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城市污水控制與水資源若干問題的反思萬若張健博士

發(fā)布日期：2015-05-23 瀏覽次數(shù)：100

核心提示：城市污水控制與水資源若干問題的反思張健博士

2020年中國無廢城市建設(shè)及固廢資源化利用可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展大會

萬若環(huán)境

摘要

　　本文探討城市水、城市水資源及污染控制的相互關(guān)聯(lián)。水源與污水并沒有清晰的界限，指出認(rèn)識上的一些誤區(qū)，認(rèn)為用水、雨水、地表水、地下水在城市水資源和污染控制中應(yīng)統(tǒng)籌考慮，解決水資源、水污染問題，從量上應(yīng)避免和補(bǔ)償城市化給水循環(huán)帶來的干擾，從質(zhì)上不要簡單地把水作為我們廢物的運輸工具。分析歐洲城市水資源與污水控制中幾個方面的得與失，指出傳統(tǒng)排水模式的缺陷，思考我國城市化進(jìn)程中水污染控制途徑。

　　“君住江之頭，我住江之尾”，“共飲一江水”。足夠的自然凈化能力和簡樸的消費模式是如此美好的生態(tài)畫卷的根本依仗�，F(xiàn)實的情況是：沿江密布的城鎮(zhèn)、有限的環(huán)境容量，君已經(jīng)不使用干廁了，他的廢物流進(jìn)了江河，江水還滿載著其他人的……

　　大量的數(shù)據(jù)顯示我國的水污染并沒有得到有效控制，水資源短缺已成為大多數(shù)城市所面臨的現(xiàn)實。我們已經(jīng)在先污染后治理的弧線上走了很遠(yuǎn)，應(yīng)當(dāng)“痛心疾首”。

　　深圳治污理念之爭并不在于是否實現(xiàn)污水的達(dá)標(biāo)排放，圓明園補(bǔ)水的背景遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過事情本身。中國有600多個城市，無數(shù)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，我們需要更多的思考。

一、認(rèn)識上的誤區(qū)與水系統(tǒng)的整體觀

　　我們習(xí)慣了用上水和下水，給水和排水來界定水資源和水污染控制，所以解決水資源問題我們第一想到的是開源，而在防止水污染上把目標(biāo)定在排放達(dá)標(biāo)上。但高密度的人口和有限的水資源早已不允許我們這樣界定了，作為水源的河流常同時肩負(fù)著納污的重任。水污染控制本身也是開發(fā)、保護(hù)水資源。

　　我們習(xí)慣于把雨水看作“第二水源”，而事實上雨水是唯一的第一水源。在雨水利用的定義上，我們應(yīng)該從狹義的直接使用走向廣義的水圈循環(huán)。

　　我們習(xí)慣于把地下水和地表水分開考慮，通常當(dāng)?shù)孛骈_始下沉?xí)r我們才直覺到過量開采地下水所造成的經(jīng)濟(jì)損失。在城市的規(guī)劃中很少考慮到地下水、地上水的相互聯(lián)系。

　　我們習(xí)慣于把“是否能直接使用”作為水的價值的衡量標(biāo)準(zhǔn)，把污水深度處理和中水回用的意義更多地理解成直接再用的節(jié)水效益上。事實上，污水的處理深度是一個城市水系統(tǒng)的決策問題，不直接使用的水的價值并不比直接使用的水的價值低。世界上不只是有污水直接再生再用的成功經(jīng)驗，也有通過維系良好的水圈循環(huán)來解決水源貧瘠的成功案例。中國已有案例研究顯示水域污染控制（也是水資源保護(hù)）本身也要求污水不只是達(dá)標(biāo)排放，而是需要最大限度地節(jié)水和進(jìn)一步的深度處理。

　　我們目前最著急的是普及污水處理，污泥問題才剛剛開始。“盡管污泥的量只占污水的1％，但它的費用占了污水處理的30％，在我們發(fā)愁的事中占了90％”，這是德國工程師Imhoff幾十年前的一段話。今天德國污泥處置上的花費已達(dá)到和超過50％，污泥的去處和如何實現(xiàn)資源回收仍在讓人們發(fā)愁，因為在污泥處置上現(xiàn)在的常規(guī)做法已根本切斷了“人類廢棄物→土地→食品”的物質(zhì)循環(huán)。

　　“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”，我們的祖先一直重視系統(tǒng)。水資源、水污染也是一個系統(tǒng)問題。只有把握系統(tǒng)本質(zhì)的規(guī)律性，持之以恒，才能真正緩解水資源危機(jī)。

