轉載自：中國(guo)給(gei)水排(pai)水 作者： 劉智(zhi)曉
摘要(yao)：氣候(hou)變(bian)化是人類(lei)發展(zhan)麵(mian)臨的威(wei)脅之一(yi)，麵對極端(duan)降(jiang)雨(yu)顯(xian)著(zhu)增加和城(cheng)市的(de)不(bu)斷擴張，傳(chuan)統城鎮排水係統的脆弱性日(ri)益(yi)凸顯，“碳中和(he)、碳(tan)達峰(feng)”戰(zhan)略背景(jing)下如(ru)何(he)係(xi)統構建麵向未(wei)來的可持續排水係統（SUDS），提(ti)升麵對(dui)複雜外部擾動因(yin)素下排水係統的可(ke)靠性(xing)與(yu)韌(ren)性，是(shi)未來(lai)相當(dang)長時期排水係統規劃設(she)計、建造與運行環節都要思考(kao)和麵對的科學問(wen)題。針對傳統排水係統的係統性缺欠，就(jiu)排水係統規劃設計建(jian)造(zao)過(guo)程中關鍵要素“水-能”關係、韌性設計、生(sheng)態水文及(ji)生物多樣性等(deng)方麵提出了(le)建議(yi)，同時就目(mu)前實施(shi)高排放標準(zhun)、極限脫(tuo)氮(dan)及汙(wu)水氯消毒給環境帶(dai)來的影響(xiang)進行了分析，在此基礎上(shang)構(gou)建了包(bao)括(kuo)六個(ge)維(wei)度(du)、47項指(zhi)標的可持(chi)續(xu)排水係統評估(gu)評價(jia)指標體係。
劉智曉(xiao)（1972-），男，山(shan)東(dong)莒縣(xian)人(ren)，工學(xue)博(bo)士(shi)，教(jiao)授(shou)級(ji)高(gao)工(gong)，北京首(shou)創(chuang)生態環保(bao)集團技(ji)術總(zong)工，研究方向(xiang)為(wei)可持續排水係統構建及“網(wang)-廠”協(xie)同(tong)控(kong)製技術與策(ce)略(lve)、極端天(tian)氣脅(xie)迫(po)下韌性汙水係統適(shi)應(ying)性設計(ji)及運(yun)行(xing)控製策略(lve)、高效低(di)耗(hao)汙水處(chu)理工藝(yi)技術開(kai)發(fa)與工程化(hua)應用。發表論(lun)文(wen)40餘(yu)篇(pian)，授權(quan)專利(li)15項(xiang)，主(zhu)持參(can)與完成(cheng)了超(chao)過300座水廠(chang)、汙水廠的技術(shu)方案、技術審(shen)核(he)與方案優化，項(xiang)目建設及運營(ying)調試(shi)。在(zai)我國最(zui)早(zao)開展側(ce)流活(huo)性汙泥工藝技術研(yan)究(jiu)和工程化應用，實(shi)現(xian)10餘座(zuo)側流(liu)發酵(jiao)S2EBPR低碳汙水廠工程(cheng)應用(yong)。
人類社會(hui)進入19世(shi)紀後，隨(sui)著人口膨(peng)脹和社(she)會活動及工業的快(kuai)速發展，對資(zi)源無(wu)節製攫取(qu)和加速消(xiao)耗進一步(bu)加劇了對環(huan)境的破(po)壞(huai)，尤(you)其是溫(wen)室氣(qi)體的排放(fang)。根據(ju)政(zheng)府(fu)間氣候變化專門(men)委(wei)員(yuan)會（IPCC）2013年(nian)的報(bao)告，1986年—2005年全球地(di)表平(ping)均(jun)氣溫已經(jing)較前(qian)工業時代升(sheng)高了0.61℃，《巴黎協定》旨在將(jiang)全球地表平均氣溫升高幅(fu)度相對於工業化前水平限製在2℃以(yi)內。進(jin)一步削減(jian)溫室(shi)氣體排放（GHG），並(bing)盡(jin)快實現“碳達(da)峰、碳中和”，成為人類社會未來實現可持續發展的必然(ran)選擇。據IPCC和美(mei)國環保署（USEPA）進一步的數據，汙水處理過程直(zhi)接貢獻了全(quan)球GHG排放總量(liang)的1.57%、非(fei)CO2型（N2O、CH4）GHG排放總量的4.6%～5.2%；與此同時(shi)，相伴而(er)生的極(ji)端天氣尤其是暴雨頻(pin)發，加(jia)之近(jin)些(xie)年來我(wo)國城市化進程的加速，城市水麵率(lv)的縮減伴(ban)隨不透(tou)水麵積快速(su)擴張，多因素(su)脅迫下城鎮(zhen)內澇和洪水引發的災害(hai)事件頻發，對社會和經濟造成了巨大損(sun)失。因此，無論是從(cong)溫室氣體排放控製層麵，還(hai)是應對極端降雨等方麵都(dou)需要在排水係統規劃設計、建設與運維等各個環節(jie)主動采(cai)用氣候適應性策略，重新評估城鎮排水係統全流程各個鏈條及節點，係統構建麵向未來具(ju)有(you)可靠性、韌性與可持續為基(ji)本(ben)特(te)征(zheng)的城市韌性排水係統，已成為我國城鎮排水係統當務之急(ji)和未來健(jian)康發展的必然選擇.
