城市污水控制与水资源若干问题的反思万若张健博士_水业新闻_行业资讯

城市污水控制与水资源若干问题的反思万若张健博士

发布日期：2015-05-23 浏览次数：105

核心提示：城市污水控制与水资源若干问题的反思张健博士

中国给水排水2026年城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会（第十七届）邀请函暨技术报告论文征集启事（同期召开固废大会、工业污泥大会、循环经济发展大会、渗滤液大会、高浓度难降解工业废水处理大会）

万若环境

摘要

　　本文探讨城市水、城市水资源及污染控制的相互关联。水源与污水并没有清晰的界限，指出认识上的一些误区，认为用水、雨水、地表水、地下水在城市水资源和污染控制中应统筹考虑，解决水资源、水污染问题，从量上应避免和补偿城市化给水循环带来的干扰，从质上不要简单地把水作为我们废物的运输工具。分析欧洲城市水资源与污水控制中几个方面的得与失，指出传统排水模式的缺陷，思考我国城市化进程中水污染控制途径。

　　“君住江之头，我住江之尾”，“共饮一江水”。足够的自然净化能力和简朴的消费模式是如此美好的生态画卷的根本依仗。现实的情况是：沿江密布的城镇、有限的环境容量，君已经不使用干厕了，他的废物流进了江河，江水还满载着其他人的……

　　大量的数据显示我国的水污染并没有得到有效控制，水资源短缺已成为大多数城市所面临的现实。我们已经在先污染后治理的弧线上走了很远，应当“痛心疾首”。

　　深圳治污理念之争并不在于是否实现污水的达标排放，圆明园补水的背景远远超过事情本身。中国有600多个城市，无数的乡镇，我们需要更多的思考。

一、认识上的误区与水系统的整体观

　　我们习惯了用上水和下水，给水和排水来界定水资源和水污染控制，所以解决水资源问题我们第一想到的是开源，而在防止水污染上把目标定在排放达标上。但高密度的人口和有限的水资源早已不允许我们这样界定了，作为水源的河流常同时肩负着纳污的重任。水污染控制本身也是开发、保护水资源。

　　我们习惯于把雨水看作“第二水源”，而事实上雨水是唯一的第一水源。在雨水利用的定义上，我们应该从狭义的直接使用走向广义的水圈循环。

　　我们习惯于把地下水和地表水分开考虑，通常当地面开始下沉时我们才直觉到过量开采地下水所造成的经济损失。在城市的规划中很少考虑到地下水、地上水的相互联系。

　　我们习惯于把“是否能直接使用”作为水的价值的衡量标准，把污水深度处理和中水回用的意义更多地理解成直接再用的节水效益上。事实上，污水的处理深度是一个城市水系统的决策问题，不直接使用的水的价值并不比直接使用的水的价值低。世界上不只是有污水直接再生再用的成功经验，也有通过维系良好的水圈循环来解决水源贫瘠的成功案例。中国已有案例研究显示水域污染控制（也是水资源保护）本身也要求污水不只是达标排放，而是需要最大限度地节水和进一步的深度处理。

　　我们目前最着急的是普及污水处理，污泥问题才刚刚开始。“尽管污泥的量只占污水的1％，但它的费用占了污水处理的30％，在我们发愁的事中占了90％”，这是德国工程师Imhoff几十年前的一段话。今天德国污泥处置上的花费已达到和超过50％，污泥的去处和如何实现资源回收仍在让人们发愁，因为在污泥处置上现在的常规做法已根本切断了“人类废弃物→土地→食品”的物质循环。

　　“头痛医头，脚痛医脚”，我们的祖先一直重视系统。水资源、水污染也是一个系统问题。只有把握系统本质的规律性，持之以恒，才能真正缓解水资源危机。

二、规划和行动中的“正本清源”

　　水资源、水污染的规划与评价必须要成为城市发展、经济发展模式中的一个根本议题才能真正走向完善。

　　圆明园补水的事，更应看到城市生态水（地上、地下）的贫瘠。滇池的富营养化久治不愈（建污水厂、挖泥、截留…）至少说明系统的庞大和问题的复杂。

　　深圳污水控制思路，有众多高级学者、院士参谋、会诊，但是我们应该清醒地看到中国有600多个城市，乡镇更是不计其数，在规划中不可能像深圳请到这么多专家。专家也常术业专攻，请哪些方面的专家，请多少，专家能有多少精力，这里边都有很大的随机性。所以有必要将一些典型案例进行更广泛的分析与介绍，作为其它城市的参考。

　　为了规范管理，设置统一的指标体系是有意义的，如排放标准、节水率、生态住宅评价体系、节水型社会指标体系等等。由于系统的复杂性和环境容量的有限，分门别类的国家级指标体系在一个区域或城市的水资源决策、管理中无法取代与地域特征和城市发展紧密结合的水系统的规划和宏观决策分析。

