建立城鎮(zhèn)水體污染治理工程成果轉(zhuǎn)化市場化
運(yùn)行機(jī)制，搭建產(chǎn)業(yè)科研間橋梁
WATER POLLUTION CONTROL TECHNOLOGY MAJOR PROJECT
政策動態(tài)
POLICIES
迄今為止,，氮磷引發(fā)的水體富營養(yǎng)化及水生態(tài)健康惡化,、合流制溢流污染控制等問題，并沒有取得徹底的有效解決,；與此同時又出現(xiàn)了新問題和挑戰(zhàn)：新行微量污染物質(zhì)不斷被發(fā)現(xiàn)，凈水處理工藝面臨消毒困境，污水處理工藝對某些污染物質(zhì)處理效力有限等,。
隨著環(huán)境分析技術(shù)及環(huán)境健康研究的深入，在水環(huán)境及飲用水源中不斷發(fā)現(xiàn)了“新”污染物質(zhì),，如持久性有機(jī)物（persistent organic pollutants, POPs）,、內(nèi)分泌干擾物（endocrine disrupting chemicals, EDCs）、醫(yī)藥品及個人護(hù)理品（pharmaceuticals and personal care products, PPCPs）等,，這些污染物濃度低（以mg/L或ng/L計(jì)）,、難以降解,，具有環(huán)境持久性和生物累積性，對人類健康及生態(tài)系統(tǒng)存在潛在風(fēng)險,，在研究領(lǐng)域引發(fā)普遍關(guān)注,。這些污染物質(zhì)來源于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活，通過多種途徑進(jìn)入水體和土壤環(huán)境,，多數(shù)并不能被常規(guī)污水處理工藝有效去除,，目前即便是深度處理工藝也對其去除效果有限且存在著較大差異。同樣地,，給水處理工藝對部分這類新型微污染物質(zhì)不能有效去除,，有報道一些污染物在給水廠出廠水中被檢出。
在凈水處理方面,，人們發(fā)現(xiàn)替代氯的新消毒劑氯胺和臭氧同樣也有消毒副產(chǎn)物的問題,，如N-亞硝基二甲胺（NDMA）和溴酸鹽等。即便河流中人工合成化合物的濃度很少能超過十億分之一的級別,，但是難免會有某些人工合成化合物或天然有機(jī)物會與消毒劑發(fā)生反應(yīng),，產(chǎn)生可能比其本身更加危險的誘變劑或者致癌物，威脅人類健康,。而為徹底消除這些痕量污染化合物的影響,，繼續(xù)在原有水系統(tǒng)框架下增加深度處理單元升級污水處理廠或凈水廠都將耗資巨大，一些研究者開始思考是否有必要重新考慮城市水系統(tǒng)的基本模式,。
城市水系統(tǒng)研究進(jìn)展
近些年在城市水系統(tǒng)的研究領(lǐng)域,，具有創(chuàng)新意義的研究方向主要有以下方面。
01 可持續(xù)的污水處理系統(tǒng)
上世紀(jì)60年代美國提出了具有超前思維的“21世紀(jì)水廠”概念,，即將污水處理標(biāo)準(zhǔn)提升至飲用水標(biāo)準(zhǔn),。1975年加州橙郡日處理量約39萬t的21世紀(jì)水廠開始運(yùn)行，將傳統(tǒng)處理工藝的出水,，再通過微濾+超濾+紫外消毒處理后注入地下含水層,、實(shí)現(xiàn)間接飲用的目的。這一勇敢的嘗試對污水再生利用產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,。本世紀(jì)初新加坡也研發(fā)了傳統(tǒng)生物處理加雙膜法的工藝,，生產(chǎn)的新生水“NEWater”能間接用于飲用水，計(jì)劃2030年NEWater能滿足50%以上的供水需求,。
