编者按：根据UC Berkely大学的Sedlak教授在Clark Prize颁奖会上的发言整理，蒋松竹翻译整理。
一、前言
变革通常不为人所觉。我相信通过今天的讨论后大家会同意我的观点，即我们正在经历一场变革。推动变革前进的动力多种多样，其中最主要的动力——我们今天的讨论中将会看到这些生动的例子——是现今的水处理设施不能满足人们的需求，急迫地需要改变。改变需要创新，人们要寻找新途径建立一个城市水系统，变革便悄然发生。
本次我会讲到加利福利亚的城市水务系统的脉络，同时我也会讲城市水务系统是如何形成，变革是如何发生的。前三次城市水务变革有相似的发展模式，从供水系统，到饮用水处理，再到发展服务（developing service ）。接下来我会进一步介绍这些变革是如何发生的，同时我还会介绍两种对下一次城市水务变革，即第四次变革的观点。第一种观点涉及集中式供水和集中式水处理；另一种观点，分散供水和分散处理。由于发展还不成熟后者很少被提及。今天我想为大家呈现的是，两种看上去截然不同的供水和水务变革的结合，使得现有的城市水务系统更加高效、专业和准确。
二、城市水务1.0 （the First Vision in Urban Water ）
接下来我们来看看第一次城市水务变革——供水。
图中所示的是古罗马的高架渠（aqueduct）。古罗马建造许多高架渠用以将水从远处运送到市区。然而，比高架渠将水引入市区更重要的是用管道将水分配到各家各户，有地上管道也有地下管道。所以罗马的供水系统是城市水务的第一次变革。
19世纪伦敦和巴黎开始模仿古罗马建立城市供水系统，19世纪末到20世纪初美国开始建立城市供水系统。纽约市有很好的供水系统——将水引入城市\社区，然后废水通过下水系统排入河流，这与罗马的供水系统很相似，但比其规模更大。
所以，城市水务从供水、污水排放、供水、污水排放一直循环。最终，上游城市或社区的污水成为下游的供水，城市水务迎来了第二次变革。
三、城市水务2.0 （the Second Vision in Urban Water）
由于饮用水源地离污水排放处越来越近，人们开始建设污水处理设施。（举例，美国某区域上游排放废水导致下游居民染病）。在1891年，纽约时报刊登文章“危险的饮用水”，意味着人们已经认识到饮用水被污染。当时人们怀疑是生活污水污染的，但没有确切的依据，于是人们将问题交给学者解决。经研究，确定了引起疾病暴发的源头，并建立饮用水处理体系。
然而，渐渐地人们意识到仅处理饮用水是不够的，因为污水的排放给城市带来很多问题，城镇不再适宜居住。人们迫切需要解决这些问题，城市水务迎来第三次变革。
四、城市水务3.0（the Third Vision in Urban Water）
城市水务第三次变革——污水处理。
英国曼切斯特大学开创的活性污泥法很好的解决了污水处理的问题。其他学者，如Charles Gilman Hyde, 将城市污水处理的概念推广到全世界。1960s年代后期到70年代初期，非常关键的时期，人们渐渐意识到人类对环境的影响，如DDT。在这一时期的机遇下，很多城市开始投资污水处理的基础设施，如图中所示1972~1994年在美国投资污水处理基础设施的趋势。
五、城市水务第四次变革的动力
现在我们身处21世纪，很多人怀疑城市水务是否还会发生变革，但我认为是答案肯定的。所以在这里想与大家分享几点理由。首先，全球气候变化。对此我不做深入讨论，但需要注意的是，气候变化会使得水量分布更加不平衡——干旱的地方更加干旱，湿润的地区更加湿润。如图中IPCC报告中所示降水量变化趋势。其次，推动城市水务变革的动力我称之为“资源考虑”（ResourceConsideration）。如右图所示，为美国人口数量的改变。其中红色的区域表示人口增长地区，蓝色表示人口下降区域。从图中可以看出，人口正向缺水的地区集中，如弗罗里达、德克萨斯、加利福利亚和西南地区。同时，最近人们开始考虑减少温室气体的排放。所以，一些污水处理厂开始考虑二氧化碳的排放。下图是McKinsey所作的在能源行业的减少温室气体排放的图。同样的，在水行业也可以做出这样一张图。最后，从污水处理中进行营养物回收是变革的一大推动力。
