SWTF-SANI: 融入海水冲厕的新型水循环理念的可持续应用
淡水短缺正在威胁着全球水安全。寻找可持续的替代性水资源方案已经成为了刻不容缓的社会问题。在沿海地区，淡化海水是重要的淡水供应源。而在很多沿海城市，20%-30%的自来水都被用于厕所冲水。如果能够利用经简单处理的海水替代部分淡水直接用于冲厕，则将进一步提高水资源利用率，降低能耗和节约其他处理成本。
作为一个严重缺乏淡水资源的海岸城市，香港自上世纪五十年代起一方面建立了长距离供水管道引入东江源水，另一方面开始采用海水冲厕。香港海水冲厕系统（简称SWTF）自1958年起就投入使用，据香港水务署2014年数据显示，该系统目前覆盖全港720万人口的80%，平均每天为香港提供760,000m³的海水作冲厕使用，可节省22%的淡水资源，有效提高城市用水效率。香港50年的经验证明海水冲厕基本不造成任何个人和公共卫生不便。
另一方面，海水冲厕技术的应用，导致市政污水含盐量高。但由于海水中还含有一定量的硫酸盐，使得其有机物（COD）与硫酸盐（SO₄²-)的比例约为1.3-2.4 (g COD/g SO₄²---S),提供了利用硫酸盐厌氧还原反应去除COD的可行性。香港科技大学的陈光浩教授于2004年首先提出了基于异养硫酸盐还原(Sulfate reduction)、自养反硝化(Autotrophic denitrification)、硝化反应(Nitrification)的复合工艺来处理高硫酸盐城市污水，简称SANI工艺。
SWTF创新城市水循环系统：“三水”供水系统与SANI工艺联用
SANI工艺巧妙地利用了污泥产量低的微生物（例如SRB硫酸盐还原菌和自养反硝化菌）来去除COD和氨氮。与包含厌氧消化和热电联产的传统活性污泥法相比，使用SANI工艺可以使占地面积减少30%-40%，污泥产量减少60%-70%，能耗低10%。在2004年至2008年期间，SANI工艺已经通过了连续500多天的小试、225天的中试以及一个在香港沙田污水厂的1000m³/d大型示范项目，其可行性和适用性得到了充分研究和验证。
▲传统生物脱氮工艺(左)和SANI工艺(右)的概念比较
▲SANI工艺大试项目
前期研究结果显示，结合了SANI工艺的SWTF系统，能够在经济适用性和环境保护两方面发挥优势。然而，目前还没有关于SWTF-SANI系统在完整的城市水系统的LCA生命周期评价。因此我们需要对这个综合型水资源管理系统进行广泛的环境可持续发展分析，以评估它对气候变化、能耗和土地使用上的表现。
在这样的背景下，香港科技大学研究团队决定评估基于SWTF-SANI工艺的城市水系统的环境表现，并于其他传统系统做对比，例如应用了海水淡化系统来部分供应饮用水和/或中水冲厕（RWTF）的系统，并进行了LCA分析，包含了水体富营养化、能耗、气候变化、臭氧耗竭和土地使用。项目选取了深圳、香港、北京和青岛作为研究对象——前两个城市的水源来自东江，后两者则以来南水北调工程。这些城市都面临不同原因造成的水短缺问题。研究人员首先对这4个城市的6类环境影响类型在5个不同的城市水场景里作评估，然后进行敏感性分析找出最重要的影响因素，最后总结适合应用SWTF系统的情况。
材料与方法
根据ISO的标准，一个LCA分析由四个阶段组成，包括定义目标和范围、清单分析、影响分析和结果解释。 由于使用海水冲厕，污水最终排入大海，所以研究人员对系统边界进行了如下设定：
▲ 研究边界定义
海水、淡水和集中式回用水被视作不同的城市供水类型。其他考虑因素包括了处理工艺、供水方式、污水收集的管网系统、根据水源要求的出水排放等。这个研究的目标定义为针对水资源紧缺城市的替代性水资源和污水处理方法的环境影响评估，计算单位是1m³的供水。
研究人员对5个可能的应用场景进行定义和比较。这五个场景包括：
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FWA– 基于传统活性污泥法的淡水供给
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FRA – 结合淡水系统的海水淡化
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DSA – 结合传统活性污泥的污水处理系统的海水冲厕系统（SWTF）
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DSS – 结合了SANI工艺污水处理的SWTF系统
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DNA – 淡水和灰水系统，例如RWTF系统
▲ 五种场景的流程示意图
生命周期清单包括了材料、化学品、能量的输入，数据来自香港的水务部门或者以相关文献参考。为简便起见，不同场景中的相似设施被视作相同。根据ISO的标准，研究人员使用LCA分析专业软件SimaPro8.1 来组织清单数据，并使用该软件提供的ReCiPe中间点法（Midpoint-H）来计算影响。中间点指示因子对相关影响进行量化。
