南京純水探討城市水系統(tǒng)研究以及發(fā)展趨勢
【m.34dn.com南京純水設(shè)備】迄今為止，氮磷引發(fā)的水體富營養(yǎng)化及水生態(tài)健康惡化、合流制溢流污染控制等問題，并沒有取得徹底的有效解決；與此同時又出現(xiàn)了新問題和挑戰(zhàn)：新行微量污染物質(zhì)不斷被發(fā)現(xiàn)，凈水處理工藝面臨消毒困境，污水處理工藝對某些污染物質(zhì)處理效力有限等。
隨著環(huán)境分析技術(shù)及環(huán)境健康研究的深入，在水環(huán)境及飲用水源中不斷發(fā)現(xiàn)了“新”污染物質(zhì)，如持久性有機物、內(nèi)分泌干擾物、醫(yī)藥品及個人護理品等，這些污染物濃度低（以mg/L或ng/L計）、難以降解，具有環(huán)境持久性和生物累積性，南京工業(yè)純水處理設(shè)備對人類健康及生態(tài)系統(tǒng)存在潛在風(fēng)險，在研究領(lǐng)域引發(fā)普遍關(guān)注。這些污染物質(zhì)來源于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活，通過多種途徑進入水體和土壤環(huán)境，多數(shù)并不能被常規(guī)污水處理工藝有效去除，目前即便是深度處理工藝也對其去除效果有限且存在著較大差異。同樣地，給水處理工藝對部分這類新型微污染物質(zhì)不能有效去除，有報道一些污染物在給水廠出廠水中被檢出。
在凈水處理方面，人們發(fā)現(xiàn)替代氯的新消毒劑氯胺和臭氧同樣也有消毒副產(chǎn)物的問題，如NDMA和溴酸鹽等。即便河流中人工合成化合物的濃度很少能超過十億分之一的級別，但是難免會有某些人工合成化合物或天然有機物會與消毒劑發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生可能比其本身更加危險的誘變劑或者致癌物，威脅人類健康。而為徹底消除這些痕量污染化合物的影響，繼續(xù)在原有水系統(tǒng)框架下增加深度處理單元升級污水處理廠或凈水廠都將耗資巨大，一些研究者開始思考是否有必要重新考慮城市水系統(tǒng)的基本模式。
城市水系統(tǒng)研究進展
近些年在城市水系統(tǒng)的研究領(lǐng)域，具有創(chuàng)新意義的研究方向主要有以下方面。
1、可持續(xù)的污水處理系統(tǒng)
上世紀60年代美國提出了具有超前思維的“21世紀水廠”概念，即將污水處理標準提升至飲用水標準。1975年加州橙郡日處理量約39萬t的21世紀水廠開始運行，將傳統(tǒng)處理工藝的出水，再通過微濾+超濾+紫外消毒處理后注入地下含水層、實現(xiàn)間接飲用的目的。這一勇敢的嘗試對污水再生利用產(chǎn)生了深遠的影響。本世紀初新加坡也研發(fā)了傳統(tǒng)生物處理加雙膜法的工藝，生產(chǎn)的新生水“NEWater”能間接用于飲用水，計劃2030年NEWater能滿足50%以上的供水需求。
20年前歐洲提出了可持續(xù)污水處理的理念，提出污水處理的目標應(yīng)從簡單的削減污染物實現(xiàn)水質(zhì)達標向能源化資源化的可持續(xù)方向發(fā)展。2008年荷蘭應(yīng)用水研究基金會（STOWA）提出了“NEWs”（Nutrient + Energy + Water factories）一詞，表示可持續(xù)理念下的污水處理廠是營養(yǎng)物、能源和再生水三位一體的生產(chǎn)工廠；并研發(fā)了眾多引領(lǐng)世界的新技術(shù)，如厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥、反硝化除磷與磷回收等。因為磷作為資源的稀缺性和排入水體會造成富營養(yǎng)化的問題，目前磷的回收在荷蘭已經(jīng)較為普遍，除此外他們還在嘗試其他資源的回收，如回收纖維素加工成為修路材料的Geestmerambacht污水廠，回收海藻酸鹽胞外聚合物EPS的Zutphen污水廠，采用PHARIO（荷蘭語“PHA uit RIOolwater”的縮寫）技術(shù)生產(chǎn)生物塑料PHA（羥基脂肪酸酯）等。2013年Dokhaven污水處理廠碳中和率達到了115%，標志著其在能源回收方面也取得了較大進展。
2014年曲久輝院士等6位專家提出了“建設(shè)面向未來的中國污水處理概念廠”的新命題，其新目標分別為水質(zhì)可持續(xù)、能源回收、資源循環(huán)和環(huán)境友好等四方面。2015年座城市污水資源概念廠落戶宜興市，日處理規(guī)模2萬t，以“碳磷高效分離+主流厭氧氨氧化+精處理”為主體工藝。
2、以源分離為核心的生態(tài)排水系統(tǒng)
糞便和尿液約占到市政污水氮磷營養(yǎng)物質(zhì)總負荷的90%以上，近代以來的水系統(tǒng)將糞便、尿液和其他污水混合后處理排放，一般地仍有約20%的氮、5%的磷及90%的鉀最終流失在水體中，影響著水生態(tài)系統(tǒng)健康。南通純水處理設(shè)備同時阻斷了糞便和尿液中的營養(yǎng)物回歸土壤，特別是在污泥回用于農(nóng)田也受到限制的情形下，從而打破了氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的自然循環(huán)，而另一方面人類卻需要消耗礦物資源來合成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的化肥。
