从达沃斯到乡村，他研究的生态排污系统，可回收90%的氮磷
推文第1180天
本文整理自张健博士在中国农业大学《农业总论》课堂上作的报告
【人物简介】张健，北京万若环境工程技术有限公司董事长，耕读大学老师
2018年10月30日，万若集团的张健博士给我们带来了题为“资源型排污系统的理念与实践”的主题讲座。
张博士主要从 “排污管理的历史回顾、反思与新理念、实践探索”三方面，向同学们介绍了早期西方粪尿处理“常规模式”的产生背景、发展历程、存在的问题及反思，针对该问题他们团队的实践探索。
01
排污管理的历史回顾
下图是张博士和朋友共同完成的宏观上关于人类与自然界物质、能量交换现状的示意图。它给予了张博士关于职业的思考，同时也是他决定转向资源型排污系统研究的起点。
从现在可持续发展的视角看，“常规模式”下，食品生产消耗的磷肥、钾肥都是有限的不可再生资源，氮肥的生产需消耗大量能量，并造成大气、水体污染。这些营养元素随食品富集于人的排泄物之中，之后进入下水道，流入污水处理厂或直接排放至水体，最后导致江河湖海的富营养化。
研究数据显示，每百万人年排污水相当于30个北京的昆明湖，流失的肥料相当于两万吨氮磷钾化肥，处理耗能相当于13万居民用电。由此可见，“常规模式”的排污是一件多么奢侈的事。
200多年前，自来水的使用使水冲厕所的普及成为可能，原有的粪便收集清运系统逐渐无法满足大水量废物的排放。而修建下水道，依靠废水的自然流动输送排泄物是当时最佳的解决方案。将近100年之后，人们发现粪便排入江河引起了疾病的传播，于是想建立卫生学意义上的污水处理厂来解决这一难题。
全球复制的基于西方早期城市化的“常规模式”
污水处理厂
直至上世纪70年代末期，随着黑臭河体的泛滥（即水体的富营养化），人们开始在污水处理过程中增加脱氮和除磷工序，形成了现在“常规模式”的污水收集处理系统。
从时间跨度来看，“常规模式”的污水收集处理系统有极强的“技术锁定”效应。前人在解决当时的问题时，由于当时人类知识的局限，无法预测后人所面临的问题，使得前人的决策也影响了后人的决策。而且，在既有的西方常规模式形成历史中，人类没有机会将卫生、经济、环境和可持续发展等多重因素进行优化。
德国试验卫生学家Max von Pettenkofer（1818-1901）认为，河流流速在0.6m/s污水稀释15倍可达到自净效果。这一观点成为很多城市修建混合下水道的理论依据，粪尿开始从农业利用转向排放和水体污染。
最初的下水道设计
02
反思与新理念
“常规模式”下，人的排泄物大约占污水总量的1%，但是却含有污水中的大部分有机物（化学能）和绝大部分氮、磷等营养盐（农业营养物）。
而为了去除这些物质，人们在污水处理中往往以“能量攻击能量，以资源消灭资源”。很显然，老牌的“常规模式”污水处理方法已经不再适合于当前的社会、经济、生态发展。所以，人们开始反思和探索，该如何处理人粪尿呢？怎么样才能可持续的发展呢？
国际、国内涉及污水处理的相关专业人员以及管理人员们都有自己的看法，虽然说法有所差异，但总体来看，大家的想法几乎是不谋而合的：以资源回收为导向的污水源分离体制和循环利用是环境和经济均具优势的最佳选择。
国际业界的反思
国际水协主席Daigger博士作为行业发展趋势明确提出粪尿与其他废水分离的资源化对策（2012）；Daigger博士盛赞中国同行进行的前沿实践探索（2009）。
中国专家观点
陈吉宁（环保部部长）：“我国在解决资源环境问题的同时，必须考虑，不能以高代价的方式来解决自身的资源环境问题，否则的话是不可持续的。我国今天的模式基本上是复制欧洲和美国的方式来解决水的问题、环境的问题等等。问题是，这种模式是不是可持续的？可不可行？能不能解决我们的问题？”(2011)；“我们总说我们的经济是粗狂型发展，我们的环境保护何尝又不是呢？”（2015）
仇保兴（国务院参事，原住建部副部长）：“城市农村是夫妻，…任何东西来自土地、回到土地，这是一种原始形态，尽管时间超过5万年，中国农耕文明历史最历久，但是整个农耕文明对地球没有多大的变化。新型城镇化要遵循生态文明的发展规律去探索、去实践，…生态文明是小型的，分散的，分布式的，充满弹性的，与自然和谐相处的文明。”(2014)“
