自然水循环是指地球上或某一区域内，在太阳辐射和重力作用下水分通过蒸发、降水、入渗、径流等过程不断运动和变化的现象。随着城市化的发展，各类建筑物、道路大量占用了裸露地面，改变了蒸发量、土壤入渗量和地表径流量。这种影响一方面增加了城市水循环系统设计的难度，如城市暴雨强度发生变化，暴雨径流的峰值更加突出，地下水的补给更加困难，城市防涝系统的建设在保证率和投资成本的平衡上更为艰难。另一方面，由于大量人口集聚在城市区域，集中用水、集中排水对上游来水的要求不断提高，对下游产生的污染物排放和水质恶化的局面日益严重。在这种条件下，城市水循环系统的发展突出一个“运“字，不断在混凝土路面下兴修管网，提高普及率，运了污水，又要考虑雨水，管网费用不断增加。强调一个”质“字，不得不提高给水处理水平、提高污水处理水平。给水系统面临的是处理难度问题，排水系统则遇到了死结。因为上游来水水量和水质可控性都不强，传统给水处理无法解决的污染物成为难题。排水系统由接纳污水的河流控制断面水质标准控制，错误地要求污水处理厂出水达到地表水水质标准。日益严重的湖泊、水库、河口富营养化又提出了污水处理厂提高处理总N水平的要求，以致于必须添加碳源来提高总N去除率。最为严重的是污泥，突然显露出需要一笔大资金去解决，无论是填埋、焚烧或制成肥料，都是加在城市水循环系统的艰难任务。城市化发展过程中产生的上述问题促进了人们对城市水循环系统的反思：如何使人类活动更少地干扰自然水循环？如何从人工水循环系统中找到减少污染物、营养物以及污泥、高NBOD污水等二次产物的出路？ 其一，部门权限所限。建设部门管理的是给水处理与污水输送及污水处理厂、垃圾处理厂的运行。水利部门管理城市水资源供应、防洪安全以及城市各类下泄水的下游输送。环保部门负责监督供水水源地的水质、污水处理厂的运行标准以及下游断面的水质监督。农业部门负责粮食安全、菜篮子保障。四个部门把一个完整的保质保量的水循环系统分割成四个较少联系的部分。
其二，行政区界所限。位于某一流域区域范围内的城市规划只能在行政区界内使用资源，省界、市界乃至县界都会成为削弱调控能力的原因，妨碍真正科学的水循环系统设计和建设。
其三，传统理念所限。将城市水循环系统规划的重点置于给水处理、污水输送、城区防涝和末端处理工程上，水资源、水环境、水生态一体化的水循环系统设计被认为是份外的事。
这里必须引为重视的是仇保兴部长提出的“城市与农村是夫妻”的观点，作为主管城市建设的部长，他已经敏锐的觉察到就城市论城市的规划路子越来越艰难，需要把农村纳入进来，统筹规划，使水循环系统在更大的空间得以实现，部分解决了行政区界所限和传统理念所限的约束。 2011年中央1号文件明确提出实行最严格的水资源管理制度，建立用水总量控制、用水效率控制和水功能区限制纳污“三项制度”，划定了用水总量、用水效率和水功能区限制纳污“三条红线”。为守住这“三条红线”，1号文件提出了一系列刚性要求和硬措施，并明确要求建立水资源管理责任和考核制度。这 “三条红线”是水资源、水环境、水生态综合管理的生命线。对于城市水循环系统的规划设计来讲，限制供水总量，实际上就是限制了陆上用水总量；保证用水效率，实际上就是规定了节水总量；限定纳污能力，实际上限制的是排污总量。这“三个总量”也是陆上的“三条红线”。“以水定陆”的规划设计思想为城市水循环系统破除先天不足开辟了通道。北京市三个新城规划建设明确以水资源为基础，体现了管理在水上，落实在陆上，水陆统筹，科学发展的思维，是城市水循环系统抓住机遇的标志。 仇保兴部长提出的微降解思想是基于“自然界中，生产、消费、降解三个环节是平衡的。自然生态作为一种永恒存在的自组织系统这三者是均衡的，本质上是一种生生不息的循环系统。在没有城镇化之前，这种循环系统可以承载众多种类生物生存和繁殖”。国际上兴起的源分离理念指的是人类粪尿与生活污水剥离并资源化，污染程度低的废水与雨水分散资源化。仇保兴部长就“污染程度低的废水与雨水分散资源化”提出“要将建筑产生的废水分成灰色水和黑色水，灰色水是可利用的水，指的是厨房、洗衣机和洗澡的废水再加上雨水收集，并通过简单的生化处理，1m3水处理成本低于一元人民币，然后循环用于冲马桶。冲便后变成黑色水，再经城市污水管网收集或小区污水处理装置就地处理回用于绿化，这样就可以节水30%以上”。 张健博士则从人粪尿不进行源分离给城市污水排放系统会带来两个重要欠缺提出了评论意见：“在资源循环方面，生活污水中大部分的COD 和绝大部分的营养盐来自人粪尿。