排水係統集(ji)中與分散(san)的選(xuan)擇(ze)
傳統城鎮排水係統主要是基於滿(man)足(zu)人們(men)生活、生產(chan)過程的衛(wei)生需求，實現雨水/汙水收集、集中處理或(huo)快速排放，並保持受(shou)納水體水質(zhi)標準不退化為基本特征，主要解決(jue)和滿足對“量”與“質”的兩個維度需(xu)求(qiu)，因此，傳統排水係統不可避免(mian)地呈現了過度依賴(lai)灰(hui)色(se)基礎設施導(dao)致的係統龐(pang)大(da)，麵對外界(jie)擾動總體呈(cheng)現剛(gang)性、韌性不足、全流程高能耗和物耗及忽(hu)視汙水資源價值(zhi)屬性等係統性缺欠。與此同時，令人擔憂的是，過於集中式建設大規模汙水係統在各地似乎成為“時尚(shang)”，不少城市規劃、建設（遷(qian)建）的汙水廠有愈(yu)加集中、規(gui)模愈加龐大的趨(qu)勢(shi)，“大流量、大轉輸”成為常態，且往(wang)往疊(die)加地下式建設模式，使(shi)得風(feng)險過度集中，與可持續理念、 “碳中和”戰略及“韌性城市”的理念(nian)相違背，其原因分析(xi)如下：
①集中建設大規模(mo)汙水處理係統具有較大的係統風險性，適度分散的汙水處理係統不但(dan)提升了整(zheng)個城市的排水係統總體韌性與可靠(kao)性，同時也有利於高品(pin)質再生水作(zuo)為城市第二(er)水源的就地短距(ju)離回用，也(ye)減少了汙水收(shou)集管(guan)網多次(ci)提升及截(jie)汙幹(gan)管的工程量，避免了再生水遠距離(li)泵送(song)導致的巨(ju)量投(tou)資及運行的高能耗。集中式與相對分散式汙水係統的布局(ju)及對再生水回用影(ying)響比較見(jian)圖1。
圖(tu)1 集中式與相(xiang)對分散式汙水係統的布局及對再(zai)生水回(hui)用影響比(bi)較(jiao)
②從水質安(an)全性、可靠性角(jiao)度考慮(lv)，集中式汙水係統一旦出現係統性故(gu)障(zhang)(突發性斷電、洪水淹(yan)沒(mei)、水質不達標等)，短時內難(nan)於恢(hui)複(fu)，將導致大量汙染(ran)物的短時集中式排放，對水環境(jing)造成嚴(yan)重的甚至(zhi)短(duan)期內難於恢複的汙染。③全地下汙水廠往往采取整個箱體建設，未來進一步提標改(gai)造和擴容(rong)的難度都會大幅增(zeng)加，且在應對極端降雨時被(bei)淹風險(xian)遠高於地上模式，一旦被淹對整個排水係統可靠性都是災(zai)難性影響；此外(wai)，綜合影響評價結果(guo)顯示，地下式汙水處理廠在環境影響、基建投資、生態效(xiao)益三(san)方麵的綜合負麵影響較地上式要高出(chu)約20%，雖(sui)然地下式汙水處理廠地表(biao)通(tong)過園林景觀會產生一定的生態效益,但這(zhe)並不能"中和"其(qi)環境影響以及基建投資所產生的負麵效益。基於以上幾(ji)個方麵，從係統穩定性、可靠性及水質風險等維度上講(jiang)，建設大規模的汙水係統實際(ji)上是不可持續的；從投資及後期運維等角度分析，規劃(hua)建設大規模集中式汙水廠與“雙(shuang)碳”戰略理念也是相違(wei)背的。此(ci)外，在地表水流向組織(zhi)方麵，集中式排水係統主要是人工強(qiang)化水平流為主，旨在實現快速的排除；而分散式排水係統更(geng)多的是以基於自然的垂直流向及分散式調蓄為主，如各種(zhong)形式的自然滲(shen)濾(lv)、蒸發，以及在線(xian)或離線的自然水體或人工調蓄設施等過程。因此，無論是從超大排水係統風險集中度以及城市水的流向組(zu)織等方麵，分散式與集中式相結合的基礎(chu)設施在應對洪(hong)澇(lao)災害、減少(shao)溢流量等方麵相對單(dan)純的集中式係統更具韌性。
2.1城市尺(chi)度上的“水-能”關係構建
