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2 可持續(xù)城市污水 處理 系統(tǒng)及其 在中國(guó)的應(yīng)用 摘要 中國(guó)正面臨著水危機(jī)。有 400 多座城市缺乏足夠的水資源 ， 一半以上的河流遭到污染 。 為在 21 世紀(jì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展 , 首先要為每個(gè)人提供足夠的水源和保持 良 好、輕松的水環(huán)境 。 根據(jù)可持續(xù)發(fā)展觀念 , 在 這篇文章提出 了 可持續(xù)城市 污水處理 系統(tǒng)概念 ( 城市污水處理系統(tǒng) ,不僅 是 一個(gè) 的 基本的雨水和污水排水設(shè)施 、 保護(hù)城市環(huán)境 和 公共水 體，而且 也必須有助于恢復(fù)水環(huán)境 ,以維持一個(gè)健康的社會(huì)水循環(huán) 。 可持續(xù)城市排水系統(tǒng)應(yīng)當(dāng) 以 城市用水循環(huán)再用 為基礎(chǔ) ,以 流域 水資源的再生 和 養(yǎng)分循環(huán)中 心 為 焦點(diǎn) 。 深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū) 和 中國(guó)北京地區(qū) 已經(jīng) 推出 。 關(guān)鍵詞 ： 水；資源；廢水；再利用；可持續(xù)性；中國(guó) 3 1 引言 我國(guó)水資源稀缺。根 據(jù)中國(guó)水利部公布 的 中國(guó)水資源公報(bào) ,2004 年 中國(guó) 水資源總量為 0 13立方米 。 它相當(dāng)于 人均每年 1856 立方米 。 其中 23%,0 12立方米 ,用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)及家庭活動(dòng) 。 同時(shí) ,6930×10 8立方米的廢水從 城市排放 出。 數(shù)額不超過半數(shù) 的廢水 受到二次 處理。 我國(guó) 一半以上的 江河 受到嚴(yán)重的 污染 。 為了 解決水危機(jī) ,中國(guó)政府發(fā)表了許 多法規(guī) ， 研究提出了許多戰(zhàn)略 ; 工程師們 已經(jīng)規(guī)劃及興建 了許多 供水、污水處理工程 。 但隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 , 水資源日益短缺 ， 中國(guó)廣大地區(qū)環(huán)境質(zhì)量不斷惡化 。 為了解決 中國(guó)水問題 和 實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展 ， 一種新用水 和處理 策略必須建立 ?；趥鹘y(tǒng)觀念 的 城市污水 處理 系統(tǒng)的運(yùn)作是不能持久 的， 它必須改變 。 城市污水處理系統(tǒng) ,不僅 是 一個(gè) 的 基本的雨水和污水排水設(shè)施 , 保護(hù)城市環(huán)境 和 公共水 體。而且 也必須有助于恢復(fù)水環(huán)境 ,以維持一個(gè)健康的社會(huì)水循環(huán) 。 社會(huì)水循環(huán)定義為一個(gè)系統(tǒng) ,包括 從 天然機(jī)構(gòu)引水 ， 利用它 并 排放回水體 。 一個(gè)健康的社會(huì)水循環(huán)意 味著要適度 取水 、審慎用水、 人為 廢水凈化與 再利用。 要確保在江河上游 的 用水不影響下游河道水體功能 。 最終目的是恢復(fù)保持城市 或 流域健康的水環(huán)境及最終實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用 。 一個(gè)健康的社會(huì)水循環(huán)也是建立城市再 循環(huán) 的一個(gè)重要組成部分 。 這篇文章的目的是討論 利 用健康水循環(huán)觀念 ，從 功能 和 設(shè)計(jì)上考慮可持續(xù)城市污水 處理 系統(tǒng) 。 本文將介紹一些城市規(guī)劃的建議 ,以促進(jìn)這 種 健康的水循環(huán) 。 