生態(tài)城市水循環(huán)系統(tǒng)的新理念與大趨勢(shì) 夏青 微降解與源分離
發(fā)布日期：2015-06-14 瀏覽次數(shù)：
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核心提示：生態(tài)城市水循環(huán)系統(tǒng)的新理念與大趨勢(shì) 夏青 微降解與源分離
自然水循環(huán)是指地球上或某一區(qū)域內(nèi)，在太陽輻射和重力作用下水分通過蒸發(fā)、降水、入滲、徑流等過程不斷運(yùn)動(dòng)和變化的現(xiàn)象。隨著城市化的發(fā)展，各類建筑物、道路大量占用了裸露地面，改變了蒸發(fā)量、土壤入滲量和地表徑流量。這種影響一方面增加了城市水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，如城市暴雨強(qiáng)度發(fā)生變化，暴雨徑流的峰值更加突出，地下水的補(bǔ)給更加困難，城市防澇系統(tǒng)的建設(shè)在保證率和投資成本的平衡上更為艱難。另一方面，由于大量人口集聚在城市區(qū)域，集中用水、集中排水對(duì)上游來水的要求不斷提高，對(duì)下游產(chǎn)生的污染物排放和水質(zhì)惡化的局面日益嚴(yán)重。在這種條件下，城市水循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)展突出一個(gè)“運(yùn)“字，不斷在混凝土路面下興修管網(wǎng)，提高普及率，運(yùn)了污水，又要考慮雨水，管網(wǎng)費(fèi)用不斷增加。強(qiáng)調(diào)一個(gè)”質(zhì)“字，不得不提高給水處理水平、提高污水處理水平。給水系統(tǒng)面臨的是處理難度問題，排水系統(tǒng)則遇到了死結(jié)。因?yàn)樯嫌蝸硭亢退|(zhì)可控性都不強(qiáng)，傳統(tǒng)給水處理無法解決的污染物成為難題。排水系統(tǒng)由接納污水的河流控制斷面水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)控制，錯(cuò)誤地要求污水處理廠出水達(dá)到地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。日益嚴(yán)重的湖泊、水庫、河口富營(yíng)養(yǎng)化又提出了污水處理廠提高處理總N水平的要求，以致于必須添加碳源來提高總N去除率。最為嚴(yán)重的是污泥，突然顯露出需要一筆大資金去解決，無論是填埋、焚燒或制成肥料，都是加在城市水循環(huán)系統(tǒng)的艱難任務(wù)。城市化發(fā)展過程中產(chǎn)生的上述問題促進(jìn)了人們對(duì)城市水循環(huán)系統(tǒng)的反思：如何使人類活動(dòng)更少地干擾自然水循環(huán)？如何從人工水循環(huán)系統(tǒng)中找到減少污染物、營(yíng)養(yǎng)物以及污泥、高NBOD污水等二次產(chǎn)物的出路？先天不足的城市水循環(huán)系統(tǒng)遇到良機(jī) 城市水循環(huán)系統(tǒng)的先天不足表現(xiàn)在三方面受限：
其一，部門權(quán)限所限。建設(shè)部門管理的是給水處理與污水輸送及污水處理廠、垃圾處理廠的運(yùn)行。水利部門管理城市水資源供應(yīng)、防洪安全以及城市各類下泄水的下游輸送。環(huán)保部門負(fù)責(zé)監(jiān)督供水水源地的水質(zhì)、污水處理廠的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)以及下游斷面的水質(zhì)監(jiān)督。農(nóng)業(yè)部門負(fù)責(zé)糧食安全、菜籃子保障。四個(gè)部門把一個(gè)完整的保質(zhì)保量的水循環(huán)系統(tǒng)分割成四個(gè)較少聯(lián)系的部分。
其二，行政區(qū)界所限。位于某一流域區(qū)域范圍內(nèi)的城市規(guī)劃只能在行政區(qū)界內(nèi)使用資源，省界、市界乃至縣界都會(huì)成為削弱調(diào)控能力的原因，妨礙真正科學(xué)的水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)。
其三，傳統(tǒng)理念所限。將城市水循環(huán)系統(tǒng)規(guī)劃的重點(diǎn)置于給水處理、污水輸送、城區(qū)防澇和末端處理工程上，水資源、水環(huán)境、水生態(tài)一體化的水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)被認(rèn)為是份外的事。
