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(tuán)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(jì)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。
01 排水系統(tǒng)集中與分散的選擇
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。
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。
02 “水-能”關(guān)系的重構(gòu)
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。
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。
03 系統(tǒng)可靠性與韌性
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。
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。
3.2 排水系統(tǒng)的功能脆弱性
在面對超標(biāo)或極端降雨等不確定性事件時，國內(nèi)排水系統(tǒng)往往在管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點或末端出現(xiàn)突發(fā)性的風(fēng)險集中釋放，給社會造成了極大損害；與此同時，排水系統(tǒng)以CSO或外滲等形式排放到水環(huán)境的污染物又易被忽略。實際上，這是由設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、施工及安裝質(zhì)量、后期運維及應(yīng)急保障策略等多環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題共同導(dǎo)致的。通過對歐美一些典型城市排水系統(tǒng)的調(diào)研，并對比國內(nèi)排水系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)有若干共性問題比較突出，這些問題在新項目中依然存在，這極大削弱了灰色基礎(chǔ)設(shè)施在排澇防洪、抵抗自然災(zāi)害的可靠性，目前亟待關(guān)注或須解決的問題主要表現(xiàn)在以下幾方面：
①管網(wǎng)系統(tǒng)流量可控性差
國外的研究和實際案例表明，基于整個排水系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合管網(wǎng)水力模擬等手段，選擇在管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點處設(shè)置流量控制設(shè)備，通過布局策略、具體安裝數(shù)量和位置優(yōu)化，可以實現(xiàn)雨季對管網(wǎng)在線調(diào)蓄能力的充分利用，并實時減少CSO及下游管網(wǎng)的流量壓力，見圖3。我國室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)缺少在城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)適當(dāng)位置設(shè)置流量控制調(diào)節(jié)設(shè)施、設(shè)備等方面的具體技術(shù)要求或建議，因此，實際項目設(shè)計往往沒有考慮對排水系統(tǒng)流量主動控制與優(yōu)化分配的必要性，導(dǎo)致暴雨期間無法實現(xiàn)對整個排水管網(wǎng)不同位置或區(qū)域的下泄流量和流速的有效控制，以及短時下游管網(wǎng)承受來自上游管網(wǎng)超量的流量沖擊進(jìn)而使得下游排水區(qū)域的排水不暢、內(nèi)澇及CSO等現(xiàn)象，甚至在管網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)突發(fā)性的滿溢和洪澇災(zāi)害；同時，由于管網(wǎng)中缺乏FCDs，不能充分發(fā)揮管網(wǎng)應(yīng)有的在線調(diào)蓄能力，對末端流量控制易造成瞬時沖擊和壓力。實際上，分布式的流量控制設(shè)備相對大規(guī)模灰色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)更加經(jīng)濟(jì)、易于實施、可持續(xù)，因此，改進(jìn)傳統(tǒng)排水管網(wǎng)被動接收的排水模式，通過設(shè)置必要的在線流量控制裝置實現(xiàn)排水系統(tǒng)峰值流量管控，向“空間”換“時間”的主動控制方向轉(zhuǎn)變，對于增加汛期排洪防澇的靈活性、提升排水系統(tǒng)韌性和可靠性等方面至關(guān)重要。
②“廠-池-站-網(wǎng)”系統(tǒng)匹配性問題
由于歷史原因，我國城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)性規(guī)劃與設(shè)計，加之快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程，已建成排水系統(tǒng)在應(yīng)對日益增多的極端天氣的沖擊時呈現(xiàn)以下問題導(dǎo)致系統(tǒng)總體呈剛性，韌性卻嚴(yán)重不足。