2 可持續(xù)城市污水處理系統(tǒng)的發(fā)展 市污水 處理 系統(tǒng) 的 歷史 最早的城市污水處理系統(tǒng)建成僅 僅是 ,盡快從一個(gè)城市 向城市 下游河道運(yùn)輸過多 的 陸上 雨水 。 抽水馬桶發(fā)明于 18 世紀(jì) , 在 19 世紀(jì) 歐洲各城市 成為普遍 。 廣泛使用抽水馬桶改善 了 城鎮(zhèn)居民 的 衛(wèi)生條件 , 但供水量和污水因此 而 大幅提升 。 此時(shí) ,下水道和徑流污水系統(tǒng)建為合并 的 污水處理系統(tǒng) 。 城市污水處理系統(tǒng)的功能變 成 這一 組合系統(tǒng) , 作為 衛(wèi)生工程的重要組成部分以保障居民 不受 細(xì)菌感染 。 但是 ， 在這期間城市附近 的 河流和湖泊污染 得 可怕 ,因?yàn)榇罅课唇?jīng)處理的廢水含有糞便和尿液 。 20 世紀(jì)萊茵河 的 污染是一個(gè)典型的例證 。 城鄉(xiāng)居民居住條件 的改善 是以 水環(huán)境污染 為代價(jià)而 得到的 。 4 廢水處理技術(shù)的研究和實(shí)踐始于 20 世紀(jì)初 ， 開始 的情形是 河流和湖泊污染嚴(yán)重 。 在過去的世紀(jì)里 ,廢水處理技術(shù) 隨著 污染物 的 清除急劇 提高，這些污染物 包括懸浮固體、有機(jī)物 ，到后來的 氮、磷 酸鹽，到最后的 微量 污染物質(zhì) 如消毒副產(chǎn)物、激素類物質(zhì) 等。 目前 ,城市污水 處理 系統(tǒng)的功能如下 : (1) 盡快運(yùn)輸城市外 表的雨水和廢水以防洪水和防止流行病 的 蔓延 ; (2) 處理城市 廢 水 以 達(dá)到或超過國(guó)家或地方規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn) 。 1 世紀(jì)可持續(xù)城市污水 排水 系統(tǒng)的格局 上述城市污水 處理 系統(tǒng) 的 功能 是在 水資源豐富足以炫耀 ， 而廢水傾入 的 河流或湖泊 有 足夠自凈 的能力的 假設(shè)下形成的 。 當(dāng) 人口 不多或 不 集中、工業(yè)不發(fā)達(dá) 時(shí)，這個(gè)假設(shè)是被支持的。隨著 工業(yè) 的發(fā)展 ,人們?cè)絹碓郊?， 都 市 區(qū) 形成。 此時(shí)傳統(tǒng)的城市污水處理系統(tǒng)只能保護(hù)城市內(nèi)的范圍 。 城市周圍地區(qū) 因城市居民制造的廢水和 其他廢棄物 受到 嚴(yán)重污染 。 從整個(gè)流域的恢復(fù) 視角看， 城市污水處理系統(tǒng)是整個(gè)水 分 循環(huán) 的一部分。 城市污水系統(tǒng)的功能 應(yīng)該再評(píng)估， 新任務(wù)應(yīng)該 得到支持。 城市污水處理系統(tǒng)應(yīng)發(fā)揮重要作用 ,健全水循環(huán)和可持續(xù)城市建設(shè) 。 如果 我們把 一個(gè)城市 比作 人體 ,水可視為血液 。 供水系統(tǒng)好比動(dòng)脈 ， 污水系統(tǒng)類似于靜脈 。 污水處理廠可視為類似于肝臟 ， 因工廠凈化城市廢水 的 作用 。 城市污水處理系統(tǒng) 必需 要負(fù)責(zé)廢水 的 收集、運(yùn)輸、凈化、 改造。 城市污水處理系統(tǒng)的關(guān)鍵因素是 結(jié)束 城鎮(zhèn)水循環(huán) 。 21 世紀(jì)城市污水處理系統(tǒng)的功能應(yīng)該從傳統(tǒng) 的 防澇 預(yù)防到 廢水回收利用 ,水資源可持續(xù)利用和流域的恢復(fù) 的建立。 這個(gè) 新的 污水 處理 系統(tǒng) 在本文中稱為 可持續(xù)城市 污水 排水系統(tǒng) (其主要特點(diǎn)表現(xiàn)在 圖 1 中。 圖 1. 可持續(xù)城市 污水 排水系統(tǒng) 略圖 5 一個(gè)典型 的 可持續(xù)城市 污水 排水系統(tǒng) ( 四個(gè)現(xiàn)代化的特征 ， 描述如下 : (1)它是城市用水循環(huán)再用 的基礎(chǔ)。 責(zé)任 生產(chǎn)回收廢水作為穩(wěn)定的 二級(jí)城市 水 資源。 再生水可作為工業(yè)冷卻水、 景觀 美化灌溉用水 、溪流再生用 流 動(dòng) 水及 任何其他非飲用水 的 應(yīng)用 。 