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(kuò)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(kuò)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(yùn)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(yùn)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(kuò)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(yùn)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(qiáng)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jī)質(zhì)潛能。污水中理論最大有機(jī)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(yùn)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(yùn)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(jī)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(jī)質(zhì)情況下，通過工藝改進(jìn)、節(jié)能設(shè)備與運(yùn)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(yùn)含的可提取的熱量卻大的“驚人”， 熱能核算顯示，污水中蘊(yùn)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(kuò)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(yùn)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(yùn)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(bǔ)，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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(qiáng)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(yùn)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(qiáng)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(dú)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(kuò)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(dú)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(dú)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(dú)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(dú)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(yùn)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(dú)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(dú)立，存在浪費(fèi)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(yùn)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(yùn)行工況嚴(yán)重偏離設(shè)計參數(shù)，運(yùn)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(kuò)容便捷，一期、二期、三期擴(kuò)容或者提標(biāo)改造只需要“搭積木”式擴(kuò)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(qiáng)的韌性；同時這種“模組化”設(shè)計更加節(jié)約用地，無需浪費(fèi)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(dú)立單元運(yùn)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(kuò)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(kuò)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(yùn)行，在要求進(jìn)一步脫氮時，只需更換濾頭、濾料，調(diào)整運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(bǔ)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(jī)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(yùn)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(qiáng)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(fèi)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(yùn)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(yùn)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?dú)猓鷳B(tài)系統(tǒng)可以通過生物固氮過程和閃電快速補(bǔ)充氮素，而磷素則不具備上述補(bǔ)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(yùn)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(jī)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(kuò)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(yùn)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(jī)遇和新動能。
來源：中國給水排水
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