磷和钾是有限的不可再生的资源，制造氮肥需要消耗大量能量。后者在污水处理过程中相当一部分通过能量消耗变成了氮气没能回收。钾的大部分随出水流走，污水中大部分的磷进入污泥。由于末端处理污水成分复杂，污泥直接农用存在附带污染物富集的问题。近年来从污泥中单独回收磷的研究取得一些进展，但都存在费用高，工艺较复杂和回收率低的问题。由于模式上的缺陷，农业-食品-废物-农业营养物在引入城市下水道模式后几乎被彻底截断。在能量效率方面，虽然高水量高密度的重力流混合输送表面简单，但人们常常忽视加压泵站的能耗。污泥发酵等可以回收一部分能量（如沼气发电约160 KJ/人•天），但远不够污水处理厂本身的耗电（约250 KJ/人•天）。人废物中所含的绝大部分有机物在污水处理过程中通过外界输入能量被氧化成二氧化碳排放掉了。” 很明显，仇保兴部长和张健博士的见解，即“微降解”、“源分离”之说，实质上是把已经在工业领域全面开展的清洁生产、循环经济思想贯彻到城市水循环系统的规划设计中，是代表未来大趋势的好理念。因为在人们都在议论生态和低碳的时候，微降解和源分离理念正催生着城市排水系统和污水处理的新变革。 2011年7月比尔及梅琳达•盖茨基金会（Bill & Melinda Gates Foundation）全球发展计划（Global Development Program）总裁西尔维娅•马修斯•波维尔（Sylvia Mathews Burwell）曾表示，人类需要重新设计马桶，变废为宝。新增4200万美元的卫生设施资助，提供300万美元资助位于北美洲、欧洲、非洲和亚洲的8所大学：美国加州理工学院，美国斯坦福大学，加拿大多伦多大学，英国拉夫堡大学，荷兰代尔夫特理工大学，瑞士联邦供水、废水处理与水体保护研究院（EAWAG），新加坡国立大学，南非夸祖鲁・纳塔尔大学，旨在改进排泄物的收集和储存，并将其转化成可用资源，如能源、肥料和清水。
日前，该项目有了新进展。美国加州理工学院环境科学系教授迈克尔・霍夫曼研制出了太阳能马桶原型，这款马桶使用太阳能电池板为马桶的电气化学系统提供能源。电极产生化学反应，清洁厕盆并将有机废物转化成一氧化碳和氢，然后储存在固态氧化物燃料堆中以供发电。“我们可以把废水清洁到跟处理厂出来的一样干净。”霍夫曼称，但同时他也承认，太阳能马桶的原型造价不低，达到5000美元。不过他认为，一旦投入量产，成本便会降下来。
南非夸祖鲁･纳塔尔大学的方案是以化学方式处理废物，燃烧粪便，并用它带来的能源使尿液蒸发。
瑞士联邦供水、废水处理与水体保护研究院（EAWAG）的方案是将尿液和粪便分离到不同的容器，过滤尿液后得到的水则储存在另一个容器，用来冲马桶。这样循环使用，马桶就不需要连接自来水网，而剩余的马桶废物则可作为肥料再利用。荷兰代尔夫特理工大学的方案是利用微波将人类粪便转变成一氧化碳和氢气，然后储存在固态氧化物燃料堆中以供发电。
英国拉夫堡大学和美国斯坦福大学的研究团队则分别独立研究出了将粪便转变成木炭或生物炭的技术。
加拿大多伦多大学则开发出利用阴燃技术处理粪便的系统，这个系统通过膜过滤和紫外线辐射净化尿液。
上述有关重新设计马桶的实例都把聚焦点集中于人粪尿，因为人粪尿在总量上仅占生活污水总量的1%，但是却占化学耗氧总量的60%，N、P总量的90%。将人类粪尿与生活污水分离并资源化，这种清污分流、源头治理的技术路线符合效率最大化、能耗最小化的目标。高浓度的粪（褐水）、尿液（黄水）、粪尿混合物（灰水）被稀释后再处理，效率低下，耗能增多。在不被稀释的条件下直接资源化，方法简便，符合低碳生态要求。应该指出的是，比尔･盖茨是个聪明人，他去做马桶，目标并不止于马桶，和仇保兴、张健相同的是，他们都看到了并推进着一个大趋势——一个生态城市的下水管网和污水处理厂不会是现在的样子。试想，人粪尿不再进入下水道，街道上又会出现拉着商品粪尿的车辆，这些加工生物复合肥的工厂将成为生态农业的支撑；不再输送人粪尿的污水管网，其水质浓度仅为现状的10%-30%，输送时的碳排放也大为降低，进入污水处理厂后的处理方式将更为简单；和这种微降解、微处理、微循环相联系的不一定是一根大雨水管道，分散蓄积、分散利用以及利用下水管道调蓄、利用受纳水域净化初雨径流带来的突发负荷就成为新的选择。难怪，德国科学院大胆的寓言，现代城市的下水道系统将被极大地改变，这将是本世纪城市建设中的一件大事。
（以上摘自作者为中国城市研究会年度报告撰写的稿件,2012）
2015-06-13 夏青
发布日期：2015-06-14 浏览次数：291
