。具体来说，就是把源分离、负压排水、沼气池和人工湿地等四种比较成熟的技术融合到一起综合运用，在国内农村污水治理领域属首创，具有节水节能、运营成本低、治理效果好等优点，很适合农村污水排放量小、后期运营资金紧张等情况。
具体来看，这套处理系统采用负压排水技术，通过负压管道、负压罐，把生活污水通过两套管网收集过来，分类处理。
经过源分离后的粪尿混合液输送到沼气池进行熟化加工，产出的沼气用来作燃料，沼渣沼液作为肥料返还农田，不但降低了处理费用，还实现了“零排放”，避免了废渣二次污染。
生活废水、餐厨垃圾粉碎物则进入沉淀池、人工湿地进行沉淀净化，处理后的水排放到蓄水池。根据环保部门监测报告显示，这里的蓄水池的水质已经达到国家一级A类排放标准。处理后的水用来灌溉农田，清洗汽车等。
这一排水系统被住建部作为“2014年住建部科技示范工程”加以推广。在工程一期，万若环境为130余户当地居民安装了真空厕所以及可循环的污水处理设施。当地居民生活产生的污水不用再由污水管道集中输送到几十里外的城镇集中处理，而是在当地处理和二次利用。
资源型排水系统污水源分离理念改变了传统排水模式混合排放的收集理念，从根本上解决了传统排水模式高耗水、高耗能、资源流失的问题。同时负压排水模式可解决粪便运输、利用存在的污染物泄漏、运费成本高昂等问题；资源化处理可避免粪尿直接弃掷引发的环境问题，直接施用于农田引发的粮食生产安全问题，储存稳定化存在的占地面积大场地不足等问题。
据了解，这样的一套排水系统可以在几十人甚至上万人规模的生活区域进行污水收集与处理。既可用于城市新区和老城的排水改造，也可用于农村和小城镇地区；既可用于风景区或水源地等环境保护区、生态示范区，又可用于那些水源紧张的地区，以及没有现成下水道的土地开发或房地产开发项目、城市边缘地区或城乡结合部进行污水控制与资源化。目前这些技术已在大连达沃斯国际会议中心、上海崇明陈家镇、宁波世纪东方商业广场等大型商业项目中得到应用。
如今，在大规模兴建集中污水处理厂的浪潮下，在乌托邦与现实之间，出于对用水废水物质流、能量流的分析和构建微循环生态排水模式的信念，万若环境团队多年来致力于持续研发替代方案，开发出五十余项ZL技术、产品和设备，并在数十个示范探索项目和商业项目中得到应用，以期从实施层面推动替代排水模式，为中国高速城镇化中的水管理提供新的借鉴。
“构建城市微循环给排水系统，不再是乌托邦，新开发的手段是可行的，新理念下更多的新型技术还有待开发。”张健说。最近，张建团队获得盖茨基金“重新发明厕所”计划的优胜方案并得到资金支持，以开发适用性更为广泛的新型卫生系统。
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