轉(zhuǎn)載自：中國給水排水 作者： 劉智曉
摘要：氣候變化是人類發(fā)展面臨的威脅之一，面對極端降雨顯著增加和城市的不斷擴張，傳統(tǒng)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的脆弱性日益凸顯，“碳中和、碳達(dá)峰”戰(zhàn)略背景下如何系統(tǒng)構(gòu)建面向未來的可持續(xù)排水系統(tǒng)（SUDS），提升面對復(fù)雜外部擾動因素下排水系統(tǒng)的可靠性與韌性，是未來相當(dāng)長時期排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、建造與運行環(huán)節(jié)都要思考和面對的科學(xué)問題。針對傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的系統(tǒng)性缺欠，就排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計建造過程中關(guān)鍵要素“水-能”關(guān)系、韌性設(shè)計、生態(tài)水文及生物多樣性等方面提出了建議，同時就目前實施高排放標(biāo)準(zhǔn)、極限脫氮及污水氯消毒給環(huán)境帶來的影響進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了包括六個維度、47項指標(biāo)的可持續(xù)排水系統(tǒng)評估評價指標(biāo)體系。
劉智曉（1972-），男，山東莒縣人，工學(xué)博士，教授級高工，北京首創(chuàng)生態(tài)環(huán)保集團技術(shù)總工，研究方向為可持續(xù)排水系統(tǒng)構(gòu)建及“網(wǎng)-廠”協(xié)同控制技術(shù)與策略、極端天氣脅迫下韌性污水系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計及運行控制策略、高效低耗污水處理工藝技術(shù)開發(fā)與工程化應(yīng)用。發(fā)表論文40余篇，授權(quán)專利15項，主持參與完成了超過300座水廠、污水廠的技術(shù)方案、技術(shù)審核與方案優(yōu)化，項目建設(shè)及運營調(diào)試。在我國最早開展側(cè)流活性污泥工藝技術(shù)研究和工程化應(yīng)用，實現(xiàn)10余座側(cè)流發(fā)酵S2EBPR低碳污水廠工程應(yīng)用。
人類社會進(jìn)入19世紀(jì)后，隨著人口膨脹和社會活動及工業(yè)的快速發(fā)展，對資源無節(jié)制攫取和加速消耗進(jìn)一步加劇了對環(huán)境的破壞，尤其是溫室氣體的排放。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會（IPCC）2013年的報告，1986年—2005年全球地表平均氣溫已經(jīng)較前工業(yè)時代升高了0.61℃，《巴黎協(xié)定》旨在將全球地表平均氣溫升高幅度相對于工業(yè)化前水平限制在2℃以內(nèi)。進(jìn)一步削減溫室氣體排放（GHG），并盡快實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”，成為人類社會未來實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。據(jù)IPCC和美國環(huán)保署（USEPA）進(jìn)一步的數(shù)據(jù)，污水處理過程直接貢獻(xiàn)了全球GHG排放總量的1.57%、非CO2型（N2O、CH4）GHG排放總量的4.6%～5.2%；與此同時，相伴而生的極端天氣尤其是暴雨頻發(fā)，加之近些年來我國城市化進(jìn)程的加速，城市水面率的縮減伴隨不透水面積快速擴張，多因素脅迫下城鎮(zhèn)內(nèi)澇和洪水引發(fā)的災(zāi)害事件頻發(fā)，對社會和經(jīng)濟造成了巨大損失。因此，無論是從溫室氣體排放控制層面，還是應(yīng)對極端降雨等方面都需要在排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)與運維等各個環(huán)節(jié)主動采用氣候適應(yīng)性策略，重新評估城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)全流程各個鏈條及節(jié)點，系統(tǒng)構(gòu)建面向未來具有可靠性、韌性與可持續(xù)為基本特征的城市韌性排水系統(tǒng)，已成為我國城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)當(dāng)務(wù)之急和未來健康發(fā)展的必然選擇.