作为研究对象的4个城市主要不同在于淡水运输距离、城市距离海边距离、淡水可用度、冲厕用水百分比，以及有效人口密度。其中有效人口密度指考虑城市核心的人口密度，一般超过城市总人口的75%。
▲ 4个城市的水与地理概况
下表是应用SWTF系统最坏情况的假设，而考虑到每个城市间的差异，对每个指示因子又设定了一个合理的变化范围，并对实际系统和文献的数值分别保留有5%和10%的不确定性浮动空间。
▲ 敏感性分析的关键情况
分析结果
香港和深圳从非本地淡水水源（东江）取水，北京通过长达1千多公里的南水北调来取水。下图总结了4个城市在5种场景下的用水量情况。就淡水节省而言，理论上FRA的海水淡化可以取代所有非本地源的淡水使用，但这是不可持续的，所以在FRA场景中的淡水需求是指本地的淡水开采量，剩下的淡水需求都来自海水。从FWA和FRA的对比可以看出，香港和深圳的情况更加不安全，因为它们非常依赖非本地的水源。而在DSA、DSS和DNA三种用海水和中水冲厕的情境下，香港和深圳能节省的淡水只占20%-30%，因此SWTF和RWTF都不能满足这两座城市的用水需求，它们必须要从东江调入淡水。北京和青岛使用海水/中水冲厕却足够缓解淡水短缺的问题，这显示SWTF或者RWTF能够完全消除它们对南水北调工程的依赖。
▲ 4个城市在5场景下的淡水总需求 (包括居住、工业和景观的用水需求)和潜在淡水节省量
在环境影响方面，通过下图我们可以看出FRA在6个指标中都是最差的。其他场景在各自城市的环境影响相对接近， 除了北京在富营养化指标中5种情况差别较大。对于青岛、香港和深圳，在大部分的情况里结合了SANI工艺的SWTF系统的DSS方案产生的环境影响是最小的，这主要因为SANI工艺的环境友好性，以及海水冲厕的前期处理简易。北京则更适合使用中水回用，因为长距离的海水运输和排放会造成显著的环境影响。同时我们可从下图看出北京和青岛的负面环境影响比香港和深圳更大，因为前两者的市政管网更广。此前有研究显示水的运输对城市水系统的气候变化和电耗贡献值分别超过30%和70%，尤其是人口密度超过4000人/km2的城市。
▲ 4个城市在5场景下的6个环境影响指标的分析
敏感性分析和应用潜力
对4座城市的分析显示这些指示因子高度依赖于城市的地理情况和城市化发展水平。在剔除FRA场景之后(因为其环境影响表现最差)，研究人员对剩下的四个场景进行了敏感性分析。结果显示，离海岸的距离和有效人口密度是城市水系统环境影响中最重要的两个指标。开发基于这两个指标的简单模型有助决策者选取适合自身城市情况的最终供水方案。
下图是基于土地使用的SWTF系统应用潜力分析，投射到x-y平面上的阴影面积代表SWTF作为替代性供水方案的程度。结果显示DSS与DSA相比，由于SANI所需占地面积更小，使得DSS的潜在环境效益更高。使用传统活性污泥法处理高盐度污水的话，城市需要距离海岸线30km以内；而应用SWTF-SANI系统的话，可以延长到60km。下图中c和d的对比可以看出SWTF比中水回用更具环保性，因为后者有与饮用水系统交叉污染的风险；另外与普通的FWA相比，DNA方案也没有明显优势。
▲ 基于土地使用的敏感性分析： (a) DSA vs FWA; (b) DSS vs FWA; (c) DSA vs DNA; (d)DSS vs DNA
基于对气候变化影响的分析则显示，对气候变化对SWTF的影响比土地使用的影响要低，这与敏感性分析结果一致。另外DSS也优于DSA。
▲ 基于气候变化的敏感性分析：(a) DSAvs FWA; (b) DSS vs FWA; (c) DSA vs DNA; (d) DSS vs DNA.
综合以上分析，作者列出了一些人口密集的世界知名城市作为SWTF-SANI系统的潜在应用地点，其中包括中国澳门、日本东京、新加坡、美国纽约、中国宁波、印度孟买和西班牙巴塞罗那。
结论
这个LCA的分析结果验证了SWTF系统的环境可行性，但是它的应用依赖于城市离海岸的具体距离以及其有效人口密度。对于已开发的海边城市，如果其人口密度超过3000人/km2，而且离海边距离小于30公里，将更容易从SWTF系统获益，无论其他影响参数如何；如果进一步应用SANI污水处理工艺，海岸距离要求可以扩展至60km。考虑到大部分现代城市都能满足这些条件，新一代可持续发展的供水系统可以由淡水和海水供给的综合系统组成。
参考资料
Sustainable Application of a Novel Water Cycle Using Seawater for Toilet Flushing, Xiaoming Liu, Ji Dai, Di Wu, Feng Jiang, Guanghao Chen, Ho-Kwong Chui, Mark van Loosdrecht, Engineering 2 (2016) 460–469, doi.org/10.1016/J.ENG.2016.04.013
国际水协会（IWA）官网 www.iwa-network.org
