南京純水探討城市水系統研究以及發展趨勢
【www.www.21gzbz.com南京純水設備】迄今為止，氮磷引發的水體富營養化及水生態健康惡化、合流制溢流污染控制等問題，并沒有取得徹底的有效解決；與此同時又出現了新問題和挑戰：新行微量污染物質不斷被發現，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處理效力有限等。
隨著環境分析技術及環境健康研究的深入，在水環境及飲用水源中不斷發現了“新”污染物質，如持久性有機物、內分泌干擾物、醫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，具有環境持久性和生物累積性，南京工業純水處理設備對人類健康及生態系統存在潛在風險，在研究領域引發普遍關注。這些污染物質來源于工農業生產和日常生活，通過多種途徑進入水體和土壤環境，多數并不能被常規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，人們發現替代氯的新消毒劑氯胺和臭氧同樣也有消毒副產物的問題，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生反應，產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，繼續在原有水系統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的基本模式。
城市水系統研究進展
近些年在城市水系統的研究領域，具有創新意義的研究方向主要有以下方面。
1、可持續的污水處理系統
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、實現間接飲用的目的。這一勇敢的嘗試對污水再生利用產生了深遠的影響。本世紀初新加坡也研發了傳統生物處理加雙膜法的工藝，生產的新生水“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污水處理的理念，提出污水處理的目標應從簡單的削減污染物實現水質達標向能源化資源化的可持續方向發展。2008年荷蘭應用水研究基金會（STOWA）提出了“NEWs”（Nutrient + Energy + Water factories）一詞，表示可持續理念下的污水處理廠是營養物、能源和再生水三位一體的生產工廠；并研發了眾多引領世界的新技術，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化的問題，目前磷的回收在荷蘭已經較為普遍，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）技術生產生物塑料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可持續、能源回收、資源循環和環境友好等四方面。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排水系統
糞便和尿液約占到市政污水氮磷營養物質總負荷的90%以上，近代以來的水系統將糞便、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，影響著水生態系統健康。南通純水處理設備同時阻斷了糞便和尿液中的營養物回歸土壤，特別是在污泥回用于農田也受到限制的情形下，從而打破了氮磷營養物質的自然循環，而另一方面人類卻需要消耗礦物資源來合成農業生產所需的化肥。
考慮到上述挑戰，20世紀末瑞典、德國、瑞士等國學者相繼提出以源分離為核心的生態排水系統，提出在居民住宅內將糞/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技術（如濕地）進行處理及資源和能量的回收利用。與傳統的統一收集、統一處理的模式相比，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境（如圖5所示）。目前這種新型模式在技術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化為干凈的水、能源和營養物質，如1939年瑞典研制開發的室內堆肥廁所、英國克蘭菲爾德大學的納米膜馬桶和“蓋茨馬桶”等。
3、新型生態系統處理技術
盡管基于物化生化原理的人工強化技術在不斷升級，但同時依賴于原始生態系統的處理技術也并沒有被摒棄，而是積極地應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勢：低能耗、低成本、不需大量使用化學品、不會產生有害副產物；能有效去除絕大多數有機污染物、氮磷和金屬污染物；能較好地應對沖擊負荷等。其不足主要是需要更多時間和空間，處理效果的穩定性受到季節的影響；需要專業的設計和運行管理人員；需要考慮重金屬、有毒化學品對于土壤、地下水及生態系統的長期影響等。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和大約50個表面徑流處理系統等土地處理系統在運行。另外還有法國的馬克斯-普朗克學會流程（即4~5個表流及潛流濕地的串聯系統）和加拿大的“活機器”處理系統等。
4、組團化分散式的水系統布局模式
傳統城市水系統收集、輸送及處理模式的規模趨向于越來越大，主要考慮規模擴大的經濟性，其次也有便于管理等方面的考慮。南京反滲透純水處理設備而從便于污水再生利用的角度出發，小規模的組團化、分散式的污水處理設施布局模式在整體的技術經濟性、投資風險控制等方面較大集中式的傳統布局模式表現出越來越明顯的優勢，目前主要在水質安全風險控制、運行管理等方面還存在一些障礙。
城市水系統隨著城市社會經濟及技術的發展而不斷發展，滿足了城市對水的各種功能需求。在工業文明的背景下，其發展的歷史是以集中式、大規模、以灰色基礎設施為主導的：服務范圍和設施規模不斷擴大，處理工程技術也不斷精細化復雜化，但是新問題新挑戰依然存在，這些問題促使我們對水系統有了更深入的認識：盡管科學進步使城市涉水學科各專業分工更細、更專業化，但是供排水始終是相互聯系、相互影響的，水問題也是相互交織而復雜的；水資源具有可再生性和稀缺性，而水環境容量和水處理效率都具有有限性；生態系統具有復雜性，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、不可預見的等等。
展望城市水系統的未來，我們更加需要應用系統思維來解決復雜的城市水問題：
（1）城市水循環系統除了考慮水資源、水環境、排水安全及水生態修復外，還需要考慮營養物質的循環及能量的流動；
（2）城市水系統的發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濟發展水平等因素的影響，每個城市應該都會有適合各自的優化方案；
（3）城市水系統整體優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籌考慮，意味著對傳統的模式、系統的每個環節都可能帶來創新，并建立相應的集成的、可持續的管理措施。
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