生態城市水循環系統的新理念與大趨勢 夏青 微降解與源分離
發布日期：2015-06-14 瀏覽次數：
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核心提示：生態城市水循環系統的新理念與大趨勢 夏青 微降解與源分離
自然水循環是指地球上或某一區域內，在太陽輻射和重力作用下水分通過蒸發、降水、入滲、徑流等過程不斷運動和變化的現象。隨著城市化的發展，各類建筑物、道路大量占用了裸露地面，改變了蒸發量、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系統設計的難度，如城市暴雨強度發生變化，暴雨徑流的峰值更加突出，地下水的補給更加困難，城市防澇系統的建設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域，集中用水、集中排水對上游來水的要求不斷提高，對下游產生的污染物排放和水質惡化的局面日益嚴重。在這種條件下，城市水循環系統的發展突出一個“運“字，不斷在混凝土路面下興修管網，提高普及率，運了污水，又要考慮雨水，管網費用不斷增加。強調一個”質“字，不得不提高給水處理水平、提高污水處理水平。給水系統面臨的是處理難度問題，排水系統則遇到了死結。因為上游來水水量和水質可控性都不強，傳統給水處理無法解決的污染物成為難題。排水系統由接納污水的河流控制斷面水質標準控制，錯誤地要求污水處理廠出水達到地表水水質標準。日益嚴重的湖泊、水庫、河口富營養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系統的艱難任務。城市化發展過程中產生的上述問題促進了人們對城市水循環系統的反思：如何使人類活動更少地干擾自然水循環？如何從人工水循環系統中找到減少污染物、營養物以及污泥、高NBOD污水等二次產物的出路？ 其一，部門權限所限。建設部門管理的是給水處理與污水輸送及污水處理廠、垃圾處理廠的運行。水利部門管理城市水資源供應、防洪安全以及城市各類下泄水的下游輸送。環保部門負責監督供水水源地的水質、污水處理廠的運行標準以及下游斷面的水質監督。農業部門負責糧食安全、菜籃子保障。四個部門把一個完整的保質保量的水循環系統分割成四個較少聯系的部分。
其二，行政區界所限。位于某一流域區域范圍內的城市規劃只能在行政區界內使用資源，省界、市界乃至縣界都會成為削弱調控能力的原因，妨礙真正科學的水循環系統設計和建設。
其三，傳統理念所限。將城市水循環系統規劃的重點置于給水處理、污水輸送、城區防澇和末端處理工程上，水資源、水環境、水生態一體化的水循環系統設計被認為是份外的事。
這里必須引為重視的是仇保興部長提出的“城市與農村是夫妻”的觀點，作為主管城市建設的部長，他已經敏銳的覺察到就城市論城市的規劃路子越來越艱難，需要把農村納入進來，統籌規劃，使水循環系統在更大的空間得以實現，部分解決了行政區界所限和傳統理念所限的約束。 2011年中央1號文件明確提出實行最嚴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限制納污“三項制度”，劃定了用水總量、用水效率和水功能區限制納污“三條紅線”。為守住這“三條紅線”，1號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任和考核制度。這 “三條紅線”是水資源、水環境、水生態綜合管理的生命線。對于城市水循環系統的規劃設計來講，限制供水總量，實際上就是限制了陸上用水總量；保證用水效率，實際上就是規定了節水總量；限定納污能力，實際上限制的是排污總量。這“三個總量”也是陸上的“三條紅線”。“以水定陸”的規劃設計思想為城市水循環系統破除先天不足開辟了通道。北京市三個新城規劃建設明確以水資源為基礎，體現了管理在水上，落實在陸上，水陸統籌，科學發展的思維，是城市水循環系統抓住機遇的標志。 仇保興部長提出的微降解思想是基于“自然界中，生產、消費、降解三個環節是平衡的。自然生態作為一種永恒存在的自組織系統這三者是均衡的，本質上是一種生生不息的循環系統。在沒有城鎮化之前，這種循環系統可以承載眾多種類生物生存和繁殖”。國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。仇保興部長就“污染程度低的廢水與雨水分散資源化”提出“要將建筑產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、洗衣機和洗澡的廢水再加上雨水收集，并通過簡單的生化處理，1m3水處理成本低于一元人民幣，然后循環用于沖馬桶。沖便后變成黑色水，再經城市污水管網收集或小區污水處理裝置就地處理回用于綠化，這樣就可以節水30%以上”。 張健博士則從人糞尿不進行源分離給城市污水排放系統會帶來兩個重要欠缺提出了評論意見：“在資源循環方面，生活污水中大部分的COD 和絕大部分的營養鹽來自人糞尿。