轉載自：中國給水排水 作者： 劉智曉
摘要：氣候變化是人類發展面臨的威脅之一，面對極端降雨顯著增加和城市的不斷擴張，傳統城鎮排水系統的脆弱性日益凸顯，“碳中和、碳達峰”戰略背景下如何系統構建面向未來的可持續排水系統（SUDS），提升面對復雜外部擾動因素下排水系統的可靠性與韌性，是未來相當長時期排水系統規劃設計、建造與運行環節都要思考和面對的科學問題。針對傳統排水系統的系統性缺欠，就排水系統規劃設計建造過程中關鍵要素“水-能”關系、韌性設計、生態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準、極限脫氮及污水氯消毒給環境帶來的影響進行了分析，在此基礎上構建了包括六個維度、47項指標的可持續排水系統評估評價指標體系。
劉智曉（1972-），男，山東莒縣人，工學博士，教授級高工，北京首創生態環保集團技術總工，研究方向為可持續排水系統構建及“網-廠”協同控制技術與策略、極端天氣脅迫下韌性污水系統適應性設計及運行控制策略、高效低耗污水處理工藝技術開發與工程化應用。發表論文40余篇，授權專利15項，主持參與完成了超過300座水廠、污水廠的技術方案、技術審核與方案優化，項目建設及運營調試。在我國最早開展側流活性污泥工藝技術研究和工程化應用，實現10余座側流發酵S2EBPR低碳污水廠工程應用。
人類社會進入19世紀后，隨著人口膨脹和社會活動及工業的快速發展，對資源無節制攫取和加速消耗進一步加劇了對環境的破壞，尤其是溫室氣體的排放。根據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較前工業時代升高了0.61℃，《巴黎協定》旨在將全球地表平均氣溫升高幅度相對于工業化前水平限制在2℃以內。進一步削減溫室氣體排放（GHG），并盡快實現“碳達峰、碳中和”，成為人類社會未來實現可持續發展的必然選擇。據IPCC和美國環保署（USEPA）進一步的數據，污水處理過程直接貢獻了全球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，加之近些年來我國城市化進程的加速，城市水面率的縮減伴隨不透水面積快速擴張，多因素脅迫下城鎮內澇和洪水引發的災害事件頻發，對社會和經濟造成了巨大損失。因此，無論是從溫室氣體排放控制層面，還是應對極端降雨等方面都需要在排水系統規劃設計、建設與運維等各個環節主動采用氣候適應性策略，重新評估城鎮排水系統全流程各個鏈條及節點，系統構建面向未來具有可靠性、韌性與可持續為基本特征的城市韌性排水系統，已成為我國城鎮排水系統當務之急和未來健康發展的必然選擇.
傳統城鎮排水系統主要是基于滿足人們生活、生產過程的衛生需求，實現雨水/污水收集、集中處理或快速排放，并保持受納水體水質標準不退化為基本特征，主要解決和滿足對“量”與“質”的兩個維度需求，因此，傳統排水系統不可避免地呈現了過度依賴灰色基礎設施導致的系統龐大，面對外界擾動總體呈現剛性、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性缺欠。與此同時，令人擔憂的是，過于集中式建設大規模污水系統在各地似乎成為“時尚”，不少城市規劃、建設（遷建）的污水廠有愈加集中、規模愈加龐大的趨勢，“大流量、大轉輸”成為常態，且往往疊加地下式建設模式，使得風險過度集中，與可持續理念、 “碳中和”戰略及“韌性城市”的理念相違背，其原因分析如下：
①集中建設大規模污水處理系統具有較大的系統風險性，適度分散的污水處理系統不但提升了整個城市的排水系統總體韌性與可靠性，同時也有利于高品質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多次提升及截污干管的工程量，避免了再生水遠距離泵送導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的布局及對再生水回用影響比較
②從水質安全性、可靠性角度考慮，集中式污水系統一旦出現系統性故障(突發性斷電、洪水淹沒、水質不達標等)，短時內難于恢復，將導致大量污染物的短時集中式排放，對水環境造成嚴重的甚至短期內難于恢復的污染。③全地下污水廠往往采取整個箱體建設，未來進一步提標改造和擴容的難度都會大幅增加，且在應對極端降雨時被淹風險遠高于地上模式，一旦被淹對整個排水系統可靠性都是災難性影響；此外，綜合影響評價結果顯示，地下式污水處理廠在環境影響、基建投資、生態效益三方面的綜合負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生一定的生態效益,但這并不能"中和"其環境影響以及基建投資所產生的負面效益。基于以上幾個方面，從系統穩定性、可靠性及水質風險等維度上講，建設大規模的污水系統實際上是不可持續的；從投資及后期運維等角度分析，規劃建設大規模集中式污水廠與“雙碳”戰略理念也是相違背的。此外，在地表水流向組織方面，集中式排水系統主要是人工強化水平流為主，旨在實現快速的排除；而分散式排水系統更多的是以基于自然的垂直流向及分散式調蓄為主，如各種形式的自然滲濾、蒸發，以及在線或離線的自然水體或人工調蓄設施等過程。因此，無論是從超大排水系統風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合的基礎設施在應對洪澇災害、減少溢流量等方面相對單純的集中式系統更具韌性。
2.1城市尺度上的“水-能”關系構建
水與能互相關聯，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，因為幾乎所有的能源生產技術，如核能、熱電、水力發電，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、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。據統計，水系統能耗及GHG排放是城鎮總電能消耗量及GHG排放量的重要來源，根據美國EPA統計數據，水系統用電量占全社會用電的3%～4%；美國城鎮水務板塊GHG排放貢獻率占全社會GHG的5%，這個指標在英國則更高。現代城市水系統架構下的“水-能”關系賦予了未來城鎮水系統規劃嶄新的視角和維度，“雙碳”背景下統籌“水-能關系”來系統構建城鎮水系統尤其是排水系統規劃將更具現實意義。