六、城市水务第四次变革的两种观点
对第四次城市水务变革有两种截然不同的观点。其中一种观点认为，城市水务应该集中起来，因为集中处理更加经济；由专业人员运营和维护；供水系统是一个公共服务，所以要保证安全性和可靠性。我想现在大部分人都认可该观点，同时也遵从集中处理的观点在做。但还有另一种观点，主张分散建设城市水务基础设施，让个人住宅、小区等能自行生产并处理的生活用水。提倡该种观点的人认为分散处理更加灵活，比集中处理的适应力更强；更加关注草根阶层人们的意见，独立地供水排水，能由居民自己控制。
首先我会花一些时间介绍集中式污水处理系统，以及加利福利亚州是如何进行集中式污水处理的。同时，我也会谈到分散式处理，尽管它还不是那么成熟。最后我会谈到如何将这两种截然不同的观点结合起来。
（1）集中式观点
左图是如今的城市水务系统，我称之为集中式的城市水务3.0，“take – make – waste”系统，即从地表或地下取水，经过水厂处理后将可饮用的水送入居民小区，然后变成污水进入污水处理厂，最终进入环境。城市中的雨水径流可能进入污水处理厂进行处理，也可能溢流直接排入环境。
当城市水务系统进入4.0时，看上去似乎更加复杂，但其核心目标仅是将水循环起来。首先，人们不再将“污水处理厂”叫做“资源再生厂”（Resource Recovery），其处理后的水既可用作非饮用水也可用作饮用水；或回灌到含水层中（井水或泉水，managed aquifer），间接进入自来水厂变成饮用水；同时，也可将资源再生厂处理后的水排放到地表水（managed surface water）中。
让我们来看几个集中式的例子。
①加利福利亚奥克兰。该地水资源充足，不必担心缺水问题，但希望能回收能源（Looking recover energy），所以该地区的处理厂从其他地方获取有机废弃物，然后进行厌氧发酵产生生物气体（Biogas），如下图所示。该处理厂不仅仅是处理污水，而是从中回收能源。
②洛杉矶机场附近的再生水厂。该厂真正实现了水的循环利用，产生五种不同类型再生水，如灌溉水、地下回灌水、高压锅炉水、低压锅炉水、冷却塔用水。该厂最大的特点是，可以随用水的不同需求产生出不同类型的水。
③圣安娜河（Santa Ana）。如图所示，为圣安娜河入阿纳海姆湖（Anaheim Lake）的河道，是附近居民的饮用水源地。处理后的水排放到含水层（井水或泉水，managed aquifer），也是水处理的一个环节。在夏季，圣安娜河的阿纳海姆湖附近有大量的污水排放，经过处理后再排入浅层地下水，所以这也是饮用水处理的一个环节。
在圣安娜河流域还有一个将处理后出水排放到地表水（managed surfanc water）的例子——普拉多湿地（Prado Wetlands）。普拉多湿地在水坝下游。水坝用以保护水位较低的地区不被洪水淹没。后来人们意识到圣安娜河中硝酸盐浓度较高——由于污水处理过程产生的大量硝酸盐。由加州大学伯克利分校设计的湿地能很好的去除硝酸盐，由此作为水处理的一部分，使得水质变好。
现在我们正在设计利用湿地去除痕量的有机污染物。其中的一个设计称之为“Open-Water Unit Process Treatment Wetlands”。如图所示，这是我们设计的试验性系统，刚发表于EST。试验表明该系统能够很好的去除痕量有机物，如个人护理品，同时也去除硝酸盐。现将该设计放大，正建设一个较大的湿地工程。