20年前歐洲提出了可持續(xù)污水處理的理念,，提出污水處理的目標(biāo)應(yīng)從簡單的削減污染物實(shí)現(xiàn)水質(zhì)達(dá)標(biāo)向能源化資源化的可持續(xù)方向發(fā)展。2008年荷蘭應(yīng)用水研究基金會（STOWA）提出了“NEWs”（Nutrient + Energy + Water factories）一詞,，表示可持續(xù)理念下的污水處理廠是營養(yǎng)物,、能源和再生水三位一體的生產(chǎn)工廠；并研發(fā)了眾多引領(lǐng)世界的新技術(shù),，如厭氧氨氧化,、好氧顆粒污泥,、反硝化除磷與磷回收等。因?yàn)榱鬃鳛橘Y源的稀缺性和排入水體會造成富營養(yǎng)化的問題,，目前磷的回收在荷蘭已經(jīng)較為普遍,，除此外他們還在嘗試其他資源的回收，如回收纖維素加工成為修路材料的Geestmerambacht污水廠,，回收海藻酸鹽胞外聚合物EPS的Zutphen污水廠,，采用PHARIO（荷蘭語“PHA uit RIOolwater”的縮寫）技術(shù)生產(chǎn)生物塑料PHA（羥基脂肪酸酯）等。2013年Dokhaven污水處理廠碳中和率達(dá)到了115%,，標(biāo)志著其在能源回收方面也取得了較大進(jìn)展,。
2014年曲久輝院士等6位專家提出了“建設(shè)面向未來的中國污水處理概念廠”的新命題，其新目標(biāo)分別為水質(zhì)可持續(xù),、能源回收,、資源循環(huán)和環(huán)境友好等四方面。2015年中國第一座城市污水資源概念廠落戶宜興市,，日處理規(guī)模2萬t，以“碳磷高效分離+主流厭氧氨氧化+精處理”為主體工藝,。
02 新型生態(tài)系統(tǒng)處理技術(shù)
盡管基于物化生化原理的人工強(qiáng)化技術(shù)在不斷升級,，但同時依賴于原始生態(tài)系統(tǒng)的處理技術(shù)也并沒有被摒棄，而是積極地應(yīng)用在某些特定的情景下,，如空間比較充裕的地方,。相對前者后者具有以下優(yōu)勢：低能耗、低成本,、不需大量使用化學(xué)品,、不會產(chǎn)生有害副產(chǎn)物；能有效去除絕大多數(shù)有機(jī)污染物,、氮磷和金屬污染物,；能較好地應(yīng)對沖擊負(fù)荷等。其不足主要是需要更多時間和空間,，處理效果的穩(wěn)定性受到季節(jié)的影響,；需要專業(yè)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理人員；需要考慮重金屬,、有毒化學(xué)品對于土壤,、地下水及生態(tài)系統(tǒng)的長期影響等。目前美國仍有約800多個慢速滲濾場,、300多個城市快速滲濾系統(tǒng)和大約50個表面徑流處理系統(tǒng)等土地處理系統(tǒng)在運(yùn)行,。另外還有法國的馬克斯-普朗克學(xué)會流程（即4~5個表流及潛流濕地的串聯(lián)系統(tǒng)）和加拿大的“活機(jī)器”處理系統(tǒng)等。
03 以源分離為核心的生態(tài)排水系統(tǒng)
糞便和尿液約占到市政污水氮磷營養(yǎng)物質(zhì)總負(fù)荷的90%以上,，近代以來的水系統(tǒng)將糞便,、尿液和其他污水混合后處理排放,，一般地仍有約20%的氮、5%的磷及90%的鉀最終流失在水體中,，影響著水生態(tài)系統(tǒng)健康,。同時阻斷了糞便和尿液中的營養(yǎng)物回歸土壤，特別是在污泥回用于農(nóng)田也受到限制的情形下,，從而打破了氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的自然循環(huán),，而另一方面人類卻需要消耗礦物資源來合成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的化肥。