大量廢水再生利用可以減少淡水 開發(fā) ,從而增進(jìn)健康的水循環(huán) 。 (2)流域 水資源 的 再生取決于 在一個(gè) 流域上 , 廢水從上游城市排入下游城市 。從 整個(gè)流域 看，上游可持續(xù)城市污水處理系統(tǒng)的 流出 物將是 下游城市水源的一部分 。 每一 個(gè) 該都 要有水資源再生能力 。 (3)養(yǎng)分循環(huán) 的中心。 作為廢水 處理的產(chǎn)物， 污泥應(yīng)妥善處理 ， 返回農(nóng)田作肥料 。 廢水 中的 氮、磷應(yīng)在廢水收集、運(yùn)輸和處理過程 中 回收作為肥料 。 然 養(yǎng)分循環(huán) 中 起著重要作用 。 注 : 中國(guó)法律規(guī)定 ,工業(yè)廢水必須進(jìn)行預(yù)處理去除重金屬方能 排放到 城市污水流 。 (4) 稀缺資源回收和能源回收 為基礎(chǔ)。 大多數(shù)城市居民 的 代謝產(chǎn)物排入城市污水管網(wǎng) ，然后運(yùn) 往 廢水處理 廠 ， 這種廢水含有大量 的 能源 。 廢水 或 污泥 的 厭氧 處理 可能產(chǎn)生甲烷 ,它 可作為燃料 。 廢水 中的 能源還可 通過 熱泵技術(shù)提取 。 一些珍貴金屬或其他稀有資源 在 廢水 中 也有 ,尤其是工業(yè)污水管道 。 工業(yè)廢水中回收有價(jià)值的物質(zhì)可能是工業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì) 中 一個(gè)重要的部分 。 統(tǒng)城市排污系統(tǒng)和可持續(xù) 城市排污系統(tǒng)的對(duì)比 市污水處理系統(tǒng) 的 原理 在可持續(xù)城市 污水 排水系統(tǒng)規(guī)劃 中 ,既 要 強(qiáng)調(diào)方便城市污水再生利用 也要便于 雨水 的利用。 這是傳統(tǒng)城市排污系統(tǒng)和 根本的區(qū)別 。 在 廢水處理的目的是廢水 生產(chǎn)再用， 叫廢水 再利用 生產(chǎn)廠 (傳統(tǒng)的城市污水處理系統(tǒng) 中的 廢水處理廠 (明顯的區(qū)別 。為了 實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性 城市 污水 處理 系統(tǒng) ，作為 關(guān)鍵部件 ， 雨水下水道、污水處理設(shè)施是重要的 。 雨水是最重要的地表和地下流動(dòng) 水 來源 ,不 應(yīng)象 在傳統(tǒng)的城市污水處理系統(tǒng) 中一樣快速 流 向城市 外 。 在 ， 城市雨水應(yīng)盡 可能 的 保留 ,并應(yīng)妥善處理 ，以便 城市 的再循環(huán)。 產(chǎn)廢水再生廠 的 規(guī)模、地點(diǎn)、數(shù)量 按傳統(tǒng)城市排污系統(tǒng)規(guī)劃 的 規(guī)定 ， 再生水生產(chǎn)廠應(yīng)位于城市 的 下游 。 但這種安排 使 再生水的來源遠(yuǎn)離自己的消費(fèi)者 。 因此增加 了 再生水管道系統(tǒng) 的 投資和運(yùn)行成本 。 這將 是 不利 的，因?yàn)?消費(fèi)者要花費(fèi)更多的金錢 去 使用再生水 。 因此 , 以下 幾項(xiàng) 應(yīng)徹底調(diào)查才可以決定污水分離 區(qū)和 數(shù)量 :(1)功能分類及城市 的6 地形 (2)目前 廢水、雨水管道 的 分布 (3) 接納 水 的 水體環(huán)境容量 (4) 目前和未來需求再生水的位置和尺 寸 。 根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn) , 大型 的 廢水 處理廠 ( 高效 ，且 每立方米廢水建造和運(yùn)行的成本低于 小型的 因此， 在傳統(tǒng)的城市污水處理系統(tǒng) 中 , 得盡可能的大，許多城市只有一個(gè)在城市下段的 但在 于 計(jì) 中， 這個(gè)經(jīng)驗(yàn)未必適用 ,因?yàn)槿绻挥幸粋€(gè) 處城市下游 ，要建再生水 泵站 ，廢水和再生水的 管 道 長(zhǎng)度 就會(huì) 過長(zhǎng) 。 于是決定 量的多少 不能局限于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn) 應(yīng) 像 傳統(tǒng)型態(tài) 的 城市污水 處理系統(tǒng) 中 規(guī)劃 一樣 集中在城市 下游所在地 。 