张杰院士：“人居、畜禽排泄物作为农业的有机肥料成为必然。”；“城市有机物（人居排泄物）源头分离，循环利用的实践将变革城市传统的排水系统模式，恢复植物营养元素（氮磷钾）物质循环途径，在减轻环境污染的同时，给农业生产提供源源不断的肥料，势必会产生巨大的经济效益和环境效益。（2010）
夏青教授（原中国环科院副院长/总工）：从源分离抓起，清污分流、资源先用，回归营养物的自然循环，改变城市下水道的设计思想，更多的体现微循环、微降解、微处理的新思维；起步之举实为回归之举，人类百年修建下水道集中处理污水改变了自然水循环和物质循环，将从源分离开始进入新的低碳、生态循环（2012）。
03
实践探索
在这样的思潮驱使下，各地均积极进行实践探索，如瑞典Orhem市Gebers居住区进行尿液分离并将其发酵后作为肥料施用于农田；而中国则是进行各种排污系统的工程实践探索。
案例:瑞典Orhem市Gebers居住区
张博士带领“万若环境”团队，遵循“源分离”的基本准则，构建了多种收集系统，且与常规重力流排水系统进行对比，实践证明：
1、将负压收集技术和“源分离”理念相结合，多样化管网组合可收集各类污水；
2、粪尿污水（黑水、褐水、黄水）应用负压系统单独收集，可实现源头减量和高浓度污水输送；
3、杂排水（灰水）可应用重力流或负压收集，分离后灰水污染物浓度低，是优质中水水源；
4、改变了传统混合污水收集处理高耗水、高耗能情况，与传统模式相比，处理过程明显简单而且基本能全部资源化。
负压排水系统的构建，成功解决了大连达沃斯国际会议中心的异形建筑排水问题和广西防城港产业园原有重力流管网堵塞和泄露严重的问题。之后，他们详细地研究了当前中国农村的常规重力流排水系统存在的问题以及负压排水具有的优势。
大连达沃斯国际会议中心的异形建筑排水问题
广西防城港产业园原有重力流管网堵塞和泄露严重的问题
他们将常规重力流排水系统与负压排水系统结合，探索出适合农村的污水处理系统：
1、室内重力流室外负压混合收集（室内污水混排至负压收集器，经负压管网进入收集处理站）；
2、室内负压厕所室外负压混合收集（引入负压厕所，污水混排至负压收集器，经负压管网进入收集处理站）；
3、室内重力流室外负压分质收集（室内污水重力流出户入负压收集器，经负压管网黑灰分质进入收集处理站）；
4、室内负压厕所室外负压分质收集（负压超节水厕所，灰水重力流出户入负压收集器，经负压管网黑灰分质进入收集处理站）。
并成功地帮助多个中国乡村进行改造，诸如房山孤山口村（900余户）、十渡五合村（40多户农家院）、常熟老街区污水管网、靖江老城区负压污水收集、贵安新区污水处理等。
常熟老街区污水管网完善
约10万平方米老城区特殊排水
邯郸南界河店村乡村基础设施提升 – 住建部科技示范项目
中国的现阶段正处于城镇化高速发展的时代，欧洲传统的污水净化手段在消减污染负荷上难以适应我国人多水少的实际情况，而且随着我国磷资源的短缺，污水污染物肥料化的需求也越来越突出。
国家制定了目标： 2020年农药化肥零增长，土壤有机质提供0.5个百分点，秸秆还田80%。村镇建设从人畜排泄物还田开始走向新的模式。所以，从可持续发展和节能减排的角度，我们有必要探索可持续的给排水替代方案，从模式上关注污水的资源化途径。
张博士提出的资源型排水模式，可收集富含氮磷的高浓度粪尿污水，通过不同的处理可回收污水中90%的氮磷资源用于农业、绿化等，重构农业、城镇可持续发展的有机组成部分。农村以厕所为抓手，管住屎和尿，从末端治理走向源头分离，实现绿色循环，为乡村振兴助力，创建美丽乡村。
传统排水模式历经一个多世纪的不断机械叠加而形成，存在高耗水耗能和资源流失的弊端；资源型排水模式沿用清洁生产理念进行源头分离，以分别收集高浓度的粪尿和污染负荷低的生活杂排水，并分别对其进行集中或分散处理，实现其资源化。后者以源分离为技术核心，从源头尽量节水，并将废水实现源头分离，构成相对分散的以资源回收为导向的排水系统，实现节水、节能、能量和营养盐回收以及水再生循环。
乡村振兴是中国当下的大事，相信经过我们共同的努力，寻找可持续的绿色循环模式、构建“中国模式”的资源型排污系统，那么美丽中国、美丽乡村便不再是乌托邦。
总结
最后，胡跃高老师总结了张博士的讲座，感谢他给我们带来了一堂理论与实践结合的教育课。近代西方工业文明的问题频发，我们要保持清醒的头脑，避免走上他们的老路，从我们未开发过的乡村做起，探索“中国模式”，为建设美丽中国贡献一份自己的力量。
图文整理：中国农大研究生江春艳
校稿、排版美化：3O有机行者·滔小小