a.排水系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)過度依賴灰色基礎(chǔ)設(shè)施，對“源-網(wǎng)-站（池）-廠-河”作為一個整體缺乏系統(tǒng)性考慮，尤其是對設(shè)施或單元相互間的匹配性和協(xié)同性等方面重視不夠，如污水廠、調(diào)蓄池、泵站、管網(wǎng)等排水系統(tǒng)主要設(shè)施建設(shè)時具有時空差異性，彼此間傳輸、調(diào)蓄、處理能力不能有效協(xié)同，局部單元存在硬件設(shè)施上的技術(shù)缺欠或者能力瓶頸，導(dǎo)致城市排水系統(tǒng)難以發(fā)揮其設(shè)計功能，各個單元低效運行甚至嚴(yán)重偏離設(shè)計工況，這部分灰色基礎(chǔ)設(shè)施投資沒有發(fā)揮應(yīng)有作用。
b.硬件設(shè)施上的欠缺和能力上的不匹配可以通過后期更新、改造予以糾正或彌補，但我國多數(shù)城市排水系統(tǒng)缺乏有效的實時控制系統(tǒng)（Real-time control, RTC），排水輸送鏈條長尤其是涉及“廠-池-站-網(wǎng)”多功能單元協(xié)同時，缺乏有效的實時在線模擬、監(jiān)測、控制及系統(tǒng)優(yōu)化，這對于多重、多目標(biāo)復(fù)雜系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運行是不可想象的，RTC對灰色基礎(chǔ)設(shè)施的“加持”不但可以發(fā)揮“源頭-中途-末端“整個排水系統(tǒng)的潛能，在獲得同樣效果前提下，可以有效降低灰色基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)規(guī)模。在未來極端降雨事件愈加增多且水環(huán)境質(zhì)量改善日益提升的雙重約束下，過往經(jīng)驗主義基礎(chǔ)上的人工調(diào)度顯然已經(jīng)不能滿足提升系統(tǒng)整體運行可靠性、挖潛和提升系統(tǒng)效能的基本需求，RTC與灰色基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)合是目前排水系統(tǒng)提升可靠性與彈性的必經(jīng)之路。
③外來水入侵引發(fā)的系列環(huán)境問題
“外來水”（入滲、入流等）入侵是我國大多數(shù)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)面臨的棘手問題，目前業(yè)內(nèi)關(guān)注的主要問題是來源復(fù)雜的“外來水”引發(fā)的污水在管網(wǎng)內(nèi)沉積及在線降解及濃度稀釋問題，污水廠進(jìn)水濃度偏低實際上是我國大多數(shù)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)運行效能低效的一個綜合性指標(biāo)體現(xiàn)。系統(tǒng)梳理污水管網(wǎng)運行水位與城市水體水位、淺層地下水位的相互影響，“擠外水“應(yīng)該是目前排水系統(tǒng)完善工作的首選項，同時強化管道質(zhì)量的系統(tǒng)診斷和結(jié)構(gòu)及功能性缺陷修復(fù)，這樣可以有效收集污染物并及時快速地輸送至城鎮(zhèn)污水處理廠，有效避免污水管網(wǎng)長期高水位、污水長期低流速運行導(dǎo)致的顆粒物在管道內(nèi)沉積、城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水污染物濃度持續(xù)偏低等引發(fā)的綜合性環(huán)境問題，新形勢下，這方面尚有若干科學(xué)問題需要關(guān)注與研究。
a.從物料衡算角度分析排水系統(tǒng)的總污染物負(fù)荷的去向，以科學(xué)評估現(xiàn)有排水系統(tǒng)及污水處理廠的綜合績效。根據(jù)長江流域南方某市對排水系統(tǒng)現(xiàn)狀全年污染物分配的分析結(jié)果，城市產(chǎn)生的污染物總量去向分配如下：約4.4%的污染物由于管網(wǎng)漏損直接排放；約20.5%的污染物在管網(wǎng)中形成沉積；旱季與雨季污染物直排量約25.5%；雨季溢流污染物約21.6%，另有4.1%的污染物進(jìn)入在線處理設(shè)施處理，全年只有約23.9%的污染物進(jìn)入污水處理廠進(jìn)行處理。
b.基于上述污染物去向解析數(shù)據(jù)，可以看出相當(dāng)一部分污染物并沒有進(jìn)入污水廠被處理，而是進(jìn)入水環(huán)境或管網(wǎng)在線降解。由于這部分污染物的降解大都是發(fā)生在厭氧條件下，因而會釋放大量的甲烷等溫室氣體，因此，“雙碳”背景下，對排水系統(tǒng)全流程溫室氣體排放進(jìn)行科學(xué)評估將會非常必要。
c.傳統(tǒng)及微量有毒污染物或新興污染物的去向解析及其生態(tài)毒性問題，基于上述描述，城鎮(zhèn)污染物相當(dāng)一部分通過CSO或直排進(jìn)入受納水體，這部分污染物尤其是新興污染物對水環(huán)境、水生態(tài)的短期和長期影響需要持續(xù)性跟蹤研究。Phillips等對美國佛蒙特州CSO的觀測研究顯示，CSO排放量雖然只占污水廠排放量的10%，但是排放到水體的新興污染物CSO貢獻(xiàn)輸入量比例達(dá)到40%~90%；國內(nèi)也有學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究，Zhao等對深圳茅洲河流域的水質(zhì)分析表明，降雨期間茅洲河水中97.3%的羥基苯甲酸酯類化學(xué)污染物是通過CSO貢獻(xiàn)的。由此可見，降雨期間新興污染物通過CSO快速大量排放受納水體，對水環(huán)境的威脅和破壞是非常嚴(yán)重的，很多情況下通過CSO輸入水體的新興污染物比污水廠尾水排放挾帶的新興污染物貢獻(xiàn)度要高。因此，從水環(huán)境水質(zhì)風(fēng)險控制的系統(tǒng)性改進(jìn)策略來看，提升對雨季超量混合污水的處理減少CSO量及頻次，削減這部分被“忽略”的污染物比單純通過提高污水廠排放標(biāo)準(zhǔn)來提升受納水體水質(zhì)更務(wù)實且意義深遠(yuǎn)。