二、規(guī)劃和行動中的“正本清源”

　　水資源、水污染的規(guī)劃與評價必須要成為城市發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式中的一個根本議題才能真正走向完善。

　　圓明園補(bǔ)水的事，更應(yīng)看到城市生態(tài)水（地上、地下）的貧瘠。滇池的富營養(yǎng)化久治不愈（建污水廠、挖泥、截留…）至少說明系統(tǒng)的龐大和問題的復(fù)雜。

　　深圳污水控制思路，有眾多高級學(xué)者、院士參謀、會診，但是我們應(yīng)該清醒地看到中國有600多個城市，鄉(xiāng)鎮(zhèn)更是不計其數(shù)，在規(guī)劃中不可能像深圳請到這么多專家。專家也常術(shù)業(yè)專攻，請哪些方面的專家，請多少，專家能有多少精力，這里邊都有很大的隨機(jī)性。所以有必要將一些典型案例進(jìn)行更廣泛的分析與介紹，作為其它城市的參考。

　　為了規(guī)范管理，設(shè)置統(tǒng)一的指標(biāo)體系是有意義的，如排放標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)水率、生態(tài)住宅評價體系、節(jié)水型社會指標(biāo)體系等等。由于系統(tǒng)的復(fù)雜性和環(huán)境容量的有限，分門別類的國家級指標(biāo)體系在一個區(qū)域或城市的水資源決策、管理中無法取代與地域特征和城市發(fā)展緊密結(jié)合的水系統(tǒng)的規(guī)劃和宏觀決策分析。

　　水環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展以及水圈的良性循環(huán)應(yīng)成為各項指標(biāo)體系的最高宗旨，否則會出現(xiàn)污水處理率、中水回用率無法反映一個地區(qū)的水資源管理是否真正符合可持續(xù)發(fā)展的模式。深圳治水的爭論并不在于污水處理率是多少，更多的是一個地區(qū)如何建立一個可持續(xù)發(fā)展的用水排水模式的爭論，由此可見一斑。

　　水的規(guī)劃和決策中應(yīng)把握的最本質(zhì)的東西是什么？

　　筆者的初步理解，解決水資源問題的根本是尊重自然規(guī)律，實現(xiàn)：

1.從量上，我們應(yīng)避免和補(bǔ)償城市化給水循環(huán)帶來的干擾，

2.從質(zhì)上，不要簡單地把水作為我們廢物的運輸工具。

　　無論科技如何發(fā)展，現(xiàn)在還無法看出人類能改變水圈循環(huán)的基本原理。雨水是地下水、地表水的源；地下水的量受地表水量影響;水源與廢水無清晰界限，地表水、土壤的污染可以引起地下水的污染; 水源質(zhì)量受納物量影響; 蒸發(fā)、下滲、徑流是地表水的三大走向等等。這些因素的相互聯(lián)系及內(nèi)在規(guī)律是規(guī)劃決策中必須考慮的（參見圖1）。

　　城市化對自然水圈帶來的量上的明顯改變是地下水減少、又得不到補(bǔ)償；地表水停留時間縮短，下滲和蒸發(fā)減少，徑流量增加。而在質(zhì)上，則是地表水、地下水的污染——即水源的污染。

三、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗和教訓(xùn)

　　中國城市污水處理廠的興建只是近二十年的事。城市雖然已經(jīng)高樓林立，但在基礎(chǔ)設(shè)施、城市管網(wǎng)建設(shè)等方面仍需走很長的路才能達(dá)到歐洲一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家現(xiàn)在或幾十年前的水平。

在重視單項技術(shù)引進(jìn)的同時，要加強(qiáng)對他們在治水方面已走過路程的研究，分析這條路還有多長和這條路是否是唯一選擇。在對策的研究上，我們必須要有充分的緊迫感，因為我們每年都有上千萬的人進(jìn)入城市，因為我們每幾年在城市化道路上所走的路程是現(xiàn)在西方用幾十年才走過的，因為我們高速發(fā)展進(jìn)程中的任何一個失誤都有可能帶來社會財富的巨大損失。