這里必須引為重視的是仇保興部長(zhǎng)提出的“城市與農(nóng)村是夫妻”的觀點(diǎn)，作為主管城市建設(shè)的部長(zhǎng)，他已經(jīng)敏銳的覺察到就城市論城市的規(guī)劃路子越來越艱難，需要把農(nóng)村納入進(jìn)來，統(tǒng)籌規(guī)劃，使水循環(huán)系統(tǒng)在更大的空間得以實(shí)現(xiàn)，部分解決了行政區(qū)界所限和傳統(tǒng)理念所限的約束。 2011年中央1號(hào)文件明確提出實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度，建立用水總量控制、用水效率控制和水功能區(qū)限制納污“三項(xiàng)制度”，劃定了用水總量、用水效率和水功能區(qū)限制納污“三條紅線”。為守住這“三條紅線”，1號(hào)文件提出了一系列剛性要求和硬措施，并明確要求建立水資源管理責(zé)任和考核制度。這 “三條紅線”是水資源、水環(huán)境、水生態(tài)綜合管理的生命線。對(duì)于城市水循環(huán)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)來講，限制供水總量，實(shí)際上就是限制了陸上用水總量；保證用水效率，實(shí)際上就是規(guī)定了節(jié)水總量；限定納污能力，實(shí)際上限制的是排污總量。這“三個(gè)總量”也是陸上的“三條紅線”。“以水定陸”的規(guī)劃設(shè)計(jì)思想為城市水循環(huán)系統(tǒng)破除先天不足開辟了通道。北京市三個(gè)新城規(guī)劃建設(shè)明確以水資源為基礎(chǔ)，體現(xiàn)了管理在水上，落實(shí)在陸上，水陸統(tǒng)籌，科學(xué)發(fā)展的思維，是城市水循環(huán)系統(tǒng)抓住機(jī)遇的標(biāo)志。生態(tài)城市水循環(huán)系統(tǒng)的大趨勢(shì) 仇保興部長(zhǎng)提出的微降解思想是基于“自然界中，生產(chǎn)、消費(fèi)、降解三個(gè)環(huán)節(jié)是平衡的。自然生態(tài)作為一種永恒存在的自組織系統(tǒng)這三者是均衡的，本質(zhì)上是一種生生不息的循環(huán)系統(tǒng)。在沒有城鎮(zhèn)化之前，這種循環(huán)系統(tǒng)可以承載眾多種類生物生存和繁殖”。國(guó)際上興起的源分離理念指的是人類糞尿與生活污水剝離并資源化，污染程度低的廢水與雨水分散資源化。仇保興部長(zhǎng)就“污染程度低的廢水與雨水分散資源化”提出“要將建筑產(chǎn)生的廢水分成灰色水和黑色水，灰色水是可利用的水，指的是廚房、洗衣機(jī)和洗澡的廢水再加上雨水收集，并通過簡(jiǎn)單的生化處理，1m3水處理成本低于一元人民幣，然后循環(huán)用于沖馬桶。沖便后變成黑色水，再經(jīng)城市污水管網(wǎng)收集或小區(qū)污水處理裝置就地處理回用于綠化，這樣就可以節(jié)水30%以上”。 張健博士則從人糞尿不進(jìn)行源分離給城市污水排放系統(tǒng)會(huì)帶來兩個(gè)重要欠缺提出了評(píng)論意見：“在資源循環(huán)方面，生活污水中大部分的COD 和絕大部分的營(yíng)養(yǎng)鹽來自人糞尿。磷和鉀是有限的不可再生的資源，制造氮肥需要消耗大量能量。后者在污水處理過程中相當(dāng)一部分通過能量消耗變成了氮?dú)鉀]能回收。鉀的大部分隨出水流走，污水中大部分的磷進(jìn)入污泥。由于末端處理污水成分復(fù)雜，污泥直接農(nóng)用存在附帶污染物富集的問題。近年來從污泥中單獨(dú)回收磷的研究取得一些進(jìn)展，但都存在費(fèi)用高，工藝較復(fù)雜和回收率低的問題。由于模式上的缺陷，農(nóng)業(yè)-食品-廢物-農(nóng)業(yè)營(yíng)養(yǎng)物在引入城市下水道模式后幾乎被徹底截?cái)�。在能量效率方面，雖然高水量高密度的重力流混合輸送表面簡(jiǎn)單，但人們常常忽視加壓泵站的能耗。污泥發(fā)酵等可以回收一部分能量（如沼氣發(fā)電約160 KJ/人•天），但遠(yuǎn)不夠污水處理廠本身的耗電（約250 KJ/人•天）。人廢物中所含的絕大部分有機(jī)物在污水處理過程中通過外界輸入能量被氧化成二氧化碳排放掉了。” 很明顯，仇保興部長(zhǎng)和張健博士的見解，即“微降解”、“源分離”之說，實(shí)質(zhì)上是把已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域全面開展的清潔生產(chǎn)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)思想貫徹到城市水循環(huán)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，是代表未來大趨勢(shì)的好理念。因?yàn)樵谌藗兌荚谧h論生態(tài)和低碳的時(shí)候，微降解和源分離理念正催生著城市排水系統(tǒng)和污水處理的新變革。 