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污水控制:从马桶文明谈起

时间:2015-05-11 13:15

来源:万若环境

作者:张健博士

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目前的城市污水排放模式沿用了欧洲19世纪工业化和城市化进程中所奠定的模式,其重要特征之一是用大量的水作为载体来输送城市污水中富含有机物与营养盐的人粪尿。本文分析欧洲早期形成污水混合排放模式的背景和经过几代人的历史沿革,认为由于历史上人们对水环境系统认识的局限性以及城市基础设施的历史沉积性,今天西方流行的城市排水模式存在严重的历史偶然性,而并不是节水、污染控制和污水资源化系统优化的必然结果。中国在高速城市化进程中面临水资源、水污染等多方面的挑战以及节能减排和循环经济的现实要求,远不同于西方建立城市排水系统时的历史背景,有必要在分析历史成因的基础上寻求更可持续发展的替代模式。

1. 由马桶文明而带来的城市排水的变革

  19世纪欧洲自来水厂以及集中供水管网的修建使得大规模应用冲水马桶成为可能,到了19世纪中叶英国率先引入和普及城市冲水马桶以及开始大规模修建城市下水道。冲水马桶引入后,由于厕所废水量数十倍增加,城市中原有与排水系统独立的粪坑在容量上受到巨大冲击,原有的粪尿收集、转运设施无法再满足新的要求,不得不通过下水道排放。

  粪便排入地表水首先遇到的问题是饮用水源的卫生安全性问题,十九世纪下半叶,欧洲大陆在城市排污、排水的模式上有过几十年的激烈论战和不同的尝试,比如欧洲大陆出现了如粪尿装罐密封清运的所谓海德堡模式。即使在英国,简易旱厕的坚持者也以冲水马桶容易出故障作为理由之一拒绝冲水马桶的应用。当时在是否允许粪尿混合下水道排放的论证上医生和卫生学专家起了重要作用。德国试验卫生学家Pettenkofer认为河流流速在0.6m/s污水稀释15倍可达到自净效果。这一观点成为很多城市修建混合下水道的理论依据,粪尿开始从农业利用转向排放和水体污染。与此同时,工业生产磷肥氮肥的技术问世,人们也不再为失去农业营养源而担忧。

  在城市排水模式的大论战中,特别值得回忆的是荷兰人Liernur发明的负压废水收集系统。该系统在欧洲大陆多个城市得以实施。当时采用铸铁管道进行污水的负压输送,用蒸汽机驱动负压泵产生负压收集罐中的负压。除阿姆斯特丹外负压排水当时在多个地区和城市得到过应用,如巴黎、柏林等。到了1905年阿姆斯特丹有近5000个厕所与负压排水系统相接。与此同时,Liernur以多种文字发表其主张,并提出粪尿应继续作为资源利用,工业废水应该单独收集并交纳排污费等观点,从某种意义上讲是今天污水源分离与资源化的基本思想。但是这种模式在城市排水中并未能获得发展,仅在乡村、海滨、水源保护地等领域成为一个与重力流管道排污相比经济技术上有优势的替代方案得到应用。

2. 重力流混合排放加加压泵站成为排水唯一模式的成因分析 

从伦敦十九世纪中叶大规模修建城市下水道到世纪末该模式在欧洲广为普及大约50年的过程中,干厕和不同的粪尿清运方法与技术以及负压输送在城市排污中消失,与此同时重力流加加压泵站混合排污得到广泛应用,今天看来笔者认为有以下几方面的原因:(1)粪尿清运在舒适度、卫生管理等方面存在很大局限,粪尿的臭味(铵、硫化氢等)不仅影响了人口密集的都市的舒适度而且被看作疾病流行的传播途径。(2)自来水供水的改善使冲水马桶的普及成为可能,大量的水作为载体输送粪尿,与其他流体输送方式在当时情况下具有多方面优势。(3)负压输送技术虽然能将粪尿在一定区域内收集,但技术本身在当时条件下在控制和可靠性上尚有很大缺陷。(4)化肥工业的崛起使农业摆脱了对粪尿回田的依赖,粪尿农用难以保证经济上的收益。(5)水在当时欧洲工业国家并不缺乏,耗资巨大的下水道工程在当时欧洲国家的工业化、城市化背景下有较充裕的财政支撑。(6)将污物输走是当时的主导思想,下水道的规划和建设者没有也不可能对后来水污染和城市水资源的因果关系有系统的认识和预测。(7)卫生专家对疾病传播方面认识的局限及对环境自净能力的夸大在理论上支持了城市大规模修建下水道。(8)在无污水控制要求、水资源充足、环境容量较大以及资源循环没能得到重视的情况下,重力流排污对于排放量大而集中的都市具有明显的经济优势,成为当时条件下“决策优化”的结果。