傳統(tǒng)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)主要是基于滿足人們生活、生產(chǎn)過程的衛(wèi)生需求，實現(xiàn)雨水/污水收集、集中處理或快速排放，并保持受納水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不退化為基本特征，主要解決和滿足對“量”與“質(zhì)”的兩個維度需求，因此，傳統(tǒng)排水系統(tǒng)不可避免地呈現(xiàn)了過度依賴灰色基礎(chǔ)設(shè)施導(dǎo)致的系統(tǒng)龐大，面對外界擾動總體呈現(xiàn)剛性、韌性不足、全流程高能耗和物耗及忽視污水資源價值屬性等系統(tǒng)性缺欠。與此同時，令人擔(dān)憂的是，過于集中式建設(shè)大規(guī)模污水系統(tǒng)在各地似乎成為“時尚”，不少城市規(guī)劃、建設(shè)（遷建）的污水廠有愈加集中、規(guī)模愈加龐大的趨勢，“大流量、大轉(zhuǎn)輸”成為常態(tài)，且往往疊加地下式建設(shè)模式，使得風(fēng)險過度集中，與可持續(xù)理念、 “碳中和”戰(zhàn)略及“韌性城市”的理念相違背，其原因分析如下：
①集中建設(shè)大規(guī)模污水處理系統(tǒng)具有較大的系統(tǒng)風(fēng)險性，適度分散的污水處理系統(tǒng)不但提升了整個城市的排水系統(tǒng)總體韌性與可靠性，同時也有利于高品質(zhì)再生水作為城市第二水源的就地短距離回用，也減少了污水收集管網(wǎng)多次提升及截污干管的工程量，避免了再生水遠(yuǎn)距離泵送導(dǎo)致的巨量投資及運行的高能耗。集中式與相對分散式污水系統(tǒng)的布局及對再生水回用影響比較見圖1。
圖1 集中式與相對分散式污水系統(tǒng)的布局及對再生水回用影響比較
②從水質(zhì)安全性、可靠性角度考慮，集中式污水系統(tǒng)一旦出現(xiàn)系統(tǒng)性故障(突發(fā)性斷電、洪水淹沒、水質(zhì)不達(dá)標(biāo)等)，短時內(nèi)難于恢復(fù)，將導(dǎo)致大量污染物的短時集中式排放，對水環(huán)境造成嚴(yán)重的甚至短期內(nèi)難于恢復(fù)的污染。③全地下污水廠往往采取整個箱體建設(shè)，未來進(jìn)一步提標(biāo)改造和擴容的難度都會大幅增加，且在應(yīng)對極端降雨時被淹風(fēng)險遠(yuǎn)高于地上模式，一旦被淹對整個排水系統(tǒng)可靠性都是災(zāi)難性影響；此外，綜合影響評價結(jié)果顯示，地下式污水處理廠在環(huán)境影響、基建投資、生態(tài)效益三方面的綜合負(fù)面影響較地上式要高出約20%，雖然地下式污水處理廠地表通過園林景觀會產(chǎn)生一定的生態(tài)效益,但這并不能"中和"其環(huán)境影響以及基建投資所產(chǎn)生的負(fù)面效益。基于以上幾個方面，從系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性及水質(zhì)風(fēng)險等維度上講，建設(shè)大規(guī)模的污水系統(tǒng)實際上是不可持續(xù)的；從投資及后期運維等角度分析，規(guī)劃建設(shè)大規(guī)模集中式污水廠與“雙碳”戰(zhàn)略理念也是相違背的。此外，在地表水流向組織方面，集中式排水系統(tǒng)主要是人工強化水平流為主，旨在實現(xiàn)快速的排除；而分散式排水系統(tǒng)更多的是以基于自然的垂直流向及分散式調(diào)蓄為主，如各種形式的自然滲濾、蒸發(fā)，以及在線或離線的自然水體或人工調(diào)蓄設(shè)施等過程。因此，無論是從超大排水系統(tǒng)風(fēng)險集中度以及城市水的流向組織等方面，分散式與集中式相結(jié)合的基礎(chǔ)設(shè)施在應(yīng)對洪澇災(zāi)害、減少溢流量等方面相對單純的集中式系統(tǒng)更具韌性。
2.1城市尺度上的“水-能”關(guān)系構(gòu)建