3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向韌性轉(zhuǎn)變
面對極端天氣引發(fā)的暴雨、洪澇災(zāi)害及不確定性情況日益增加的現(xiàn)實，排水系統(tǒng)規(guī)劃需要實現(xiàn)由過去的剛性向系統(tǒng)靈活性、抗沖擊性和適應(yīng)性轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)剛性必然帶來功能的脆弱性。未來城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)面臨的核心挑戰(zhàn)是以“源-網(wǎng)-廠”為實施單元強化汛期峰值流量管控，突破傳統(tǒng)模式束縛，在排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能兩個維度上實現(xiàn)由系統(tǒng)“剛性”向系統(tǒng)“韌性”的轉(zhuǎn)變及效能提升。
① 管網(wǎng)系統(tǒng)韌性
傳統(tǒng)的集中式調(diào)度規(guī)則在應(yīng)對未來極端天氣日益增加的情勢凸顯脆弱性和風(fēng)險集中性，鑒于我國城市規(guī)模及排水系統(tǒng)覆蓋范圍往往更大，在市級流域尺度實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度難度大，也不必要，故提出建設(shè)基于以相對獨立排水片區(qū)為基本控制單元的分布式實時控制系統(tǒng)（Distributed Real-time Control, DRTC）控制，整個城區(qū)實現(xiàn)眾多DRTC控制下“組團(tuán)式”、集中監(jiān)測、分散控制的分散與集中相結(jié)合的系統(tǒng)控制架構(gòu)。
DRTC在我國的適用性體現(xiàn)在以下幾方面：a.中國城市規(guī)模大及擴張速度快，不同時期建設(shè)的排水系統(tǒng)建設(shè)等級及設(shè)備配置差異大，以城市級流域為尺度進(jìn)行排水系統(tǒng)優(yōu)化實時控制存在空間上的難度；b.以獨立的排水片區(qū)作為RTC的控制基本單位，在線監(jiān)測儀器、流量及液位控制設(shè)備安裝數(shù)量及點位相對較少，涉及的控制規(guī)則或算法簡單，總體易于靈活調(diào)度，整個城區(qū)實現(xiàn)由分布式的多個獨立的DRTC控制單元組成的全域RTC系統(tǒng)，不同的DRTC之間設(shè)施及功能獨立，但彼此間通過數(shù)據(jù)互通相互協(xié)同，統(tǒng)一由總RTC系統(tǒng)根據(jù)水系統(tǒng)模型模擬或者調(diào)度規(guī)則發(fā)出操作指令；c.從水文、水力學(xué)角度分析，獨立排水區(qū)域的水文特征、降雨特征變化較小，一個排水片區(qū)發(fā)生設(shè)備或控制系統(tǒng)故障不會對其他片區(qū)的控制產(chǎn)生直接影響，將系統(tǒng)性風(fēng)險分散化，實現(xiàn)控制方式及調(diào)度模式的靈活選擇，避免風(fēng)險集中聚集和釋放，進(jìn)而總體上提升系統(tǒng)韌性。
排水管網(wǎng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上對氣候變化的適應(yīng)性技術(shù)措施，還要考慮汛期不同片區(qū)之間的水力連通以提高應(yīng)急水量的轉(zhuǎn)輸能力，這是提升整個城區(qū)汛期排水系統(tǒng)可靠性與韌性的關(guān)鍵技術(shù)措施，尤其是應(yīng)對暴雨時，在不同排水片區(qū)之間的關(guān)鍵線路上設(shè)置連通管，優(yōu)先考慮重力流轉(zhuǎn)輸；其次通過提升泵站和相鄰片區(qū)主干管的水力連通，在暴雨季節(jié)實現(xiàn)“過載”區(qū)域的水量向能力富余排水區(qū)域的水量轉(zhuǎn)輸，實現(xiàn)不同排水片區(qū)的水量聯(lián)合調(diào)度，這對于提升整個城區(qū)排水系統(tǒng)的運行效率及設(shè)施設(shè)備的利用率，降低城區(qū)內(nèi)澇改善水環(huán)境都是非常必要的。
② 處理單元設(shè)計靈活性
污水廠作為排水系統(tǒng)的末端和“兜底”單元，在處理單元的韌性設(shè)計、工藝選擇等方面更要凸顯對氣候變化的主動適應(yīng)。
在污水廠規(guī)劃布局上，傳統(tǒng)的污水廠按照規(guī)模分為平行獨立的若干系列；或根據(jù)水量增長情況進(jìn)行分期建設(shè)，分期建設(shè)也是在規(guī)劃預(yù)留用地或新征用地內(nèi)設(shè)計，也是按照新增規(guī)模進(jìn)行系列劃分。這種傳統(tǒng)的污水處理單元布局存在的主要問題是每個系列是在總圖上完全獨立，存在浪費有限土地資源的問題；同時，由于系列劃分導(dǎo)致單體處理規(guī)模過大，實際投運后來水量與設(shè)施處理能力不匹配，往往出現(xiàn)“大馬拉小車”的問題，導(dǎo)致運行工況嚴(yán)重偏離設(shè)計參數(shù)，運行和投資都是低效的。建議采取如下改進(jìn)和適應(yīng)性策略：a.“搭積木”式拼裝理念。