　　水环境的可持续发展以及水圈的良性循环应成为各项指标体系的最高宗旨，否则会出现污水处理率、中水回用率无法反映一个地区的水资源管理是否真正符合可持续发展的模式。深圳治水的争论并不在于污水处理率是多少，更多的是一个地区如何建立一个可持续发展的用水排水模式的争论，由此可见一斑。

　　水的规划和决策中应把握的最本质的东西是什么？

　　笔者的初步理解，解决水资源问题的根本是尊重自然规律，实现：

1.从量上，我们应避免和补偿城市化给水循环带来的干扰，

2.从质上，不要简单地把水作为我们废物的运输工具。

　　无论科技如何发展，现在还无法看出人类能改变水圈循环的基本原理。雨水是地下水、地表水的源；地下水的量受地表水量影响;水源与废水无清晰界限，地表水、土壤的污染可以引起地下水的污染; 水源质量受纳物量影响; 蒸发、下渗、径流是地表水的三大走向等等。这些因素的相互联系及内在规律是规划决策中必须考虑的（参见图1）。

　　城市化对自然水圈带来的量上的明显改变是地下水减少、又得不到补偿；地表水停留时间缩短，下渗和蒸发减少，径流量增加。而在质上，则是地表水、地下水的污染——即水源的污染。

三、经济发达国家的经验和教训

　　中国城市污水处理厂的兴建只是近二十年的事。城市虽然已经高楼林立，但在基础设施、城市管网建设等方面仍需走很长的路才能达到欧洲一些经济发达国家现在或几十年前的水平。

在重视单项技术引进的同时，要加强对他们在治水方面已走过路程的研究，分析这条路还有多长和这条路是否是唯一选择。在对策的研究上，我们必须要有充分的紧迫感，因为我们每年都有上千万的人进入城市，因为我们每几年在城市化道路上所走的路程是现在西方用几十年才走过的，因为我们高速发展进程中的任何一个失误都有可能带来社会财富的巨大损失。

以下结合笔者的工作经历列举几个局部，并不全面：

传统污水末端集中处理模式的问题与局限

　　欧洲传统的排污治污模式存在严重缺陷，主要体现在：

1.高耗水，从理念上把水作为废弃物的载体；污染物和营养盐经历混合、稀释、运输、降解/转移、浓缩分离，进入地表水体和产生污泥。欧洲很多案例研究可以证明，即使最现代的污水处理厂，其出水水质与地表水水质要求仍相差很远（比如含磷在1mg/L水平，而城市周边缓慢流动的水体为防止富营养化需要达到比这一数值低近百倍的水平），也就是说，耗资巨大的现代污水处理厂出水仍需要大量的稀释才有可能对环境不造成污染，才有可能作为资源再用。

2.污水的大水量、长距离输送是末端集中处理模式中最主要的费用组成，是几代人不断积累的结果。进入七十年代以来，欧洲经济发达国家历史上修建的污水管网逐步进入翻修、扩展期，污水管网对他们也同样是一个巨大的经济负担，发展中国家在城市人口快速发展的进程中很难效仿。

3.污染物的降解和浓缩分离是污水处理中两大基本过程，但传统的排水模式是将污染物和营养盐先进行上百倍的稀释，然后再消耗大量能量再分离。

4.在各个单元操作达到较高技术水平后，污泥问题仍是污水处理中一大难题。混和的污水成分复杂，从技术和管理上难以实现成分复杂的污泥的返田。污泥处置的费用已经达到和超过污水处理本身，并呈继续上升趋势。

5.违背生态循环原则。截断了原有的“粮食-人居-废物-土地”物质循环。过去的40年中，世界人口增加了一倍，但化肥的产量增加了10倍。磷矿是有限的资源，制造氮肥（目前人类从大气中的氮气制氮肥的固氮量已经是地球生物固氮总量的37%，Gijzen（2001））需要消耗大量的能量，污水处理厂脱氮也需要耗能。在污泥消化后，对液相利用MgNH4PO4沉淀的方法回收磷也只占进水总量的15-30%（Heinzmann et. al. 2002）。污泥焚烧处理的飞灰中，磷的分离回收同样是一个复杂的过程。用铁盐作为化学混凝除磷所产生的污泥虽然也可以通过相应的工艺技术回收磷和铁盐（Karimnia，1988， Zhang，2000），但由于经济性等方面的原因，目前这些方法均未能得到真正意义上的推广。实际情况是，现代污水处理厂的这些营养盐在永久地流失。

雨水管理关键在于实现雨水的良性循环

　　城市区域中把雨水储存、直接利用是有很大局限的。欧洲有大量实例说明，城市广泛实施分散的雨水生态工程不仅能有效恢复、补偿地下水、改善城市小气候，而且通过减小雨水对城市管网的压力在经济上同样有巨大意义。