水與能互相關(guān)聯(lián)，互為條件，相互依存。世界的能源安全高度依賴于水資源的供應(yīng)，因為幾乎所有的能源生產(chǎn)技術(shù)，如核能、熱電、水力發(fā)電，都需要消耗大量的水；水的社會循環(huán)過程，從自然環(huán)境（地表、地下）的提取、處理、分配及使用、污水處理及回用都需要消耗大量的能源，同時水的 “包容性”又使其蘊含了豐富的可以回收的資源和能源，因此“水”與“能”往往相伴相生。據(jù)統(tǒng)計，水系統(tǒng)能耗及GHG排放是城鎮(zhèn)總電能消耗量及GHG排放量的重要來源，根據(jù)美國EPA統(tǒng)計數(shù)據(jù)，水系統(tǒng)用電量占全社會用電的3%～4%；美國城鎮(zhèn)水務(wù)板塊GHG排放貢獻(xiàn)率占全社會GHG的5%，這個指標(biāo)在英國則更高。現(xiàn)代城市水系統(tǒng)架構(gòu)下的“水-能”關(guān)系賦予了未來城鎮(zhèn)水系統(tǒng)規(guī)劃嶄新的視角和維度，“雙碳”背景下統(tǒng)籌“水-能關(guān)系”來系統(tǒng)構(gòu)建城鎮(zhèn)水系統(tǒng)尤其是排水系統(tǒng)規(guī)劃將更具現(xiàn)實意義。
圖2所示給出了北京2015年水系統(tǒng)水量與能耗分配關(guān)系桑基圖，可以評估城市“水足跡”過程及能量消耗，在城市尺度上系統(tǒng)評估和多目標(biāo)優(yōu)化“水-能”關(guān)系，通過水系統(tǒng)全流程過程系統(tǒng)規(guī)劃、聚焦水循環(huán)每個鏈條，進(jìn)行傳統(tǒng)工藝改進(jìn)、高效設(shè)備及革新性工藝技術(shù)應(yīng)用，尤其是對排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)而提升系統(tǒng)能源利用效率，因地制宜地采用污水中資源、能量回收以及清潔能源提取和利用等技術(shù)措施，進(jìn)一步降低水系統(tǒng)能耗和溫室氣體排放，對于提升水系統(tǒng)韌性及可持續(xù)至關(guān)重要。
圖2 北京市2015年城市水系統(tǒng)“水-能”關(guān)系桑基圖
2.2 污水能量回收潛力
傳統(tǒng)污水處理過程的電耗主要用于污染物的氧化、分離和去除，傳統(tǒng)的污水處理是通過“以能消能”的方式將污染物礦化或進(jìn)行污染物轉(zhuǎn)化（菌體及生物量）等，如進(jìn)水中COD大部分被好氧轉(zhuǎn)化為CO2，一部分以剩余污泥等方式排除系統(tǒng)，小部分被厭氧消化過程轉(zhuǎn)化為甲烷。實際上，污水中所蘊含的巨大“能量”遠(yuǎn)未被提取和回收利用，其中主要是熱能和化學(xué)能，熱能主要源于末端用戶用水過程的戶內(nèi)加熱，這是整個水循環(huán)過程中耗能最高且已被忽略的能量回收環(huán)節(jié)，據(jù)研究，污水中熱能蘊含量則是化學(xué)能的數(shù)倍；化學(xué)能存在形式則主要是用水過程排放到污水中的有機質(zhì)潛能。污水中理論最大有機化學(xué)能是指污水所含COD全部被提取并甲烷化，對于污水中蘊含的化學(xué)能，國外很多研究者進(jìn)行了不同角度的研究及定量評估，市政污水廠進(jìn)水COD通常在430～500 mg/L，其蘊含的化學(xué)能為1.66～1.93 kW·h/m3；當(dāng)COD為800～1 000 mg/L時，化學(xué)潛能達(dá)到3.09～3.86 kW·h/m3。需要說明的是，傳統(tǒng)“初沉污泥+剩余活性污泥”路徑只能實現(xiàn)一部分COD的能源化，還有相當(dāng)一部分COD通過“以能耗能”的過程被去除；因此，近些年出現(xiàn)了一些革新的“碳捕獲”及“碳改向”技術(shù)以將進(jìn)水COD轉(zhuǎn)向能源化，如高負(fù)荷活性污泥、微篩（100μm）等工藝，最高可以達(dá)到80%的COD捕獲率。在“碳中和”背景下，聚焦整個排水系統(tǒng)、提升排水系統(tǒng)對污染物的收集率，做到“應(yīng)收盡收”，避免中途“跑、冒、滴、漏”，重新審視、評估污水中資源能源回收潛力，采用“碳捕獲”技術(shù)實現(xiàn)污水中“碳轉(zhuǎn)向”能源化途徑、減少或避開對“以能耗能”傳統(tǒng)技術(shù)路徑的依賴，“重拾”和回歸厭氧消化路徑，這將會被賦予新的歷史使命。國外一些案例展示了污水中化學(xué)能提出大幅提升能量自持水平的案例，甚至一些項目僅依賴進(jìn)水有機化學(xué)能并通過污水處理過程的節(jié)能降耗、新工藝應(yīng)用等措施的組合使用實現(xiàn)污水處理過程能量自給（Energy Positive WWTP），如丹麥奧胡斯市Marselisborg 污水處理廠，在未另行添加碳源或有機質(zhì)情況下，通過工藝改進(jìn)、節(jié)能設(shè)備與運行優(yōu)化控制等綜合性技術(shù)措施，污水廠從2011年開始就實現(xiàn)了能量中和，平均能量自給率為153%，成為名副其實的“電廠” 。