水與能互(hu)相關(guan)聯，互為條件，相互依存(cun)。世界的能源安全高度依賴於水資源(yuan)的供應，因為幾乎所(suo)有的能源生產技術，如核能、熱(re)電、水力(li)發電，都需要消耗大量的水；水的社會循環過程，從自然環境（地表、地下）的提取、處理、分配及使用、汙水處理及回用都需要消耗大量的能源，同時水的“包容性”又(you)使其蘊(yun)含(han)了豐(feng)富的可以回收的資源和能源，因此“水”與“能”往往相伴相生。據統計，水係統能耗及GHG排放是城鎮總電(dian)能消耗量及GHG排放量的重要來源，根(gen)據美國EPA統計數(shu)據，水係統用電量占全社會用電的3%～4%；美國城鎮水務(wu)板(ban)塊(kuai)GHG排放貢(gong)獻(xian)率占(zhan)全社會GHG的5%，這個指標在英(ying)國則(ze)更高。現代(dai)城市水係統架(jia)構下的“水-能”關係賦(fu)予了未來城鎮水係統規劃嶄(zhan)新的視角和維度，“雙碳”背(bei)景下統籌(chou)“水-能關係”來係統構建城鎮水係統尤其是排水係統規劃將更具現實意義(yi)。
圖2所示(shi)給出了北(bei)京2015年水係統水量與能耗分配(pei)關係桑(sang)基圖，可以評估城市“水足跡(ji)”過程及能量消耗，在城市尺度上係統評估和多(duo)目標優(you)化“水-能”關係，通過水係統全流程過程係統規劃、聚(ju)焦(jiao)水循(xun)環每(mei)個鏈(lian)條(tiao)，進行傳統工藝改進、高效設備(bei)及革新性工藝技術應用，尤其是對排水係統結(jie)構優化進而提升係統能源利用效率，因地製宜(yi)地采用汙水中資源、能量回收以及清(qing)潔(jie)能源提取和利用等技術措(cuo)施，進一步降低水係統能耗和溫室氣體排放，對於提升水係統韌性及可持續至關重要。
圖2 北京(jing)市2015年城市水係統“水-能(neng)”關係桑基圖
2.2 汙水能量回收潛(qian)力
傳統汙水處理過程的電耗主要用於汙染物的氧(yang)化、分離和去除，傳統的汙水處理是通過“以能消能”的方式將汙染物(wu)礦化或進行汙染物轉化（菌(jun)體及生物量）等，如進水中COD大部分被好氧轉(zhuan)化為CO2，一部(bu)分以剩(sheng)餘汙泥等方式排除係統，小(xiao)部分被厭氧消化過程轉化為甲烷(wan)。實際上，汙水中所蘊含的巨大“能量”遠(yuan)未被提取和回收利用，其中主要是熱能和化學能，熱能主要源於末(mo)端用戶用水過程的戶內(nei)加熱，這是整個水循環過程中耗能最高且已(yi)被忽略的能量回收環節，據研究，汙水中熱能蘊含量則是化學能的數倍；化學能存在形(xing)式則主要是用水過程排放到(dao)汙水中的有機(ji)質潛能。汙水中理論最大有機化學能是指汙水所含COD全部被提取並甲烷化，對於汙水中蘊含的化學能，國外很多研究者(zhe)進行了不同角度的研究及定量評估，市政汙水廠進水COD通常(chang)在430～500 mg/L，其蘊含的化學能為1.66～3；當COD為800～1 000 mg/L時，化學潛能達到3.09～3。需要說(shuo)明(ming)的是，傳統“初沉(chen)汙泥+剩餘活性汙泥(ni)”路(lu)徑隻(zhi)能實現一部分COD的能源化，還有相當一部分COD通過“以能耗能”的過程被去(qu)除；因此，近些年出現了一些革新的“碳捕(bu)獲(huo)”及“碳改向”技術以將進水COD轉向能源化，如高負(fu)荷(he)活性汙泥、微篩（100μm）等工藝，最高可以達到80%的COD捕獲率。在“碳中和”背景下，聚焦整個排水係統、提升排水係統對汙染物的收集率，做到“應收盡收”，避免中途“跑、冒(mao)、滴(di)、漏(lou)”，重新審視、評估汙水中資源能源回收潛力，采用“碳捕(bu)獲(huo)”技術實現汙水中“碳轉向”能源化途(tu)徑、減少或避開對“以能耗能”傳統技術路徑的依(yi)賴，“重拾(shi)”和回歸(gui)厭氧消化路徑(jing)，這將會被賦予新的曆史使命(ming)。國外一些案例展示了汙水中化學能提出大幅提升能量自(zi)持水平的案例(li)，甚(shen)至一些項目僅(jin)依賴進水有機化學能並通過汙水處理過程的節能降耗、新工藝應用等措施的組合使用實現汙水處理過程能量自給（Energy Positive WWTP），如丹麥奧胡斯市Marselisborg 汙水處理廠，在未另(ling)行添加碳源或有機質情況(kuang)下，通過工藝改進、節能設備與運行優化控製等綜合性技術措施，汙水廠從2011年開始(shi)就實現了能量中和，平均能量自給率為153%，成為名副其實的“電廠” 。