　　出于对市政管网经济性的考虑，约在一百年前，欧洲国家就有在城市区域中修建分散的雨水缓冲池的例子，用于消减暴雨径流对排水系统构成的短时间高负荷。七十年代后，出于经济和生态上的考虑开始实施分散的、大规模的雨水反渗地下水模式，作为城市土地硬化后对原有的雨水自然下渗进行补偿。

污水作为生态水再利用的意义不一定亚于直接的中水回用

　　已如上述污水和城市水资源并无清晰的界限，德国上世纪三十年代以来逐步流行的、不直接去地表水而是河水反渗地下水作为饮用水源的做法与这一认识不无关联。这里介绍德国一个“缺水城市”的实例。

　　柏林虽然地表有6%是浅水湖，但缺水：这些湖水几乎不流动，其进水主要是雨水和污水处理厂出水；柏林年降雨量仅约500mm，比我国许多北方城市的降水量还小。

　　位于西柏林的Tegel水厂负责周边65万人口的供水，始建于1877年。1883年改建成采用地表水，1901/1903年改建成采用地下水。由于污水和雨水地表径流，到上世纪八十年代初，进水达到含磷量1-10mg/L。为改善水源和恢复Tegel湖水质，在1985年，在湖的东北部入口（Tegeler Fliess和Nordgraben）建成深度处理厂，采用混凝-沉淀-过滤工艺。为防止西南部的水（水质也很差）倒流，设泵站将一部分水打到东北部的进口一并处理（总设计处理量为6m3/秒），出水含磷小于0.01mg/L，其它污染物通过综合指标浊度来控制。

　　Tegel水厂处理工艺为曝气，沙滤，不需要加氯消毒，供水水质为直饮水。

四、挑战与机遇

　　可持续发展和循环经济的共识是近一、二十年才形成的共识，西方国家城市化的发展历程中有成功的经验也有失败的教训。城市高耗水、直肠式、末端混合处理模式建立和壮大的阶段至少在时间上是与对自然资源和殖民地的掠夺、工业化高速发展与自豪、较低的城市密度、较大的环境容量这样一个大背景同步的。特别是上世纪七十年代以来，在水生态保护上，西方也积累了很多实践经验。

　　中国大规模、高速的城市化一方面对水资源造成巨大压力、对水的管理提出了挑战，但另一方面，能在循环经济的理念下，总结别人过程中的得与失，也为我们“一开始”就注重水环境的可持续发展提供了机遇。

　　水环境可持续发展是个大议题，笔者下面仅结合自己的工作经历谈一点思考。

城市污水控制的资金来源渠道是污水控制中的一大障碍。城市、乡镇扩展和老城的现代化改造是城市化发展的两大模式，把给排水和污水控制与房地产开发有机地结合起来有可能会有效地解决资金渠道问题，因为这些基础设施的建设从地的开发开始就得到积累，事实上，它在地价、房价中所占的比例并不高。

　　在这一背景下，分散的（可能在万人规模大小）水污染控制具有很多优点和可操作性。它可以避免集中污水处理方式在城市区域发展进程中多年排污量逐步增加，而污水处理设施建设在时续上或者超前或者落后的问题，可以避免污水的远距离输送所带来的经济和管理上的困难，可以将资金来源与地产开发更好的结合起来，更有利于污水的源头控制，将污水治理与受益群体进行更好地挂钩。

　　雨水、污水控制、地表景观水的统一规划设计对城市区域水资源、污水控制以及资源化常常会起到决定性的作用。节水、污水尽可能的源头控制不仅有利于水资源的良性循环，产生更多的地表景观水，而且可把污水地下远距离输送成本降至最低。

　　城市污水中绝大部分的氮、磷来自人粪尿。十一年前笔者主持曼谷市污泥处理、处置系统的规划设计时，接受和建议将单独收集来的粪尿混入污水处理厂一并处理的方案，因为这样更符合欧洲成熟的经验。多少年后在接触污泥资源回收工作中，得以反思并为当时的技术观点感到不安和内疚。中国在粪尿返田上有着悠久的历史，化粪池很早就得到普及，粪尿的量仅与污水处理厂污泥的量相当，其生化降解速度更快，反应工程上更容易控制，即使实现不了资源化，单独处置可有效减少其它废水的污染负荷和深度处理的成本。

　　笔者更多从事的是技术细节上的工作，以上仅是近来思考我国水资源问题，结合过去一些工作经历，重温“全面规划、合理布局，综合利用、化害为利”的一些感想和思考，记录下来，谬误之处请同行指正。

（原文2005.10.1曾在中国水网发表http://www.h2o-china.com/paper/7062.html，转载有删节）

城市污水控制与水资源若干问题的反思

2015-05-14 张健博士

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