2011年7月比爾及梅琳達(dá)•蓋茨基金會(huì)（Bill & Melinda Gates Foundation）全球發(fā)展計(jì)劃（Global Development Program）總裁西爾維婭•馬修斯•波維爾（Sylvia Mathews Burwell）曾表示，人類需要重新設(shè)計(jì)馬桶，變廢為寶。新增4200萬美元的衛(wèi)生設(shè)施資助，提供300萬美元資助位于北美洲、歐洲、非洲和亞洲的8所大學(xué)：美國(guó)加州理工學(xué)院，美國(guó)斯坦福大學(xué)，加拿大多倫多大學(xué)，英國(guó)拉夫堡大學(xué)，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)，瑞士聯(lián)邦供水、廢水處理與水體保護(hù)研究院（EAWAG），新加坡國(guó)立大學(xué)，南非夸祖魯・納塔爾大學(xué)，旨在改進(jìn)排泄物的收集和儲(chǔ)存，并將其轉(zhuǎn)化成可用資源，如能源、肥料和清水。
日前，該項(xiàng)目有了新進(jìn)展。美國(guó)加州理工學(xué)院環(huán)境科學(xué)系教授邁克爾・霍夫曼研制出了太陽能馬桶原型，這款馬桶使用太陽能電池板為馬桶的電氣化學(xué)系統(tǒng)提供能源。電極產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，清潔廁盆并將有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化成一氧化碳和氫，然后儲(chǔ)存在固態(tài)氧化物燃料堆中以供發(fā)電。“我們可以把廢水清潔到跟處理廠出來的一樣干凈。”霍夫曼稱，但同時(shí)他也承認(rèn)，太陽能馬桶的原型造價(jià)不低，達(dá)到5000美元。不過他認(rèn)為，一旦投入量產(chǎn)，成本便會(huì)降下來。
南非夸祖魯･納塔爾大學(xué)的方案是以化學(xué)方式處理廢物，燃燒糞便，并用它帶來的能源使尿液蒸發(fā)。
瑞士聯(lián)邦供水、廢水處理與水體保護(hù)研究院（EAWAG）的方案是將尿液和糞便分離到不同的容器，過濾尿液后得到的水則儲(chǔ)存在另一個(gè)容器，用來沖馬桶。這樣循環(huán)使用，馬桶就不需要連接自來水網(wǎng)，而剩余的馬桶廢物則可作為肥料再利用。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的方案是利用微波將人類糞便轉(zhuǎn)變成一氧化碳和氫氣，然后儲(chǔ)存在固態(tài)氧化物燃料堆中以供發(fā)電。
英國(guó)拉夫堡大學(xué)和美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)則分別獨(dú)立研究出了將糞便轉(zhuǎn)變成木炭或生物炭的技術(shù)。
加拿大多倫多大學(xué)則開發(fā)出利用陰燃技術(shù)處理糞便的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)通過膜過濾和紫外線輻射凈化尿液。
上述有關(guān)重新設(shè)計(jì)馬桶的實(shí)例都把聚焦點(diǎn)集中于人糞尿，因?yàn)槿思S尿在總量上僅占生活污水總量的1%，但是卻占化學(xué)耗氧總量的60%，N、P總量的90%。將人類糞尿與生活污水分離并資源化，這種清污分流、源頭治理的技術(shù)路線符合效率最大化、能耗最小化的目標(biāo)。高濃度的糞（褐水）、尿液（黃水）、糞尿混合物（灰水）被稀釋后再處理，效率低下，耗能增多。在不被稀釋的條件下直接資源化，方法簡(jiǎn)便，符合低碳生態(tài)要求。應(yīng)該指出的是，比爾･蓋茨是個(gè)聰明人，他去做馬桶，目標(biāo)并不止于馬桶，和仇保興、張健相同的是，他們都看到了并推進(jìn)著一個(gè)大趨勢(shì)——一個(gè)生態(tài)城市的下水管網(wǎng)和污水處理廠不會(huì)是現(xiàn)在的樣子。試想，人糞尿不再進(jìn)入下水道，街道上又會(huì)出現(xiàn)拉著商品糞尿的車輛，這些加工生物復(fù)合肥的工廠將成為生態(tài)農(nóng)業(yè)的支撐；不再輸送人糞尿的污水管網(wǎng)，其水質(zhì)濃度僅為現(xiàn)狀的10%-30%，輸送時(shí)的碳排放也大為降低，進(jìn)入污水處理廠后的處理方式將更為簡(jiǎn)單；和這種微降解、微處理、微循環(huán)相聯(lián)系的不一定是一根大雨水管道，分散蓄積、分散利用以及利用下水管道調(diào)蓄、利用受納水域凈化初雨徑流帶來的突發(fā)負(fù)荷就成為新的選擇。難怪，德國(guó)科學(xué)院大膽的寓言，現(xiàn)代城市的下水道系統(tǒng)將被極大地改變，這將是本世紀(jì)城市建設(shè)中的一件大事。
（以上摘自作者為中國(guó)城市研究會(huì)年度報(bào)告撰寫的稿件,2012）
2015-06-13 夏青
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