面向未來污水廠在基于氣候適應(yīng)性設(shè)計時，Daigger提出采用“構(gòu)建塊”方法，以“積木”式或者“模塊和拼裝化”設(shè)計理念應(yīng)對未來處理能力快速增長的預(yù)期，這種設(shè)計構(gòu)型的優(yōu)勢在于污水處理系列拼裝式集約化設(shè)計，不同系列存在共用的工藝單元（如配水渠道）、池壁等土建結(jié)構(gòu)或者空間，未來水量增長擴容便捷，一期、二期、三期擴容或者提標(biāo)改造只需要“搭積木”式擴建或新增處理單元，不同分期構(gòu)筑物總圖布置實現(xiàn)平面“無縫對接”。b.模組化設(shè)計。處理單元的設(shè)計尤其是生化系統(tǒng)池型的選擇，要考慮未來新技術(shù)應(yīng)用時對現(xiàn)有池體的利用，采用小水量的模組化設(shè)計。這種模組化取代了傳統(tǒng)的“系列”設(shè)計理念，在應(yīng)對未來極端氣候條件下污水廠進(jìn)水量變化時可體現(xiàn)出較好的適應(yīng)性和匹配性，對高水力負(fù)荷沖擊有較強的韌性；同時這種“模組化”設(shè)計更加節(jié)約用地，無需浪費土地資源，不同模組之間共享池壁，也可節(jié)省土建投資，降低碳排放；由于多模組化單元，每個獨立單元運行、維護(hù)維修互不干擾，單一單元檢修對處理能力的影響有限；c.前瞻性設(shè)計。工藝前瞻性設(shè)計的基本理念來源于蘇伊士水務(wù)工程，從設(shè)計之初就充分考慮未來污水廠提標(biāo)改造或者擴容，在工藝選擇和池型設(shè)計上嵌入彈性，未來水質(zhì)提升或者擴容無需大拆大建，只需經(jīng)過簡單調(diào)整或微改造即可實現(xiàn)新的目標(biāo)。如前期設(shè)計深度處理直接采用Denifor V型濾池，前期按砂濾運行，在要求進(jìn)一步脫氮時，只需更換濾頭、濾料，調(diào)整運行程序，即成為反硝化深床濾池。
③ 廠內(nèi)峰值流量處理
城市規(guī)劃需要管理的核心事項是各種要素的峰值管理，對于城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)，就是實現(xiàn)峰值流量的有效調(diào)控。在應(yīng)對未來極端天氣及外界不確定性干擾日益增多的現(xiàn)實情況下，除了處理單元可采用靈活、柔性模組化設(shè)計理念外，處理能力也要匹配管網(wǎng)收集能力及截流干管的截流倍數(shù)，處理工藝的選擇和細(xì)節(jié)設(shè)計也要能有效應(yīng)對和處理峰值流量，要具有雨季和旱季兩種運行模式的切換功能，要考慮旱季、雨季不同水量和水質(zhì)特性，盡最大能力承接并處理雨季超量混合污水，以有效減少內(nèi)澇及CSO發(fā)生、減少雨季未經(jīng)有效處理的污染物排放受納水體的輸入量。污水廠處理能力與收集能力不匹配，污水廠不具有雨季超量處理能力，這是受納水體黑臭的關(guān)鍵和癥結(jié)所在。歐美污水廠雨季處理能力（AWWF）通常為旱季平均流量（ADWF）的2～8倍，汛期生化工藝通常可以承受2～3倍干季流量，其余通過旁路處理設(shè)施，這樣就充分保障了汛期高水力負(fù)荷沖擊下污水廠的處理能力不是整個排水系統(tǒng)的“瓶頸”，進(jìn)而最大程度上減少了CSO并提升了排水系統(tǒng)的總體韌性。
傳統(tǒng)活性污泥工藝主要受生物池MLSS濃度及二沉池固體負(fù)荷影響，國內(nèi)很多污水廠生化池MLSS濃度高達(dá)4000～8000mg/L，導(dǎo)致雨季處理能力水力負(fù)荷的提升潛力有限，為此，可采取以下應(yīng)對和解決方案：
a.MLSS轉(zhuǎn)輸離線儲存模式。即將生物池MLSS轉(zhuǎn)輸?shù)絺?cè)流生物池進(jìn)行“離線儲存”，雨季降低主曝氣池的MLSS濃度，進(jìn)而在保持二沉池原固體負(fù)荷不變的情況下可快速提升水力負(fù)荷，以回流污泥RAS形式被轉(zhuǎn)運并儲存在側(cè)流生物池內(nèi)的活性污泥，通過好氧/缺氧過程活性得到進(jìn)一步強化后再回流到生物首端。實踐證明，這種解決方案在保證不提高二沉池固體負(fù)荷情況下可以提升雨季處理能力100%，同時由于側(cè)流活性污泥發(fā)酵工藝的應(yīng)用強化了生物脫氮除磷。類似做法還有分點進(jìn)水方式，已在紐約數(shù)座污水廠應(yīng)用于汛期污水廠的峰值流量處理。
b.旁路化學(xué)一級強化或高速過濾、高速澄清等工藝。采用MLSS轉(zhuǎn)輸離線儲存模式工藝的主要優(yōu)勢是設(shè)施占地小，啟動快；不足是旱季設(shè)備閑置，同時對COD、NH3-N等指標(biāo)的去除效果有限。因此，結(jié)合活性污泥快速絮凝吸附的高效沉淀分離工藝得到開發(fā)與應(yīng)用。由于采用化學(xué)旁路處理超量混合污水，因此出水往往不能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002），建議審批第二排放口；同時建議出臺雨季排放標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)政策，鼓勵汛期污水廠多處理污水，降低管網(wǎng)中途CSO及廠前溢流。
04 生物多樣性與環(huán)境可持續(xù)性
4.1 生態(tài)水文與生物多樣性