在 上游或下游或污水管線 上的整個(gè)城市可設(shè)大 、 中 、 小 型的 再生水管道可以縮短 , 降低廢水再生 的 生產(chǎn)成本 。 水處理程度與 方法選擇 在 傳統(tǒng)概念下的城市污水處理系統(tǒng) , 中國(guó)的許多城市中相當(dāng)重視廢水 的二次處理，以 達(dá)到綜合廢水排放標(biāo)準(zhǔn) ( 但在多數(shù)情況下是不 足 興建 為了提高污水回 收 額 ,恢復(fù)城市下游水環(huán)境 ，必須 使用 深度處理乃至 超 深度處理 增加廢水的排放標(biāo)準(zhǔn) 。 當(dāng)規(guī)劃 一個(gè) 考慮 廢水超深度處理的可能性。 至少應(yīng)預(yù)留足夠的空間 ,供 未來增設(shè)超深度 處理單元 。 由于決策官員 的反對(duì) 及巨額 的 建造和維修費(fèi)用 ， 在中國(guó)規(guī)劃建設(shè) 深度 或超 深度 污水處理廠存在著很大的困難 。 環(huán)境與民間研究者和工程師 對(duì) 概 念 和效益起到重要的宣傳作用 。 在 目前中國(guó)大部分地區(qū)傳統(tǒng)的城市污水處理系統(tǒng) ，廢水處理廠（ 典型的二次處理 已經(jīng)完全建立 后， 又增添了 廢水回收的 先進(jìn)工藝 。 二 次 處理 的 污水變成了廢水 再利用 生產(chǎn)廠 (水 。 當(dāng) 考慮 廢水從 初 步 到 深度處理 的整個(gè)過程 ，這種格局使得管線太長(zhǎng)、過程太復(fù)雜 、 再生水的生產(chǎn)成本太高 。 在 ， 用于 傳統(tǒng)污水處理廠的工藝選擇 原則 不適合 劃設(shè)計(jì) 廢水處理的方法選擇時(shí)，一級(jí)、 二級(jí)和三級(jí)處理或 深度處理單元 ,應(yīng)被視為對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的 一部分。從 整個(gè) 處理 順序 上 要合理分配去除碳、氮、磷等污染物 . 這是 在 再生 水 生產(chǎn)全過程 （ 后的觀念，在中國(guó) 已研制約 10 余年 。 7 3 可持續(xù)城市污水 處理 系統(tǒng) 在中國(guó)的 實(shí)踐 圳經(jīng)濟(jì)特區(qū) 深圳是 中國(guó) 第一大經(jīng)濟(jì)特區(qū) ,也是我國(guó)水資源最貧乏七個(gè)城市 之一。 據(jù)早些時(shí)候的計(jì)劃 ,在 東深供水工程和東部水源工程建成 之后， 每年只有 立方米水 可 供給 深圳 . 這 即 為深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū) 市民 人均每年 用水 374 立方米 。 水資源短缺是 制約著深圳地區(qū) 發(fā)展 的關(guān)鍵因素 。 與此同時(shí) ,深圳市水環(huán)境的污染 嚴(yán)重 . 雖然 經(jīng) 二級(jí)處理的廢水 量占 深圳經(jīng)濟(jì)區(qū)廢水總排放 量的 56%，但 根據(jù) 中國(guó) 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) ( 大部分流經(jīng)該區(qū) 河流 的 水流質(zhì)量 是 第五 級(jí)。 也就是說 ，在河水中 五天生化需氧量 (濃度超過 10 毫克 /升 ,溶解氧含量不超過 2 毫克 /公升 中沒有生命， 水體的顏色 是 黑色 的，且 河流附近有異味 。 為了 恢復(fù)深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)水環(huán)境 ,實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用 ， 在 2000 年 引導(dǎo)了一個(gè) 廢 水回用項(xiàng)目 。 2001 年 ， 中國(guó)東北市 政工程學(xué)院 已 完成污水回用系統(tǒng)的具體計(jì)劃 。 根據(jù)這一 仍 未實(shí)現(xiàn) 的 計(jì)劃 ,再生 水管網(wǎng)分為六個(gè)部分 ，如圖 2 所示 . 