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一部分通過能量消耗變成了氮氣沒能回收。鉀的大部分隨出水流走，污水中大部分的磷進入污泥。由于末端處理污水成分復雜，污泥直接農用存在附帶污染物富集的問題。近年來從污泥中單獨回收磷的研究取得一些進展，但都存在費用高，工藝較復雜和回收率低的問題。由于模式上的缺陷，農業-食品-廢物-農業營養物在引入城市下水道模式后幾乎被徹底截斷。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單，但人們常常忽視加壓泵站的能耗。污泥發酵等可以回收一部分能量（如沼氣發電約160 KJ/人•天），但遠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，仇保興部長和張健博士的見解，即“微降解”、“源分離”之說，實質上是把已經在工業領域全面開展的清潔生產、循環經濟思想貫徹到城市水循環系統的規劃設計中，是代表未來大趨勢的好理念。因為在人們都在議論生態和低碳的時候，微降解和源分離理念正催生著城市排水系統和污水處理的新變革。 2011年7月比爾及梅琳達•蓋茨基金會（Bill & Melinda Gates Foundation）全球發展計劃（Global Development Program）總裁西爾維婭•馬修斯•波維爾（Sylvia Mathews Burwell）曾表示，人類需要重新設計馬桶，變廢為寶。新增4200萬美元的衛生設施資助，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：美國加州理工學院，美國斯坦福大學，加拿大多倫多大學，英國拉夫堡大學，荷蘭代爾夫特理工大學，瑞士聯邦供水、廢水處理與水體保護研究院（EAWAG），新加坡國立大學，南非夸祖魯・納塔爾大學，旨在改進排泄物的收集和儲存，并將其轉化成可用資源，如能源、肥料和清水。
日前，該項目有了新進展。美國加州理工學院環境科學系教授邁克爾・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系統提供能源。電極產生化學反應，清潔廁盆并將有機廢物轉化成一氧化碳和氫，然后儲存在固態氧化物燃料堆中以供發電。“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，但同時他也承認，太陽能馬桶的原型造價不低，達到5000美元。不過他認為，一旦投入量產，成本便會降下來。
南非夸祖魯･納塔爾大學的方案是以化學方式處理廢物，燃燒糞便，并用它帶來的能源使尿液蒸發。
瑞士聯邦供水、廢水處理與水體保護研究院（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存在另一個容器，用來沖馬桶。這樣循環使用，馬桶就不需要連接自來水網，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的方案是利用微波將人類糞便轉變成一氧化碳和氫氣，然后儲存在固態氧化物燃料堆中以供發電。
英國拉夫堡大學和美國斯坦福大學的研究團隊則分別獨立研究出了將糞便轉變成木炭或生物炭的技術。
加拿大多倫多大學則開發出利用陰燃技術處理糞便的系統，這個系統通過膜過濾和紫外線輻射凈化尿液。
上述有關重新設計馬桶的實例都把聚焦點集中于人糞尿，因為人糞尿在總量上僅占生活污水總量的1%，但是卻占化學耗氧總量的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、源頭治理的技術路線符合效率最大化、能耗最小化的目標。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，方法簡便，符合低碳生態要求。應該指出的是，比爾･蓋茨是個聰明人，他去做馬桶，目標并不止于馬桶，和仇保興、張健相同的是，他們都看到了并推進著一個大趨勢——一個生態城市的下水管網和污水處理廠不會是現在的樣子。試想，人糞尿不再進入下水道，街道上又會出現拉著商品糞尿的車輛，這些加工生物復合肥的工廠將成為生態農業的支撐；不再輸送人糞尿的污水管網，其水質濃度僅為現狀的10%-30%，輸送時的碳排放也大為降低，進入污水處理廠后的處理方式將更為簡單；和這種微降解、微處理、微循環相聯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蓄、利用受納水域凈化初雨徑流帶來的突發負荷就成為新的選擇。難怪，德國科學院大膽的寓言，現代城市的下水道系統將被極大地改變，這將是本世紀城市建設中的一件大事。
（以上摘自作者為中國城市研究會年度報告撰寫的稿件,2012）
2015-06-13 夏青
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