圖2所示給出了北京2015年水系統水量與能耗分配關系桑基圖，可以評估城市“水足跡”過程及能量消耗，在城市尺度上系統評估和多目標優化“水-能”關系，通過水系統全流程過程系統規劃、聚焦水循環每個鏈條，進行傳統工藝改進、高效設備及革新性工藝技術應用，尤其是對排水系統結構優化進而提升系統能源利用效率，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措施，進一步降低水系統能耗和溫室氣體排放，對于提升水系統韌性及可持續至關重要。
圖2 北京市2015年城市水系統“水-能”關系桑基圖
2.2 污水能量回收潛力
傳統污水處理過程的電耗主要用于污染物的氧化、分離和去除，傳統的污水處理是通過“以能消能”的方式將污染物礦化或進行污染物轉化（菌體及生物量）等，如進水中COD大部分被好氧轉化為CO2，一部分以剩余污泥等方式排除系統，小部分被厭氧消化過程轉化為甲烷。實際上，污水中所蘊含的巨大“能量”遠未被提取和回收利用，其中主要是熱能和化學能，熱能主要源于末端用戶用水過程的戶內加熱，這是整個水循環過程中耗能最高且已被忽略的能量回收環節，據研究，污水中熱能蘊含量則是化學能的數倍；化學能存在形式則主要是用水過程排放到污水中的有機質潛能。污水中理論最大有機化學能是指污水所含COD全部被提取并甲烷化，對于污水中蘊含的化學能，國外很多研究者進行了不同角度的研究及定量評估，市政污水廠進水COD通常在430～500 mg/L，其蘊含的化學能為1.66～1.93 kW·h/m3；當COD為800～1 000 mg/L時，化學潛能達到3.09～3.86 kW·h/m3。需要說明的是，傳統“初沉污泥+剩余活性污泥”路徑只能實現一部分COD的能源化，還有相當一部分COD通過“以能耗能”的過程被去除；因此，近些年出現了一些革新的“碳捕獲”及“碳改向”技術以將進水COD轉向能源化，如高負荷活性污泥、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，聚焦整個排水系統、提升排水系統對污染物的收集率，做到“應收盡收”，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”技術實現污水中“碳轉向”能源化途徑、減少或避開對“以能耗能”傳統技術路徑的依賴，“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水有機化學能并通過污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情況下，通過工藝改進、節能設備與運行優化控制等綜合性技術措施，污水廠從2011年開始就實現了能量中和，平均能量自給率為153%，成為名副其實的“電廠” 。
相對于化學能，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38%的熱能轉化（1.77 kW·h/m3，COP=3.5）和25%冷能轉化（1.18 kW·h/m3，COP=4.8），從數值上看，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，借鑒發達國家的成功案例，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。
受極端氣候及超標降雨、建成區不透水面積日益增加等多重風險脅迫，傳統市政供排水系統應對風險能力明顯不足，系統受破壞程度嚴重及后期性能恢復緩慢，凸顯系統脆弱性，應對這種不確定性，韌性規劃應成為未來可持續城鎮排水系統構建的核心事項。過度依賴單一的工程措施往往不能滿足或者平衡系統的可靠性與韌性，可行的解決方案是在基于城市級流域規劃尺度上，從涉水基礎設施及系統要素配置上，著眼系統結構、功能與性能等維度上提升可靠性與韌性，系統構建“藍-綠-灰”交織、“微-小-大”排水協同的“3M”串級流量控制系統，通過系統性組合措施或者策略，有效提高城鎮排水系統的可靠性與韌性。
3.1適宜水面率與水系連通性
河網調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、水淀區被掩埋甚至完全消失，導致城市水面率大幅減少，河網、水系發育及演變也表現出由復雜到簡單、由多元到單一的變化趨勢。世界范圍內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，這種演變無疑還會加劇洪澇災害、水質惡化等問題。借助河道容蓄指標與水系結構參數的相關關系分析河網結構對調蓄能力的影響，常用的水系變化指標包括數量特征參數和復雜性參數，選取河網密度（Rd）、水面率（WP）描述水系的數量特征，河網盒維數描述水系的復雜性特征，各指標計算方法及內涵見表1。
表1 河網水系指標的定義
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。據研究，太湖平原地區自1960年—2010年以來，該地區線狀與面狀水系均不斷減少，減幅分別達35.74%、27.60%；1980年以來，隨著城市規模的不斷擴張，河流衰減速度明顯加快，水系結構趨于主干化和簡單化。太湖流域自1990年以來洪澇災害趨勢日趨嚴重，同時，河網水系的快速衰減，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，水面率、河網密度等指標作為與市政“大排水”相銜接的防洪系統重要的評估指標，應納入未來城鎮排水系統規劃中，作為排水系統內澇防治體系中衡量韌性的基本指標之一。
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