管線總長(zhǎng)度約 130 千米 ,再用水總 量每天預(yù)計(jì)有 50 萬立方米 。 圖 每個(gè) 規(guī)模和地點(diǎn) 的 確定 都需 審慎考慮再生水消費(fèi)者的分配 、 深圳地區(qū)的地貌 、 目前污水管線位置 等。 8 當(dāng)所有 完全建成 ,模式 將 改變， 其中 地點(diǎn)均為城市下游 ， 深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū) 的 城市污水處理系統(tǒng)將成為水資源 循環(huán)中心。 這將 是 念 的應(yīng)用。 京地區(qū) 北京地區(qū)的全年降水量為 595 毫米 ,水資源量每年人均不超過 300 立方米 。 根據(jù) 中國(guó) 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) ( 北京地區(qū) 的 地表水水質(zhì) 低于 第五 級(jí)。 二十一世紀(jì)初始 幾 年 ， 地下水受到嚴(yán)重的 開采， 地下水水平 面 每年下降 。 2001 年 ， 北京市政府和中華人民共和國(guó)水利部 批復(fù)了《 21 世紀(jì)初 期 (2001 至2005)首都可持續(xù)水資源利用 規(guī)劃》。 在同年六月 , 北京廢水 研究組 授權(quán) " 北京地區(qū)再生 水 規(guī)劃綱要 "。 在 這份報(bào)告 中， 設(shè)計(jì) 和相關(guān)的 再生 水管線排列 如3 圖所示 。 北京奧運(yùn)行動(dòng)規(guī)劃 ,承諾 北京 廢水二級(jí)處理率將達(dá)到 90%以上 ， 并努 力達(dá)成 2008 年前 廢水回收率 為 50%。 名稱及有關(guān)的管道 ,預(yù)計(jì)到 2008 年前完成 ， 見表 1。 所有這些計(jì)劃意味著北京地區(qū)將 應(yīng)用 圖 9 表 1 預(yù)計(jì)到 2008 年前完成 的北京地區(qū)再生水系統(tǒng) 規(guī)模 (公噸 /每天 ) 再生水管道長(zhǎng)度 清河 80,000 94 北小河 60,000 36 北圓 10,000 14 酒仙橋 80,000 34 東壩 10,000 吳家村 80,000 67 盧溝橋 80,000 48 小紅門 70,000 72 五里坨 6,000 6 2004 年 ， 本文作者 完成了 題為 "北京地區(qū)水環(huán)境修復(fù)對(duì)策 "尚未出版的報(bào)告 ,得到了北京市教育委員會(huì) 的支持。 我們建議北京地區(qū) 應(yīng)從 流域恢復(fù)和保護(hù)、水及污水利用和水環(huán)境修復(fù) 的角度定策略。 在此同時(shí) , 還提出轉(zhuǎn)變北京市污水 排水 系統(tǒng) 功 能 的計(jì)劃。 據(jù)這個(gè)項(xiàng)目的研究成果 , 北京地區(qū)已分成 12 個(gè) 污水再生回用 區(qū)域 。 再生水 量預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到 立方米 ,這是 北京地區(qū)目前 可用 淡水 總量的 三分之一 。 另外， 水污染物量預(yù)計(jì)將在 2010 年前減少 40%。 4 結(jié)論 可持續(xù)城市 污水 排水系統(tǒng)對(duì)二十一世 紀(jì) 的 中國(guó) 來說是 水環(huán)境整治的生命線 . 其功能超越傳統(tǒng) 的 雨水和廢水排放 、 防止 公共 水體污染 的 任務(wù) 。 可持續(xù)城市 污水 排水系統(tǒng) 是 實(shí)現(xiàn) 健康水循環(huán)的中心，是資源能量循環(huán)應(yīng)用的基礎(chǔ)。 他們把人類社會(huì)水循環(huán)與自然水 分 循環(huán)和諧 地聯(lián)系在一起。 在中國(guó)， 可持續(xù)城市污水 排水 系統(tǒng)的概念正在計(jì)劃中 。 深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)和中華人民共和國(guó) 首都 可能是 最先 實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的污水 排水 系統(tǒng) 的兩個(gè) 地區(qū) 。