相對於化學能，市政汙水餘溫蘊含的可提取的熱量卻大的“驚人”， 熱能核算顯示，汙水中蘊含的理論熱能為4.64 kW·h/m 3（溫差(cha)為4℃ ）。通過水源熱泵交換(huan)可實現38%的熱能轉化（1.77 kW·h/m3，COP=3.5）和25%冷(leng)能轉化（1.18 kW·h/m3，COP=4.8），從數值上看，實際汙水熱能回收潛力亦非常可觀。汙水熱能回收可用於汙水處理廠自身(shen)和周邊（3～5 km）建築(zhu)供熱/製冷、溫室供暖，甚至還可直接用於厭氧消化器(qi)加熱、汙泥幹化等目的。通過以上兩(liang)種能量提取和利用方式，借鑒發達國家的成功(gong)案例，有充(chong)分理由相信(xin)，未來的汙水處理廠，通過對熱能和化學能的高效提取，汙水廠將不再是能源的消耗者，而是能源的提供(gong)者，成為名副其實的資源回收廠（WRRF）和能源廠。
受極端氣候及超標降雨、建成區(qu)不透水麵積日益增加等多重風險脅迫，傳統市政供排水係統應對風險能力明顯不足，係統受破壞程度嚴重及後(hou)期性能恢複緩慢(man)，凸顯係統脆(cui)弱性，應對這種不確定性，韌性規劃應成為未來可持續城鎮排水係統構建的核心事(shi)項。過度依賴單一的工程措施往往不能滿足或者平衡(heng)係統的可靠性與韌性，可行的解(jie)決方案是在基於城市級流域(yu)規劃尺度上，從涉(she)水基礎設施及係統要素配置(zhi)上，著眼(yan)係統結構、功能與性能等維度上提升可靠性與韌性，係統構建“藍(lan)-綠(lv)-灰”交織、“微-小-大”排水協同的“3M”串(chuan)級流量控製係統，通過係統性組合措施或者策略，有效提高城鎮排水係統的可靠性與韌性。
3.1適宜水麵率與水係連通性
河網調蓄能力是水係在水文方麵的重要功能之一，尤其在削減洪峰、降低洪水危害中具有重要的作用。受人類活動影響，尤其是近半個世紀(ji)年以來快速城鎮化引起的土地利用方式變化，致使許多城區河流、水塘、水澱(dian)區被掩埋(mai)甚至完全消失(shi)，導致城市水麵率大幅減少，河網、水係發育(yu)及演變也表現出由複雜(za)到簡單、由多元到單一的變化趨勢。世界範(fan)圍(wei)內60%以上的河流受到城市化的影響，而城市化對河流生態完整性及生態功能造成了嚴重威脅；從國內外經驗看，這種演變無疑(yi)還會加劇(ju)洪澇災害、水質惡化等問題。借助河道容蓄指標與水係結構參數的相關關係分析河網結構對調(diao)蓄(xu)能力的影響，常用的水係變化指標包括數量特征參數和複雜性參數，選取河網密(mi)度（Rd）、水麵率（WP）描(miao)述(shu)水係的數量特征，河網盒(he)維數描述水係的複雜性特征，各(ge)指標計算方法及內涵(han)見表1。
表1 河網水係指標的定(ding)義
我國很(hen)多城市河道水係不同程度地存在較大幅度的縮(suo)減和功能退(tui)化。據研究，太(tai)湖平原(yuan)地區自1960年—2010年以來，該(gai)地區線狀與麵狀(zhuang)水係均不斷(duan)減少，減幅分別(bie)達35.74%、27.60%；1980年以來，隨著城市規模的不斷擴張，河流衰(shuai)減速度明顯加快，水係結構趨於主幹化和簡單化。太湖(hu)流域自1990年以來洪澇災害趨勢日趨嚴重，同時，河網水係的快速衰減，也從整體上降低了流域的調蓄能力，加劇了流域的洪澇風險，為此，水麵率、河網密度等指標作為與市政“大排水”相銜接的防洪係統重要的評估指標，應納(na)入(ru)未來城鎮排水係統規劃中，作為排水係統內澇防(fang)治體係中衡量韌性的基本指標之(zhi)一。
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