考慮到上述挑戰(zhàn)，20世紀末瑞典、德國、瑞士等國學(xué)者相繼提出以源分離為核心的生態(tài)排水系統(tǒng)，提出在居民住宅內(nèi)將糞/尿與生活雜排水分別收集后，再通過分散或組團式的物理或生態(tài)技術(shù)（如濕地）進行處理及資源和能量的回收利用。與傳統(tǒng)的統(tǒng)一收集、統(tǒng)一處理的模式相比，這種方式可有效地提高資源的回收效率，同時也便于回收資源就地回用于景觀環(huán)境（如圖5所示）。目前這種新型模式在技術(shù)及管理方面還有待于更進一步的研究和工程實踐。上文提到的古羅馬的水系統(tǒng)就是一種初級的源分離模式。
也有研究甚至提出新型馬桶，直接就地將人體排泄物轉(zhuǎn)化為干凈的水、能源和營養(yǎng)物質(zhì)，如1939年瑞典研制開發(fā)的室內(nèi)堆肥廁所、英國克蘭菲爾德大學(xué)的納米膜馬桶和“蓋茨馬桶”等。
3、新型生態(tài)系統(tǒng)處理技術(shù)
盡管基于物化生化原理的人工強化技術(shù)在不斷升級，但同時依賴于原始生態(tài)系統(tǒng)的處理技術(shù)也并沒有被摒棄，而是積極地應(yīng)用在某些特定的情景下，如空間比較充裕的地方。相對前者后者具有以下優(yōu)勢：低能耗、低成本、不需大量使用化學(xué)品、不會產(chǎn)生有害副產(chǎn)物；能有效去除絕大多數(shù)有機污染物、氮磷和金屬污染物；能較好地應(yīng)對沖擊負荷等。其不足主要是需要更多時間和空間，處理效果的穩(wěn)定性受到季節(jié)的影響；需要專業(yè)的設(shè)計和運行管理人員；需要考慮重金屬、有毒化學(xué)品對于土壤、地下水及生態(tài)系統(tǒng)的長期影響等。目前美國仍有約800多個慢速滲濾場、300多個城市快速滲濾系統(tǒng)和大約50個表面徑流處理系統(tǒng)等土地處理系統(tǒng)在運行。另外還有法國的馬克斯-普朗克學(xué)會流程（即4~5個表流及潛流濕地的串聯(lián)系統(tǒng)）和加拿大的“活機器”處理系統(tǒng)等。
4、組團化分散式的水系統(tǒng)布局模式
傳統(tǒng)城市水系統(tǒng)收集、輸送及處理模式的規(guī)模趨向于越來越大，主要考慮規(guī)模擴大的經(jīng)濟性，其次也有便于管理等方面的考慮。南京反滲透純水處理設(shè)備而從便于污水再生利用的角度出發(fā)，小規(guī)模的組團化、分散式的污水處理設(shè)施布局模式在整體的技術(shù)經(jīng)濟性、投資風(fēng)險控制等方面較大集中式的傳統(tǒng)布局模式表現(xiàn)出越來越明顯的優(yōu)勢，目前主要在水質(zhì)安全風(fēng)險控制、運行管理等方面還存在一些障礙。
城市水系統(tǒng)隨著城市社會經(jīng)濟及技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展，滿足了城市對水的各種功能需求。在工業(yè)文明的背景下，其發(fā)展的歷史是以集中式、大規(guī)模、以灰色基礎(chǔ)設(shè)施為主導(dǎo)的：服務(wù)范圍和設(shè)施規(guī)模不斷擴大，處理工程技術(shù)也不斷精細化復(fù)雜化，但是新問題新挑戰(zhàn)依然存在，這些問題促使我們對水系統(tǒng)有了更深入的認識：盡管科學(xué)進步使城市涉水學(xué)科各專業(yè)分工更細、更專業(yè)化，但是供排水始終是相互聯(lián)系、相互影響的，水問題也是相互交織而復(fù)雜的；水資源具有可再生性和稀缺性，而水環(huán)境容量和水處理效率都具有有限性；生態(tài)系統(tǒng)具有復(fù)雜性，污染物即便是在極低水平的濃度范圍、其對人類及生物健康的影響也可能是累積的、長期的、不可預(yù)見的等等。
展望城市水系統(tǒng)的未來，我們更加需要應(yīng)用系統(tǒng)思維來解決復(fù)雜的城市水問題：
（1）城市水循環(huán)系統(tǒng)除了考慮水資源、水環(huán)境、排水安全及水生態(tài)修復(fù)外，還需要考慮營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)及能量的流動；
（2）城市水系統(tǒng)的發(fā)展受到每個城市特定的水資源的條件、氣候水文以及社會經(jīng)濟發(fā)展水平等因素的影響，每個城市應(yīng)該都會有適合各自的優(yōu)化方案；
（3）城市水系統(tǒng)整體優(yōu)化解決方案不僅僅是給排水的工程措施，而需要與城市土地利用、景觀、建筑等整合在一起統(tǒng)籌考慮，意味著對傳統(tǒng)的模式、系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)都可能帶來創(chuàng)新，并建立相應(yīng)的集成的、可持續(xù)的管理措施。
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