（2）分散式观点
接下来我们再看看分散式观点。分散式观点主要在建造一个水资源循环利用的建筑。例如，在该建筑中使用真空马桶，将厨余垃圾放入厌氧池消化并产生生物气体，生物气体燃烧可以提供热能，收集房顶雨水作为饮用水源。这是分散式处理的一种方式，但该种方式价格高，可行性不高，技术还没有达到该种程度，但也是一种发展方向。
接下来介绍一些技术已经可以实现的分散处理方式。右图所示为膜生物反应器，经过处理后的水可用于灌溉、马桶冲水、地下水回灌以及在将来可为饮用水。分散处理有很多优点，如不用将污水远程运输。
另外一些常用的分散处理设施，如绿色屋顶、绿色街道（GreenRoofs, Green Streets）或低影响开发技术（Low Impact Development）。无论你如何命名这些设施，它们已经在许多地区开始应用。如在美国东部、中东部、西北部部分地区开始应用这些设施，建设生态下水道（Biosewer）、绿色房顶等收集系统——而不是一般的溢流管道（sewagebypass tunnels），将雨水径流收集起来并通过自然环境净化。这些设施价格不一，但都得建立在公众支持（Publicsupport）的前提下。
前面我们介绍了两种观点，集中式和分散式，但为什么这两种观点不能很好的统一起来。或许是我们没有将解决问题的方法放在正确的地方。想一下农村地区（rural community），使用19世纪的技术，如化粪池（septic tank）、排水区（drain field）；抽取地下水作为饮用水，同时将雨水收集起来通过排水沟（drainage ditch）排出。既然我们的水务系统用19世纪的技术都能做到，那么21世纪的技术肯定也能够做到。而且我相信现在的技术能够让水务系统的功能更加密集（thissystem’s function a lot higher density）。试想一下城市周围的郊区已经有了健全的、可行的分散处理体系，那为什么还要坚持集中式系统，是因为供水不足或是污水处理问题。如果居民能够减少70%的水量消耗，供水需求就不是那么重要了，我们可以从地表水、雨水来提供饮用水；同时生活污水的排放量也减少。在这样的情况下看，此种解决方案不仅对农村地区，同时也对城市地区适用——毕竟不是所有城市的人口密度有旧金山、芝加哥那么大。
七、未来的发展方向
我想如今已经到了一个需要认真思考变革方向的时候了，分散系统要向前推进，同时应该向支持集中系统的人们沟通，我希望这两种方式可以结合起来。在人口密集的城市，我们已经感受到集中式系统带来的效益，如加利福利亚。但还有另外一些途径，如图中红色的小圈所示，可能我们之前只看到集中式处理的这一条途径，忽视了其他途径可能带来的好处。举个例子，如果某地建设了一个绿色建筑，会有更少的污水进入满负荷的下水管道，那我们为什么花费更多来另外建一个管道。所以分散处理在未来会更加重要。
我们应该为第四次变革做好准备。首先，如果注意到以往的变革，你会发现技术的变革是必须的。虽然新技术会比较昂贵，但随着不断的进步最终得以广泛应用。技术的发展是需要时间的。其次，计划。例如，是否将水资源循环利用；是否从污水中回收能源；集中系统还是分散系统，或者混合系统等都是需要提前计划好。最后，我们也要注意机会窗（windows of opportunity）。当变革到来时，不是缓慢的，而是随着公众的视线打开一个机会窗口。当机会来临时，我们需要立马提出解决方案——前几年我们已经错过了一个机会窗口。
另外，研究的重要性，还有一些领域需要进行深入研究。首先，需要思考如何强化集中式处理的效果，同时生物处理过程还有待研究。其次，需研究分散处理系统，尤其加强工程方面的考虑，并不是像建筑家想象的那样简单的放一台机器就可以的。最后，加强研究集中式和分散式的混合系统，这样的混合系统可能是什么样子的。