以下結(jié)合筆者的工作經(jīng)歷列舉幾個局部，并不全面：

傳統(tǒng)污水末端集中處理模式的問題與局限

　　歐洲傳統(tǒng)的排污治污模式存在嚴(yán)重缺陷，主要體現(xiàn)在：

1.高耗水，從理念上把水作為廢棄物的載體；污染物和營養(yǎng)鹽經(jīng)歷混合、稀釋、運輸、降解/轉(zhuǎn)移、濃縮分離，進(jìn)入地表水體和產(chǎn)生污泥。歐洲很多案例研究可以證明，即使最現(xiàn)代的污水處理廠，其出水水質(zhì)與地表水水質(zhì)要求仍相差很遠(yuǎn)（比如含磷在1mg/L水平，而城市周邊緩慢流動的水體為防止富營養(yǎng)化需要達(dá)到比這一數(shù)值低近百倍的水平），也就是說，耗資巨大的現(xiàn)代污水處理廠出水仍需要大量的稀釋才有可能對環(huán)境不造成污染，才有可能作為資源再用。

2.污水的大水量、長距離輸送是末端集中處理模式中最主要的費用組成，是幾代人不斷積累的結(jié)果。進(jìn)入七十年代以來，歐洲經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家歷史上修建的污水管網(wǎng)逐步進(jìn)入翻修、擴(kuò)展期，污水管網(wǎng)對他們也同樣是一個巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，發(fā)展中國家在城市人口快速發(fā)展的進(jìn)程中很難效仿。

3.污染物的降解和濃縮分離是污水處理中兩大基本過程，但傳統(tǒng)的排水模式是將污染物和營養(yǎng)鹽先進(jìn)行上百倍的稀釋，然后再消耗大量能量再分離。

4.在各個單元操作達(dá)到較高技術(shù)水平后，污泥問題仍是污水處理中一大難題�；旌偷奈鬯煞謴�(fù)雜，從技術(shù)和管理上難以實現(xiàn)成分復(fù)雜的污泥的返田。污泥處置的費用已經(jīng)達(dá)到和超過污水處理本身，并呈繼續(xù)上升趨勢。

5.違背生態(tài)循環(huán)原則。截斷了原有的“糧食-人居-廢物-土地”物質(zhì)循環(huán)。過去的40年中，世界人口增加了一倍，但化肥的產(chǎn)量增加了10倍。磷礦是有限的資源，制造氮肥（目前人類從大氣中的氮氣制氮肥的固氮量已經(jīng)是地球生物固氮總量的37%，Gijzen（2001））需要消耗大量的能量，污水處理廠脫氮也需要耗能。在污泥消化后，對液相利用MgNH4PO4沉淀的方法回收磷也只占進(jìn)水總量的15-30%（Heinzmann et. al. 2002）。污泥焚燒處理的飛灰中，磷的分離回收同樣是一個復(fù)雜的過程。用鐵鹽作為化學(xué)混凝除磷所產(chǎn)生的污泥雖然也可以通過相應(yīng)的工藝技術(shù)回收磷和鐵鹽（Karimnia，1988， Zhang，2000），但由于經(jīng)濟(jì)性等方面的原因，目前這些方法均未能得到真正意義上的推廣。實際情況是，現(xiàn)代污水處理廠的這些營養(yǎng)鹽在永久地流失。

雨水管理關(guān)鍵在于實現(xiàn)雨水的良性循環(huán)

　　城市區(qū)域中把雨水儲存、直接利用是有很大局限的。歐洲有大量實例說明，城市廣泛實施分散的雨水生態(tài)工程不僅能有效恢復(fù)、補(bǔ)償?shù)叵滤�、改善城市小氣候，而且通過減小雨水對城市管網(wǎng)的壓力在經(jīng)濟(jì)上同樣有巨大意義。

　　出于對市政管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的考慮，約在一百年前，歐洲國家就有在城市區(qū)域中修建分散的雨水緩沖池的例子，用于消減暴雨徑流對排水系統(tǒng)構(gòu)成的短時間高負(fù)荷。七十年代后，出于經(jīng)濟(jì)和生態(tài)上的考慮開始實施分散的、大規(guī)模的雨水反滲地下水模式，作為城市土地硬化后對原有的雨水自然下滲進(jìn)行補(bǔ)償。

污水作為生態(tài)水再利用的意義不一定亞于直接的中水回用

　　已如上述污水和城市水資源并無清晰的界限，德國上世紀(jì)三十年代以來逐步流行的、不直接去地表水而是河水反滲地下水作為飲用水源的做法與這一認(rèn)識不無關(guān)聯(lián)。這里介紹德國一個“缺水城市”的實例。

