净水技术|城市水系统面临的问题与挑战
上期回顾
城市水系统面临的新问题新挑战
随着环境分析技术及环境健康研究的深入，在水环境及饮用水源中不断发现了“新”污染物质，如持久性有机物（persistent organic pollutants, POPs）、内分泌干扰物（endocrine disrupting chemicals, EDCs）、医药品及个人护理品（pharmaceuticals and personal care products, PPCPs）等，这些污染物浓度低（以mg/L或ng/L计）、难以降解，具有环境持久性和生物累积性，对人类健康及生态系统存在潜在风险，在研究领域引发普遍关注。这些污染物质来源于工农业生产和日常生活，通过多种途径进入水体和土壤环境，多数并不能被常规污水处理工艺有效去除，目前即便是深度处理工艺也对其去除效果有限且存在着较大差异。同样地，给水处理工艺对部分这类新型微污染物质不能有效去除，有报道一些污染物在给水厂出厂水中被检出。
在净水处理方面，人们发现替代氯的新消毒剂氯胺和臭氧同样也有消毒副产物的问题，如N-亚硝基二甲胺（NDMA）和溴酸盐等。即便河流中人工合成化合物的浓度很少能超过十亿分之一的级别，但是难免会有某些人工合成化合物或天然有机物会与消毒剂发生反应，产生可能比其本身更加危险的诱变剂或者致癌物，威胁人类健康。而为彻底消除这些痕量污染化合物的影响，继续在原有水系统框架下增加深度处理单元升级污水处理厂或净水厂都将耗资巨大，一些研究者开始思考是否有必要重新考虑城市水系统的基本模式。
城市水系统研究进展
01
可持续的污水处理系统
上世纪60年代美国提出了具有超前思维的“21世纪水厂”概念，即将污水处理标准提升至饮用水标准。1975年加州橙郡日处理量约39万t的21世纪水厂开始运行，将传统处理工艺的出水，再通过微滤+超滤+紫外消毒处理后注入地下含水层、实现间接饮用的目的。这一勇敢的尝试对污水再生利用产生了深远的影响。本世纪初新加坡也研发了传统生物处理加双膜法的工艺，生产的新生水“NEWater”能间接用于饮用水，计划2030年NEWater能满足50%以上的供水需求。
20年前欧洲提出了可持续污水处理的理念，提出污水处理的目标应从简单的削减污染物实现水质达标向能源化资源化的可持续方向发展。2008年荷兰应用水研究基金会（STOWA）提出了“NEWs”（Nutrient + Energy + Water factories）一词，表示可持续理念下的污水处理厂是营养物、能源和再生水三位一体的生产工厂；并研发了众多引领世界的新技术，如厌氧氨氧化、好氧颗粒污泥、反硝化除磷与磷回收等。因为磷作为资源的稀缺性和排入水体会造成富营养化的问题，目前磷的回收在荷兰已经较为普遍，除此外他们还在尝试其他资源的回收，如回收纤维素加工成为修路材料的Geestmerambacht污水厂，回收海藻酸盐胞外聚合物EPS的Zutphen污水厂，采用PHARIO（荷兰语“PHA uit RIOolwater”的缩写）技术生产生物塑料PHA（羟基脂肪酸酯）等。2013年Dokhaven污水处理厂碳中和率达到了115%，标志着其在能源回收方面也取得了较大进展。
2014年曲久辉院士等6位专家提出了“建设面向未来的中国污水处理概念厂”的新命题，其新目标分别为水质可持续、能源回收、资源循环和环境友好等四方面。2015年中国第一座城市污水资源概念厂落户宜兴市，日处理规模2万t，以“碳磷高效分离+主流厌氧氨氧化+精处理”为主体工艺。
02
新型生态系统处理技术