考慮到上述挑戰(zhàn),，20世紀(jì)末瑞典,、德國、瑞士等國學(xué)者相繼提出以源分離為核心的生態(tài)排水系統(tǒng),，提出在居民住宅內(nèi)將糞/尿與生活雜排水分別收集后,，再通過分散或組團(tuán)式的物理或生態(tài)技術(shù)（如濕地）進(jìn)行處理及資源和能量的回收利用。與傳統(tǒng)的統(tǒng)一收集,、統(tǒng)一處理的模式相比,，這種方式可有效地提高資源的回收效率，同時也便于回收資源就地回用于景觀環(huán)境（如圖5所示）,。目前這種新型模式在技術(shù)及管理方面還有待于更進(jìn)一步的研究和工程實(shí)踐,。上文提到的古羅馬的水系統(tǒng)就是一種初級的源分離模式。
也有研究甚至提出新型馬桶,，直接就地將人體排泄物轉(zhuǎn)化為干凈的水,、能源和營養(yǎng)物質(zhì)，如1939年瑞典研制開發(fā)的室內(nèi)堆肥廁所,、英國克蘭菲爾德大學(xué)的納米膜馬桶和“蓋茨馬桶”等,。
04 組團(tuán)化分散式的水系統(tǒng)布局模式
傳統(tǒng)城市水系統(tǒng)收集、輸送及處理模式的規(guī)模趨向于越來越大,，主要考慮規(guī)模擴(kuò)大的經(jīng)濟(jì)性,，其次也有便于管理等方面的考慮。而從便于污水再生利用的角度出發(fā),，小規(guī)模的組團(tuán)化,、分散式的污水處理設(shè)施布局模式在整體的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、投資風(fēng)險控制等方面較大集中式的傳統(tǒng)布局模式表現(xiàn)出越來越明顯的優(yōu)勢,，目前主要在水質(zhì)安全風(fēng)險控制,、運(yùn)行管理等方面還存在一些障礙。
思考和小結(jié)
城市水系統(tǒng)隨著城市社會經(jīng)濟(jì)及技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展,，滿足了城市對水的各種功能需求,。在工業(yè)文明的背景下，其發(fā)展的歷史是以集中式、大規(guī)模,、以灰色基礎(chǔ)設(shè)施為主導(dǎo)的：服務(wù)范圍和設(shè)施規(guī)模不斷擴(kuò)大,，處理工程技術(shù)也不斷精細(xì)化復(fù)雜化，但是新問題新挑戰(zhàn)依然存在,，這些問題促使我們對水系統(tǒng)有了更深入的認(rèn)識：盡管科學(xué)進(jìn)步使城市涉水學(xué)科各專業(yè)分工更細(xì),、更專業(yè)化，但是供排水始終是相互聯(lián)系,、相互影響的,，水問題也是相互交織而復(fù)雜的；水資源具有可再生性和稀缺性,，而水環(huán)境容量和水處理效率都具有有限性,；生態(tài)系統(tǒng)具有復(fù)雜性，污染物即便是在極低水平的濃度范圍,、其對人類及生物健康的影響也可能是累積的,、長期的、不可預(yù)見的等等,。
展望城市水系統(tǒng)的未來,，我們更加需要應(yīng)用系統(tǒng)思維來解決復(fù)雜的城市水問題：（1）城市水循環(huán)系統(tǒng)除了考慮水資源、水環(huán)境,、排水安全及水生態(tài)修復(fù)外,，還需要考慮營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)及能量的流動；（2）城市水系統(tǒng)整體優(yōu)化解決方案不僅僅是給排水的工程措施,，而需要與城市土地利用、景觀,、建筑等整合在一起統(tǒng)籌考慮,，意味著對傳統(tǒng)的模式、系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)都可能帶來創(chuàng)新,，并建立相應(yīng)的集成的,、可持續(xù)的管理措施；（3）城市水系統(tǒng)的發(fā)展受到每個城市特定的水資源的條件,、氣候水文以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素的影響,，每個城市應(yīng)該都會有適合各自的優(yōu)化方案。