3. 城市混合排水引入初期城市供水与排水的变化

其实,在引入城市下水道的过程中,粪尿与疾病传播的途径和机理并不是很清楚。比如上面提到卫生学家Pettenkofer认为,潮湿土地中的空气产生的臭气是疾病传播的途径,并与同时期的卫生学家Robert Koch 发生争议,直到Koch 1883年证明粪便进入饮用水是霍乱传染的真正途径。1848年德国汉堡开始引进英国技术修建城市下水道。1892年发生的一次霍乱,7500多人死亡,成为当时的特大事件。首先垃圾污物被认为是传染源,所以1893年汉堡修建了德国的第一个垃圾焚烧厂,但是后来很多分析研究证实,恰恰是作为水源的易被河含粪尿污水是造成这次灾难的原因。

  城市含粪尿污水排河以后,很快便遇到了河流污染的问题。污水土地滴滤成了污水控制的一个补救手段。同一时期,城市供水也发生了一些变化,体现在引入净化工艺(过滤、消毒)和供水方式两个方面。比如西门子1857年就发明了臭氧发生管,真正用于自来水消毒如柏林Spree河水处理、Paderborn水厂臭氧处理工艺分别产生于1898年和1907年,这很可能与当时汉堡的霍乱有关。除此之外,很多城市的供水水源也发生了变化,笔者检索了柏林现存老水厂取水方式的变化,如1877年在Tegel湖边建成的自来水厂先采用地下水,1883年为增加供水量改为直接取地表水,但是到了汉堡事件之后的1901年又改成采用地下水了。1893年建的Friedrichshagen水厂也先是使用地表水,到1904年便改成了打井取水。为了抵御污水对饮用水的污染,在工业快速发展和需水量迅速增加的大背景下,从地表水取水变为通过自然或人工的河岸渗滤获得地下水供水,是普及城市下水道后供水模式的一个变化。在德国,广泛应用土地过滤地表水再生地下水的供水模式保留至今。

4. 漫长的污水控制之路

  虽然城市下水道建设后随着污染问题的出现污水处理逐步得到关注并有所实施,但真正的大范围实施和普及城市污水控制则是几十年以后的事情。  二战后欧洲出现了一个经济高速增长、工业现代化和城市化的高峰,污染控制也逐步提上日程。这一时期主要控制目标是耗氧物质的去除和污泥的稳定化。这期间人们开始认识到污水处理残余物-污泥问题的复杂性-也即稳定化处理后的脱水污泥的去处问题,如著名污水工程师Imhoff当时的表述:“尽管污泥的量只占污水的1%,但它的费用占了污水处理的30%,在让我们头痛的事中占了90%”。

  上世纪八十代以前的污水控制行动虽然减少了COD 和一部分氨氮的排放,但是这些对水体富营养化问题并没有显著改善。水体富营养化的影响因素较系统地被认识则是上世纪70年代的事,直到上世纪八十年代才开始大规模实施硝化和反硝化脱氮以及生物除磷。

5.在西方发达国家仍然存在和难以解决的问题

  下水道建设经过了一个半世纪后,其间虽然通过不断增加末端处理使水污染得到一定控制,但是这些国家城市排水和污水控制仍然问题重重,突出的问题可以简化成以下三个方面:(1)污泥问题:即使在污水处理率非常高的一些发达国家,仍然有一半或更多的污泥被填埋。耗资很高的焚烧在回收能量上非常有限,且焚烧后相当一部分残余物属于特殊固体废弃物。由于混合污水成分复杂,所以只有很小一部分污泥得到肥料利用。(2)污水管网及污水处理费用高:欧洲很多历史上修建的污水管网进入翻修和高维护期,致使管网费用不断增加,如德国管网费用已经占到污水总费用的70%。另一方面,对于欧洲发达国家的小型污水处理厂和欧盟欠发达地区,污水中的营养盐去除率仍然很低,即使在欧盟国家,如果要普及现有最好水平污水处理厂的话仍然需要支出巨大费用。(3)处理后污水浓度仍然过高:即使污水处理厂建造实现目前最严格的排放控制要求,人居区对地表水的污染问题也难以真正解决。例如目前污水处理厂含磷可以控制在1mg/L,但是这一浓度对于很多枯水期的受纳河流或城市内及周边流量小的地表水体仍高出控制目标近百倍,也就是说需要百倍的稀释才能满足要求。  除了这几个实际问题外,从可持续发展和循环经济来看存在下面两个重要欠缺:  资源循环:  生活污水中大部分的COD 和绝大部分的营养盐来自人粪尿。磷和钾是有限的不可再生的资源,制造氮肥需要消耗大量能量。后者在污水处理过程中相当一部分通过能量消耗变成了氮气没能回收。钾的大部分随出水流走,污水中大部分的磷进入污泥。由于末端处理污水成分复杂,污泥直接农用存在附带污染物富集的问题。近年来从污泥中单独回收磷的研究取得一些进展,但都存在费用高,工艺较复杂和回收率低的问题。由于模式上的缺陷,农业-食品-废物-农业营养物在引入城市下水道模式后几乎被彻底截断。