傳統(tǒng)城市排水系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計與實施環(huán)節(jié)可歸結(jié)為“水量”和“水質(zhì)”兩個維度，缺乏跨學(xué)科性且統(tǒng)籌不足，因此在規(guī)劃設(shè)計中融入生態(tài)水文措施可以彌補傳統(tǒng)排水設(shè)施的剛性缺欠。近年來，在“海綿城市”理念引領(lǐng)下，一些基于自然的解決方案（Nature-based solutions ,NBS) 得到應(yīng)用。盡管NBS是為特定目的而設(shè)計的(如城市排水)，但它可以同時提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，如雨水自然處理和滲濾、蒸發(fā)和生物多樣性保持等。通過對近些年的一些實踐案例調(diào)研發(fā)現(xiàn)，個別具有“生態(tài)”特征的綠色基礎(chǔ)設(shè)施項目，從“現(xiàn)代生態(tài)水文學(xué)”角度來評價，則會發(fā)現(xiàn)其在城市水文、生物多樣性及水生態(tài)服務(wù)等維度上缺乏系統(tǒng)性統(tǒng)籌，因此，應(yīng)從排水系統(tǒng)或者全域水資源系統(tǒng)管理角度，充分考慮水的社會循環(huán)擾動對自然水文及生物多樣性的影響。城市級流域尺度上水系統(tǒng)不同要素之間的關(guān)聯(lián)及相互作用關(guān)系見圖4。
實際上，生物多樣性及維系健康的城市水文也應(yīng)是未來城鎮(zhèn)可持續(xù)排水系統(tǒng)構(gòu)建必須遵循的基本原則。城市水系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計和實施需遵循的生態(tài)水文學(xué)原則：①水文學(xué)原則。在流域尺度上整合對水和生物群相互作用，以識別可持續(xù)水、經(jīng)濟(jì)和社會面臨的威脅和機遇，在流域尺度上建立量化水循環(huán)-生態(tài)過程、識別“水-溫度-營養(yǎng)物”對于陸地和淡水生態(tài)系統(tǒng)的驅(qū)動力以及確定對水生態(tài)、水文影響的生物因素和非生物因素。②生態(tài)學(xué)原則。考慮到流域水文循環(huán)的特殊性，構(gòu)建滿足生物多樣性、生態(tài)服務(wù)需求下的生態(tài)結(jié)構(gòu)，從保護(hù)、恢復(fù)和管理等方面制定水視角下流域管理的綜合規(guī)劃。③生態(tài)工程原則。基于上述兩原則，在水質(zhì)和水量兩個層面上充分考慮、適度規(guī)劃、系統(tǒng)構(gòu)建統(tǒng)籌水質(zhì)提升、滿足生物多樣性、及生態(tài)服務(wù)的低投資及低運行成本的近自然解決方案。波蘭羅茲大學(xué)PAWE?等城市可持續(xù)城市排水系統(tǒng)及城市水資源管理方面提出了基于水（Water）、生物多樣（Biodiversity）、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（Ecosystem Services）、系統(tǒng)韌性(Resilience)、文化與教育(Culture and Education)等維度上的系統(tǒng)框架，即基于生態(tài)水文視角下可持續(xù)城鎮(zhèn)水系統(tǒng)規(guī)劃“WBSRC ”原則，這為未來可持續(xù)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)規(guī)劃提供了一個多維度的系統(tǒng)性框架，需要強調(diào)的是，在“WBSRC”理念下，城市排水系統(tǒng)構(gòu)建尤其是在重視區(qū)域健康水文循環(huán)基礎(chǔ)上提高生物多樣性，同時注重在水循環(huán)各個環(huán)節(jié)減少各類化學(xué)藥劑的投加；并避免工程措施出現(xiàn)碎片化的生物群落，不但不能保證生物多樣性，往往被忽視甚至在“ 生態(tài)化” 改造進(jìn)程中被破壞。
4.2 排放標(biāo)準(zhǔn)與革新性處理工藝
可持續(xù)排水系統(tǒng)聚焦于“源-網(wǎng)-廠-河“全流程低碳，作為排水系統(tǒng)末端“兜底”的污水廠，傳統(tǒng)工業(yè)化時代思維模式下的污水系統(tǒng)設(shè)計理念往往在單一維度上追求高排放標(biāo)準(zhǔn)甚至極限排放標(biāo)準(zhǔn)，但卻忽視了大環(huán)境尺度下的生態(tài)協(xié)同性的系統(tǒng)性思維。“碳中和”背景下，要系統(tǒng)性評估污水排放標(biāo)準(zhǔn)過高的提升必要性、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境可持續(xù)性，一味追求高標(biāo)準(zhǔn)排放可能會因?qū)е赂叩腉HG排放而抵消水質(zhì)提升對環(huán)境的總體收益。Neethling等以10mgd(1mgd= 3785m3)污水廠為例，研究了不同等級排放標(biāo)準(zhǔn)與GHG的關(guān)系，結(jié)果見圖5。
隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，出水藻類生成勢快速降低，但污水廠總的GHG排放量也隨之快速提高，尤其是執(zhí)行TN=6mg/L以上標(biāo)準(zhǔn)時，GHG排放會使指數(shù)升高。也就是說污水行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)提高意味著碳增量的快速抬升，排放標(biāo)準(zhǔn)越高，處理工藝復(fù)雜冗長導(dǎo)致的初期基建投資、運行過程電耗、藥劑和材料都將大幅提升。Cardenes等對英格蘭東南部六個最大污水處理廠的運行數(shù)據(jù)分析表明，為了滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，這些處理廠的能源消耗在過去五年中翻了一番，據(jù)預(yù)測如果都要提標(biāo)，全英較大規(guī)模污水廠GHG排放量將會增加（1.3～2.3）×108t。