尽管基于物化生化原理的人工强化技术在不断升级，但同时依赖于原始生态系统的处理技术也并没有被摒弃，而是积极地应用在某些特定的情景下，如空间比较充裕的地方。相对前者后者具有以下优势：低能耗、低成本、不需大量使用化学品、不会产生有害副产物；能有效去除绝大多数有机污染物、氮磷和金属污染物；能较好地应对冲击负荷等。其不足主要是需要更多时间和空间，处理效果的稳定性受到季节的影响；需要专业的设计和运行管理人员；需要考虑重金属、有毒化学品对于土壤、地下水及生态系统的长期影响等。目前美国仍有约800多个慢速渗滤场、300多个城市快速渗滤系统和大约50个表面径流处理系统等土地处理系统在运行。另外还有法国的马克斯-普朗克学会流程（即4~5个表流及潜流湿地的串联系统）和加拿大的“活机器”处理系统等。
03
以源分离为核心的生态排水系统
粪便和尿液约占到市政污水氮磷营养物质总负荷的90%以上，近代以来的水系统将粪便、尿液和其他污水混合后处理排放，一般地仍有约20%的氮、5%的磷及90%的钾最终流失在水体中，影响着水生态系统健康。同时阻断了粪便和尿液中的营养物回归土壤，特别是在污泥回用于农田也受到限制的情形下，从而打破了氮磷营养物质的自然循环，而另一方面人类却需要消耗矿物资源来合成农业生产所需的化肥。
图5 城市生态排水系统模式图
考虑到上述挑战，20世纪末瑞典、德国、瑞士等国学者相继提出以源分离为核心的生态排水系统，提出在居民住宅内将粪/尿与生活杂排水分别收集后，再通过分散或组团式的物理或生态技术（如湿地）进行处理及资源和能量的回收利用。与传统的统一收集、统一处理的模式相比，这种方式可有效地提高资源的回收效率，同时也便于回收资源就地回用于景观环境（如图5所示）。目前这种新型模式在技术及管理方面还有待于更进一步的研究和工程实践。上文提到的古罗马的水系统就是一种初级的源分离模式。
也有研究甚至提出新型马桶，直接就地将人体排泄物转化为干净的水、能源和营养物质，如1939年瑞典研制开发的室内堆肥厕所、英国克兰菲尔德大学的纳米膜马桶和“盖茨马桶”等。
04
组团化分散式的水系统布局模式
传统城市水系统收集、输送及处理模式的规模趋向于越来越大，主要考虑规模扩大的经济性，其次也有便于管理等方面的考虑。而从便于污水再生利用的角度出发，小规模的组团化、分散式的污水处理设施布局模式在整体的技术经济性、投资风险控制等方面较大集中式的传统布局模式表现出越来越明显的优势，目前主要在水质安全风险控制、运行管理等方面还存在一些障碍。
思考和小结
城市水系统随着城市社会经济及技术的发展而不断发展，满足了城市对水的各种功能需求。在工业文明的背景下，其发展的历史是以集中式、大规模、以灰色基础设施为主导的：服务范围和设施规模不断扩大，处理工程技术也不断精细化复杂化，但是新问题新挑战依然存在，这些问题促使我们对水系统有了更深入的认识：尽管科学进步使城市涉水学科各专业分工更细、更专业化，但是供排水始终是相互联系、相互影响的，水问题也是相互交织而复杂的；水资源具有可再生性和稀缺性，而水环境容量和水处理效率都具有有限性；生态系统具有复杂性，污染物即便是在极低水平的浓度范围、其对人类及生物健康的影响也可能是累积的、长期的、不可预见的等等。
展望城市水系统的未来，我们更加需要应用系统思维来解决复杂的城市水问题：（1）城市水循环系统除了考虑水资源、水环境、排水安全及水生态修复外，还需要考虑营养物质的循环及能量的流动；（2）城市水系统整体优化解决方案不仅仅是给排水的工程措施，而需要与城市土地利用、景观、建筑等整合在一起统筹考虑，意味着对传统的模式、系统的每个环节都可能带来创新，并建立相应的集成的、可持续的管理措施；（3）城市水系统的发展受到每个城市特定的水资源的条件、气候水文以及社会经济发展水平等因素的影响，每个城市应该都会有适合各自的优化方案。
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莫 罹，龚道孝，徐秋阳，李 婧
（中国城市规划设计研究院城镇水务与工程研究分院，北京 100037）