  能量效率:在污水管网方面,虽然高水量高密度的重力流混合排放显得简单,但人们常常忽视加压泵站的能耗。污泥发酵等可以回收一部分能量(如沼气发电约160 KJ/人•天),但远不够污水处理厂本身的耗电(约250 KJ/人•天) 。人废物中所含的绝大部分有机物在污水处理过程中通过外界输入能量被氧化成二氧化碳排放掉了。

6. 关于对历史发展过程的认识

  下表列出城市排水历史发展中一些较为典型的事件。

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回顾历史发展,可以确定以下几个结论:

(1)城市粪尿混合下水道排放实施后开始出现自来水厂的水处理(如过滤和臭氧消毒)。

(2)下水道建设后大约经历了50年才出现污水的生物降解处理。

(3)下水道建设后大约经历了50年出现污泥的稳定化处理。

(4)下水道建设后约经历了100年污泥的处置问题成为一些城市的重要问题,被迫采用高费用的焚烧来缓解。

(5)下水道建设后大约经历了100年后营养盐磷的控制才开始得到重视。

(6)下水道建设后大约经历了130年后才开始实施对营养盐氮的控制。

(7)下水道建设后大约经历了150年后才开始重视资源随废水流失的问题。

从单纯解决排污问题发展到西方现在的污水处理水平前后经历了大约一个半世纪。仅从时间尺度上看西方形成的现在的城市排水模式存在严重历史偶然性,它是随着新问题的不断出现,人们认识水平的发展一步一步延伸而来。由于排水设施的历史沉积,每一步新的发展都是在前人已有的决策和取向基础上而形成的,具有很强的被动性。所以发展到今天的结果也自然不可能是节水、污染控制和污水资源化系统优化的必然结果,换句话说,西方从来还没有机会在同一个时间段面上对城市节水、排污、治污以及资源化和可持续发展进行系统优化。 

7.替代方案的实践

针对传统模式的缺陷,近十年来所进行的替代排水方案的探讨与尝试中,节水、能量、资源回收型的污染物源分离对策受到高度重视。

虽然人粪尿在量上仅约为生活污水总量的1%,但含有化学能(COD)总量的约60%,氮磷总量的约90%多(参见表1)。基于人粪尿和生活污水在质和量上的巨大反差和传统模式中以能量消灭能量、去除营养盐而不是回收资源等问题,上世纪末特别是瑞典、德国、瑞士等国家学者相继较系统地提出分散排水与再利用(DeSAR(Decentralized Sanitation and Reuse)),替代排水方案(Alternative Entwaesserung),可持续排水(Sustainable Sanitation),生态排水(Ecological Sanitation)等新概念,其核心是源分离(Source Separation)或源管理(Source Management),即将人类粪尿与生活污水剥离并资源化,污染程度低的废水与雨水分散资源化。2001年以来已举办多届以Ecological Sanitation(EcoSan)命名的国际会议,EcoSan作为概括这一新理念的术语也越来越流行。

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8.挑战与机遇

尽管全球城市化发展中无一例外地沿用欧洲早期城市化中形成的排污模式,但是不能不看到,上述较健全的污水管网和较完善的现代污水处理厂至今仅在少数几个工业发达国家得到实现。

在传统模式发展一个半世纪后的今天,我们不能不思考欠发达国家和发展中国家在世界范围内还需要多少代人和多少财力物力才能普及到少数几个工业发达国家今天的水平?即使有一天达到他们今天的水平,同样会面临发达国家现在所面临的问题,如高耗水、高耗能、资源没能循环、能量没能回收等等,今天的发展中国家又不得不考虑和重视这些因素,因为他们已经没有资本来先污染后治理了。

与上述发达国家污水控制历史不同的是,在老城改造,城市扩展,村镇、乡镇城市化中中国在同一个时间段面面临节水、排水系统、污水处理和可持续发展等多个问题。中国目前污水控制的现状是:城市污水处理率仅约一半,污水收集管网不健全,已建的城市污水处理厂中有相当一部分还没有实现除磷脱氮,污泥厌氧消化仅在极少污水处理厂得到实现,脱水后的污泥基本上还是填埋、填地,乡镇的污水处理基本上还没有起步,与此同时高速的城市化还将持续相当长的时间。已有案例研究显示中国许多地区由于人口密度高,环境容量小,从污染物总量上对污水处理深度要求比经济发达国家甚至还要高,如郑兴灿等[10]对江浙平原河网地区的案例研究显示即使全部城市污水都达到GB18918-2002中一级B的要求,排放的污染物负荷仍然会明显超过受纳水体的环境容量,水污染问题仍然难以真正消除。

水系统的管理目标、结构以及各个子单元的技术手段远比过去一百多年清晰和强大。认识水平的提高和技术手段的改善使得我们不仅面临水环境的巨大压力和挑战,同时也有更和谐地解决问题的条件与机遇。

现实要求我们总结经济发达国家在污水控制上的得与失,积极寻找更有效和更经济的可持续发展对策。



编辑:任萌萌

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