另一方面，由于國內(nèi)環(huán)保執(zhí)法采用瞬時值，排放標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)本身嚴(yán)格（“準(zhǔn)Ⅳ”、“準(zhǔn)Ⅲ”類等），設(shè)計和運維環(huán)節(jié)不得不增加了“冗余”或者“安全度”方面的考慮，因此近些年新的高標(biāo)準(zhǔn)項目往往采用了膜分離、高劑量的O3氧化甚至催化氧化等工藝，這些處理環(huán)節(jié)進(jìn)一步大幅度提高了處理能耗及各種藥耗。以北京污水處理廠執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 11/890—2012）實施提標(biāo)改造為例，由GB 18918—2002的一級B/A提標(biāo)到DB 11/890—2012，在原有工藝基礎(chǔ)上需要增加再生水深度處理系統(tǒng)和脫色消毒系統(tǒng)。經(jīng)調(diào)研，再生水廠改造后電耗較改造前增加55%～100%，其中采用膜工藝、紫外消毒工藝的再生水廠電耗增加量較高，約為100%；采用砂濾、濾布濾池、次氯酸鈉消毒工藝的再生水廠電耗增加量略低，約為55%。
如何制定未來排放標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，如何平衡水環(huán)境質(zhì)量改善與溫室氣體排放之間的關(guān)系，如何響應(yīng)“碳中和”戰(zhàn)略、“碳減排”策略，是流域治理、區(qū)域排水系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計環(huán)節(jié)必須要考慮的重大問題。
除了對排放標(biāo)準(zhǔn)可持續(xù)性的反思，還對一些革新性污水處理工藝（如主流厭氧氨氧化、側(cè)流厭氧氨氧化等）的GHG排放特征進(jìn)行了分析和評估，發(fā)現(xiàn)采用厭氧氨氧化工藝并實現(xiàn)“電中和”的污水廠，可能并沒有實現(xiàn)“碳中和”。如果不能解決厭氧氨氧化過程中N2O的排放問題，標(biāo)榜“環(huán)境友好”的污水廠其環(huán)境可持續(xù)大打折扣甚至是被否定的。
De Haas分別對“主流-側(cè)流”DEMON工藝、 A-B工藝（其中側(cè)流工藝采用DEMON）、無側(cè)流消化液Anammox處理的傳統(tǒng)A/O等不同組合工藝進(jìn)行了基于N2O排放特征的對比研究。結(jié)果顯示，側(cè)流-主流都采用厭氧氨氧化方式的工藝，雖然實現(xiàn)了完全能耗自給（電中和），但是其GHG排放量卻是上述工藝中最高的；采用傳統(tǒng)處理工藝的污水廠其排放量卻是最低的。國際“碳中和”先驅(qū)Strass污水廠主流-側(cè)流均采用厭氧氨氧化處理方式，從溫室氣體排放角度分析，該組合處理工藝的N2O排放是上述不同工藝中最高的，從全生命周期（LCA)評價分析該模式確實帶來了一些效益，但從大環(huán)境角度看它并不能被稱為“環(huán)境友好”，因為其處理工藝直接排放大量N2O而對氣候變化形成了潛在影響；同樣研究結(jié)論，Kuokkanen等在對赫爾辛基Viikinm?ki污水處理廠2013年—2019年持續(xù)多年的實際排放N2O的數(shù)據(jù)表明，如果不加以適當(dāng)控制，在污水處理短程硝化反硝化過程中有相當(dāng)大的N2O排放風(fēng)險，這可能超過節(jié)約能源和化學(xué)品對環(huán)境產(chǎn)生的積極影響。上述研究表明，如果不能解決革新性污水脫氮工藝中的N2O排放問題，“電中和”可能實現(xiàn)了，卻未必實現(xiàn)“碳中和”。從這個角度講，未來準(zhǔn)確識別和定義“能耗中和”和“碳中和”關(guān)系，具有現(xiàn)實意義；兩者不能等同，否則電中和就會掩蓋“碳增量”。
在溫室氣體排放及極端降雨日益增多的重多壓力下，從單一目標(biāo)和維度上規(guī)劃、設(shè)計大尺度灰色基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)頗受詬病，美國費城、倫敦及哥本哈根深隧項目受到嚴(yán)厲批判，僅從“水”的維度來規(guī)劃設(shè)計項目被實踐證明是存在較大問題和風(fēng)險的，未來可持續(xù)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的重構(gòu)需要兼顧和平衡經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性及環(huán)境可持續(xù)性等方面。可靠性、韌性與可持續(xù)性通常是矛盾的，提高了系統(tǒng)可靠性往往不能滿足經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)性，但是這種看似“不可調(diào)和的矛盾”實際上隨著科技發(fā)展是可以通過一些革新的工程技術(shù)措施逐漸被解決，在有效降低工程投資、節(jié)省運行能耗的同時，實現(xiàn)系統(tǒng)可靠性、韌性與可持續(xù)之間的平衡，這為未來構(gòu)建嶄新的城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)呈現(xiàn)了一個極具活力和前景的研究和產(chǎn)業(yè)化方向。在“雙碳”視角下，需要重新審視過往在水系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計與運行控制的形成的習(xí)慣或傳統(tǒng)做法，水處理工藝、水環(huán)境與溫室氣體排放之間的耦合關(guān)系逐漸被認(rèn)知，與此同時，一些目前看來革新性污水處理工藝及排放標(biāo)準(zhǔn)的提升往往帶來GHG負(fù)面效應(yīng)，因此，如何平衡水質(zhì)提升與GHG排放的關(guān)系，是未來亟需解決的科學(xué)與工程技術(shù)問題