　　柏林雖然地表有6%是淺水湖，但缺水：這些湖水幾乎不流動，其進(jìn)水主要是雨水和污水處理廠出水；柏林年降雨量僅約500mm，比我國許多北方城市的降水量還小。

　　位于西柏林的Tegel水廠負(fù)責(zé)周邊65萬人口的供水，始建于1877年。1883年改建成采用地表水，1901/1903年改建成采用地下水。由于污水和雨水地表徑流，到上世紀(jì)八十年代初，進(jìn)水達(dá)到含磷量1-10mg/L。為改善水源和恢復(fù)Tegel湖水質(zhì)，在1985年，在湖的東北部入口（Tegeler Fliess和Nordgraben）建成深度處理廠，采用混凝-沉淀-過濾工藝。為防止西南部的水（水質(zhì)也很差）倒流，設(shè)泵站將一部分水打到東北部的進(jìn)口一并處理（總設(shè)計處理量為6m3/秒），出水含磷小于0.01mg/L，其它污染物通過綜合指標(biāo)濁度來控制。

　　Tegel水廠處理工藝為曝氣，沙濾，不需要加氯消毒，供水水質(zhì)為直飲水。

四、挑戰(zhàn)與機(jī)遇

　　可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的共識是近一、二十年才形成的共識，西方國家城市化的發(fā)展歷程中有成功的經(jīng)驗也有失敗的教訓(xùn)。城市高耗水、直腸式、末端混合處理模式建立和壯大的階段至少在時間上是與對自然資源和殖民地的掠奪、工業(yè)化高速發(fā)展與自豪、較低的城市密度、較大的環(huán)境容量這樣一個大背景同步的。特別是上世紀(jì)七十年代以來，在水生態(tài)保護(hù)上，西方也積累了很多實踐經(jīng)驗。

　　中國大規(guī)模、高速的城市化一方面對水資源造成巨大壓力、對水的管理提出了挑戰(zhàn)，但另一方面，能在循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念下，總結(jié)別人過程中的得與失，也為我們“一開始”就注重水環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供了機(jī)遇。

　　水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展是個大議題，筆者下面僅結(jié)合自己的工作經(jīng)歷談一點思考。

城市污水控制的資金來源渠道是污水控制中的一大障礙。城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)擴(kuò)展和老城的現(xiàn)代化改造是城市化發(fā)展的兩大模式，把給排水和污水控制與房地產(chǎn)開發(fā)有機(jī)地結(jié)合起來有可能會有效地解決資金渠道問題，因為這些基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)從地的開發(fā)開始就得到積累，事實上，它在地價、房價中所占的比例并不高。

　　在這一背景下，分散的（可能在萬人規(guī)模大�。┧廴究刂凭哂泻芏鄡�(yōu)點和可操作性。它可以避免集中污水處理方式在城市區(qū)域發(fā)展進(jìn)程中多年排污量逐步增加，而污水處理設(shè)施建設(shè)在時續(xù)上或者超前或者落后的問題，可以避免污水的遠(yuǎn)距離輸送所帶來的經(jīng)濟(jì)和管理上的困難，可以將資金來源與地產(chǎn)開發(fā)更好的結(jié)合起來，更有利于污水的源頭控制，將污水治理與受益群體進(jìn)行更好地掛鉤。

　　雨水、污水控制、地表景觀水的統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計對城市區(qū)域水資源、污水控制以及資源化常常會起到?jīng)Q定性的作用。節(jié)水、污水盡可能的源頭控制不僅有利于水資源的良性循環(huán)，產(chǎn)生更多的地表景觀水，而且可把污水地下遠(yuǎn)距離輸送成本降至最低。

　　城市污水中絕大部分的氮、磷來自人糞尿。十一年前筆者主持曼谷市污泥處理、處置系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計時，接受和建議將單獨收集來的糞尿混入污水處理廠一并處理的方案，因為這樣更符合歐洲成熟的經(jīng)驗。多少年后在接觸污泥資源回收工作中，得以反思并為當(dāng)時的技術(shù)觀點感到不安和內(nèi)疚。中國在糞尿返田上有著悠久的歷史，化糞池很早就得到普及，糞尿的量僅與污水處理廠污泥的量相當(dāng)，其生化降解速度更快，反應(yīng)工程上更容易控制，即使實現(xiàn)不了資源化，單獨處置可有效減少其它廢水的污染負(fù)荷和深度處理的成本。

　　筆者更多從事的是技術(shù)細(xì)節(jié)上的工作，以上僅是近來思考我國水資源問題，結(jié)合過去一些工作經(jīng)歷，重溫“全面規(guī)劃、合理布局，綜合利用、化害為利”的一些感想和思考，記錄下來，謬誤之處請同行指正。

（原文2005.10.1曾在中國水網(wǎng)發(fā)表http://www.h2o-china.com/paper/7062.html，轉(zhuǎn)載有刪節(jié)）

城市污水控制與水資源若干問題的反思

2015-05-14 張健博士

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