相對于化學(xué)能，市政污水余溫蘊含的可提取的熱量卻大的“驚人”， 熱能核算顯示，污水中蘊含的理論熱能為4.64 kW·h/m 3（溫差為4℃ ）。通過水源熱泵交換可實現(xiàn)38%的熱能轉(zhuǎn)化（1.77 kW·h/m3，COP=3.5）和25%冷能轉(zhuǎn)化（1.18 kW·h/m3，COP=4.8），從數(shù)值上看，實際污水熱能回收潛力亦非常可觀。污水熱能回收可用于污水處理廠自身和周邊（3～5 km）建筑供熱/制冷、溫室供暖，甚至還可直接用于厭氧消化器加熱、污泥干化等目的。通過以上兩種能量提取和利用方式，借鑒發(fā)達(dá)國家的成功案例，有充分理由相信，未來的污水處理廠，通過對熱能和化學(xué)能的高效提取，污水廠將不再是能源的消耗者，而是能源的提供者，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(biāo)降雨、建成區(qū)不透水面積日益增加等多重風(fēng)險脅迫，傳統(tǒng)市政供排水系統(tǒng)應(yīng)對風(fēng)險能力明顯不足，系統(tǒng)受破壞程度嚴(yán)重及后期性能恢復(fù)緩慢，凸顯系統(tǒng)脆弱性，應(yīng)對這種不確定性，韌性規(guī)劃應(yīng)成為未來可持續(xù)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)構(gòu)建的核心事項。過度依賴單一的工程措施往往不能滿足或者平衡系統(tǒng)的可靠性與韌性，可行的解決方案是在基于城市級流域規(guī)劃尺度上，從涉水基礎(chǔ)設(shè)施及系統(tǒng)要素配置上，著眼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與性能等維度上提升可靠性與韌性，系統(tǒng)構(gòu)建“藍(lán)-綠-灰”交織、“微-小-大”排水協(xié)同的“3M”串級流量控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)性組合措施或者策略，有效提高城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的可靠性與韌性。
3.1適宜水面率與水系連通性
河網(wǎng)調(diào)蓄能力是水系在水文方面的重要功能之一，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(jì)年以來快速城鎮(zhèn)化引起的土地利用方式變化，致使許多城區(qū)河流、水塘、水淀區(qū)被掩埋甚至完全消失，導(dǎo)致城市水面率大幅減少，河網(wǎng)、水系發(fā)育及演變也表現(xiàn)出由復(fù)雜到簡單、由多元到單一的變化趨勢。世界范圍內(nèi)60%以上的河流受到城市化的影響，而城市化對河流生態(tài)完整性及生態(tài)功能造成了嚴(yán)重威脅；從國內(nèi)外經(jīng)驗看，這種演變無疑還會加劇洪澇災(zāi)害、水質(zhì)惡化等問題。借助河道容蓄指標(biāo)與水系結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系分析河網(wǎng)結(jié)構(gòu)對調(diào)蓄能力的影響，常用的水系變化指標(biāo)包括數(shù)量特征參數(shù)和復(fù)雜性參數(shù)，選取河網(wǎng)密度（Rd）、水面率（WP）描述水系的數(shù)量特征，河網(wǎng)盒維數(shù)描述水系的復(fù)雜性特征，各指標(biāo)計算方法及內(nèi)涵見表1。
表1 河網(wǎng)水系指標(biāo)的定義
我國很多城市河道水系不同程度地存在較大幅度的縮減和功能退化。據(jù)研究，太湖平原地區(qū)自1960年—2010年以來，該地區(qū)線狀與面狀水系均不斷減少，減幅分別達(dá)35.74%、27.60%；1980年以來，隨著城市規(guī)模的不斷擴張，河流衰減速度明顯加快，水系結(jié)構(gòu)趨于主干化和簡單化。太湖流域自1990年以來洪澇災(zāi)害趨勢日趨嚴(yán)重，同時，河網(wǎng)水系的快速衰減，也從整體上降低了流域的調(diào)蓄能力，加劇了流域的洪澇風(fēng)險，為此，水面率、河網(wǎng)密度等指標(biāo)作為與市政“大排水”相銜接的防洪系統(tǒng)重要的評估指標(biāo)，應(yīng)納入未來城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)規(guī)劃中，作為排水系統(tǒng)內(nèi)澇防治體系中衡量韌性的基本指標(biāo)之一。
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