4.3 極限脫氮芻議
近些年來，各地相繼出臺 “準(zhǔn)Ⅳ類”“準(zhǔn)Ⅲ類”等高污水排放標(biāo)準(zhǔn)，甚至極個別城市要求所在流域內(nèi)污水廠執(zhí)行TN=1mg/L的超高標(biāo)準(zhǔn)，引發(fā)熱議。提高排放標(biāo)準(zhǔn)，控制水體富營養(yǎng)化本無可厚非，但這其中一個關(guān)鍵性的科學(xué)和技術(shù)問題首先是如何在技術(shù)可達(dá)、經(jīng)濟(jì)合理前提下控制硝態(tài)氮的去除；其次是是否有必要極限去除這部分硝酸鹽氮。綜合國外實際案例觀測結(jié)果來看，一味提高對氮素尤其是硝態(tài)氮的極限去除，值得商榷。
對歐美一些湖庫富營養(yǎng)化控制案例的研究表明，控磷比控氮更經(jīng)濟(jì)有效，甚至控氮并不能控制湖庫富營養(yǎng)化。例如，在加拿大安大略西北部的淺水型湖泊227湖，進(jìn)行了為期37年的磷素輸入不變、氮輸入逐年減少的氮磷投加試驗，以驗證氮控制對富營養(yǎng)化的影響貢獻(xiàn)。在最后的16年里(1990年—2005年)，該湖只投加了磷素而未投加氮，但是這期間依然發(fā)生了較為嚴(yán)重的水華。基于為期37年的長周期跟蹤性研究，Schindler等認(rèn)為，對于大多數(shù)淡水湖泊，通過控制氮的輸入來實現(xiàn)控制富營養(yǎng)化最終是徒勞的，將有限的資金用于控制磷的輸入應(yīng)該更經(jīng)濟(jì)有效。這樣的結(jié)論在歐洲和北美近40座湖泊的富營養(yǎng)化控磷實踐中得以驗證。有意思的現(xiàn)象是，歐美一些湖泊反而在特定季節(jié)或時期向水體添加硝態(tài)氮來實現(xiàn)富營養(yǎng)化控制，如美國弗吉尼亞Occoquan Reservoir為了保證水質(zhì)，季節(jié)性輸入NO-3-N，投加量為10mg/L時通過控制泥水界面的氧化還原環(huán)境以控制湖庫底泥磷的釋放，使水庫的富營養(yǎng)化得到遏制；此外，硝酸鹽投加還可以有效抑制底泥中甲基汞的釋放，在靠近底泥沉積層添加富含硝態(tài)氮的三級處理廢水可以降低甲基汞的濃度，并可能減少汞的生物積累，同時提高飲用水的安全性。
上述案例提示，對于特定湖泊或水庫等受納水體，是否真的有必要將TN（主要是硝態(tài)氮）控制到極限排放水平值得商榷；其次，對于污水廠尾水排放到城區(qū)河道尤其是受納水體為黑臭水體的情況下，保證必要的硝態(tài)氮對于遏制黑臭控制底泥“泥-水”界面磷的釋放進(jìn)而控制藻類繁殖是有益的，因此，有必要重新認(rèn)識和辯證評估硝態(tài)氮在水體富營養(yǎng)化控制中及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)體系中的作用，不該唯“極限脫氮”論。
誠然，目前理論界在控氮、控磷方面目仍存在一些不同認(rèn)知，也不否認(rèn)有些湖泊富營養(yǎng)化控制中在某些時期進(jìn)行氮磷指標(biāo)協(xié)同“雙控”的有效性，但是筆者認(rèn)為，前述歐美研究和實際案例都共同揭示了一個普遍規(guī)律，相較于氮而言，磷相對可控，即便切斷所有的人為氮素的輸入，但由于空氣中存在大量的氮氣，生態(tài)系統(tǒng)可以通過生物固氮過程和閃電快速補充氮素，而磷素則不具備上述補充途徑。在較長的時間尺度上，欲通過削減氮負(fù)荷來控制浮游藻類總量往往不是有效和經(jīng)濟(jì)的。從這個意義上講，從流域尺度上，系統(tǒng)性評估受納水體水質(zhì)特征，不搞“一刀切”、不能一味追求極限脫氮，要辯證認(rèn)識極限脫氮的必要性，甚至因地制宜地修改污水排放標(biāo)準(zhǔn)，對有些流域準(zhǔn)確識別富營養(yǎng)化特征、放寬對TN中硝酸鹽氮的排放限制，有限資金集中力量控制磷污染，從而大大降低富營養(yǎng)化的治理成本，對于構(gòu)建經(jīng)濟(jì)、低碳可持續(xù)的城市水系統(tǒng)是有深遠(yuǎn)意義的。
4.4 過量含氯消毒劑投加對水生態(tài)負(fù)面影響
近些年來，隨著各地污水排放標(biāo)準(zhǔn)對糞大腸桿菌群指標(biāo)要求的提高，污水處理過程中往往會過量投加含氯消毒劑，可能導(dǎo)致污水生物毒性顯著增強的問題，這是因為消毒劑能夠與水中含有的人工或天然溶解性有機物(NOM)發(fā)生氯化反應(yīng)生成大量鹵代消毒副產(chǎn)物(HDBPs）并排放到受納水體。此外，不同于給水水源，污水廠尾水殘留較高濃度的含氮素有機物發(fā)生氯化反應(yīng)后還會產(chǎn)生含氮的HDBPs，如鹵乙腈、鹵硝基甲烷和N-亞硝基二甲胺(NDMA)等具有更強三致活性的物質(zhì)；污水中溴化物濃度通常也遠(yuǎn)高于飲用水水源，因此尾水消毒過程也會產(chǎn)生大量具有更高“三致” 活性的溴代DBPs；同時，因過量投加生成的部分消毒劑及其水解產(chǎn)物也會隨尾水排放到受納水體，不同種類的DBPs可以在排放口下游河道數(shù)km~數(shù)十km范圍內(nèi)被檢測到，甚至三鹵甲烷沿程在一定區(qū)間內(nèi)沿程濃度呈現(xiàn)逐漸提高趨勢。顯然，長距離、長周期的各類DBPs和殘留消毒劑的存在，會持續(xù)破壞水環(huán)境功能及微生物菌群結(jié)構(gòu)，并對水生生物（魚類、貝類等）產(chǎn)生急性、亞急性毒性效應(yīng)，對水生植物產(chǎn)生直接破壞作用，進(jìn)而持續(xù)破壞水生生態(tài)系統(tǒng)平衡，導(dǎo)致微生物生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性及功能性改變，受納水體及下游水環(huán)境生物多樣性消失。倘若這些含有DBPs“毒性”增強的尾水被直接或間接排放到飲用水水源，其對飲用水水源地水質(zhì)安全性直接構(gòu)成嚴(yán)重威脅（氯化消毒及產(chǎn)物足跡與歸宿見圖6）。近些年來，據(jù)調(diào)研，我國一些執(zhí)行高排放標(biāo)準(zhǔn)的污水項目，其尾水排放河道及水環(huán)境生物多樣性反而比提標(biāo)前大幅減少甚至魚蝦皆無，這種高藥耗、高能耗換取的所謂“高品質(zhì)水”其生態(tài)價值值得深入探究。
基于水生態(tài)安全性考慮，美國一些發(fā)達(dá)國家要求采用氯消毒工藝的污水廠還需配備脫氯工藝，雖然有研究顯示，脫氯過程并不能將氯化消毒后污水的毒性水平恢復(fù)到氯化消毒前，但是脫氯環(huán)節(jié)還是能有效控制和削減氯消毒劑本身進(jìn)入后續(xù)水環(huán)境的行為。很遺憾的是，我國設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范）卻沒有考慮或給出氯化消毒的生態(tài)風(fēng)險措施如要求污水廠設(shè)計脫氯或者降低氯化消毒副產(chǎn)物生成潛能的一些建議的工程技術(shù)措施。自從新冠疫情暴發(fā)后，不同場合的消毒劑更是被大量甚至無節(jié)制應(yīng)用，進(jìn)而更高程度上提升了含氯消毒劑向環(huán)境中的釋放過程，基于含氯消毒劑引發(fā)的持久性生態(tài)毒理風(fēng)險有待后續(xù)系統(tǒng)研究與生態(tài)風(fēng)險評估，這將是一項長周期的工作。減少含氯消毒劑的使用，改進(jìn)消毒方式（多點投加）、方法（與UV聯(lián)用），開發(fā)如過乙酸（PAA）等新型環(huán)保型消毒劑，已經(jīng)成為未來城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計與運營等各個環(huán)節(jié)必須面對和解決的改善水生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展的迫切事項，做到真正的“水質(zhì)可持續(xù)”。
05 可持續(xù)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)體系構(gòu)建
基于上述分析，“碳中和”格局下隨著氣候變化影響下不確定性天氣日益增加，水系統(tǒng)作為市政基礎(chǔ)設(shè)施要成為韌性城市總體規(guī)劃的重要組成部分，也要主動適應(yīng)不斷變化的外在環(huán)境壓力及相關(guān)條件的約束而不斷調(diào)整和優(yōu)化框架、技術(shù)和管理體系；從另一角度看，低碳既是水系統(tǒng)面臨的壓力，更是給水務(wù)和環(huán)境行業(yè)帶來了新的技術(shù)發(fā)展驅(qū)動力、商業(yè)模式創(chuàng)新和發(fā)展機遇。水務(wù)行業(yè)要系統(tǒng)性構(gòu)建以韌性、可靠性與可持續(xù)性為基本特征的面向未來的城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)框架，至關(guān)重要的問題是，可持續(xù)城市排水系統(tǒng)構(gòu)建需要跨學(xué)科、跨部門的協(xié)作和共同實踐，問題在于所涉及的社會和技術(shù)復(fù)雜性，以及對水系統(tǒng)面臨的綜合挑戰(zhàn)和系統(tǒng)解決方案的范圍缺乏共同的理解和認(rèn)知，推進(jìn)可持續(xù)排水系統(tǒng)的構(gòu)建不是一件容易的事情。目前，國內(nèi)外尚缺乏“碳中和”戰(zhàn)略下可持續(xù)排水系統(tǒng)評價指標(biāo)體系，為此將系統(tǒng)可靠性、韌性、低碳、生態(tài)安全性、智慧監(jiān)測與控制及非工程性措施與利益相關(guān)方的積極參與六個維度設(shè)置為一級指標(biāo)，在一級指標(biāo)基礎(chǔ)上細(xì)化為47項二級指標(biāo)，具體見表2。需要說明的是，不同指標(biāo)之間可能會存在一些內(nèi)在的邏輯關(guān)系和相互影響，但是排水系統(tǒng)本身就是一個多維度、多層次、多因素、多目標(biāo)復(fù)雜交織的體系，需要各個專業(yè)的共同協(xié)作和推進(jìn)。
06 結(jié)語
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），系統(tǒng)提升面對復(fù)雜外部擾動因素下排水系統(tǒng)的韌性與可靠性，而不能僅在“水”的一維空間和尺度上提供解決方案，排水設(shè)施規(guī)劃和建設(shè)要注重環(huán)境總體可持續(xù)性，避免實施“偽生態(tài)”甚至“逆生態(tài)”行為，充分保護(hù)生物多樣性是未來相當(dāng)長時期可持續(xù)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。未來韌性、可靠性與可持續(xù)為基本特征的排水系統(tǒng)注重為城市發(fā)展提供環(huán)境與生命健康和綜合生態(tài)價值，通過排水系統(tǒng)韌性與生態(tài)設(shè)計，重新構(gòu)建人與環(huán)境、人與生態(tài)的文明鏈接，這既是挑戰(zhàn)，更是賦予行業(yè)發(fā)展的新機遇和新動能。
來源：中國給水排水
京公網(wǎng)安備 11010802021286號